钢铁生产过程系统的能耗可靠性评价

D0L:10.13374M.issm1001-053x.2012.02.013 第34卷第2期 北京科技大学学报 Vol.34 No.2 2012年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2012 钢铁生产过程系统的能耗可靠性评价 张文娟2)王宝12)刘青12四杨振国2，) 苍大强12) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 3)莱芜钢铁股份有限公司特殊钢厂，莱芜271105 区通信作者，E-mail::qliu@usth.cdu.cn 摘要在功能可靠度和时产率可靠性评价指标的基础上，结合钢铁生产过程系统能源消耗状况的分析，建立了能耗可靠性 评价方法，提出了能耗可靠度、工序能效比及相近度等评价指标体系来描述钢铁生产过程系统的能耗可靠性.运用贡献指数 的概念定量分析了后两者对能耗可靠度的影响，并应用于国内某特殊钢厂电弧炉生产过程单元.结果表明：该电弧炉工序的 能耗可靠度由2008年的0.64提高到2009年的0.72.另外，还分析了该厂2006一2009年电炉工序能耗可靠度变化的主要 原因. 关键词钢铁工业：生产过程；能耗；可靠性：工序能效 分类号T℉4：N945.17 Reliability evaluation of energy consumption of a steel manufacturing process system ZHANG Wenjuan,WANG Bao,LIU Qing,YANG Zhen-guo CANG Da-qiang 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Special Steel Plants,Laiwu Steel Corporation,Laiwu 271105.China Corresponding author,E-mail:gliu@ustb.edu.cn ABSTRACT Based on the reliability evaluating indicators of functional reliability and capability utilization,in combination with stud- ies on the energy consumption states of steel manufacturing process systems,a new assessment system of energy reliability,process en- ergy efficiency ratio and similar degree was established to describe the level of energy consumption reliability.The concept of contribu- tion index was used to quantitatively analyze the influence of the two latter indicators on the energy reliability.Finally,the new assess- ment index was also applied to evaluating the energy consumption reliability of an EAF special steel plant.The evaluating result shows that the energy consumption reliability increases from 0.64 in the year 2008 to0.72 in the year 2009:meanwhile,main reasons for the change of energy consumption reliability in the period of 2006 to 2009 were also discussed. KEY WORDS steel manufacture:manufacturing process;energy consumption:reliability:energy efficiency 钢铁制造过程的本质是物质流在能量流的推动 程结构的不断优化，钢铁制造过程物质流网络不断 下发生物质的转变和能量的耗损，是典型的间歇过 走向准连续化，过程系统的作业率、产能利用率不断 程.目前，钢铁生产过程系统的可靠性研究大多集 提高2)；但与此同时，能源消耗因直接关系到企业 中在设备部件和控制系统的失效率和修复率等基本 的生产经营和成本效益，逐渐成为制约钢铁生产发 可靠性评价，以及基于时间和产能利用效率的作业展的关键因素之一·一般而言，生产过程的能耗要 率、产能利用率与时产率等功能可靠性评价，上 受到产量和能量利用效率两方面的影响，因此过 述评价指标在一定程度上反映了流程系统的实际运 程系统的能耗不仅仅受到系统可靠度的影响)，其 行状态.随着设备大型化、自动化的发展及工艺流 本身也已经成为影响钢铁生产过程系统可靠性的重 收稿日期：2010-12-13 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50874014)：教有部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET07O067)

