钢铁企业区域性煤气平衡实践

陈晓伟，陈 伟，王荣耀，田 朝

（唐山钢铁集团有限责任公司动力部，河北唐山 063000）

引言

随着《国务院关于化解产能严重过剩矛盾的指导意见》和《国务院关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》等政策发布，河北省积极化解重点行业过剩产能，优化钢铁产业临港临铁布局，钢铁企业集群化、聚落化加强。

煤气作为联合钢铁企业重要二次能源，约占企业总能耗的35%［1］，以充分利用和减少放散为目标的煤气平衡管理已经成为钢铁企业节能降耗和深度挖潜的重要手段［2］。2021年全国重点钢铁企业煤气资源利用率维持在98%左右，表明单一企业富裕煤气的缓冲手段和能力有限，存在资源浪费和环境污染问题［3］，因此充分发挥钢铁企业集群化、聚落化优势，打造煤气资源共享网络，探究区域化煤气平衡技术对于钢铁企业节能降耗和深度挖潜显得尤为重要［4］。

结合唐山钢铁集团实际情况（以下简称唐钢），就其在唐山市乐亭经济开发区建立的涵盖唐钢新区、唐钢中厚板和佳华焦化的高炉煤气、焦炉煤气互通管廊，开展区域性煤气平衡技术研究，以期在钢铁企业集群化、聚落化背景下，降低外购能源成本，同时减少污染排放，提高经济效益与社会效益。

1 唐钢乐亭区域煤气平衡现状分析

1.1 设备配置情况

唐钢新区运行2 922 m3高炉3 座。配有煤气柜4 座，30×104m3高炉煤气柜1 座，15×104m3转炉煤气柜2 座，5×104m3焦炉煤气柜1 座。三管式放散塔1座，单管放散能力20×104m3/h。煤气缓冲设施为100 MW发电机组1座，78 MW发电机组2座［3］。

唐钢中厚板运行1780 m3高炉1座、1580 m3高炉1 座。配有煤气柜3 座，10×104m3高炉煤气柜1 座（故障，长期停用），5×104m3和8×104m3转炉煤气柜各1 座，无焦炉煤气柜。三管式放散塔2 座，单管放散能力6×104m3/h。煤气缓冲80 MW发电机组1座，35 MW发电机组1座。

佳华焦化运行60孔7 m顶装焦炉2座，配有10×104m3焦炉煤气柜1 座，单管式放散塔1 座，放散能力2×104m3/h，煤气缓冲用户为135MW发电机组1座。

1.2 煤气平衡情况

从煤气发生量数据来看，唐钢新区、唐钢中厚板和佳华焦化各煤气发生量相对稳定，数据如表1所示。

表1 煤气发生量状况

唐钢新区、唐钢中厚板内各用户高炉煤气用量计划值和实际用量波动范围情况如表2所列。唐钢新区高炉煤气典型用户如热风炉、加热炉，用量浮动较大，缓冲用户如发电机组基本处于满发状态，后备缓冲空间不足，且发电机组缓冲煤气峰谷用量的时间存在一定的滞后性，管网冲击放散可能性高，能源浪费严重。唐钢中厚板也存在用户用量波动幅度问题，由于其气柜未投用，煤气系统抗负荷冲击能力差，发电机组启机和切换频繁。

表2 唐钢新区、唐钢中厚板高炉煤气用量状况

唐钢新区、唐钢中厚板和佳华焦化内各用户焦炉煤气用量计划值和实际用量波动范围情况如表3所示。各用户焦炉煤气用量较为稳定，唐钢新区和唐钢中厚板使用外购焦炉煤气，用量缺口较大，受限严重。而佳华焦化由于其自身135 MW 发电机组设计限制，焦炉煤气最大用量5.9×104m3/h，完全使用焦炉煤气，机组所能达到的最大负荷只有80%。因此焦炉煤气存在较大裕量和反送燃气公司问题。

