一、引言

作為“十三五”收關之(zhi)年(nian)，“十三五”期間，鋼鐵工業能源(yuan)與(yu)環保(bao)約束進一步增強。在(zai)政策引領下，通過綠色可持續發(fa)展、資源(yuan)節(jie)約和污染物減排等措施(shi)，落(luo)實供給側結構性改革、提(ti)高資源(yuan)利(li)用與(yu)產出效率將是鋼鐵工業現(xian)在(zai)乃至將來綠色高質量(liang)發(fa)展的必由之(zhi)路。

“十三五規劃綱要”明確要求推進(jin)資源(yuan)節約(yue)、集約(yue)利(li)用，加強生態(tai)保護修(xiu)復、健全生態(tai)安全保障機制、加大環境綜合治理力度。對(dui)于水資源(yuan)，特別(bie)針(zhen)對(dui)是(shi)具(ju)有(you)突(tu)出環境影響(xiang)的(de)(de)總(zong)氮、總(zong)磷、重金屬等(deng)污染物(wu)，在納入流(liu)域(yu)、區域(yu)及車(che)間排口以(yi)排污許可證(zheng)為法律約(yue)束，實施濃度與總(zong)量(liang)的(de)(de)雙重監(jian)管。

水(shui)利部〔2019〕373號文件發(fa)布了新階段下鋼鐵工業(ye)用水(shui)定(ding)額，進一(yi)步明確了現有企業(ye)水(shui)資源的(de)管(guan)理目(mu)標及(ji)(ji)新建企業(ye)水(shui)資源論證、許可及(ji)(ji)評價指標。其中，對(dui)于含(han)焦(jiao)化及(ji)(ji)冷(leng)軋的(de)鋼鐵聯(lian)合企業(ye)，先(xian)進值為3.9 m3/t粗鋼、領跑(pao)值為3.1m³/t粗鋼。

另(ling)一方面，工信部“智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)發展規劃（2016—2020年(nian)(nian)）”指出，2025年(nian)(nian)前，推進智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)發展實施“兩步(bu)走”戰略：第一步(bu)，到2020年(nian)(nian)，智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)發展基(ji)(ji)礎(chu)和支(zhi)撐(cheng)(cheng)能(neng)(neng)(neng)(neng)力明顯增強(qiang)，傳統制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)業(ye)重點(dian)領域基(ji)(ji)本實現(xian)(xian)數字化制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)，對有(you)條件、有(you)基(ji)(ji)礎(chu)的(de)重點(dian)產業(ye)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)型取得(de)明顯進展；第二步(bu)，到2025年(nian)(nian)，智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)支(zhi)撐(cheng)(cheng)體系基(ji)(ji)本建立，重點(dian)產業(ye)初步(bu)實現(xian)(xian)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)型。《鋼鐵工業(ye)調整升級規劃》也明確(que)要求行業(ye)夯實智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)基(ji)(ji)礎(chu)、全面推進智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)(zao)的(de)任務。