第 34 卷 第 2 期 2012 年 2 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 2 Feb． 2012 钢铁生产过程系统的能耗可靠性评价 张文娟1，2) 王 宝1，2) 刘 青1，2) 杨振国1，2，3) 苍大强1，2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 莱芜钢铁股份有限公司特殊钢厂，莱芜 271105 通信作者，E-mail: qliu@ ustb． edu． cn 摘 要 在功能可靠度和时产率可靠性评价指标的基础上，结合钢铁生产过程系统能源消耗状况的分析，建立了能耗可靠性 评价方法，提出了能耗可靠度、工序能效比及相近度等评价指标体系来描述钢铁生产过程系统的能耗可靠性． 运用贡献指数 的概念定量分析了后两者对能耗可靠度的影响，并应用于国内某特殊钢厂电弧炉生产过程单元． 结果表明: 该电弧炉工序的 能耗可靠度由 2008 年的 0. 64 提高到 2009 年的 0. 72． 另外，还分析了该厂 2006—2009 年电炉工序能耗可靠度变化的主要 原因． 关键词 钢铁工业; 生产过程; 能耗; 可靠性; 工序能效 分类号 TF4; N945. 17 Reliability evaluation of energy consumption of a steel manufacturing process system ZHANG Wen-juan1，2) ，WANG Bao 1，2) ，LIU Qing1，2) ，YANG Zhen-guo 1，2，3) ，CANG Da-qiang1，2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Special Steel Plants，Laiwu Steel Corporation，Laiwu 271105，China Corresponding author，E-mail: qliu@ ustb． edu． cn ABSTRACT Based on the reliability evaluating indicators of functional reliability and capability utilization，in combination with stud￾ies on the energy consumption states of steel manufacturing process systems，a new assessment system of energy reliability，process en￾ergy efficiency ratio and similar degree was established to describe the level of energy consumption reliability． The concept of contribu￾tion index was used to quantitatively analyze the influence of the two latter indicators on the energy reliability． Finally，the new assess￾ment index was also applied to evaluating the energy consumption reliability of an EAF special steel plant． The evaluating result shows that the energy consumption reliability increases from 0. 64 in the year 2008 to 0. 72 in the year 2009; meanwhile，main reasons for the change of energy consumption reliability in the period of 2006 to 2009 were also discussed． KEY WORDS steel manufacture; manufacturing process; energy consumption; reliability; energy efficiency 收稿日期: 2010--12--13 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50874014) ; 教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目( NCET--07--0067) 钢铁制造过程的本质是物质流在能量流的推动 下发生物质的转变和能量的耗损，是典型的间歇过 程． 