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5钢铁企业能源综合平衡
钢铁企业能源综合平衡
一、钢铁企业能源综合平衡概述
（一）钢铁企业能源综合平衡的定义
钢铁企业能源综合平衡是以钢铁企业为对象的能源平衡，包括各种能源收入与支出的平衡，消耗与有效利用及损失的能源数量平衡。
钢铁企业能源综合平衡所指的能量平衡范围，是指在生产活动中消耗的一次能源和二次能源所提供的能量，工质和物料所携带的能量，以及在企业内部进行能源转换和传输过程中损失能量的综合系统平衡。
在平衡计算中，都是将各种形式的能量按它们的等价热量值折合成热能这一主要利用形式，所以往往又将钢铁企业能源综合平衡称为钢铁企业热平衡。
钢铁企业能源综合平衡并不是只限于能源和能量的统计分析和数量平衡这一狭义的技术经济范围，而是通过这方面的工作，广义地对钢铁企业能源管理的组织体制，用能方针和政策，企业的耗能设备乃至生产工艺流程等进行分析，提出企业近期技术改进措施和远景规划。
钢铁能源综合平衡统计是综合平衡统计的重要组成部分，是一项综合性很强的系统工程。
从微观到宏观，从单项到综合，从局部到整体，从个别能源流转环节到全部能源系统流程，形成了一个完整的能源平衡体系。
（二）钢铁企业能源综合平衡的意义
钢铁企业能源综合平衡遵循输入能量等于输出能量这一基本法则，就一定时期内企业能源的购入、加工转换、输送、分配、储备、使用等整个能源系统流程进行平衡分析，就能源系统内各运行环节的特征和相互之间的联系，以及能源经济运行中所形成的总量、效益之间的制约和平衡状况。
（三）能量平衡体系
能量收、支的项目是随着所选体系不同而异的，所以在进行能量平衡时必须首先确定研究的体系，它可以是一个设备，也可以是一个工序，还可以是一个分厂，乃至整个企业。
在选好体系之后，用框图代表所选的体系，而将进入和排出体系的所有各项能量用箭头标在方框的四周，这就构成了我们所研究的能量平衡模型，绘制模型图的习惯方法一般是：
1．由工质（工艺流体、物料或半成品）所带入能量Q带入画在方框的左侧。
2．由外界供给的能量Q供入画在方框的下方。
3．排出和损失的能量Q损失画在方框的上方。
4．有效利用的能量Q有效画在方框的右侧。
能量平衡模型图的作用是便于分析测算，它帮助人们抓住主要项目并不致漏计和重计，同时又具有简单明确的特点。
（四）能源平衡的分类
1．按所包括的能源品种范围划分
（1）单项（单一品种）平衡表，单项平衡表是指某一个能源品种资源与使用支出情况的统计表。
如煤炭平衡表，煤气平衡表、蒸汽平衡表、电力平衡表、水平衡表等。
根据各能源品种资源构成与使用方向的不同，在主栏内设置不同项目。
如煤炭平衡表内设有洗选损耗指标；电力平衡表设有水电、火电、核电、其它电量及输配电损失量等指标。
分品种平衡表多采用实物量单位，也可采用标准量单位。
它是编制综合能源平衡表的基础。
例如单项煤气平衡表见表5.1。
表5.1单项（煤气）平衡表
名称
产量
单产或单耗
焦炉煤气
高炉煤气
转炉煤气
备注
万t
GJ/t
万m3
GJ
万m3
GJ
万m3
GJ
发生量
焦炉
高炉
转炉
合计
消耗量
焦炉
烧结机
球团
高炉
转炉
电炉
轧线
风机
发电
外供
其它
合计
放损
实际放散量
差损量
实际放散率
差损率
（2）综合能源平衡表。