二、鋼鐵工業智慧水系統發展現狀

鋼鐵生產工業是用(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)大戶，噸鋼耗新(xin)水(shui)(shui)(shui)(shui)是衡量一座鋼鐵廠(chang)先(xian)進(jin)性及(ji)城市鋼廠(chang)的重要指標。典型長流程鋼鐵聯合企業水(shui)(shui)(shui)(shui)系(xi)統包括以下部分：水(shui)(shui)(shui)(shui)源取水(shui)(shui)(shui)(shui)、工業用(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)制(zhi)取、循環(huan)冷(leng)卻(que)(que)水(shui)(shui)(shui)(shui)、廢水(shui)(shui)(shui)(shui)處理(li)與(yu)回用(yong)等(deng)，如用(yong)于(yu)工業水(shui)(shui)(shui)(shui)、軟水(shui)(shui)(shui)(shui)、純水(shui)(shui)(shui)(shui)等(deng)的制(zhi)取系(xi)統；用(yong)于(yu)高爐(lu)風口(kou)、爐(lu)體及(ji)設備等(deng)間接(jie)冷(leng)卻(que)(que)的清(qing)循環(huan)系(xi)統；用(yong)于(yu)高爐(lu)冷(leng)卻(que)(que)壁、連(lian)鑄結(jie)晶器等(deng)間接(jie)冷(leng)卻(que)(que)的純水(shui)(shui)(shui)(shui)密閉(bi)系(xi)統；用(yong)于(yu)軋(ya)線鋼坯冷(leng)卻(que)(que)除(chu)(chu)磷(lin)、煙氣濕式除(chu)(chu)塵等(deng)的濁循環(huan)系(xi)統；用(yong)于(yu)加熱爐(lu)汽化(hua)冷(leng)卻(que)(que)及(ji)煙氣余熱回收系(xi)統；用(yong)于(yu)焦化(hua)廢水(shui)(shui)(shui)(shui)、冷(leng)軋(ya)廢水(shui)(shui)(shui)(shui)等(deng)廢水(shui)(shui)(shui)(shui)處理(li)、回用(yong)及(ji)零(ling)排(pai)放系(xi)統等(deng)等(deng)。

以某廠水(shui)(shui)(shui)系(xi)(xi)統(tong)現(xian)(xian)狀為例，各(ge)水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)設(she)(she)施大多配套主(zhu)(zhu)體生(sheng)產線(xian)單(dan)獨分期建設(she)(she)，由于主(zhu)(zhu)線(xian)設(she)(she)備多引(yin)進于日(ri)系(xi)(xi)或德(de)系(xi)(xi)，其對于水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)系(xi)(xi)統(tong)的設(she)(she)計(ji)理(li)(li)念有所差(cha)異，導(dao)致實際現(xian)(xian)場運行(xing)管(guan)理(li)(li)風格差(cha)異較(jiao)大。各(ge)水(shui)(shui)(shui)處理(li)(li)設(she)(she)施裝(zhuang)備水(shui)(shui)(shui)平(ping)、自動化程(cheng)度、水(shui)(shui)(shui)質過程(cheng)監控深(shen)度等水(shui)(shui)(shui)平(ping)參差(cha)不齊，還(huan)有不少工作(zuo)需要人(ren)(ren)工干(gan)預。總體來(lai)看(kan)，水(shui)(shui)(shui)系(xi)(xi)統(tong)操作(zuo)人(ren)(ren)員分散，操作(zuo)模(mo)式各(ge)異，運行(xing)管(guan)理(li)(li)也主(zhu)(zhu)要依靠個人(ren)(ren)經(jing)驗。全廠各(ge)水(shui)(shui)(shui)系(xi)(xi)統(tong)之間(jian)、水(shui)(shui)(shui)系(xi)(xi)統(tong)與主(zhu)(zhu)線(xian)工藝生(sheng)產之間(jian)缺乏信息(xi)對接，水(shui)(shui)(shui)系(xi)(xi)統(tong)的“智慧”嚴重不足，主(zhu)(zhu)要表現(xian)(xian)在：

（1）控制系統零亂分散：

全(quan)(quan)廠(chang)水系統共有(you)各(ge)類控(kong)制(zhi)系統不僅數(shu)量超過200余套，且(qie)涉(she)及(ji)10多家品牌。控(kong)制(zhi)系統架(jia)構及(ji)網絡(luo)拓撲繁(fan)雜，既有(you)常規的C/S結構，也有(you)大(da)量的單(dan)客戶(hu)端(duan)結構，還有(you)部(bu)分廠(chang)商封閉(bi)的特殊構架(jia)。網絡(luo)連(lian)接方(fang)式既包(bao)括各(ge)廠(chang)商標(biao)準的以太網，也有(you)大(da)量的各(ge)種專用現(xian)場總線。全(quan)(quan)流程的學習(xi)成(cheng)本(ben)、二次開發(fa)代價和(he)長期運維成(cheng)本(ben)居高(gao)不下，也不利(li)于互動交流、數(shu)據共享、生(sheng)(sheng)產(chan)協同、綜合決策(ce)。生(sheng)(sheng)產(chan)控(kong)制(zhi)僅能(neng)滿足基本(ben)生(sheng)(sheng)產(chan)要求，在(zai)面對優化(hua)調整時(shi)，往往存在(zai)時(shi)間和(he)空間上(shang)的脫節。

