Об опыте ОАО «ММК» в области энергосбережения

 

Авторы

Журавлев Юрий, Главный энергетик ОАО «Ммк»

Седельников Сергей, Начальник цеха энергосберегающих технологий ОАО «Ммк»

Копцев Леонид, Начальник лаборатории анализа и управления энергоресурсов ОАО «Ммк»

 

    Базовыми основами концепции энергосбережения на Маг­ни­то­горском металлургическом комбинате (ММК) являются системный подход к решению проблем, эффективный механизм энергосбережения, единая энергосберегающая политика.
    На определенном этапе развития комбината основу деятельности по оптимизации расходования энергоресурсов составляло планомерное использование вторичного сырья, как правило, доменного и коксового газа, тепла отходящих газов мартеновских и нагревательных печей, пара от систем испарительного охлаждения (СИО) мартеновских печей. Вторичные газы применяли в нагреве слитков и заготовок перед прокаткой, тепло отходящих газов за печами — в котлах-утилизаторах для получения пара. Маловодность региона вызвала необходимость «запуска» оборотных циклов для снабжения цехов предприятия технической водой.
    Полная и постоянная загруженность большого количества технологических агрегатов определяла равномерность выработки вторичного пара и его хорошие параметры, что позволяло широко использовать этот пар для технологических нужд и обогрева производственных зданий. Например, все собственные потребности паровоздуходувной электростанции (ПВЭС) по водоподготовке, нагреву химически очищенной воды перед подачей в котлы обеспечивались паром СИО мартеновских печей.
    Произошедшие в стране после 1989 г. изменения привели более чем к двукратному сокращению производства. Несмотря на это, на комбинате активно продолжалась начатая ранее техническая реконструкция, направленная на повышение качества продукции и расширение сортамента. Развитие новых технологий стало толчком к реструктуризации производства и остановке ряда цехов.
    Модернизация основного технологического оборудования повлекла за собой глубокие структурные преобразования в энергетике предприятия. Изменились центры потребления энергоресурсов, вместе с мартеновскими печами выведены из оборота источники пара СИО печей, источники тепла (нагревательные колодцы) обжимных станов, появился избыток доменного и коксового газов, конвертерный газ и низкопотенциальный пар от котлов ОКГ-400 конвертерного цеха и от котлов-утилизаторов за нагревательными печами стана-2000. Для утилизации этого пара возведен новый энергокорпус. Для обеспечения комплекса конвертерного цеха и стана-2000 запущены новая кислородная станция и компрессорный блок для производства сжатого воздуха, новые водоводы, насосные станции для подачи технической воды, оборотные циклы охлаждения промводы и очистные сооружения для отделения шламов. Построена еще одна головная подстанция для устойчивого электроснабжения новой производственной площадки по схеме «глубокого ввода» высокого напряжения для сокращения потерь при передаче и распределении электроэнергии. При этом изменились потоки природного газа, электроэнергии, кислорода, пара, сжатого воздуха, технической воды.
    Вместе с тем наблюдались значительные колебания в объемах производства отдельных подразделений и предприятия в целом, в то время как энергетика очень инерционна по своей природе. Начался трудно прогнозируемый, но неуклонный рост цен на энергоресурсы. Все эти факторы привели к увеличению доли энергетических затрат в себестоимости продукции комбината (до 53% в 1996 г.) и заставили руководство ММК по-новому взглянуть на состояние энергетической базы, расход энергоресурсов в технологиях и структурных подразделениях, поставить энерго­сбережение наряду с реструктуризацией производственных мощностей в ряд важнейших приоритетов политики предприятия.
    В 1996 г. на ММК была разработана первая в регионе Программа энергосбережения, а в дальнейшем на ее основе — Программа развития энергетики ОАО «ММК» до 2005 г.
    Документ включал в себя организационные мероприятия и технические проекты. Среди них — создание Центра энергосберегающих технологий и централизацию всей деятельности комбината в области энергосбережения, составление энергетического баланса предприятия, математическое моделирование энергопотребления, исследование динамики и оптимизацию энергетических балансов. Реализация первоочередных технических решений предполагала, в частности, модернизацию паровоздуходувной электростанции, обеспечение приборного учета и диспетчерского управления основными энергоресурсами.
