关于智能化钢厂的讨论——从物理系统一侧出发讨论钢厂智能化

 钢铁工业是典型的流程制造业,制造流程是其物理特征。通过对钢铁制造流程内在特征的研究,阐述了对钢厂智能化的认识,探讨了推进钢厂智能化的思路及其内涵,包括智能化设计、智能化物流、智能化物质流/能量流/信息流的组织与调控、智能化经营和服务等。指出流程型智能化制造的物理系统要以动态-有序、协同-连续运行为其网络结构及程序优化的导向,并以此物理系统（流程系统）为本体与智能化信息网络系统融合,实现全厂性动态运行、管理、服务等过程的自感知、自决策、自执行和自适应。智能化钢厂的建设,需要深刻理解制造流程动态运行过程的物理本质,构建起植根于流程运行要素及其优化的运行网络、运行程序的物理模型,进而构建全流程网络化、层次化信息流模型。钢厂智能化不只是数字信息系统,必须高度重视物理系统的研究,必须是有物理输入/输出的物质流网络、能量流网络和信息流网络“三网协同”的信息物理系统。钢厂智能化既要重视数字化信息网络系统的研发,更要重视制造流程（物理系统）中物质流网络、能量流网络的结构优化和运行程序优化,通过以制造流程物理系统结构优化和数字化信息系统相互融合来实现钢厂智能化。     

从开放系统、耗散结构到钢厂的能量流网络化集成

为了实现可持续发展和增强市场竞争力,钢铁工业在下一步技术转型中,应高度重视钢铁制造流程的能量流和能量流网络问题。本文在对比分析热力学孤立系统、封闭系统、开放系统和耗散结构基本特征的基础上,从充分发挥钢厂三个功能的视角,阐述了钢铁制造流程中铁素物质流和碳素能量流的行为规律,提出了应注重与铁素物质流相关的碳素能量流的输入/输出特点和能量流网络构建以及相应的信息化集成调控的观点,剖析了钢铁工业节能减排的潜力,指出了提高钢厂综合竞争力和多方位服务于可持续发展社会的可能性,探讨了相关理论的建立、技术开发和工程化实施的策略等。     

钢铁智能制造背景下物质流和能量流协同方法

钢铁企业面临库存增加、产能过剩、盈利艰难等问题,迫切需要通过绿色化和智能化的发展来应对当前的严峻形势.基于钢铁企业制造流程特点,通过分析企业以铁素流为核心的物质流和相应能量流网络特征,针对企业现有信息化系统在物质流和能量流协同方面存在的问题,提出钢铁制造过程的物质流和能量流的协同方法,明确物质流和能量流的耦合应从钢铁制造的单元工位设备与整体流程网络两个层面进行规划、设计和实施,并且指出可从完善信息监控、进行计划协同和调度协同三个方面来实现协同优化.构想基于现有信息系统架构,通过增加相应企业资源计划系统、制造执行系统、能源管理系统等信息系统的功能,以及建立物质流和能量流协同优化信息子系统的方式,以钢铁制造过程的物质流和能量流相关信息的数字化及模型化为支撑,实现制造流程的物质流和能量流协同优化,达成生产优化、资源优化和能源优化的效果.      

从流程学视角构筑焦化工序发展新格局开启焦化行业低碳新模式

在国家碳达峰及碳中和政策强力推进的新形势下,我国钢铁工业焦化工艺正面临着百年大变革的新挑战及高质量发展的历史新机遇。以《冶金流程工程学》三大功能理论为指导,剖析了焦化企业流程工序碳能源的应用现状,结合钢铁企业/流程工序绿色转型发展的实际需求,对焦化流程进行了解析优化、工序协同优化、流程重构优化的系统集成优化,推动了焦化流程工序能量流革命化重构、流程高效化再造及产业链优化重组。开发洁净高效能量流及网络运行模式、高效能质转化流程工艺技术、低碳固碳新产业技术,为绿色化、生态化、低碳化、智能化焦化流程的构建提供了可行性。     

