冶金科技獎一等獎 | 數(shù)字化綠色化新型鋼廠建造方法及工程實踐

　　王新東、李　鐵、張　弛、劉遠生、李寶忠、李傳民、董文進、單立東、郭　豪、張明海、朱志斌、曹　原、袁斯浪、胡啟晨、鐘金紅

　　河鋼集團有限公司、中冶京誠工程技術有限公司、唐鋼國際工程技術有限公司、中國二十二冶集團有限公司

　　智能化、綠色化是鋼鐵行業(yè)的發(fā)展方向。習近平總書記要求河北“堅決去、主動調、加快轉”，“在改革創(chuàng)新、開放合作中加快實現(xiàn)新舊動能轉換”。河鋼集團地處京津冀特殊地理位置，也是大型國有企業(yè)，更要主動作為，牢固樹立和踐行新發(fā)展理念，堅定不移化解過剩產能，全力推動鋼鐵行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、綠色發(fā)展、高質量發(fā)展。

　　唐鋼新區(qū)是貫徹落實習近平總書記“堅決去、主動調、加快轉”重要指示精神的重點工程，是河鋼也是行業(yè)探索鋼廠數(shù)字化、綠色化、品牌化轉型的重要工程。在鋼鐵工程建設特別是新型鋼廠建設過程中，如何實現(xiàn)全流程全方位的數(shù)字化和綠色化，還需要解決以下四個核心問題。

　　一是解決新一代信息技術與鋼鐵全流程深入融合的問題，實現(xiàn)信息立體感知與數(shù)據(jù)全方位采集，進一步提高數(shù)據(jù)孿生效率，打破產線各系統(tǒng)之間彼此孤立、信息孤島；二是解決綠色技術與工程設計的融合與協(xié)同問題，從總體設計角度實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)多工序多污染物污染物治理的協(xié)同以及生產制造與綠色技術的協(xié)同。三是解決新一代流程鋼廠各工序高效銜接的問題，通過數(shù)字化手段，搭建流程優(yōu)化和智能化運行總平臺，實現(xiàn)各工序間的高效銜接。四是解決鋼鐵工程項目管理手段不統(tǒng)一的問題，實現(xiàn)鋼鐵工程工藝設計、設備管理、現(xiàn)場施工的協(xié)同管理。

　　針對數(shù)字化、綠色化鋼廠建設工程面臨的鋼廠全流程數(shù)字孿生創(chuàng)新、行業(yè)排放限值要求高、多污染物協(xié)同治理難、生產環(huán)保深度耦合難、綠色技術工程集成難等諸多難題，本項目團隊在唐鋼新區(qū)建設過程中，以“綠色化、智能化、品牌化”為建設目標，以物質流、能源流、信息流的最優(yōu)網(wǎng)絡結構為方向，運用最新的鋼廠動態(tài)精準設計、集成理論和流程界面技術，通過數(shù)字虛擬工廠與現(xiàn)實工廠協(xié)同架構、綠色技術與工程設計協(xié)同模式以及全要素資源動態(tài)協(xié)同的過程管控模式等“四個協(xié)同”的工程管理方法，實現(xiàn)數(shù)字化綠色化新型鋼廠建造?？傮w思路如圖1所示。

圖1 數(shù)字化綠色化新型鋼廠工程管理思路

　　本項目形成以下創(chuàng)新：

　　1.研究構建出基于設計、交付、運維全生命周期和全要素數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生虛擬與現(xiàn)實協(xié)同智能化集成技術平臺，建立了工程數(shù)字化協(xié)同設計平臺、工程數(shù)據(jù)中心，構建了統(tǒng)一編碼及統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實協(xié)同的全流程、全生命周期數(shù)字化建造。

　　建立了鋼鐵行業(yè)首個虛擬與現(xiàn)實協(xié)同設計的數(shù)字孿生工廠，融合包含燒結、球團、高爐、煉鋼、軋鋼等全工序流程，覆蓋從設計到交付再到運營、維護的全生命周期，涵蓋工廠生產、質量、物流、能源、運維、安環(huán)等全要素的多維數(shù)據(jù)，解決了多學科、多維度、跨專業(yè)復雜的虛擬與實體工廠同步設計、建設和運維，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)實工廠與數(shù)字工廠協(xié)同設計技術路線圖

　　2.建立了貫穿于鋼鐵企業(yè)設計-施工-生產-運營全生命周期的綠色技術數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建了基于綠色技術與工程設計協(xié)同的減量化、再利用、再循環(huán)綠色工廠，解決了鋼鐵企業(yè)工序多、污染物種類多、污染物協(xié)同治理難的問題。

　　依托標準規(guī)范化的鋼鐵制造各工序綠色指標，形成符合鋼鐵企業(yè)特征的綠色鋼廠指標體系，并以此建立鋼鐵綠色工藝技術數(shù)據(jù)庫，將技術體系融入鋼鐵項目總體設計中。通過指標分解和評價方法將綠色技術應用于每個工序，打造全生命周期、全流程的綠色化工廠。通過建立綠色技術與工程設計協(xié)同模式，以流轉時間最小化、空間路徑最小化、過程排放最小化為目標，通過CAE仿真設計平臺、物流仿真平臺、精準設計平臺、BIM設計平臺，實現(xiàn)在工程設計階段綠色技術體系與工程設計體系的深度融合，如圖3所示。

圖3 綠色技術與工程設計的協(xié)同路線圖

　　3.建立全過程與全要素資源動態(tài)協(xié)同的過程管理方法。通過結構化WBS和實時KPI方法，把投資、工期、采購需求、設備監(jiān)制、工程施工、項目結算、竣工轉資等要素進行實時控制和科學調度，解決項目管理過程中多部門、多流程、跨專業(yè)、分階段統(tǒng)一管理的難題，實現(xiàn)項目建設過程全要素資源的集中調配與高效協(xié)同管理，降低同口徑噸鋼投資費用21%。

