·224· 北京科技大学学报 第34卷 要方面.现有可靠性评价体系以规定时间完成最大 度不同，因此选择显著单元并对其能耗状况进行研 生产能力为系统规定功能，没有充分涉及能源消耗 究，对于有效简化系统能耗研究的复杂性尤为重要. 对钢铁生产过程系统可靠性的制约，因此揭示能耗 通常，钢铁生产过程单元/工序中存在多种状 可靠性的本质对钢铁生产过程系统可靠性研究极为 态，例如正常生产状态、非正常生产状态、计划检修 必要. 状态、计划外检修状态及检修后的过渡状态，各种状 本文通过对钢铁生产过程系统单元的能源消耗 态中合格产品产量及能源消耗差别较大⑨.为便于 状况进行剖析，提出能耗可靠度的评价指标来综合 研究，本文将其大致分为正常生产、非正常生产及停 反映钢铁制造过程的能耗可靠性，运用贡献指数[6 产三种工况.其中，正常生产工况指生产过程中没 的概念对影响过程单元/工序能耗可靠度的两个主 有发生设备检修事件，且生产中各项物理化学指标 要因素一 一工序能效比和相近度进行定量分析，并 在正常范围内.非正常生产工况指生产过程中指标 结合国内某特钢厂对生产过程单元的能耗可靠性进 发生异常（如在电弧炉(EAF)冶炼末期出现钢中磷 行讨论 含量不合格的情况)，或在不停炉的情况下非计划 1钢铁生产过程系统的能耗分析 地检修部分设备（如电弧炉冶炼中炉门氧枪烧坏， 仅通过炉壁氧枪供氧)，或在生产的同时通过某些 钢铁生产过程系统是典型的过程工业系统，其 操作来调节前后工序的节奏（如由于预测到钢包不 中包括众多具有特定功能的过程单元/工序，单元间 能及时到位或连铸工序热换中间包等原因而通过改 通过物质和能量的转换、输送和储存来完成对物料 变通电状况来调节生产节奏)，以及检修后因炉 的物理化学加工处理.同时，各过程单元/工序生产 况的变化而产生的过渡状态.停产工况则包括计划 的间歇性也增加了系统的复杂程度，因此生产的顺 检修、非计划检修并停产、停产等待前后工序衔接等 行与设备的稳定、工序单元间良好的组织调度密不 生产状况.在实际生产的统计期内，过程系统处于 可分).由于过程单元/工序对系统能耗的影响程 三种生产状态不断交替变化中，如图1所示 等钢包 第2炉出钢止 第n炉出钢止第n+l炉出钢止 第n+4炉出钢止 正常生产非正常生产 停产等待前 停产等待前 计划检修 后工序衔接 后工序衔接 图1：统计期内炼钢过程单元/工序生产状态交替 Fig.1 Alteration of productive states of the steel making process system in the statistic period 过程系统在统计期内的总能耗为三种生产工况 常生产工况下的合格产品量之和，如下式： 下的能耗之和，见下式： P=∑P:=pTi+pT (3) B- 。ed+ 式中：P为统计期内总产量，P:为统计期内第i种 宫+ 生产状况下的总产量，tE为统计期内总能耗，GJ: es.dt E为第i种生产工况下的总能耗，G,i=1,2,3:e e1T1+e2T2+e3T3=Te1"n1+e2'2+e3"73). 为第j次发生的第i种生产工况下的单位时间能耗， (1) Ghj=1,2,…,n;e:为统计期内第i种生产工 式中， 况的平均单位时间能耗，GJh;n:为统计期内，第i =dr]- 种生产工况发生的总次数：t,为第j次发生的第i种 生产工况的持续时间，；T为统计期内，第i种生产 [ae]1 工况发生的总时间，h:T为统计期内总时间，h;7:为 2) 第i种生产工况的发生率；P:为第i种生产工况下生 统计期内的合格产品总量为正常生产工况下和非正 产的合格产品总量，P:为第i种生产工况下单位时北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 要方面． 现有可靠性评价体系以规定时间完成最大 生产能力为系统规定功能，没有充分涉及能源消耗 对钢铁生产过程系统可靠性的制约，因此揭示能耗 可靠性的本质对钢铁生产过程系统可靠性研究极为 必要． 