    По поручению совета директоров предприятия специалистами управления главного энергетика совместно с проектными и научными организациями была разработана концепция развития энергетики, которая предусматривала рост собственной энергетической базы и осуществление мероприятий по минимизации энергозатрат на комбинате в целом. Пройдя экспертизу международных консалтинговых фирм, она была утверждена советом директоров в 1997 г. [1]. В концепцию были заложены три основополагающих принципа: сокращение потребления энергетических ресурсов; полная утилизация и эффективное использование вторичных энергетических ресурсов; максимальное развитие собственных энергетических мощностей.
    Сокращение потребления энергетических ресурсов было направлено на снижение удельного показателя энергопотребления и достижение мирового уровня лучших металлургических предприятий. На начальном этапе планировалось ограничение расхода покупных энергетических ресурсов — электроэнергии и природного газа — и развитие систем управления энергетическими потоками.
    Полная утилизация и эффективное использование вторичных энергетических ресурсов предполагали реконструкцию энергетических котлов ЦЭС и ПВЭС для предельно допустимого (по техническим характеристикам) применения в качестве топлива доменного и коксового газов.
    Максимальное развитие собственных энергетических мощностей было сконцентрировано на модернизации ПВЭС и превращении ее в электростанцию с высокой выработкой не только дутья, пара, но и электрической энергии, а также на реконструкции ЦЭС с увеличением электрической мощности.
    Энергоаудит предприятия, проведенный по рекомендации и при участии Европейского банка реконструкции и развития (ЕБРР) и международной консалтинговой фирмы «Агиплан», позволил сделать вывод о величине и структурной распределенности резерва энергосбережения и создал методические предпосылки для мониторинга энергоемкости продукции на комбинате [2]. Одновременно была развернута работа по снижению потерь и нерационального расхода энергоресурсов, повышению эффективности оборудования. Была продумана и приведена в действие система мониторинга коммуникаций и обнаружения утечек, предписаний по устранению потерь и контроля исполнения.
    В настоящее время на ММК целенаправленно реализуется комплексная программа эффективности использования энергоресурсов. Она охватывает такие направления, как:

  • всемерное вовлечение в топливный баланс предприятия вторичных топливных газов (коксового и доменного);
  • развитие собственной энергетической базы;
  • развитие и совершенствование системы учета энергоресурсов;
  • повышение эффективности использования энергоресурсов потребителями, сокращение потерь при транспортировке энергоресурсов;
  • мониторинг потребления энергоресурсов;
  • модернизация технологических процессов и агрегатов;
  • совершенствование энергетического баланса предприятия;
  • вовлечение персонала в энерго­сберегающую деятельность.
    Стремясь к минимизации затрат энергоресурсов и их доли в себестоимости продукции, нельзя забывать о том, что экономика в жизни предприятия доминирует над всеми другими процессами, в том числе и собственно энергосберегающими. Иногда мероприятия по оптимизации энергобаланса, ориентированные на снижение расходов на покупку энергоресурсов, одновременно ведут к увеличению энергоемкости продукции. Ключевую роль здесь играют несколько факторов, и основной из них — цены на энергоресурсы, вернее, их соотношение и сравнительная динамика роста (рис. 1).
    Спад производства к 1996 г. привел к тому, что многие технологические агрегаты оказались недозагруженными, что заставило искать наиболее рациональные пути использования оборудования. Часть основного оборудования, имеющего параллельно работающие агрегаты в технологической цепи, пришлось законсервировать: несколько доменных печей и коксовых батарей, аглофабрику № 4 (АФ-4 — самая энергоемкая), стан-2500 горячей прокатки (ЛПЦ-4). Для находящегося в эксплуатации оборудования была проведена паспортизация и на ее основе систематизированы основные характеристики энергопотребления и сформированы варианты возможных графиков работы цехов и агрегатов в зависимости от предполагаемых месячных объемов производства. Для прокатных цехов с учетом различных факторов была принята система «режимных смен», в пределах которых технологическое оборудование в плановом порядке простаивает с соответствующей глубокой разборкой схем электропитания и прекращением подачи других энергоресурсов. Также в цехах было выделено несколько групп механизмов с электроприводом, которые должны быть отключены персоналом при остановке технологической линии, если предполагаемая длительность простоя превышает заданную величину. Определены вспомогательные механизмы, обеспечивающие основную технологию и относящиеся в большинстве к энергохозяйству цехов, которые можно и необходимо вывести из процесса при малой интенсивности.