钢铁制造流程的物质流和能量流协同优化

智能制造和绿色制造已成为制造业的发展趋势,钢铁企业具有资源和能源消耗大、排放高等特点而面临着严峻挑战。为此,运用冶金流程工程和系统工程的原理,对钢铁企业物质流和能量流的协同优化问题进行分析。通过对钢铁企业信息系统 ERP、MES 和 EMS 的分析,从信息流角度阐述了改善钢铁制造流程物质流和能量流的系统协调方法,探讨了基于信息流的物质流和能量流的协同优化机制及可能途径,为从设备单元的过程控制与流程整体生产以及能源管理的不同层面进行物质流和能量流的协同优化提供了思路。     

“炼钢厂多工序运行协同控制关键技术研发与应用”项目科技成果评价会成功召开

正2021年1月8日,中国金属学会在北京组织召开了由北京科技大学和山东莱芜钢铁集团银山型钢有限公司两家单位共同完成的"炼钢厂多工序运行协同控制关键技术研发与应用"项目科技成果评价会。为促进钢铁行业高质量发展,《中国制造2025》提出需着力推动大数据、云计算、人工智能等技术在钢铁工业的应用,着力解决钢铁制造流程单工序工艺的优化完善与多工序运行的协同控制问题,实现炼钢厂智能化生产。     

钢铁制造流程物质流与能量流协同优化研究进展

 钢铁企业具有流程长、能耗高、排放量大等特点,钢铁制造流程物质流与能量流的协同优化是实现高层次系统节能的关键。为此,对钢铁制造流程物质流和能量流优化的研究进展与应用进行了综述,在此基础上阐述了钢铁制造流程物质流与能量流协同优化的主要研究方向,即物质流与能量流的相互影响和协同规律研究、考虑能源约束的生产计划编制和物流与能流耦合调度。提出了解决协同优化模型构建和求解的关键在于科学的物质流与能量流协同表征方法、生产计划与能源计划时间粒度的统一和智能算法的优化。     

钢铁企业能效分析及应用

钢铁工业作为高耗能工业,对于应对节能减排和实现绿色发展至关重要。钢铁企业的能效计算方法应不断向合理完善的方向发展。文章系统分析了钢铁企业能效计算的系统边界,讨论了折标系数选取并提出用于评估企业自身能效水平的三个层次的指标体系。计算了企业A分公司2015年不同电力折算系数下的工序能耗,同时对比了案例企业A 2006年和2007年的工序能耗。通过计算得到企业A 2006年、2007年及分公司2015年钢铁生产流程的总能效分别为53.41%,53.71%和63.45%,比较了企业自身能效水平,提出了节能方向,对企业节能减排工作具有一定的指导意义。     

炼钢厂多尺度建模与协同制造

在阐述炼钢厂多尺度建模与协同制造技术架构的基础上,分别从单体工序尺度、车间区段尺度与炼钢厂运行尺度开展了炼钢厂协同制造的研究。从工序/装置过程控制系统（PCS）到炼钢厂制造执行系统（MES）进行了较为系统的建模研发,构建了包括转炉工序、精炼工序与连铸工序在内的工序工艺控制模型以及以生产计划与调度模型为核心的物质流运行优化模型,并通过工序工艺控制和生产计划与调度的动态协同,实现了炼钢厂多工序/装置的高效运行。研发了炼钢?连铸过程工序工艺控制模型、生产计划与调度模型同MES之间的数据接口,实现了MES与生产工艺控制、流程运行控制、生产计划与调度系统的有机融合,形成了以机理模型与数据模型协同驱动的工艺精准控制、多工序协同运行、基于“规则+算法”的生产计划与调度为支撑的炼钢?连铸过程集成制造技术,通过多层级的纵向协同与多工序的横向协同,实现了炼钢厂的协同运行与控制。研究成果是炼钢?连铸过程智能制造的有益探索与实践,对流程工业智能制造企业具有很强的参考价值,对冶金工业绿色化、智能化发展具有示范与借鉴作用。应用后,明显提升了炼钢厂的协同制造水平,取得了显著的经济与社会效益。      