目前，钢铁生产过程系统的可靠性研究大多集 中在设备部件和控制系统的失效率和修复率等基本 可靠性评价，以及基于时间和产能利用效率的作业 率、产能利用率与时产率［1］等功能可靠性评价，上 述评价指标在一定程度上反映了流程系统的实际运 行状态． 随着设备大型化、自动化的发展及工艺流 程结构的不断优化，钢铁制造过程物质流网络不断 走向准连续化，过程系统的作业率、产能利用率不断 提高［2--3］; 但与此同时，能源消耗因直接关系到企业 的生产经营和成本效益，逐渐成为制约钢铁生产发 展的关键因素之一． 一般而言，生产过程的能耗要 受到产量和能量利用效率两方面的影响［4］，因此过 程系统的能耗不仅仅受到系统可靠度的影响［5］，其 本身也已经成为影响钢铁生产过程系统可靠性的重 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.02.013

·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·

第2期 张文娟等：钢铁生产过程系统的能耗可靠性评价 ·225· 间生产的合格产品量，即合格产品的生产率，th 处于停产状态时无产品产出，能源效率为零s-] 其中，e:,反映了统计期内过程系统中输入能源 因此过程单元/工序的能源效率满足 的变化，在此定义e,为能流强度，不同生产工况下 ,当正常生产状态下 能流强度不同.而且，即使生产工况相同，因物料条 E-E 件、能量结构及操作原则的不同，能流强度会有差 别，只是相对较小而已[.因此，定义e,为统计期 7,当-2<号，非正常生产状态下：(6 内第种生产工况的平均能流强度. 在工业生产中，常用“单位产品能耗”来反映过 ,当号=0，停产状态下 程系统的能源效率.为了更好地与可靠性相结合， 可见，钢铁生产过程单元/工序能耗可靠性是指在规 本文采用能效效率回作为基本评价指标，表示输入 定时间内，一定条件下，过程单元/工序实现最大能 过程系统的单位能源量所能生产的合格产品量，如 效的程度.在规定时间内，最大能效是一年或几年 下式： 中正常生产状态下的最大能效，即 PP+P2 E=E +E2+E3 (4) D=2),小 (7) 由以上定义及式(4)推导可得 式中，D为规定功能，i为第i个月份，n为第n年. 因此，过程单元的能耗可靠度R定义如下： P=P+B,， 7,*及 72 P1 (5) R=I()]/D (8) EE +E2 +E3E * 、73 由式(5)可得 式中：E为能源效率：为正常生产的能源效率：， P/P. 7* (9) 为正常生产状态的作业率：2为非正常生产状态的 E/E e2 71+ -73 作业率；)3为停产状态的发生率：P1和P2为正常生 产和非正常生产状态下合格产品的生产率，t·h'; 1由2<，即2<总，可得R<1,符合基本的可靠 P1 e 二为物质流量比：2为非正常生产工况与正常生产 性技术原则.同时，过程单元的能耗可靠度也可表 e 示为 工况的平均能流强度之比：为停产工况与正常生 e. R=[() /D=. (10) 产工况的平均能流强度之比. 式中， 一般而言，当统计期内生产的物料条件、产品结 构一定时，在正常生产工况下，过程系统的能源效率 变化很小.能源效率主要由统计期内各种生产工况 =[()]/I(e)小= 的发生率、物质流量比及平均能流强度比决定 2钢铁生产过程系统的能耗可靠性及其评价 (11) 从钢铁制造过程的特点和系统的功能上看，钢 =会)，]/会)，小 (12) 铁生产系统的可靠性是指系统在一定时间内，一定 n表示规定的年份；s表示统计期内过程单元/工序 数量的物料和能源经过特定结构的流程后，产出一 的工序能效与正常生产工况下工序能效的比值，简 定数量的合格产品的能力).为保证生产，通常钢 称工序能效比，由统计期内各种工况的发生率、物质 铁制造过程输入了过剩的能源，因此仅从时间和 流量及平均能流强度共同决定：中表示待评价月份 产能两个方面不能充分阐明过程系统的可靠性.对 的正常生产工况工序能效与规定时间内的最大正常 此，能耗可靠性研究要求钢铁生产过程单元/工序的 生产工况工序能效的比值，反映了待评价月份与基 规定功能是在保证完成生产的前提下最大限度地实 准月份在物料条件和产品结构等方面的接近程度， 现高能效.大量生产实践证明，统计期内，过程单 简称相近度.因此，过程单元/工序的能耗可靠性由 元/工序在正常生产状态下的能源效率最大，而系统 工序能效比和相近度共同决定.若以第i月的能耗