表3 唐钢新区、唐钢中厚板和佳华焦化焦炉煤气用量状况

因此充分考虑唐钢新区、唐钢中厚板和佳华焦化煤气利用现状，并兼顾周边化工企业能源需求，整合优质能源，科学制定煤气供需之间的平衡和共享策略，不仅对企业发展、降低能源消耗和改善环境都具有重要意义，也是区域应对能源紧张和环境治理的重要举措。

2 唐钢乐亭区域煤气平衡措施

2.1 优势互补，高效益生产

唐钢新区、唐钢中厚板和佳华焦化毗邻，均处于唐山市乐亭经济技术开发区，厂区边界管线直线距离均小于1.0 km。因设计规范的一致性，三个厂区煤气管网设计压力均为50 kPa，其中高炉煤气管道实际运行压力6～15 kPa，焦炉煤气管道实际运行压力6～12 kPa，联通管道压力阻损约0.5 kPa，厂际间煤气运行压力匹配。管线相互连通后，在厂际入口近段均设置煤气流量、压力计量仪表，其中高炉煤气流量仪表具备双向计量功能，作为区域内各厂煤气资源调度和用量结算依据。建成后，唐钢乐亭区域煤气资源共享网络如图1 所示，依托区域内多点位多用户缓冲富裕高炉煤气，提升高炉煤气系统稳定性。同时使用高炉煤气置换佳华焦化的焦炉煤气，一方面使用高炉煤气提升佳华焦化135 MW 发电机组负荷，减少其发电机组发电和焦炉加热所消耗的焦炉煤气。另一方面唐钢新区和唐钢中厚板球团、高炉和炼钢等关键工艺使用佳华焦化的焦炉煤气生产，实现焦炉煤气零外购同时佳华焦化实现零放散和零反送。

图1 唐钢乐亭区域煤气资源共享网络图

2.2 建立唐钢乐亭区域燃气调度中心，优化煤气资源配置

唐钢新区作为乐亭区域最大的高炉煤气裕量输出和焦炉煤气需求厂区，是区域内的煤气调度与平衡管理中关键，因此在唐钢新区建立乐亭区域燃气调度中心，对唐钢新区、中厚板和佳华焦化行使公司级燃气调度管理职能。区域调度原则为：各厂区应在不影响各自主产线用气的基础上，利用发电机组、焦炉煤气外售等方式实现互补空缺，实现煤气系统稳定且高效运行。

正常情况下，燃气调度中心依据各厂生产计划编制煤气平衡方案，各厂按照平衡方案消耗区域内富裕煤气。非正常情况下，一是如遇到大型煤气用户故障和检修（含煤气柜），由所在厂区向区域调度中心申请外送，由其他厂区主产线和发电机组消耗，直至放散。二是如遇到大型煤气发生户故障，由所区域内发电机机组按照35 MW、78 MW、80 MW、100 MW、135 MW 的先后顺序减少用量缓冲主线用气量，直至所在厂区管网保压和恢复生产。

2.3 高效机组优先，能源利用最大化

佳华焦化135 MW、唐钢新区100 MW 和唐钢中厚板80 MW 均为超高温亚临界发电机组，唐钢新区78 MW 和唐钢中厚板35 MW 均为超温超高压机组，能源利用效率上存在较大差别［5］，超高温亚临界发电机组燃耗比超温超高压机组低0.42 m3/kW·h（高炉煤气煤气热值3135 kJ/m3），执行“高效机组优先、高品质蒸汽优先”的富裕煤气资源利用原则，高效机组优先高负荷运行，保证能源利用最大化，78 MW机组和35 MW 机组保持60%左右的负荷，保证一定的主线煤气峰谷用量的缓冲高空间。