　　利用先進的實施方法論和技術，通過管控組織與作業(yè)區(qū)域及配套相結合、作業(yè)區(qū)域及配套與費用類型相結合的結構化WBS架構，將投資計劃、采購需求、采購合同、工期進度、項目成本、結算規(guī)則、組織人員、過程資料等全資源要素進行統(tǒng)一管理，提高了設計、需求、采購、合同實施間的協(xié)同融合管理效率；增強了跨專業(yè)、跨部門、跨工程建設階段的精細化資源調配與監(jiān)控能力；實現(xiàn)了項目建設全過程的數(shù)字化信息共享。整體路線如圖4所示。

圖4 項目全要素資源協(xié)同管控技術路線圖

　　4.研究開發(fā)出基于工程數(shù)字與模塊建造協(xié)同管理的可視化、信息化、高效化建造體系，解決了建造過程集成化程度低、資源占用多、施工效率低，質量、安全和投資管控難，信息化程度低的難題。

　　項目將“BIM和模塊建造協(xié)同”方法貫穿建設的全生命周期。利用BIM三維技術，直觀展示設計方案成果和全過程的可視化設計，同時，通過BIM數(shù)字化平臺多專業(yè)協(xié)同設計，及時解決各專業(yè)設計成果錯漏和碰撞沖突，精準計算工程量，設計優(yōu)化，有效減少設計失誤造成的返工。在施工階段，一是運用BIM三維數(shù)字模擬技術，進行設計、安全技術等交底和方案討論工作，使得工程質量、安全管控直觀可視化。二是將3D與時間維度相結合，形成4D動態(tài)管理，管控施工進度，對施工資源和場地布置等進行優(yōu)化。三是利用BIM技術和模塊化建造協(xié)同融合，使得項目施工質量可控，安全管理可靠，實現(xiàn)數(shù)字建筑的成本精益和高效管理。技術路線圖如圖5所示。

圖5 BIM和模塊建造協(xié)同路線圖

　　該工程管理成果，在成功建設“綠色化、智能化、品牌化”的唐鋼新區(qū)工程后，還應用到河鋼石鋼短流程典范工廠、河鋼邯鋼老區(qū)搬遷等鋼廠建設工程中，取得了顯著的經濟效益和社會效益。以唐鋼新區(qū)為例。

　　1.工程建設效率顯著提升

　　唐鋼新區(qū)項目年產鐵水732萬噸、鋼水747萬噸，全流程應用數(shù)字化設計和交付，與國內外同規(guī)模沿海鋼鐵企業(yè)、“十三五”期間同期建設項目相比，均具有先進性。噸鋼投資（到熱軋工序）在同類沿海鋼鐵廠中最低，且比同地區(qū)鋼鐵新建企業(yè)降低21%。項目建設周期僅用30個月，比同類型降低6-13個月，比原計劃36個月縮短6個月。

　　2.唐鋼新區(qū)廠內運行流程緊湊

　　唐鋼新區(qū)在總圖布置中運用新一代聯(lián)合鋼鐵企業(yè)總體設計理念，實現(xiàn)總圖布局的緊湊、生產流程的順暢、功能分區(qū)的明確，做到人流與貨流分開，特種物流與普通物流分開，有污染的生產區(qū)與清潔生產區(qū)分開，噸鋼占地面積0.53m2，在國內外相同規(guī)模企業(yè)中占地最小，流程最為緊湊，物流成本最低。

　　唐鋼新區(qū)項目研發(fā)和應用230余項新工藝、新技術，實施130多項國內最先進的綠色環(huán)保生產技術，實現(xiàn)生產單元煙氣全凈化和污染物高效處理。項目噸鋼綜合能耗為539.75kgce，企業(yè)自發(fā)電比例達到80%以上，噸鋼SO2排放量0.06kg，噸鋼NOx排放量0.20kg，噸鋼煙粉塵排放量0.10kg，二次能源回收利用率100%。物料實現(xiàn)全封閉運輸和實時監(jiān)控，成品運輸火車集港、非公路運輸率達到98%以上。噸礦污染物排放總量比行業(yè)超低排放水平再降36%，與常規(guī)長流程鋼鐵企業(yè)相比減少碳排放20%。2022年唐鋼新區(qū)被河北省生態(tài)環(huán)境廳評為環(huán)保A級績效企業(yè)。

　　4.唐鋼新區(qū)數(shù)字化水平國內領先

　　唐鋼新區(qū)構建了全流程一體化的智能生產管控系統(tǒng)，集成生產、設備、質量、銷售、市場、物流、能源、環(huán)保、安全等與生產經營相關的全方位信息數(shù)據(jù)，覆蓋整個工序鏈條，實現(xiàn)全流程生產運營的大數(shù)據(jù)匯聚、智能分析和智能決策。搭建了流程優(yōu)化和智能化運行的總體設計和協(xié)同平臺，從全流程角度，提出鐵鋼界面、鋼軋界面、鑄軋界面動態(tài)有序運行的協(xié)同規(guī)則，系統(tǒng)自動匹配各工序作業(yè)用時的優(yōu)化與工序間高效銜接，使得“流轉時間最小化、空間路徑最小化、過程排放最小化”理念得以量化和實現(xiàn)。建成了國內最智能的“無人化”料場，以及高爐自動化控制系統(tǒng)、轉爐一鍵煉鋼、一鍵自動出鋼、設備在線診斷、廠區(qū)智慧物流及機器人應用等智能裝備，顯著提高唐鋼新區(qū)運行效率和柔性制造能力。