第 2 期 张文娟等: 钢铁生产过程系统的能耗可靠性评价 间生产的合格产品量，即合格产品的生产率，t·h － 1 ． 其中，ei，j反映了统计期内过程系统中输入能源 的变化，在此定义 ei，j为能流强度，不同生产工况下 能流强度不同． 而且，即使生产工况相同，因物料条 件、能量结构及操作原则的不同，能流强度会有差 别，只是相对较小而已［10--11］． 因此，定义 ei为统计期 内第 i 种生产工况的平均能流强度． 在工业生产中，常用“单位产品能耗”来反映过 程系统的能源效率． 为了更好地与可靠性相结合， 本文采用能效效率［12］作为基本评价指标，表示输入 过程系统的单位能源量所能生产的合格产品量，如 下式: P E = P1 + P2 E1 + E2 + E3 ． ( 4) 由以上定义及式( 4) 推导可得 P E = P1 + P2 E1 + E2 + E3 = P1 E1 · η1 + p2 p1 η2 η1 + e2 e1 η2 + e3 e1 η3 ． ( 5) 式中: P E 为能源效率; P1 E1 为正常生产的能源效率; η1 为正常生产状态的作业率; η2 为非正常生产状态的 作业率; η3 为停产状态的发生率; p1 和 p2 为正常生 产和非正常生产状态下合格产品的生产率，t·h － 1 ; p2 p1 为物质流量比; e2 e1 为非正常生产工况与正常生产 工况的平均能流强度之比; e3 e1 为停产工况与正常生 产工况的平均能流强度之比． 一般而言，当统计期内生产的物料条件、产品结 构一定时，在正常生产工况下，过程系统的能源效率 变化很小． 能源效率主要由统计期内各种生产工况 的发生率、物质流量比及平均能流强度比决定． 2 钢铁生产过程系统的能耗可靠性及其评价 从钢铁制造过程的特点和系统的功能上看，钢 铁生产系统的可靠性是指系统在一定时间内，一定 数量的物料和能源经过特定结构的流程后，产出一 定数量的合格产品的能力［13］． 为保证生产，通常钢 铁制造过程输入了过剩的能源［14］，因此仅从时间和 产能两个方面不能充分阐明过程系统的可靠性． 对 此，能耗可靠性研究要求钢铁生产过程单元/工序的 规定功能是在保证完成生产的前提下最大限度地实 现高能效． 大量生产实践证明，统计期内，过程单 元/工序在正常生产状态下的能源效率最大，而系统 处于停产状态时无产品产出，能源效率为零［15--16］， 因此过程单元/工序的能源效率满足 T1，当 P E = P1 E1 ，正常生产状态下; T2，当 P E = P2 E2 ＜ P1 E1 ，非正常生产状态下; T3，当 P E = 0，停产状态下          ． ( 6) 可见，钢铁生产过程单元/工序能耗可靠性是指在规 定时间内，一定条件下，过程单元/工序实现最大能 效的程度． 在规定时间内，最大能效是一年或几年 中正常生产状态下的最大能效，即 D = max 12 × n i [ ( = 1 P1 E ) 1 ] i ． ( 7) 式中，D 为规定功能，i 为第 i 个月份，n 为第 n 年． 因此，过程单元的能耗可靠度 R 定义如下: R = [ ( ) P E ] i D． ( 8) 由式( 5) 可得 P E P1 E1 = η1 + p2 p1 η2 η1 + e2 e1 η2 + e3 e1 η3 ． ( 9) 且由P2 E2 ＜ P1 E1 ，即p2 p1 ＜ e2 e1 ，可得 R ＜ 1，符合基本的可靠 性技术原则． 同时，过程单元的能耗可靠度也可表 示为 R = [ ( ) P E ] i /D = ε·． ( 10) 式中， ε = [ ( ) P E ] [ ( i P1 E ) 1 ] i = η1i + p2i p1i η2i η1i + e2i e1i η2i + e3i e1i η3i ， ( 11)  = [ ( P1 E ) 1 ] [ i max 12 × n i [ ( = 1 P1 E ) 1 ] ] i ． ( 12) n 表示规定的年份; ε 表示统计期内过程单元/工序 的工序能效与正常生产工况下工序能效的比值，简 称工序能效比，由统计期内各种工况的发生率、物质 流量及平均能流强度共同决定;  表示待评价月份 的正常生产工况工序能效与规定时间内的最大正常 生产工况工序能效的比值，反映了待评价月份与基 准月份在物料条件和产品结构等方面的接近程度， 简称相近度． 因此，过程单元/工序的能耗可靠性由 工序能效比和相近度共同决定． 若以第 i 月的能耗 ·225·

