完成人
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
完成單位
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
研究背景
智能化、綠色化是鋼鐵行業的發展方向。習近平總書記要求河北“堅決去、主動調、加快轉”，“在改革創新、開放合作中加快實現新舊動能轉換”。河鋼集團地處京津冀特殊地理位置，也是大型國有企業，更要主動作為，牢固樹立和踐行新發展理念，堅定不移化解過剩產能，全力推動鋼鐵行業創新發展、綠色發展、高質量發展。
唐鋼新區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，是河鋼也是行業探索鋼廠數字化、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，如何實現全流程全方位的數字化和綠色化，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，實現信息立體感知與數據全方位采集，進一步提高數據孿生效率，打破產線各系統之間彼此孤立、信息孤島；二是解決綠色技術與工程設計的融合與協同問題，從總體設計角度實現鋼鐵企業多工序多污染物污染物治理的協同以及生產制造與綠色技術的協同。三是解決新一代流程鋼廠各工序高效銜接的問題，通過數字化手段，搭建流程優化和智能化運行總平臺，實現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一的問題，實現鋼鐵工程工藝設計、設備管理、現場施工的協同管理。
總體思路與技術方案
針對數字化、綠色化鋼廠建設工程面臨的鋼廠全流程數字孿生創新、行業排放限值要求高、多污染物協同治理難、生產環保深度耦合難、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、信息流的最優網絡結構為方向，運用最新的鋼廠動態精準設計、集成理論和流程界面技術，通過數字虛擬工廠與現實工廠協同架構、綠色技術與工程設計協同模式以及全要素資源動態協同的過程管控模式等“四個協同”的工程管理方法，實現數字化綠色化新型鋼廠建造。總體思路如圖1所示。
圖1 數字化綠色化新型鋼廠工程管理思路
主要技術創新
本項目形成以下創新：
1.研究構建出基于設計、交付、運維全生命周期和全要素數據的數字孿生虛擬與現實協同智能化集成技術平臺，建立了工程數字化協同設計平臺、工程數據中心，構建了統一編碼及統一數據接口，實現了虛擬與現實協同的全流程、全生命周期數字化建造。
建立了鋼鐵行業首個虛擬與現實協同設計的數字孿生工廠，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、安環等全要素的多維數據，解決了多學科、多維度、跨專業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 現實工廠與數字工廠協同設計技術路線圖
2.建立了貫穿于鋼鐵企業設計-施工-生產-運營全生命周期的綠色技術數據庫，創建了基于綠色技術與工程設計協同的減量化、再利用、再循環綠色工廠，解決了鋼鐵企業工序多、污染物種類多、污染物協同治理難的問題。
依托標準規范化的鋼鐵制造各工序綠色指標，形成符合鋼鐵企業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據庫，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同路線圖
3.建立全過程與全要素資源動態協同的過程管理方法。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、分階段統一管理的難題，實現項目建設過程全要素資源的集中調配與高效協同管理，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區域及配套相結合、作業區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、結算規則、組織人員、過程資料等全資源要素進行統一管理，提高了設計、需求、采購、合同實施間的協同融合管理效率；增強了跨專業、跨部門、跨工程建設階段的精細化資源調配與監控能力；實現了項目建設全過程的數字化信息共享。整體路線如圖4所示。
圖4 項目全要素資源協同管控技術路線圖
4.研究開發出基于工程數字與模塊建造協同管理的可視化、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數字化平臺多專業協同設計，及時解決各專業設計成果錯漏和碰撞沖突，精準計算工程量，設計優化，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動態管理，管控施工進度，對施工資源和場地布置等進行優化。三是利用BIM技術和模塊化建造協同融合，使得項目施工質量可控，安全管理可靠，實現數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和模塊建造協同路線圖
應用情況與效果
該工程管理成果，在成功建設“綠色化、智能化、品牌化”的唐鋼新區工程后，還應用到河鋼石鋼短流程典范工廠、河鋼邯鋼老區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。以唐鋼新區為例。
1.工程建設效率顯著提升
唐鋼新區項目年產鐵水732萬噸、鋼水747萬噸，全流程應用數字化設計和交付，與國內外同規模沿海鋼鐵企業、“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，且比同地區鋼鐵新建企業降低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.唐鋼新區廠內運行流程緊湊
唐鋼新區在總圖布置中運用新一代聯合鋼鐵企業總體設計理念，實現總圖布局的緊湊、生產流程的順暢、功能分區的明確，做到人流與貨流分開，特種物流與普通物流分開，有污染的生產區與清潔生產區分開，噸鋼占地面積0.53m2，在國內外相同規模企業中占地最小，流程最為緊湊，物流成本最低。
3.唐鋼新區綠色制造能力達到行業領先水平
唐鋼新區項目研發和應用230余項新工藝、新技術，實施130多項國內最先進的綠色環保生產技術，實現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，企業自發電比例達到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%。物料實現全封閉運輸和實時監控，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超低排放水平再降36%，與常規長流程鋼鐵企業相比減少碳排放20%。2022年唐鋼新區被河北省生態環境廳評為環保A級績效企業。
4.唐鋼新區數字化水平國內領先
唐鋼新區構建了全流程一體化的智能生產管控系統，集成生產、設備、質量、銷售、市場、物流、能源、環保、安全等與生產經營相關的全方位信息數據，覆蓋整個工序鏈條，實現全流程生產運營的大數據匯聚、智能分析和智能決策。搭建了流程優化和智能化運行的總體設計和協同平臺，從全流程角度，提出鐵鋼界面、鋼軋界面、鑄軋界面動態有序運行的協同規則，系統自動匹配各工序作業用時的優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。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、轉爐一鍵煉鋼、一鍵自動出鋼、設備在線診斷、廠區智慧物流及機器人應用等智能裝備，顯著提高唐鋼新區運行效率和柔性制造能力。