（2）自動化完成度不高

現(xian)有(you)各水(shui)系統(tong)(tong)雖(sui)能實現(xian)大(da)多數自動控制，但(dan)部(bu)(bu)分(fen)環節(jie)還(huan)需要(yao)(yao)人(ren)工(gong)干預，還(huan)有(you)大(da)量機電一(yi)體(ti)品、閥門(men)等不具備(bei)遠程操(cao)(cao)作條件(jian)。部(bu)(bu)分(fen)重要(yao)(yao)設備(bei)的(de)運行狀態(tai)、設備(bei)狀態(tai)的(de)監測配(pei)置(zhi)(zhi)不全，現(xian)場分(fen)散(san)配(pei)置(zhi)(zhi)大(da)量值班崗位，員工(gong)現(xian)場工(gong)作及(ji)巡檢強度(du)大(da)。雖(sui)然，部(bu)(bu)分(fen)區域已(yi)經實施(shi)或正在實施(shi)部(bu)(bu)分(fen)集中操(cao)(cao)作，但(dan)對于(yu)(yu)全廠水(shui)系統(tong)(tong)而言，總體(ti)還(huan)是處于(yu)(yu)分(fen)散(san)操(cao)(cao)作的(de)形(xing)態(tai)。

（3）數據挖掘能力不足

水(shui)系統(tong)之間僅通過(guo)能源(yuan)管理系統(tong)EMS進行部分用(yong)能量(liang)(liang)層面的(de)數據(ju)交(jiao)互(hu)。類似(si)工序(xu)間、水(shui)系統(tong)與用(yong)戶間、水(shui)系統(tong)與制造系統(tong)間的(de)信(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)溝通不足(zu)。在數據(ju)分析(xi)、輔助決(jue)策方面功能較弱，主要(yao)還(huan)是依靠操作或調度(du)人員的(de)經驗(yan)進行管控(kong)(kong)(kong)。全(quan)廠性的(de)水(shui)量(liang)(liang)平(ping)(ping)衡需要(yao)從多個系統(tong)中導入數據(ju)，信(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)采集沒有統(tong)一標準(zhun)，造成統(tong)計(ji)偏差，水(shui)量(liang)(liang)優(you)化難(nan)，排放管控(kong)(kong)(kong)難(nan)。生產動(dong)態信(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)與能源(yuan)管理信(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)互(hu)為信(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)孤(gu)島。缺少全(quan)方位的(de)數據(ju)管理平(ping)(ping)臺，水(shui)系統(tong)的(de)整體綜合管控(kong)(kong)(kong)水(shui)平(ping)(ping)還(huan)需要(yao)進一步提升(sheng)。

三、鋼鐵工業智慧水系統發展展望

參考國際機動(dong)車(che)工(gong)程師學會（SAE）提出的自動(dong)駕駛技術L0~ L5分級標準，我們把鋼鐵工(gong)業水系統發(fa)展(zhan)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(xian)獨立運行(xing)，部(bu)(bu)分(fen)(fen)遠程(cheng)控制，部(bu)(bu)分(fen)(fen)操(cao)作現場實施。

（2）集中水系統：同一中控室對多水處理(li)系統集中操(cao)(cao)作(zuo)，打破(po)物理(li)、地理(li)維度上的鴻溝。典型特征：操(cao)(cao)作(zuo)控制室整合。

（3）數(shu)字水系(xi)統(tong)：各水處理系(xi)統(tong)之間操(cao)作控制與運行數(shu)據(ju)集成，打(da)破信(xin)息維度(du)上的鴻溝(gou)。典型特征：數(shu)據(ju)一張表(biao)；數(shu)據(ju)不落地；控制系(xi)統(tong)畫面風格統(tong)一。