综合能源平衡表是在各种能源单项平衡表基础上编制的，它是单项能源平衡表的有机结合。
它把所有能源品种进行综合、加工、整理，消除一次能源和二次能源转换和利用过程中的各种重复因素，综合反映了全部能源资源的形成及消费构成等整个系统流程各环节的数量关系。
钢铁企业综合能源平衡表见表5.2。
表5.2综合能源平衡表
能源种类
购入能源
外调能源
库存变化
自耗能源
产品产量
燃料能源
洗精煤
无烟煤
动力煤
汽柴油
冶金焦
焦炉煤气
高炉煤气
动力能源
电力
鼓风
水
氧气
压缩空气
蒸汽
焦油粗苯
2．按所采用的不同计量单位划分
（1）实物量能源平衡表。
实物量能源平衡表是指根据各种能源品种不同的形态，采用不同的实物量单位编制的平衡表，主要表现能源实物量供应与消费的平衡关系。
如煤炭、焦炭用重量单位“t”计算；天然气、煤气用体积单位“m3”计算；热力、电力用能量单位“J”、“KWh”计算。
实物量平衡表是编制标准量能源平衡表的基础。
实物量能源平衡表见表5.3。
表5.3实物量能源平衡表
能源
设备
原煤
洗精煤
洗中煤
焦炭
电
煤气
蒸汽
万t
万t
万t
万t
亿度
亿m3
亿kJ
洗煤设备
炼焦设备
发电设备
工业锅炉
（2）标准量能源平衡表。
标准量能源平衡表是指按能源的同度量单位（我国采用标准煤）编制的平衡表。
它是将实物量平衡表按各种能源品种不同的折算标准计量单位系数进行计算，即为标准量能源平衡表。
在同一标准计量单位下，各个能源品种才可以相加，所以综合能源平衡表就是一种标准量平衡表，其作用是反映能源的能量供应与消费的平衡关系。
标准量能源平衡表见表5.4，其中燃料数据单位均为标准煤。
表5.4标准量能源平衡表
燃料
设备
原
煤
洗
精
煤
洗
中
煤
焦
炭
电
煤
气
蒸
汽
合计
投入量
产出量
损失量
转换效率（％）
洗煤设备
炼焦设备
发电设备
工业锅炉
合计
3．按平衡表结构形成划分
（1）收付式平衡表。
收付式平衡表是将能源各品种的资源和使用两个对应方面的各项指标相对照的列出，收与付的总量是相等的。
它只能反映单一能源品种的收支平衡。
收付式平衡表见表5.5。
表5.5收付式平衡表
品种
生产
消耗
高炉煤气
焦炉煤气
转炉煤气
合计
（2）并列式平衡表。
并列式平衡表是将各能源的收支平衡集中反映在一张表内。
主栏是能源品种，并栏是能源收支存指标，每个能源品种的收支存都具有平衡关系。
能源统计基层报表就采用这种形式。
并列式平衡表见表5.6。
表5.6并列式平衡表
能源品种
单位
月初库存
本月收入
本月支出
月末库存
购入
生产
自用
售出
高炉煤气
m³
焦炉煤气
m³
转炉煤气
m³
电
kW/h
——
——
炼焦煤
t
动力煤
t
（3）棋盘式平衡表。
棋盘式平衡表是把能源各因素相互联系的收支关系分别在主栏、并栏相对称的列出。
国家能源平衡表和地区能源平衡表多采用此形式。
棋盘式平衡表见表5.7。
表5.7棋盘式平衡表
投入
产出
铁矿石
铁精矿
烧结矿
生铁
钢锭
钢坯
钢材
商品产量
总产量
铁矿石
铁精矿
烧结矿
生铁
钢锭
钢坯
钢材
4．按能源平衡包括的区域范围划分
（1）全国能源平衡表。
全国能源平衡表是以全国为平衡范围，是反映一定时期内全国能源流程的全过程。
采用行列矩阵形式，主栏各项表示各种经济活动和能源流程，并栏表示各种一次能源和二次能源品种。
