鋼鐵工業智慧水系統發展現狀與展望
一、引言
作為“十三五”收關之年，“十三五”期間，鋼鐵工業能源與環保約束進一步增強。在政策引領下，通過綠色可持續發展、資源節約和污染物減排等措施，落實供給側結構性改革、提高資源利用與產出效率將是鋼鐵工業現在乃至將來綠色高質量發展的必由之路。
“十三五規劃綱要”明確要求推進資源節約、集約利用，加強生態保護修復、健全生態安全保障機制、加大環境綜合治理力度。對于水資源，特別針對是具有突出環境影響的總氮、總磷、重金屬等污染物，在納入流域、區域及車間排口以排污許可證為法律約束，實施濃度與總量的雙重監管。
水利部〔2019〕373號文件發布了新階段下鋼鐵工業用水定額，進一步明確了現有企業水資源的管理目標及新建企業水資源論證、許可及評價指標。其中，對于含焦化及冷軋的鋼鐵聯合企業，先進值為3.9 m3/t粗鋼、領跑值為3.1m³/t粗鋼。
另一方面，工信部“智能制造發展規劃（2016—2020年）”指出，2025年前，推進智能制造發展實施“兩步走”戰略：第一步，到2020年，智能制造發展基礎和支撐能力明顯增強，傳統制造業重點領域基本實現數字化制造，對有條件、有基礎的重點產業智能轉型取得明顯進展；第二步，到2025年，智能制造支撐體系基本建立，重點產業初步實現智能轉型。《鋼鐵工業調整升級規劃》也明確要求行業夯實智能制造基礎、全面推進智能制造的任務。
二、鋼鐵工業智慧水系統發展現狀
鋼鐵生產工業是用水大戶，噸鋼耗新水是衡量一座鋼鐵廠先進性及城市鋼廠的重要指標。典型長流程鋼鐵聯合企業水系統包括以下部分：水源取水、工業用水制取、循環冷卻水、廢水處理與回用等，如用于工業水、軟水、純水等的制取系統；用于高爐風口、爐體及設備等間接冷卻的清循環系統；用于高爐冷卻壁、連鑄結晶器等間接冷卻的純水密閉系統；用于軋線鋼坯冷卻除磷、煙氣濕式除塵等的濁循環系統；用于加熱爐汽化冷卻及煙氣余熱回收系統；用于焦化廢水、冷軋廢水等廢水處理、回用及零排放系統等等。
以某廠水系統現狀為例，各水處理設施大多配套主體生產線單獨分期建設，由于主線設備多引進于日系或德系，其對于水處理系統的設計理念有所差異，導致實際現場運行管理風格差異較大。各水處理設施裝備水平、自動化程度、水質過程監控深度等水平參差不齊，還有不少工作需要人工干預。總體來看，水系統操作人員分散，操作模式各異，運行管理也主要依靠個人經驗。全廠各水系統之間、水系統與主線工藝生產之間缺乏信息對接，水系統的“智慧”嚴重不足，主要表現在：
（1）控制系統零亂分散：
全廠水系統共有各類控制系統不僅數量超過200余套，且涉及10多家品牌。控制系統架構及網絡拓撲繁雜，既有常規的C/S結構，也有大量的單客戶端結構，還有部分廠商封閉的特殊構架。網絡連接方式既包括各廠商標準的以太網，也有大量的各種專用現場總線。全流程的學習成本、二次開發代價和長期運維成本居高不下，也不利于互動交流、數據共享、生產協同、綜合決策。生產控制僅能滿足基本生產要求，在面對優化調整時，往往存在時間和空間上的脫節。
（2）自動化完成度不高
現有各水系統雖能實現大多數自動控制，但部分環節還需要人工干預，還有大量機電一體品、閥門等不具備遠程操作條件。部分重要設備的運行狀態、設備狀態的監測配置不全，現場分散配置大量值班崗位，員工現場工作及巡檢強度大。雖然，部分區域已經實施或正在實施部分集中操作，但對于全廠水系統而言，總體還是處于分散操作的形態。
（3）數據挖掘能力不足
水系統之間僅通過能源管理系統EMS進行部分用能量層面的數據交互。類似工序間、水系統與用戶間、水系統與制造系統間的信息溝通不足。在數據分析、輔助決策方面功能較弱，主要還是依靠操作或調度人員的經驗進行管控。全廠性的水量平衡需要從多個系統中導入數據，信息采集沒有統一標準，造成統計偏差，水量優化難，排放管控難。生產動態信息與能源管理信息互為信息孤島。缺少全方位的數據管理平臺，水系統的整體綜合管控水平還需要進一步提升。
三、鋼鐵工業智慧水系統發展展望
參考國際機動車工程師學會（SAE）提出的自動駕駛技術L0~ L5分級標準，我們把鋼鐵工業水系統發展分為以下五個階段（圖1）：
（1）傳統水系統：各水處理系統配套產線獨立運行，部分遠程控制，部分操作現場實施。
（2）集中水系統：同一中控室對多水處理系統集中操作，打破物理、地理維度上的鴻溝。典型特征：操作控制室整合。
（3）數字水系統：各水處理系統之間操作控制與運行數據集成，打破信息維度上的鴻溝。典型特征：數據一張表；數據不落地；控制系統畫面風格統一。