（4）智能(neng)水系統(tong)：常(chang)態自動運營，根據產線指令與異常(chang)信息，一(yi)(yi)(yi)鍵調(diao)控，實現少人值守。典型(xing)特(te)征：一(yi)(yi)(yi)鍵變負荷；一(yi)(yi)(yi)鍵換輥（切換）；系統(tong)健康度預警(jing)；水位水量自平衡；設備管網狀態預測。

（5）智慧水系(xi)統(tong)(tong)：根據各類生產狀態(tai)，自平衡、自調(diao)控，最終實現無人值守與(yu)經濟(ji)最優(you)。典型(xing)特征：與(yu)高(gao)爐、煉鋼等專家系(xi)統(tong)(tong)數據交互，以實時及趨(qu)勢工(gong)況(kuang)自動(dong)優(you)化(hua)(hua)(hua)公輔運行(xing)；應用循環水冷(leng)卻模(mo)(mo)型(xing)、緩蝕(shi)阻垢模(mo)(mo)型(xing)、生化(hua)(hua)(hua)與(yu)深度(du)處理(li)模(mo)(mo)型(xing)等，對系(xi)統(tong)(tong)進行(xing)自動(dong)調(diao)整(zheng)及后臺參數優(you)化(hua)(hua)(hua)。

Figure 1 Schematic diagram of water system development stage of iron and steelindustry

需要指出的是(shi)，對于(yu)(yu)新建鋼鐵(tie)企(qi)業配(pei)套水(shui)系(xi)統(tong)(tong)，宜以智(zhi)能水(shui)處理(li)(li)(li)、智(zhi)慧水(shui)處理(li)(li)(li)為目(mu)標進行頂(ding)層(ceng)規劃與設計。對于(yu)(yu)已有(you)鋼鐵(tie)企(qi)業水(shui)系(xi)統(tong)(tong)整(zheng)合與改(gai)造，應該采取的不僅僅是(shi)傳統(tong)(tong)拉光纖式的物理(li)(li)(li)性操作室整(zheng)合，而是(shi)上(shang)層(ceng)平臺數(shu)(shu)據全(quan)線貫通，控(kong)制系(xi)統(tong)(tong)的真正融合。軟件上(shang)通過(guo)架構優化、畫面(mian)整(zheng)合、畫面(mian)優化統(tong)(tong)一風(feng)格、工(gong)位模塊化可配(pei)置(zhi)等措施，支持高效集中操作；硬(ying)件上(shang)，通過(guo)合理(li)(li)(li)配(pei)置(zhi)冗余拓(tuo)撲、冗余服務器、網絡安全(quan)等措施提升系(xi)統(tong)(tong)安全(quan)性。對關鍵系(xi)統(tong)(tong)和設備實行智(zhi)能控(kong)制，以知(zhi)識模型(xing)改(gai)進經驗操作，利用大數(shu)(shu)據提供(gong)決(jue)策支持，以時間粒度帶動管理(li)(li)(li)深度。