平衡表矩阵中包括可供资源，加工和转换活动，消费活动等子矩阵，每个子矩阵有各自的平衡关系。
（2）地区能源平衡表。
地区能源平衡表是局部范围的平衡，以地区为平衡范围（如省、自治区、直辖市），是全国能源平衡表的基础。
它反映一个地区在一定时期内能源流程的全过程。
它与全国能源平衡表的表式、指标、编制方法等基本相同，主要区别是地区能源平衡表为反映各地区能源资源的形式和流向，在主栏中增设外地区调入量及本地区调出量两项指标。
（3）部门能源平衡表。
部门能源平衡表是以一个部门或一个行业为平衡范围，反映一个部门或一个行业一定时期内能源资源的形成和能源使用情况。
部门能源平衡表同全国、地区能源平衡表一样，也是采用矩阵式（即棋盘式），所不同的是根据本部门（或行业）生产和管理的特点和需要，在资源与消费方面的分组指标更细，在平衡项目上也会有很大不同。
（4）企业能源平衡表。
企业能源平衡表是以一个企业或公司为平衡范围，根据企业对能源管理的需要和本企业的实际情况，在产品生产、销售与库存，能源收、支与库存，能源消耗、能源加工转换，能源计量器具运行等一系列报表的基础上编制的综合平衡表，它反映了企业各种能源的来踪去迹以及各种能源的消费构成、加工转换的投入和产出，体现出企业能量的平衡关系。
（五）企业能源平衡的技术指标
能源平衡的技术指标是用以衡量企业和设备的耗能量、用能水平、节能潜力和能源管理完善程度的指标。
由于行业的差异和设备种类繁多，只采用一两个简单的指标来全面反映上述情况是十分困难的。
在测算分析完成之后，参照我国有关规定，计算出各项技术指标是能量平衡工作中不可缺少的组成部分，这些技术指标大体上可分为以下三个类别：
1．能耗指标
能耗指标即单位产品的能耗量，又可分为单耗、综合能耗和可比单耗。
（1）单耗又可分为产量能耗与产值能耗，即
（2）综合能耗
综合能耗是企业在计划统计期内，对实际消耗的各种能源（包括一、二次能源各种耗能工质所消耗的能源）进行综合计算所得的能源消耗量，通常用吨标准煤表示。
综合能耗又可分为三类：
总综合能耗，单位综合能耗（单位产量综合能耗单位为tce/t，单位产值综合能耗单位为tce//104元）与可比单位综合能耗。
可比单耗是为了同行业间进行比较而算出来的综合能耗，它以各行业所规定的标准产品为准。
2．利用率
（1）设备能量利用率即设备效率，按下式计算：
以上二式计算所得结果在理论上应该是完全相同的。
前式着眼于能量中有效的部分，其所得效率常称为正平衡效率；后式着眼于损失的部分，其所得效率常称为反平衡效率。
对于重点耗能设备要求正、反平衡都做，尤其是通过反平衡可以知道损失具体环节、位置和大小。
在一般情形下，二者的误差应在5％以内，否则应重新测算。
（2）企业能源利用率按下式计算
式中企业有效利用能量是企业终端有效利用能量的总和，它并不等于企业内各设备有效能量之总和（否则将发生重算）。
（3）装置能量利用率可按下式计算：
3．回收率
式中回收利用能量又分为可回收利用能与已回收利用能，它参照有关余能资源的规定算出，体现企业对余能的利用程度。
二、钢铁企业能源综合平衡案例
钢铁企业的能源介质有近二十种，能源系统繁多，能源用户遍布企业的各个方面。
为了使得有限的能源更加安全、高效、合理的分配，能源介质的平衡分配是一个很重要的途径。
在钢铁企业中，能源消耗最主要的工序一般包括烧结、炼铁、炼钢、热轧、冷轧等，同时还包括焦化、发电、制氧等能源转换工序，涉及的能源介质有煤气、电、氧气、氮气、压缩空气等。