    Для агломерационного производства с его особенностями (несколько агломашин, наличие бункеров агломерата в доменном цехе, тяжелые условия пуска электродвигателей эксгаустеров) предложены другие мероприятия. По результатам специального обследования и на базе статистических материалов с помощью математического аппарата пошагового регрессионного анализа была получена кривая зависимости электропотребления (удельного расхода электроэнергии) от производственных и технологических факторов и выявлены наиболее значимые из них. Анализ материалов показал, что необходимо наращивать часовую производительность агломашин и за счет этого останавливать «лишнюю» агломашину в цикле не менее чем на двое суток.
    Благодаря оживлению экономики появилась возможность расконсервации и ввода в эксплуатацию АФ?4 и ЛПЦ-4. На начальном этапе после запуска этих объектов отмечалось значительное увеличение потребления энергоресурсов при относительно небольшом приросте выработки. Встала задача эффективного распределения объемов производства между аглофабрикой № 4 и аглофабриками № 2 и 3, а также между ЛПЦ-10 и ЛПЦ-4. Для более современных АФ-4 и ЛПЦ-10 характерны большая электровооруженность и мощность агрегатов. Анализ зависимости электропотребления от объемов производства для сравниваемых цехов показал, что динамика нарастания расхода энергии при увеличении производства в новых цехах менее интенсивна (характеристики W = f (П) более пологие), в связи с этим рекомендовано загружать ЛПЦ-10 и АФ-4 максимально, а ЛПЦ-4, АФ-2 и АФ-3 — по остаточному принципу. При этом суммарное потребление электроэнергии на горячем прокате и выпуске агломерата оказывается наименьшим.
    Модернизация сталеплавильного производства с пуском дуговых сталеплавильных печей в 2006 г. привела к заметному изменению структуры внешнего энергобаланса предприятия: начала сужаться доля коксующихся углей и природного газа и расширяться доля электроэнергии (табл. 1 и 2).
    С возрастанием объемов выплавки электростали самообеспеченность электроэнергией упала с 88,7% в 2005 г. до 75,0% в 2007 г., а энергоемкость продукции комбината — с 6,52 до 5,63 Гкал/т (рис. 2). Следует отметить, что полученное значение энергоемкости продукции оказалось лучше соответствующего показателя 1989 г. (6,0 Гкал/т стали), когда был поставлен годовой рекорд — 16 млн т стали.
    В составе ЭСПЦ имеются: двухванный сталеплавильный агрегат (ДСА-32), две дуговые сталеплавильные печи (ДСП-2 пущена в апреле, ДСП?1 — в сентябре 2006 г.), агрегаты внепечной обработки и машины непрерывной разливки стали. Динамика удельного потребления энергоресурсов на производство стали в ЭСПЦ (по месяцам) в 2006 г. с начала освоения электросталеплавильного производства приведена на рисунке 3. Энергоемкость стали за этот период сократилась с 19,2 до 11,2 ГДж/т. На рисунке видно, что снижение энергоемкости стали, выплавляемой в ЭСПЦ, происходит за счет уменьшения доли чугуна и затрат энергоресурсов на его производство по мере увеличения объемов электростали и сужения доли стали, выплавляемой в ДСА-32. Вместе с тем энергозатраты собственного производства цеха меняются с 3,0 до 4,4 ГДж/т, несмотря на то, что энергоемкость покупной электроэнергии, за счет которой покрывается прирост потребления, существенно ниже энергоемкости электроэнергии, вырабатываемой на собственных станциях. Таким образом, привносимый в продукцию ЭСПЦ с чугуном расход энергоресурсов на его производство составил в декабре 6,8 ГДж/т, или 60,7%.
    Для сравнения: удельные затраты энергоресурсов на выплавку стали в ККЦ в среднем 18,3 ГДж/т, в том числе самого цеха — порядка 1,17—1,27 ГДж/т, а привносимые с чугуном затраты энергоресурсов предыдущих переделов — около 17,1 ГДж/т, или приблизительно 93%.