四、水系統智慧應用

（1）水(shui)(shui)(shui)(shui)量平(ping)衡(heng)模型：用(yong)(yong)(yong)于(yu)(yu)自動(dong)(dong)控制(zhi)(zhi)全廠或局(ju)部(bu)給排水(shui)(shui)(shui)(shui)設施運(yun)行(xing)平(ping)衡(heng)。由于(yu)(yu)取水(shui)(shui)(shui)(shui)（制(zhi)(zhi)水(shui)(shui)(shui)(shui)） = 用(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui) + 損耗 + 排水(shui)(shui)(shui)(shui) - 回(hui)用(yong)(yong)(yong)，構建全流程水(shui)(shui)(shui)(shui)量平(ping)衡(heng)信息。通(tong)過實(shi)時用(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)量指導取水(shui)(shui)(shui)(shui)、制(zhi)(zhi)水(shui)(shui)(shui)(shui)；也能(neng)根據(ju)實(shi)時用(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)量、制(zhi)(zhi)水(shui)(shui)(shui)(shui)量、排水(shui)(shui)(shui)(shui)量、回(hui)用(yong)(yong)(yong)量，分析損耗點，節約水(shui)(shui)(shui)(shui)耗[1,2]。對于(yu)(yu)局(ju)部(bu)平(ping)衡(heng)，即水(shui)(shui)(shui)(shui)處理單元中(zhong)各(ge)水(shui)(shui)(shui)(shui)池間(jian)(jian)的水(shui)(shui)(shui)(shui)量平(ping)衡(heng)。由于(yu)(yu)澆鑄(zhu)、精煉、軋制(zhi)(zhi)等生產過程間(jian)(jian)斷進(jin)行(xing)，要求水(shui)(shui)(shui)(shui)處理系(xi)統同步間(jian)(jian)斷運(yun)行(xing)。送水(shui)(shui)(shui)(shui)泵(beng)根據(ju)用(yong)(yong)(yong)戶指令可按若(ruo)干個預設模式(shi)進(jin)行(xing)自動(dong)(dong)開(kai)停，系(xi)統內其他泵(beng)組根據(ju)水(shui)(shui)(shui)(shui)量平(ping)衡(heng)聯動(dong)(dong)進(jin)行(xing)調整(zheng)，保證系(xi)統水(shui)(shui)(shui)(shui)量平(ping)衡(heng)。

（2）穩態調(diao)控(kong)(kong)模(mo)型(xing)：用(yong)于清循環、純水密閉等系統(tong)，實現零干預。根據指(zhi)令或設定目標，自動調(diao)節(jie)冷卻塔風機與(yu)板式換熱器（蒸發空冷器），使水溫(wen)滿足用(yong)戶要求；自動控(kong)(kong)制送水泵啟(qi)停與(yu)備用(yong)泵投入，保證供水水壓。進一步結合用(yong)戶生產熱負荷反饋(kui)與(yu)大氣環境溫(wen)濕(shi)度等數據，可(ke)提前預測與(yu)調(diao)控(kong)(kong)，優化電能利用(yong)。

（3）能耗優化模型(xing)：用(yong)于構建基于電(dian)價的(de)(de)水泵(beng)運行策略，實現能效電(dian)廠。由于水庫、圍廠河、管(guan)網具備緩(huan)沖作用(yong)，泵(beng)站(zhan)的(de)(de)逐時(shi)抽(chou)水量(liang)可(ke)以(yi)不等于系統逐時(shi)的(de)(de)供(gong)水量(liang)。在這一(yi)前提下，利用(yong)峰谷電(dian)價差，制定各個時(shi)段泵(beng)站(zhan)的(de)(de)流量(liang)、揚程以(yi)及對應的(de)(de)開關機方(fang)案用(yong)以(yi)指導泵(beng)站(zhan)的(de)(de)運行調度，使得能夠合(he)理的(de)(de)利用(yong)電(dian)能資源，降低(di)泵(beng)站(zhan)的(de)(de)運行費用(yong)。

（4）水庫(ku)(ku)生態運行：掌握長江枯水期氯(lv)(lv)離子動力系(xi)數分析取(qu)(qu)水技術、氯(lv)(lv)離子與電(dian)(dian)導率相關性分析取(qu)(qu)水技術，取(qu)(qu)優質(zhi)長江原水入庫(ku)(ku)、全(quan)天(tian)候監(jian)控(kong)水庫(ku)(ku)水質(zhi)。實現(xian)“避咸(xian)取(qu)(qu)淡、避污取(qu)(qu)清、避低取(qu)(qu)高、避峰(feng)取(qu)(qu)谷”的(de)保(bao)質(zhi)量、控(kong)污染、降電(dian)(dian)耗、省電(dian)(dian)費操作(zuo)技術。