钢铁企业的能源综合平衡所涉及的能源种类较多，能源系统较为复杂，就每一个能源平衡来看，都包括了能源的产生、能源的消耗以及能源平衡情况，通过对比能源的产生与消耗这两者之间的关系，可以得到能源系统的平衡情况。
占有重要地位的能源平衡有燃气平衡、氧气平衡、电力平衡、蒸汽平衡等，其中以煤气平衡最为复杂也最为重要。
下面以钢铁企业燃气平衡为例，对企业能源综合平衡进行具体介绍。
（一）燃气供应及其特性
1．燃气种类
燃气是气体燃料的总称，包括天然气、高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、重油裂化煤气、转炉煤气等。
在钢铁企业所使用的燃气中，副产煤气占有主导地位，因此以副产煤气为例进行介绍。
2．煤气的特性
（1）煤气与空气易混合，用少量的过剩空气就可保证充分的燃烧。
（2）煤气可以预热，从而可提高煤气的燃烧温度。
（3）燃烧过程易控制，便于实现自动化，能较好地控制调节炉温、炉压或火焰长度。
（4）输送方便，劳动强度小，燃烧时比固体（或液体）燃烧干净。
3．煤气用户的特点
煤气用户分为钢铁企业内部用户和民用两类。
在钢铁企业内部主要包括焦炉、高炉热风炉、轧钢加热炉、石灰窑等炉窑，另外连铸中间包、铁水包、鱼雷罐、混铁炉等的烘烤也需要用到煤气。
在民用领域，一般以焦炉煤气为主，且用量较小。
钢铁企业煤气用户对煤气需要量经常波动，包括高炉热风炉、焦炉、轧钢加热炉等都时有波动。
为减弱这些波动对整个煤气管网的冲击，需要增加一些稳定措施，例如建立自备电厂，增加储气柜，并对多余煤气进行放散等。
为了更好的说明钢铁企业煤气使用中的波动特点，引入同时系数与波动系数的概念。
（1）煤气用户煤气消耗量的波动
高炉热风炉煤气消耗量的波动。
热风炉煤气消耗量波动幅度一般在5％左右，在换炉时间内，其煤气消耗量将周期性的大幅度波动。
每日换炉次数和每次换炉时间由热风炉座数及燃烧制度而定。
通常一座高炉配三座热风炉，每隔一段时间换炉一次，此期间出现大量煤气富余，因为在换炉期间有一座热风炉停用煤气。
若企业无煤气贮罐，大量煤气将放散。
焦炉煤气消耗量的波动。
焦炉煤气消耗量的波动幅度一般为2％左右，波动较小。
但由于焦炉加热需定期换向，而换向时停用煤气。
煤气消耗量随焦炉加热换向而周期性地出现波动，对无贮柜单位，出现波动时只能放散，焦炉加热换向次数一般为每小时2～3次，每次换向延续时间约40秒；
轧钢加热炉煤气消耗量的波动。
各种型材、板材、管材轧机用的加热炉，当轧制品种、坯料一定，轧机正常生产时煤气消耗量的波动是不大的。
但当轧制品种、坯料断面与轧钢产量的改变以及轧机临时检修、换辊与生产中的临时待料、待轧等因素将造成煤气消耗量的波动；
以某公司轧钢系统煤气消耗波动为例（如图5.1）由消耗量波动曲线图知，单厂的煤气波动量比多个轧钢厂的波动量大，前者一般在10％～20％，后者为7％～12％。
图5.1某企业轧钢系统煤气波动
事故。
由于设备事故或其他原因而造成的煤气输送设备停止工作，使煤气无法送往用户，煤气就会出现临时过剩。
（2）副产煤气生产量的波动
焦炉煤气会因焦炉集中修检而产生气量波动，其波动量占总产量的7％～10％。
正常生产时，只要炼焦配比及加热制度固定，焦炉煤气产量是比较稳定的。
但当焦炉集中检修时，其煤气产量的波动幅度较大。