    Очевидный энергосберегающий эффект способствует вовлечению в энергобаланс предприятия вторичных горючих газов — коксового и доменного. Сравнительно невысокая теплотворная способность определяет и весьма узкую по отношению к природному газу область применения вторичных газов. Наиболее целесообразно использование низкокалорийных газов в виде топлива на объектах энергетики, поэтому часть котлов ЦЭС и ПВЭС давно приспособлены для сжигания доменного газа. Традиционно он требуется для работы воздухонагревалей в самом доменном цехе. С расширением объемов производства, активацией ранее остановленных доменных печей и увеличением выхода вторичного газа на ММК на обогрев доменным газом переведены дополнительные потребители — коксовые батареи, для которых этот газ является более технологичным топливом. Для полного включения в энергобаланс вторичных топливных газов необходимо подготовить достаточное количество тепловых и энергетических агрегатов, способных их «воспринимать». В настоящее время на ЦЭС и ПВЭС все котлы адаптированы к доменному газу, еще один установлен на ЦЭС. Коксовый газ вчетверо калорийнее доменного, и область его применения значительно шире. Он традиционно участвует в обогреве коксовых батарей, для его сжигания дооборудованы котлы на ПВЭС, реконструированы три методические печи ЛПЦ-4, это топливо является основным для горнов агломашин, нагревательных печей новых сортовых станов и стана-5000, подается оно и на ряд других объектов.
    Повышение тарифов на электроэнергию от региональной энергосистемы все последние годы, их рост после каждого существенного снижения объемов электропотребления вынуждают комбинат всемерно развивать и совершенствовать собственную энергетическую базу. К этому подталкивает более чем двукратное удорожание покупной электроэнергии по отношению к себестоимости электроэнергии, получаемой на предприятии, а также возможность (и необходимость по экологическим причинам) использовать в качестве топлива вторичные газы.
    Для решения этих задач в энергокомплексе ММК вводятся новые генерирующие мощности, модернизируются котлы для утилизации все большего количества вторичных газов, ведется научная, организационная и техническая работа по оптимизации распределения загрузки, а также режимов энергетических объектов и систем передачи энергоресурсов.
    В результате с 1997 г. установленная мощность генераторов на комбинате увеличилась на 137 МВт. Построена (октябрь 2005 г.) малая электростанция с двумя генераторами по 7,5 МВт, поставщиками пара для которых являются котлы ОКГ конвертерного цеха и котлы-утилизаторы за цехом горячей прокатки ЛПЦ-10, то есть источники вторичного пара. Вырабатываемая мощность станций возросла с 383 МВт (1997 г.) до 622 МВт (2007 г.); потребление вторичных газов электростанциями — с 351,3 до 702,2 млн м3 (коксового) и с 4?387 до 6?658 млн м3 (доменного), или в 2 и 1,5 раза соответственно; доля вторичных газов в топливном балансе — с 23,4 до 36,0%; обеспеченность ММК собственной электроэнергией — с 77,8 до 96% (2005), но с пуском двух дуговых сталеплавильных печей она упала.
    Вовлечение вторичных топливных газов в энергобаланс предприятия снижает объем потребления внешних, покупных энергоресурсов. Аналогичный результат достигается и за счет рационального расходования имеющихся энергоресурсов и оптимизации структуры энергобаланса. Совершенствуются схемы сетей передачи вырабатывамых энергоносителей (технической и теплофикационной воды, сжатого воздуха) для уменьшения затрат электро-энергии на выработку энергоресурсов и снабжение ими потребителей. Реализуется программа повышения эффективности использования сжатого воздуха и пара, в итоге сокращается потребность в этих ресурсах и расходы на их производство [3]. В частности, выполняется программа перевода части потребителей, для которых это экономически оправдано, на подпитку сжатым воздухом от локальных компрессорных. Благодаря комплексу мероприятий выработка сжатого воздуха на предприятии в 2002 г. при росте производства стали на 12,5% снизилась по сравнению с 1999 г. на 2%, в мае 2001 г.при увеличении выплавки стали на 21% по отношению к началу года — на 7,7%.
    Большой экономический и энергосберегающий эффект дает оптимизация энергобаланса цехов и предприятия в целом. В кислородном производстве (кислородная станция № 4) имеются четыре компрессора с паровым приводом для подачи воздуха в блоки разделения. До недавнего времени они использовались далеко не в полной мере. Последние годы компрессоры целенаправленно загружаются по максимуму, вследствие чего падает суммарная потребляемая комбинатом мощность (около 2 МВт) и возрастает КПД ТЭЦ.