·226· 北京科技大学学报 第34卷 可靠度作为基准，将第j月的与其进行比较，则第j 表12009年电弧炉工序能耗可靠性指标计算结果 月与第i月的能耗可靠度的变化可以用能效比变化 Table 1 Calculation results of energy consumption reliability index of EAF in 2009 和相近度变化来表示，如下式： 正常生产工 h(是)=h(8)=ln(经)+h(念) 工序能效 况工序能效， 工序 月份 (P/E)/ 相近度， (P/E)/ 能效比 中 (13) (tGJ-) (t"G-1) 多 为了定量衡量工序能效比和相近度对能耗可靠 0.619 0.759 0.815 0.785 度的影响，引入贡献指数6的概念.工序能效比和 2 0.702 0.852 0.823 0.882 相近度变化对能耗可靠度变化的贡献指数分别用 0.694 0.837 0.830 0.865 C(&→R)与C(中→R)表示，由 0.700 0.858 0.817 0.887 csw=[(g)]/[n(是)] (14) 0.697 0.876 0.796 0.906 0.704 0.896 0.786 0.926 和 0.692 0.849 0.815 0.878 中-R=-[(念)]/[(R)川](15) 0.688 0.864 0.797 0.893 0.729 0.967 0.754 1.000 计算得到.其中C(ε→R)+C(中→R)=100%.贡 10 0.714 0.893 0.799 0.923 献指数为正时，表示R与ε（或中）正相关；贡献指数 11 0.680 0.814 0.836 0.841 为负时，表示R与ε（或）负相关. 12 0.692 0.866 0.799 0.895 3应用实例及分析 可由式(16)得到.同理，在规定时间(1a)内，2006、 运用钢铁生产过程系统能耗可靠度评价指标对 2007和2008年电炉工序的规定功能分别为0.823 国内某特殊钢厂的电炉炼钢过程单元/工序进行能 tG-1、0.809tG-1和0.963tG-1,4a的能耗可 耗可靠性评价.该特殊钢厂从2006年到目前在电 靠度计算结果见表2 炉工序的炉料结构、产品结构及能量结构方面不断 地进行技术改进，如加大热装铁水的比例、优化用氧 R=[(),]D=[()]/[[伦)]小 工艺、稳定生产节奏等，工序的能源效率也得到了很 (16) 大的提高.2006一2009年，该电炉工序的月平均能 式中，n为规定的年份.当规定时间为2006一2009 耗由原来的1.707Gt-1降至1.431GJt1 年（即4a)时，电炉工序的规定功能为实现4a中正 3.1评价指标计算 常生产状况下的最大能效，即0.967t翻·G-1,则在 以该厂2006一2009年电弧炉工序生产数据为 规定时间(4a内)，2006一2009年的能耗可靠度计 基础，计算规定时间为la和规定时间为4a的过程 算结果见表3.结果表明，2006一2009年期间，2009 单元能耗可靠性指标.2009年的计算结果见表1. 年的月平均能耗度最大达0.716,2008年的平均能 同理可得2006一2008年的各项指标. 耗可靠度最小为0.643 从表1中可以看出，2009年9月正常生产工况 由图2可知：在规定时间内，电弧炉工序能效随 下的工序能效最高，因此在规定时间(1a)内，电炉 能耗可靠度的增加而增加，但不同年份，其增加速率 工序的规定功能为实现正常生产状况下的最大工序不同.因此，在能耗可靠度相同的情况下，不同年份 能效0.967tG-1,则2009年各月的能耗可靠度R 的电炉工序能效不同.对于同一过程单元/工序，在 表22006一2009年电弧炉工序各月的能耗可靠度（规定时间为1a) Table 2 Energy consumption reliability of EAF in different months of 2006 to 2009 when the stated period is one year 年份 1月 2月3月 4月5月 6月7月8月 9月 10月 11月 12月 2006 0.6550.7540.7740.8130.7960.8050.7940.825 0.8580.8110.825 0.790 2007 0.7890.822 0.809 0.8390.8390.824 0.8280.709 0.6980.717 0.720 0.800 2008 0.707 0720 0.653 0.6370.642 0.603 0.511 0.772 0.7120.587 0.594 0.609 2009 0.640 0.726 0.718 0.7240.721 0.728 0.715 0.712 0.754 0.738 0.703 0.715

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 可靠度作为基准，将第 j 月的与其进行比较，则第 j 月与第 i 月的能耗可靠度的变化可以用能效比变化 和相近度变化来表示，如下式: ( ln Rj R ) i = ( ln εjj εi ) i = ( ln εj ε ) i + ( ln j  ) i ． ( 13) 为了定量衡量工序能效比和相近度对能耗可靠 度的影响，引入贡献指数［6］的概念． 工序能效比和 相近度变化对能耗可靠度变化的贡献指数分别用 C( ε→R) 与 C( →R) 表示，由 C( ε→R) = [ ( ln εj ε ) ] [ i ( ln Rj R ) ] i ( 14) 和 C( →R) = [ ( ln j  ) ] [ i ( ln Rj R ) ] i ( 15) 计算得到． 其中 C( ε→R) + C( →R) = 100% ． 