高炉煤气会因高炉装料时料钟开启的瞬时产生波动。
当临时检修或无计划的更换风口、渣口等以及减风或休风操作时，煤气产生波动。
正常生产时，高炉副产煤气的产量是稳定的，仅在高炉装料开启料钟及检修、维护高炉设备如更换风口、渣口、高炉中、小修时出现波动。
在高炉冶炼过程中发生如悬料、铁口、渣口堵不上时以及出现待焦、待料、停电、停水等不正常现象时，高炉被迫减风或休风操作，这时高炉煤气产量不同程度的波动以至停止产气。
某企业一座中型高炉，一年内休风45次，换风口18次，一年内减风操作93次。
煤气产量波动期况如图5.2。
转炉煤气回收是间断性的，只在吹炼初期、后期之间的一段时间。
吹炼初期和后期产量小，吹炼期的1/2～2/3区间内产量大。
图5.2高炉副产煤气产量波动曲线图
由于氧气转炉煤气回收系统皆设置煤气贮柜，用以平衡煤气产量波动。
因此转炉煤气的生产可按连续、稳定考虑。
综上所述，无论用户还是生产单位，煤气量的波动因素很多，在实际生产及管网配置过程中要求煤气系统实现平衡。
（二）煤气平衡
1．合理利用副产煤气
高炉煤气首先供应高炉热风炉、锅炉、焦炉及与焦炉煤气混合供轧钢等用户。
焦炉煤气供应各辅助煤气用户、与高炉煤气混合供轧钢等用户。
高炉座数少于三座的冶金企业，高炉煤气难以稳定供应焦炉加热时，可用焦炉煤气加热焦炉。
冶金企业有剩余的副产煤气时，应建设燃气机组发电。
副产的焦炉煤气在满足企业使用的条件下，可抽出部分焦炉煤气供合成氨及有机化学产品作为原料。
2．煤气平衡方法
（1）产量定额法
产量定额法是通过使用下一年产品产量、年工作小时、煤气用户的消耗定额等生产计划，计算出煤气产量与煤气消耗量，从而推断下一年的煤气供求是否达到平衡。
该方法主要用于编制长远规划。
高、焦、转炉年产气量计算可分别按下述进行：
高炉煤气：
年煤气发生量单位为kJ，年发生量扣除损失即为实际的产量。
焦炉煤气：
单位为KJ/a，年发生量扣除损失量即为年产气量，若以日历工作时间除年发生量即可得到小时煤气发生量。
转炉煤气：
对转炉而言，发生定额即为吨钢回收转炉气的数量。
煤气用户消耗量计算也可按类似办法算出，如：
烧结：
单位为KJ/a。
单位为kJ/h。
单位为kJ/h。
根据煤气生产总热量与煤气消耗总热量对比，判断某一阶段的煤气供求是否达到平衡。
（2）综合吨钢煤气消耗定额法
综合吨钢煤气消耗定额法用以粗略估算煤气平衡，通过使用吨钢综合煤气消耗定额，以及产品产量指标，推算某一阶段的煤气产量与煤气消耗量是否达到平衡。
（3）主要产品煤气消耗定额法
主要产品煤气消耗定额法以主要产品煤气消耗定额以及某一阶段的产品产量计划为依据，推算煤气供求是否平衡。
3．煤气平衡措施
由于用户煤气消耗量和副产气量的波动，造成企业高炉煤气管网与焦炉煤气的压力波动。
就一个大型钢铁联合企业，虽有锅炉作为煤气缓冲用户，但由于锅炉对改变燃料的适应性差，高、焦煤气管网的压力波动较大，将造成放散或限制部分煤气用户，甚至影响产品质量，增加产品单耗。
煤气管网压力大幅度的波动有时会导致爆炸或煤气事故。
因此应采取稳压措施，以确保安全。
（1）以自备电厂作为缓冲用户稳压
钢铁企业的锅炉作为煤气缓冲用户对稳定管网压力能产生较好的效果，高炉休风，会造成高炉煤气产量大幅度下降，但由于自备电厂锅炉缓冲煤气的调节，使得高炉煤气总管压力不会产生大波动。