    Пути совершенствования энергобаланса для различных цехов и энергоресурсов разнообразны. Один из вариантов опробован на стане-2000 горячей прокатки (ЛПЦ?10). На основе обследования с помощью математического аппарата пошаговой регрессии были получены зависимости энергопотребления цеха от нескольких производственных и технологических факторов. Анализ зависимостей с учетом существующих тарифов на природный газ и электроэнергию определил целесообразность экономии природного газа (недогрев металла в пределах технологических допусков) и расхода большего количества электроэнергии на обжатие металла в клетях (суммарные затраты на покупку энергоресурсов для цеха при этом уменьшаются).
    Другой вариант может подойти для топлива. Идея заключается в том, что одно и то же топливо при сжигании на различных объектах дает неодинаковый эффект. Так, сжигание доменного газа на ЦЭС предпочтительнее, чем на ПВЭС. Вместе с тем на ПВЭС значительный энергосберегающий эффект может быть достигнут за счет увеличения доли коксового газа до определенных пределов [4]. Таким перераспределением вторичных топливных газов может быть высвобождено до 12 тыс. м3/ч природного газа, сжигание которого более рационально производить на ТЭЦ.
    Постоянно развивается и совершенствуется система учета энергоресурсов. В настоящее время осуществляется приборный учет всех энергоресурсов — как покупных (природный газ и электроэнергия), так и вырабатываемых внутри предприятия (кроме технической воды) — для всех подразделений и производственных участков. Внедрены автоматизированные системы учета, включенные в корпоративную информационную сеть и позволяющие всем участвующим в потреблении и управлении затратами энергоресурсов получать информацию в реальном времени.
    На основе учета продукции и расходуемых энергоресурсов на ММК введено нормирование потребления всех энергоресурсов для всех подразделений и производственных участков, что создает основу для повышения эффективности их использования в производстве. Аналогичную цель преследует и подготавливаемый ежегодно приказ по энергосбережению. В разработке мероприятий, которые содержит данный документ, участвуют все подразделения комбината и дочерних предприятий, что само по себе вовлекает в энерго­сберегающую деятельность широкий круг лиц.
    На ММК создана и эксплуатируется с начала 1996 г. модель электропотребления предприятия в целом в зависимости от объемов производства подразделений [5]. Основанная на математической обработке ежемесячно обновляемых отчетных данных по фактическим объемам производства и удельным расходам электроэнергии для каждого подразделения, модель дает возможность (на единой информационной базе) осуществлять нормирование, анализ эффективности потребления и прогнозирование необходимого количества электроэнергии для каждого из цехов и предприятия в целом. Одной из важнейших функций математической модели является сравнение и оценка результатов энергосберегающей деятельности.
    Ключевым методом стал сквозной энергетический анализ [6], подразумевающий механизм сравнения энергоемкости продукции различных предприятий, использующих разно­образные энергоресурсы, в одних единицах измерения эквивалента энергии, например в Гкал или ГДж, с отнесением на единицу продукции. На ММК сквозной энергетический анализ практикуют с 1996 г. [1].
    Литература
    1. Никифоров Г. В., Заславец Б. И. Энергосбережение на металлургических предприятиях. — Магнитогорск, МГТУ, 2000.
    2. Никифоров Г. В. Реализация программы энергосбережения в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» / Сб. Энергосбережение на промышленных предприятиях: Материалы Второй Международной научно-технической конференции. — Магнитогорск, 2000.
    3. Копцев Л. А., Михайловский В. Н., Майсюков Д. В., Япрынцева И. А. Повышение эффективности использования энергии при производстве, распределении и потреблении сжатого воздуха // Вестник энергосбережения Южного Урала. 2001. № 1.
    4. Копцев Л. А. Оптимизация энергобаланса собственных электростанций ОАО «ММК». / Сб. Энергосбережение на промышленных предприятиях: Материалы Второй Международной научно-технической конференции. — Магнитогорск, 2000.
    5. Копцев Л. А. Нормирование и прогнозирование потребления электроэнергии в зависимости от объемов производства // Промышленная энергетика. 1996. № 3.
    6. Лисиенко В. Г., Щелоков Я. М. Энергетический анализ — методология энергосбережения в металлургии // Энергетика региона. 2000. № 1.