（5）設(she)備預(yu)測性(xing)維護：采用先(xian)進的預(yu)測性(xing)維護理念，轉(zhuan)變(bian)(bian)檢修、維修方式(shi)，提升可靠性(xing)[3,4]。通過構建與集成機械(xie)健(jian)康監測模塊化，可提前預(yu)知和(he)判(pan)斷(duan)旋轉(zhuan)設(she)備的潛在故(gu)障(zhang)。如通過對軸承和(he)齒(chi)輪故(gu)障(zhang)進行監測，結合各向震動、電流強(qiang)度或開機瞬間(jian)變(bian)(bian)化程度，有(you)效通過模型提供更早期的預(yu)警與趨勢判(pan)斷(duan)。

（6）智慧(hui)監(jian)(jian)(jian)盤(pan)：將員(yuan)工(gong)經驗和(he)機器智能相互交(jiao)融、不斷(duan)迭(die)代(dai)增強[5]。智慧(hui)監(jian)(jian)(jian)盤(pan)以多(duo)維(wei)度(du)(du)的(de)“健康度(du)(du)”（安全(quan)性、經濟(ji)性等）對(dui)水系(xi)統運行情況進行綜合(he)評價，以期望值（多(duo)參數(shu)關(guan)聯預(yu)測(ce)模型）和(he)當(dang)前值作(zuo)對(dui)比，并考(kao)慮當(dang)前工(gong)況下(xia)關(guan)聯參數(shu)的(de)交(jiao)互影響作(zuo)用(yong)，得出當(dang)前及未來水系(xi)統的(de)“健康度(du)(du)”，用(yong)于指(zhi)導(dao)員(yuan)工(gong)快速發(fa)現風險與隱患，起到監(jian)(jian)(jian)視(shi)危險點、提(ti)醒設備(bei)(bei)異(yi)常、監(jian)(jian)(jian)督操作(zuo)工(gong)藝等作(zuo)用(yong)。員(yuan)工(gong)不用(yong)去(qu)盯著諸多(duo)參數(shu)，而只需關(guan)注指(zhi)導(dao)意(yi)見(jian)，發(fa)現提(ti)示時(shi)層層遞進，迅速找到原因(yin)，起到精準控制時(shi)間、監(jian)(jian)(jian)視(shi)危險點、提(ti)醒設備(bei)(bei)異(yi)常、降低啟停(ting)能耗、監(jian)(jian)(jian)督操作(zuo)工(gong)藝等作(zuo)用(yong)，大(da)幅降低操作(zuo)運行的(de)勞動強度(du)(du)。

（7）APS（一鍵(jian)(jian)啟停(ting)）、ABS（功(gong)能(neng)(neng)組一鍵(jian)(jian)啟停(ting)）：水處理系統(tong)大多數操作(zuo)(zuo)(zuo)涉及單系統(tong)、多設備的聯(lian)合調(diao)(diao)控，操作(zuo)(zuo)(zuo)過程雖有一定繁瑣性(xing)，但步(bu)驟(zou)基本(ben)可(ke)固定，具有將其歸(gui)類、整合、合并成(cheng)功(gong)能(neng)(neng)組的可(ke)能(neng)(neng)性(xing)。因(yin)此，開發APS/ABS功(gong)能(neng)(neng)，可(ke)大幅(fu)簡化(hua)員(yuan)工(gong)操作(zuo)(zuo)(zuo)難度，對絕大多數操控任務實(shi)現一鍵(jian)(jian)操作(zuo)(zuo)(zuo)，比如：一鍵(jian)(jian)調(diao)(diao)溫、一鍵(jian)(jian)變負荷、一鍵(jian)(jian)換輥（換規格）、一鍵(jian)(jian)水量平(ping)衡、一鍵(jian)(jian)開/停(ting)機(ji)等。也為后(hou)續進一步(bu)實(shi)現無人值守打(da)下扎實(shi)的基礎(chu)。

作者(zhe)：張云龍、李宇濤、鄧萬里；寶山鋼鐵股(gu)份有限公司能源環(huan)保部

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