钢铁厂炼焦、炼铁、炼钢的副产煤气是冶金企业的二次能源，由于煤气用户特点所决定的企业内二次能源产、消之间不平衡，需要在企业内部建设缓冲煤气用户。
钢铁企业内自备电厂的建设，即可起到二次能源产、消平衡的作用。
自备电厂的容量将根据各企业不同情况而定。
（2）建煤气储柜，协调二次能源产、消平衡
根据钢铁企业煤气波动及我国大多数钢铁企业大量放散煤气，确定高炉煤气柜容积时应考虑以下问题：
高炉休风时可能减少的最大高炉气生产量。
当高炉因某种原因休风时，自备电厂锅炉消耗相应减量，但锅炉改变燃烧煤气为其他燃料时需要一定的操作时间，如新日铁在宝钢的设计中确定增减的煤气量操作为15分钟和30分钟。
由于锅炉燃料改变而煤气管网产生波动，这时煤气柜将自动实现补充和吸收，维持管网压力平衡；
副产煤气生产与用户短时间的产、销不平衡。
煤气生产与煤气用户的波动性在前面已做了较多叙述，这些波动一般不会同时出现，因而就不可避免地产生临时性的不平衡，这种不平衡也将由气柜来实现调节；
图5.3煤气贮柜稳压效果曲线图（一座高炉休风时的情况）
其他因素，诸如高炉煤气产量突然增加，煤气供应系统中加压机突然事故，为保证煤气柜安全，为气柜活塞留有安全行程带来的气柜缓冲平衡气量的减少等等。
总之，自备电厂和煤气柜，互相协调是充分利用钢铁企业剩余煤气的主要措施。
煤气贮柜稳压效果曲线见图5.3。
（3）设置煤气自动点火放散装置稳压
当煤气产量超过煤气消耗时，以煤气放散来稳定管网压力，该方法浪费资源又污染环境，因此只在特殊情况下使用。
（三）煤气管理具体方法
1．编制钢铁企业煤气平衡表。
以某企业为例，每年第三季度编制第二年煤气平衡。
每月25日前安排下月的煤气平衡。
因高炉休风、轧机检修等可随时安排周或日煤气平衡。
2．编制检修计划，防止集中检修造成大量煤气放散。
如某公司有10余座工业炉窑烧煤气，生产中轧机及炉窑要定期大、中、小修，显然如果好几个厂同时检修必将造成煤气放散，安排好检修（尤其是冬季检修），可缓和煤气供应的紧张。
3．根据炉窑对煤气热值的实际要求合理分配煤气，按工艺要求对各种炉、窑供应单一煤气或混合煤气。
4．根据季节变化规律，合理安排冬、夏季副产煤气的产、供。
特别是地处东北的钢铁企业，冬夏温差大，对能源消耗有较大影响，要及时调整煤气使用量，及时进行煤气平衡。
5．根据煤气平衡建设煤气发电机组，配套煤气柜，提高发电量。
6．加强零星煤气用户管理。
对零星用户也要实行四定，即定量、定设备、定点、定时管理。
7．采用节能新技术。
如提高转炉煤气回收量，对现有加热炉进行综合治理，采用蓄热式加热炉，选用高效空气、煤气预热器，利用新型耐火材料加强炉体绝热等。
三、钢铁企业能流图
钢铁企业的用能单位繁多，用能状况复杂多样，需要统一协调调度。
通过建立钢铁企业能流图，分析企业用能状况，研究节能方向和途径，并对企业的综合能源管理提供重要依据。
企业能流图根据企业的能量平衡数据得到，在图中需要构建出用能形式、用能设备、能流方向，并表示出各能流的大小。
（一）钢铁企业能流图概述
钢铁企业能流图需要概括钢铁企业整个能源系统，描述企业能源消费结构，反映企业在能源收入储存、加工转换、分配输送、使用外销等方面的数量平衡关系。
整个能流图需要包括：
能源的购入储存，钢铁企业由于其特殊性
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