贡 献指数为正时，表示 R 与 ε( 或 ) 正相关; 贡献指数 为负时，表示 R 与 ε( 或 ) 负相关． 3 应用实例及分析 运用钢铁生产过程系统能耗可靠度评价指标对 国内某特殊钢厂的电炉炼钢过程单元/工序进行能 耗可靠性评价． 该特殊钢厂从 2006 年到目前在电 炉工序的炉料结构、产品结构及能量结构方面不断 地进行技术改进，如加大热装铁水的比例、优化用氧 工艺、稳定生产节奏等，工序的能源效率也得到了很 大的提高． 2006—2009 年，该电炉工序的月平均能 耗由原来的 1. 707 GJ·t － 1 降至 1. 431 GJ·t － 1 ． 3. 1 评价指标计算 以该厂 2006—2009 年电弧炉工序生产数据为 基础，计算规定时间为 1 a 和规定时间为 4 a 的过程 单元能耗可靠性指标． 2009 年的计算结果见表 1． 同理可得 2006—2008 年的各项指标． 从表 1 中可以看出，2009 年 9 月正常生产工况 下的工序能效最高，因此在规定时间( 1 a) 内，电炉 工序的规定功能为实现正常生产状况下的最大工序 能效 0. 967 t·GJ － 1 ，则 2009 年各月的能耗可靠度 R 表 1 2009 年电弧炉工序能耗可靠性指标计算结果 Table 1 Calculation results of energy consumption reliability index of EAF in 2009 月份 工序能效， ( P /E ) / ( t·GJ － 1 ) 正常生产工 况工序能效， ( P1 /E1 ) / ( t·GJ － 1 ) 工序 能效比， ε 相近度，  1 0. 619 0. 759 0. 815 0. 785 2 0. 702 0. 852 0. 823 0. 882 3 0. 694 0. 837 0. 830 0. 865 4 0. 700 0. 858 0. 817 0. 887 5 0. 697 0. 876 0. 796 0. 906 6 0. 704 0. 896 0. 786 0. 926 7 0. 692 0. 849 0. 815 0. 878 8 0. 688 0. 864 0. 797 0. 893 9 0. 729 0. 967 0. 754 1. 000 10 0. 714 0. 893 0. 799 0. 923 11 0. 680 0. 814 0. 836 0. 841 12 0. 692 0. 866 0. 799 0. 895 可由式( 16) 得到． 同理，在规定时间( 1 a) 内，2006、 2007 和 2008 年电炉工序的规定功能分别为 0. 823 t·GJ － 1 、0. 809 t·GJ － 1 和 0. 963 t·GJ － 1 ，4 a 的能耗可 靠度计算结果见表 2． Ri = [ ( ) P E ] i /D = [ ( ) P E ] [ i max 12 × n i [ ( = 1 P1 E ) 1 ] ] i . ( 16) 式中，n 为规定的年份． 当规定时间为 2006—2009 年( 即 4 a) 时，电炉工序的规定功能为实现 4 a 中正 常生产状况下的最大能效，即 0. 967 t钢·GJ － 1 ，则在 规定时间( 4 a 内) ，2006—2009 年的能耗可靠度计 算结果见表 3． 结果表明，2006—2009 年期间，2009 年的月平均能耗度最大达 0. 716，2008 年的平均能 耗可靠度最小为 0. 643． 由图 2 可知: 在规定时间内，电弧炉工序能效随 能耗可靠度的增加而增加，但不同年份，其增加速率 不同． 因此，在能耗可靠度相同的情况下，不同年份 的电炉工序能效不同． 对于同一过程单元/工序，在 表 2 2006—2009 年电弧炉工序各月的能耗可靠度( 规定时间为 1 a) Table 2 Energy consumption reliability of EAF in different months of 2006 to 2009 when the stated period is one year 年份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 2006 0. 655 0. 754 0. 774 0. 813 0. 796 0. 805 0. 794 0. 825 0. 858 0. 811 0. 825 0. 790 2007 0. 789 0. 822 0. 809 0. 839 0. 839 0. 824 0. 828 0. 709 0. 698 0. 717 0. 720 0. 800 2008 0. 707 0. 720 0. 653 0. 637 0. 642 0. 603 0. 511 0. 772 0. 712 0. 587 0. 594 0. 609 2009 0. 640 0. 726 0. 718 0. 724 0. 721 0. 728 0. 715 0. 712 0. 754 0. 738 0. 703 0. 715 ·226·