（4）智能水系統：常態自動運營，根據產線指令與異常信息，一鍵調控，實現少人值守。典型特征：一鍵變負荷；一鍵換輥（切換）；系統健康度預警；水位水量自平衡；設備管網狀態預測。
（5）智慧水系統：根據各類生產狀態，自平衡、自調控，最終實現無人值守與經濟最優。典型特征：與高爐、煉鋼等專家系統數據交互，以實時及趨勢工況自動優化公輔運行；應用循環水冷卻模型、緩蝕阻垢模型、生化與深度處理模型等，對系統進行自動調整及后臺參數優化。
Figure 1 Schematic diagram of water system development stage of iron and steelindustry
需要指出的是，對于新建鋼鐵企業配套水系統，宜以智能水處理、智慧水處理為目標進行頂層規劃與設計。對于已有鋼鐵企業水系統整合與改造，應該采取的不僅僅是傳統拉光纖式的物理性操作室整合，而是上層平臺數據全線貫通，控制系統的真正融合。軟件上通過架構優化、畫面整合、畫面優化統一風格、工位模塊化可配置等措施，支持高效集中操作；硬件上，通過合理配置冗余拓撲、冗余服務器、網絡安全等措施提升系統安全性。對關鍵系統和設備實行智能控制，以知識模型改進經驗操作，利用大數據提供決策支持，以時間粒度帶動管理深度。
四、水系統智慧應用
（1）水量平衡模型：用于自動控制全廠或局部給排水設施運行平衡。由于取水（制水） = 用水 + 損耗 + 排水 - 回用，構建全流程水量平衡信息。通過實時用水量指導取水、制水；也能根據實時用水量、制水量、排水量、回用量，分析損耗點，節約水耗[1,2]。對于局部平衡，即水處理單元中各水池間的水量平衡。由于澆鑄、精煉、軋制等生產過程間斷進行，要求水處理系統同步間斷運行。送水泵根據用戶指令可按若干個預設模式進行自動開停，系統內其他泵組根據水量平衡聯動進行調整，保證系統水量平衡。
（2）穩態調控模型：用于清循環、純水密閉等系統，實現零干預。根據指令或設定目標，自動調節冷卻塔風機與板式換熱器（蒸發空冷器），使水溫滿足用戶要求；自動控制送水泵啟停與備用泵投入，保證供水水壓。進一步結合用戶生產熱負荷反饋與大氣環境溫濕度等數據，可提前預測與調控，優化電能利用。
（3）能耗優化模型：用于構建基于電價的水泵運行策略，實現能效電廠。由于水庫、圍廠河、管網具備緩沖作用，泵站的逐時抽水量可以不等于系統逐時的供水量。在這一前提下，利用峰谷電價差，制定各個時段泵站的流量、揚程以及對應的開關機方案用以指導泵站的運行調度，使得能夠合理的利用電能資源，降低泵站的運行費用。
（4）水庫生態運行：掌握長江枯水期氯離子動力系數分析取水技術、氯離子與電導率相關性分析取水技術，取優質長江原水入庫、全天候監控水庫水質。實現“避咸取淡、避污取清、避低取高、避峰取谷”的保質量、控污染、降電耗、省電費操作技術。
（5）設備預測性維護：采用先進的預測性維護理念，轉變檢修、維修方式，提升可靠性[3,4]。通過構建與集成機械健康監測模塊化，可提前預知和判斷旋轉設備的潛在故障。如通過對軸承和齒輪故障進行監測，結合各向震動、電流強度或開機瞬間變化程度，有效通過模型提供更早期的預警與趨勢判斷。
（6）智慧監盤：將員工經驗和機器智能相互交融、不斷迭代增強[5]。智慧監盤以多維度的“健康度”（安全性、經濟性等）對水系統運行情況進行綜合評價，以期望值（多參數關聯預測模型）和當前值作對比，并考慮當前工況下關聯參數的交互影響作用，得出當前及未來水系統的“健康度”，用于指導員工快速發現風險與隱患，起到監視危險點、提醒設備異常、監督操作工藝等作用。員工不用去盯著諸多參數，而只需關注指導意見，發現提示時層層遞進，迅速找到原因，起到精準控制時間、監視危險點、提醒設備異常、降低啟停能耗、監督操作工藝等作用，大幅降低操作運行的勞動強度。
（7）APS（一鍵啟停）、ABS（功能組一鍵啟停）：水處理系統大多數操作涉及單系統、多設備的聯合調控，操作過程雖有一定繁瑣性，但步驟基本可固定，具有將其歸類、整合、合并成功能組的可能性。因此，開發APS/ABS功能，可大幅簡化員工操作難度，對絕大多數操控任務實現一鍵操作，比如：一鍵調溫、一鍵變負荷、一鍵換輥（換規格）、一鍵水量平衡、一鍵開/停機等。也為后續進一步實現無人值守打下扎實的基礎。
作者：張云龍、李宇濤、鄧萬里；寶山鋼鐵股份有限公司能源環保部
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