智能化钢铁制造流程信息物理系统的设计研究

 现代钢铁制造流程是集成烧结、球团、焦化、炼铁、炼钢和轧钢等多工序过程的耗散结构体系。钢铁制造流程是在物质流、能量流和信息流协同运行的条件下,完成一系列复杂的冶金过程和转变。探讨了对钢铁制造过程物理本质以及运行特征的认识和研究,提出了现代钢铁制造流程物理系统的设计理念和方法。阐述了流程工程动态精准设计体系在钢铁冶金工程设计中的应用,讨论了智能化钢铁制造流程的系统层次和构建理念。着重论述了钢铁制造流程信息物理系统的内涵和架构,提出了静态物理系统与信息系统集成、耦合、协同的设计理念和方法,论证了现代钢铁制造流程信息物理系统的智能化设计思路、程序和应用实践。     

钢铁企业能耗分析模型的建立及应用

叙述了我国钢铁工业能耗现状,回顾了模型化研究能源系统的发展历程,阐述了投入产出模型的建立及求解过程。将多级投入产出法应用到某钢铁企业,建立了评价指标体系,从多层次、全方位的角度来评价企业的能耗情况。通过模型计算对该企业已采用的节能技术的应用成效进行了评估,并根据其能耗情况提出新的节能技术,为企业的节能减排提供参考。     

基于CSC方法的钢铁行业节能减排技术潜力分析

为了研究中国钢铁行业的节能减排潜力,以35项钢铁行业先进节能减排技术为研究对象,建立节能供应曲线(Conservation Supply Curve,简称CSC)模型,分析影响钢铁行业的节能减排收益、成本效益以及钢铁生产流程工序层面的节能减排潜力因素。结果表明,这35项技术全部应用可实现3.01 GJ/t的节能量以及398.22 kg/t的CO2减排量。将结果与第十三个五年计划推广技术作对比,在当前情况下,约有50%的推广技术并不符合成本效益;运用CSC模型进行了钢铁生产流程工序层面的节能减排潜力研究,得到各个工序的节能量和减排量,并据此分析了各项技术未来的发展趋势和应用前景。     

钢铁制造流程能源转换功能的开发与利用

针对钢铁制造流程能源结构和能源转换特点,提出钢铁制造流程能量流优化的核心是煤的转换与煤气、余热等二次能源的回收利用问题。在《冶金流程工程学》等理论的指引下,提出钢铁制造流程煤基能量系统是一个复杂的大系统,具有功能涌现性,通过充分开发与利用其能源转换功能,并与其他行业及社会大系统进行耦合,可构建“钢铁、化工、燃气、氢气、电力、供热、供冷多联产系统”,将更有利于提高系统能源效率和价值,更好实现钢铁企业绿色、低碳转型发展。     

中国钢铁工业节能减排潜力及能效提升途径

 钢铁工业是典型的资源能源密集型行业，是节能减排重点行业之一。总结了中国钢铁工业“十二五”以来所取得的节能减排进展及存在的问题，采用动态物质流分析方法，构建了钢需求量和废钢回收量预测模型，基于35项重点节能减排技术评估，结合能源消耗与CO2排放模型，分析了中国钢铁工业到2050年的节能减排潜力并分析了各因素的影响。在此基础上提出了提升中国钢铁工业能效的若干途径，为钢铁工业的绿色低碳转型、可持续发展提供理论指导。     