第2期 张文娟等：钢铁生产过程系统的能耗可靠性评价 ·227· 表32006一2009年电弧炉工序各月的能耗可靠度（规定时间为4a) Table 3 Energy consumption reliability of EAF in different months of 2006 to2009 when the stated period is four years 年份1月 2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月平均值 20060.588 0.642 0.6580.6920.6770.685 0.6760.7020.7310.6900.702 0.672 0.676 20070.660 0.688 0.6770.702 0.7020.689 0.6930.593 0.5840.6000.6020.669 0.655 2008 0.704 0.7170.650 0.634 0.639 0.600 0.508 0.769 0.709 0.585 0.592 0.606 0.643 20090.6400.7260.7180.7240.7210.7280.7150.7120.7540.7380.7030.7150.716 不同的规定时间内，其能耗可靠度也可能不同，如图 0.8 3所示.规定时间越长，随着工艺操作等的优化，能 够实现的最大能效可能越大，从而导致出现“即使 07A 工序能效不变甚至有所增加，但过程系统的能耗可 靠度下降”的情况 0.6 0.8 。规定时间为2006一2009年 ·规定时间为2006年 0.7 065 0.6 0.70.8 0.9 1.0 能耗可靠度 0.6 图3工序能效与能耗可靠度的关系（不同规定时间内） ·2006年 。2007年 Fig.3 Relations between process energy efficieney and energy con- 0.5 42008年 sumption reliability in different stated periods 42009年 是当年的最大月能耗可靠度；规定时间为4a时， 0 .5 0.6 0.70.8 0.9 1.0 2008年8月的能耗可靠度为0.769，是4a内的 能耗可靠度 图2工序能效与能耗可靠度的关系（规定时间为1） 最大月能耗可靠度.因此，本文分别以2006年9 Fig.2 Relations between process energy efficiency and energy con- 月和2008年8月的月能耗可靠度为基准对电炉 sumption reliability when the stated period is one year 工序2006一2009年能源效率的变化进行分析. 3.2影响因素分析 由式(13)计算可得2006年各月与基准月的能耗 由上述指标计算结果（表2和表3）可知：规定 可靠度、工序能效比及相近度的相对变化，结果 时间为1a时，2006年9月的能耗可靠度为0.731， 见表4. 表42006年各月能耗可靠度与基准月的相对变化 Table 4 Relative variation of energy consumption reliability between different months and the standard month in 2006 规定时间为1a(以2006年9月为基准) 规定时间为4a(以2008年8月为基准) 月份 In(R /R) In(sjle） ln(中/) In(R /R) In(sle) ln(/Φ) 1 -0.270 0.008 -0.278 -0.321 0.129 -0.450 2 -0.129 -0.004 -0.125 -0.180 0.117 -0.298 3 -0.104 -0.011 -0.093 -0.155 0.109 -0.265 4 -0.054 -0.047 -0.007 -0.105 0.074 -0.180 5 -0.076 -0.028 -0.048 -0.127 0.093 -0.221 6 -0.065 -0.029 -0.036 -0.115 0.092 -0.208 7 -0.078 -0.026 -0.052 -0.129 0.095 -0.224 8 -0.040 -0.055 0.015 -0.090 0.066 -0.157 9 0.000 0.000 0.000 -0.051 0.121 -0.172 10 -0.057 0.072 -0.129 -0.108 0.193 -0.301 11 -0.040 0.028 -0.068 -0.091 0.149 -0.241 12 -0.084 -0.017 -0.066 -0.135 0.103 -0.239