本文通过对钢铁生产过程系统单元的能源消耗 状况进行剖析，提出能耗可靠度的评价指标来综合 反映钢铁制造过程的能耗可靠性，运用贡献指数［6］ 的概念对影响过程单元/工序能耗可靠度的两个主 要因素———工序能效比和相近度进行定量分析，并 结合国内某特钢厂对生产过程单元的能耗可靠性进 行讨论． 1 钢铁生产过程系统的能耗分析 钢铁生产过程系统是典型的过程工业系统，其 中包括众多具有特定功能的过程单元/工序，单元间 通过物质和能量的转换、输送和储存来完成对物料 的物理化学加工处理． 同时，各过程单元/工序生产 的间歇性也增加了系统的复杂程度，因此生产的顺 行与设备的稳定、工序单元间良好的组织调度密不 可分［7］． 由于过程单元/工序对系统能耗的影响程 度不同，因此选择显著单元［8］并对其能耗状况进行研 究，对于有效简化系统能耗研究的复杂性尤为重要． 通常，钢铁生产过程单元/工序中存在多种状 态，例如正常生产状态、非正常生产状态、计划检修 状态、计划外检修状态及检修后的过渡状态，各种状 态中合格产品产量及能源消耗差别较大［9］． 为便于 研究，本文将其大致分为正常生产、非正常生产及停 产三种工况． 其中，正常生产工况指生产过程中没 有发生设备检修事件，且生产中各项物理化学指标 在正常范围内． 非正常生产工况指生产过程中指标 发生异常( 如在电弧炉( EAF) 冶炼末期出现钢中磷 含量不合格的情况) ，或在不停炉的情况下非计划 地检修部分设备( 如电弧炉冶炼中炉门氧枪烧坏， 仅通过炉壁氧枪供氧) ，或在生产的同时通过某些 操作来调节前后工序的节奏( 如由于预测到钢包不 能及时到位或连铸工序热换中间包等原因而通过改 变通电状况来调节生产节奏［9］) ，以及检修后因炉 况的变化而产生的过渡状态． 停产工况则包括计划 检修、非计划检修并停产、停产等待前后工序衔接等 生产状况． 在实际生产的统计期内，过程系统处于 三种生产状态不断交替变化中，如图 1 所示． 图 1 统计期内炼钢过程单元/工序生产状态交替 Fig． 1 Alternation of productive states of the steel making process system in the statistic period 过程系统在统计期内的总能耗为三种生产工况 下的能耗之和，见下式: E = ∑ 3 i = 1 Ei = ∑ n1 j = 1 ∫ t1，j 0 e1，j dt + ∑ n2 j = 1 ∫ t2，j 0 e2，j dt + ∑ n3 j = 1 ∫ t3，j 0 e3，j dt = e1 ·T1 + e2 ·T2 + e3 ·T3 = T( e1 ·η1 + e2 ·η2 + e3 ·η3 ) . ( 1) 式中， ei = [ ∑ ni j = 1 ∫ ti，j 0 ei，j dt ] [ ∑ ni j = 1 ∫ ti，j 0 dt ] [ = ∑ ni j = 1 ∫ ti，j 0 ei，j d ] t /［Ti ］. ( 2) 统计期内的合格产品总量为正常生产工况下和非正 常生产工况下的合格产品量之和，如下式: P = ∑ 2 i = 1 Pi = p1 ·T1 + p2 ·T2 ． ( 3) 式中: P 为统计期内总产量，t; Pi为统计期内第 i 种 生产状况下的总产量，t; E 为统计期内总能耗，GJ; Ei为第 i 种生产工况下的总能耗，GJ，i = 1，2，3; ei，j 为第 j 次发生的第 i 种生产工况下的单位时间能耗， GJ·h － 1 ，j = 1，2，…，ni ; ei为统计期内第 i 种生产工 况的平均单位时间能耗，GJ·h － 1 ; ni为统计期内，第 i 种生产工况发生的总次数; ti，j为第 j 次发生的第 i 种 生产工况的持续时间，h; Ti为统计期内，第 i 种生产 工况发生的总时间，h; T 为统计期内总时间，h; ηi为 第 i 种生产工况的发生率; Pi为第 i 种生产工况下生 产的合格产品总量，t; pi为第 i 种生产工况下单位时 ·224·