2.4 降低高炉煤气峰谷用量起伏

加热炉、热风炉等高炉煤气大用户的集中使用或停用是打乱煤气平衡的主要因素。唐钢新区大用户用量占总产气量的波动范围为30%～61%，唐钢中厚板大用户用量占总产气量的波动范围为40%～79%。因此，降低大用户峰谷用量起伏对于提升整个高炉煤气系统的稳定性至关重要。因热风炉具备规律性大小烧特点，通过对热风炉的大小烧时间进行了整体的安排，避免时间重叠，解决了因热风炉大烧、小烧时间重叠引起的高炉煤气峰谷用量波动。通过将唐钢新区、唐钢中厚板生产计划进行整体安排，燃气调度室与轧线控制室建立信息联络机制，科学合理安排缓冲发电机组的运行方式，计划性工作早安排，突发性用能有预案，寻求煤气需求和供应状况最佳平衡点，确保发电机组稳定运行。

2.5 充分利用气柜谷吸峰吐能力

煤气柜可对煤气系统的失衡起补偿作用，一是可以储存系统中的过剩煤气，二是当系统中的煤气不足时，保证生产线的正常运行。

唐钢乐亭区域高炉煤气管线连通后，高炉煤气系统具备多点位多用户的缓冲能力，并且具备30×104m3高炉煤气一座，唐钢中厚板无高炉煤气柜问题得以解决，系统稳定性得以提升。同时燃气调度室以“高柜容、低放散压力；低柜容、高放散压力”为原则，将高炉煤气柜运行状态与管网放散压力进行了综合考虑，并结合近期运行情况设定了如下的连锁值（如图2所示）。

图2 唐钢乐亭区域高炉煤气柜容-放散压力配置

唐钢乐亭区域焦炉煤气管线连通后，系统具备5×104m3焦炉煤气柜1 座，10×104m3焦炉煤气柜1座，具备充足的富裕焦炉煤气缓冲空间，实现了焦炉煤气系统的稳定运行。

2.6 用户压限原则和用量波动限制

高炉煤气使用优先级分为四级，依次为：热风炉＞烧结、球团＞炼钢加热炉＞发电机组等用户。高炉煤气不足时，首先保证高效机组运行，按照35 MW、78 MW、80 MW、100 MW、135 MW 的先后顺序压减区域内四级低效发电机组，发电机组降至最低负荷后升为二级用户，四级用户压减完不能保证高炉煤气供气量时，依次压减三级用户、二级用户、一级用户。由于发电机组在高炉煤气用量的调节上存在一定的滞后性，同时各产线存在突发大量用气情况，故需对各用户用量波动进行限制，故在区域内建立计划用气量机制，根据各厂区生产计划规定用气量范围，避免因缓冲用户反应不及时造成管网压力波动和气柜的剧烈升降起伏。

2.7 内利产出激励

富余煤气主要用于发电，各发电机组均具备焦炉煤气掺烧能力，一方面用于锅炉点火和稳燃，另一方面用于增加发电量。因焦炉煤气价值较高，使用焦炉煤气生产一度电的成本较使用高炉煤气高50%左右。因此降低发电机组焦炉煤气掺烧量，将其用于球团、高炉、炼钢和外供化产加工等高价值产线需求。此外，通过奖励减少放散量等经济手段引导各单位向有利于煤气平衡方向发展。激励各单位积极探究节能降耗措施，提高煤气利用效率，增加各单位的内利产出。

3 结论

唐钢乐亭区域高炉煤气、焦炉煤气管线于2021年8 月联通，通过采用优势互补、集中调度、高效机组优先、降低高炉煤气峰谷用量起伏、充分利用气柜谷吸峰吐能力和内利产出激励等措施，焦炉煤气实现100%利用，高炉煤气利用率提升至99.9%，区域内煤气系统更加高效益生产和高质量发展。随着钢铁企业进入“微利时代”，加强区域合作已然成为应对资源瓶颈和环境压力的有效措施［6］。唐钢乐亭区域煤气平衡探究是在国家钢铁企业集群化背景下，对区域性煤气资源利用和管理的典型事例，对钢铁企业进一步挖潜降本具有重要意义。