第 2 期 张文娟等: 钢铁生产过程系统的能耗可靠性评价 表 3 2006—2009 年电弧炉工序各月的能耗可靠度( 规定时间为 4 a) Table 3 Energy consumption reliability of EAF in different months of 2006 to 2009 when the stated period is four years 年份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 平均值 2006 0. 588 0. 642 0. 658 0. 692 0. 677 0. 685 0. 676 0. 702 0. 731 0. 690 0. 702 0. 672 0. 676 2007 0. 660 0. 688 0. 677 0. 702 0. 702 0. 689 0. 693 0. 593 0. 584 0. 600 0. 602 0. 669 0. 655 2008 0. 704 0. 717 0. 650 0. 634 0. 639 0. 600 0. 508 0. 769 0. 709 0. 585 0. 592 0. 606 0. 643 2009 0. 640 0. 726 0. 718 0. 724 0. 721 0. 728 0. 715 0. 712 0. 754 0. 738 0. 703 0. 715 0. 716 不同的规定时间内，其能耗可靠度也可能不同，如图 3 所示． 规定时间越长，随着工艺操作等的优化，能 够实现的最大能效可能越大，从而导致出现“即使 工序能效不变甚至有所增加，但过程系统的能耗可 靠度下降”的情况． 图 2 工序能效与能耗可靠度的关系( 规定时间为 1 a) Fig． 2 Relations between process energy efficiency and energy con￾sumption reliability when the stated period is one year 3. 2 影响因素分析 由上述指标计算结果( 表 2 和表 3) 可知: 规定 时间为 1 a 时，2006 年 9 月的能耗可靠度为 0. 731， 图 3 工序能效与能耗可靠度的关系( 不同规定时间内) Fig． 3 Relations between process energy efficiency and energy con￾sumption reliability in different stated periods 是当年的最大月能耗可靠度; 规定时间为 4 a 时， 2008 年 8 月的能耗可靠度为 0. 769，是 4 a 内的 最大月能耗可靠度． 因此，本文分别以 2006 年 9 月和 2008 年 8 月的月能耗可靠度为基准对电炉 工序 2006—2009 年能源效率的变化进行分析． 由式( 13) 计算可得 2006 年各月与基准月的能耗 可靠度、工序能效比及相近度的相对变化，结果 见表 4． 表 4 2006 年各月能耗可靠度与基准月的相对变化 Table 4 Relative variation of energy consumption reliability between different months and the standard month in 2006 月份 规定时间为 1 a( 以 2006 年 9 月为基准) 规定时间为 4 a( 以 2008 年 8 月为基准) ln( Rj /Ri ) ln( εj /εi ) ln( j /i ) ln( Rj /Ri ) ln( εj /εi ) ln( j /i ) 1 － 0. 270 0. 008 － 0. 278 － 0. 321 0. 129 － 0. 450 2 － 0. 129 － 0. 004 － 0. 125 － 0. 180 0. 117 － 0. 298 3 － 0. 104 － 0. 011 － 0. 093 － 0. 155 0. 109 － 0. 265 4 － 0. 054 － 0. 047 － 0. 007 － 0. 105 0. 074 － 0. 180 5 － 0. 076 － 0. 028 － 0. 048 － 0. 127 0. 093 － 0. 221 6 － 0. 065 － 0. 029 － 0. 036 － 0. 115 0. 092 － 0. 208 7 － 0. 078 － 0. 026 － 0. 052 － 0. 129 0. 095 － 0. 224 8 － 0. 040 － 0. 055 0. 015 － 0. 090 0. 066 － 0. 157 9 0. 000 0. 000 0. 000 － 0. 051 0. 121 － 0. 172 10 － 0. 057 0. 072 － 0. 129 － 0. 108 0. 193 － 0. 301 11 － 0. 040 0. 028 － 0. 068 － 0. 091 0. 149 － 0. 241 12 － 0. 084 － 0. 017 － 0. 066 － 0. 135 0. 103 － 0. 239 ·227·