中国钢铁工业生产能耗的发展与现状

过去十几年里,中国钢铁工业在保证产量快速增长的同时,也非常重视节能工作。2006—2018年间中国重点钢铁企业吨钢综合能耗下降14.0%,吨钢可比能耗下降21.0%。目前,中国钢铁工业产量快速增长阶段基本结束,处于转型升级阶段的钢铁工业未来如何进一步降低能耗是中国节能工作的重点。全面分析了目前处于转型期内中国钢铁企业能源利用情况,研究了过去多因素影响下各类能耗指标变化的原因,说明了目前中国钢铁企业的实际能源利用水平,并通过比较分析建议了中国钢铁工业未来的主要节能发展方向。此外,预测未来中国钢铁生产废钢比的上升将使企业间流程结构差异性逐渐加大,能耗数据将仅能提供有限的参考价值,研究科学、合理的钢铁企业能源利用水平评价方法应该引起重视。     

钢铁制造流程能源转换机制与能源利用效率分析

 从钢铁制造流程的属性和动态运行过程的物理本质出发,阐述了钢铁制造流程中铁素物质流和碳素能量流的行为规律和钢铁制造流程的能源转换机制,得出能源转换过程必然伴随能量的耗散,因此应尽量减少能源转换次数,并指出在钢铁制造流程中,铁素物质流与碳素能量流相伴而行,而碳素能量流与铁素物质流则时合时分。还构建了一个年产290万t的棒线材流程企业,计算了该流程的余热余能资源量及回收利用情况,并剖析了该流程的能源利用效率。最后指出高效回收利用余热余能和构建合理的物质流网络和能量流网络及两者协同优化的能源管控中心是提高钢铁企业能源利用效率的重要手段。     

Prospect of energy management system for large steel enterprise

The energy management system(EMS),which acts as the heart of the energy management center of a steel enterprise,is a large computer system focused on the concentrative monitor and control of the production and utilization of energy.Although Chinese steel industry was well developed in the latest decade, so far the levels of the comprehensive energy consumption per ton steel among Chinese steel enterprises are remarkably distinct,and the average value of the comprehensive energy consumption per ton steel of them has still been much higher than the value of those in developed countries.This bad situation,in the opinion of the author,partially results from the poor ability for most Chinese steel enterprises to manage the production and utilization of energy.National policies associated to energy-saving and ejection-decreasing call for steel enterprises to build the EMS;and more and more steel enterprises themselves also desire to achieve EMS projects so that they can optimize their energy production and utilization.Baosteel,the largest and most advanced steel enterprise in China,has got plenty of experience in the EMS due to its incessant practice for more than 30 years in the design,construction,application,and revampment of its EMS.In the present article,the features of an advanced EMS is described and discussed based on the design practice of the EMS of Baosteel Zhanjiang Project.An advanced EMS should be an optimized and integrated system,which possesses of the characteristic of high managing efficiency,enough openness in expansion,friendly interfaces, and simple structure.Furthermore,it could support many-sided applications,e.g.,energy related data mineing,energy network combination and co-supply,application of geographic information technology,and other technical researched on energy-saving aspects.It is known that some energy-related indexes of Baosteel have stood on a high level better than those of some worldwide famous steel enterprises.Moreover,it goes without saying that the indexes of Baosteel Zhanjiang will be better than those of present Baosteel.Therefore, one can easily expect that the new EMS of Baosteel Zhanjiang will be much more advanced,which will be more helpful to fulfil systematiclly saving of energy,to elevate the efficiency of energy utilization,to lower the comprehensive energy consumption per ton steel.     

钢铁企业物质流、能量流和污染物流研究

建立了钢铁企业物质流、能量流和污染物流的分析方法.提出了钢铁企业生产过程和能源转换过程的数学模型;给出了工序能耗、产品能值和吨钢能耗表达式;同时考虑钢铁生产过程中资源消耗、产品生产和污染物排放等问题,提出了工序、产品和吨钢环境负荷分析方法和计算公式;分析了钢铁生产过程中影响上述指标的各种因素,以及能量流、物质流和污染物流三者间的相互关系;应用建立的分析模型,研究和分析了我国钢铁工业吨钢能耗和环境负荷的变化与进步.