基于能量流網(wǎng)絡(luò)仿真的鋼鐵工業(yè)多能源介質(zhì)優(yōu)化調(diào)配

孫彥廣 梁青艷 李文兵 賈天云

鋼鐵工業(yè)是能源密集型產(chǎn)業(yè),我國鋼鐵工業(yè)能耗約占全國工業(yè)總能耗的16%[1].目前我國鋼鐵企業(yè)的噸鋼能耗仍比世界先進(jìn)水平國家高出10%左右[2].面對節(jié)能減排的嚴(yán)峻形勢,鋼鐵工業(yè)亟需通過綠色化、智能化實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展.

能源優(yōu)化調(diào)配是鋼鐵企業(yè)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)之一.通過能源優(yōu)化調(diào)配可以實(shí)現(xiàn)能質(zhì)匹配,提高能源的利用率,降低二次能源放散,在滿足生產(chǎn)對能源質(zhì)量和數(shù)量要求前提下,降低能源成本.

鋼鐵工業(yè)能源系統(tǒng)的特點(diǎn)對能源調(diào)配技術(shù)提出了挑戰(zhàn).首先,鋼鐵企業(yè)能源介質(zhì)種類繁多,包括煤、焦炭、煤氣、電力、蒸汽、技術(shù)氣體、壓縮空氣、水等近30種.其次,各種能源介質(zhì)與鋼鐵生產(chǎn)流程耦合緊密,很多二次能源介質(zhì)直接產(chǎn)生于鋼鐵生產(chǎn)過程的副產(chǎn)品或余熱余能回收利用,如高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、各種蒸汽回收、CDQ(Coke dry quenching)發(fā)電和TRT(Blast furnace top gas recovery turbine unit)發(fā)電等.此外,各種能源介質(zhì)的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、存儲、輸送和分配使用通過能源管網(wǎng)實(shí)現(xiàn),構(gòu)成了復(fù)雜的相互制約的能量流網(wǎng)絡(luò).

對于鋼鐵工業(yè)單一介質(zhì)優(yōu)化調(diào)配問題,很多學(xué)者進(jìn)行了研究.在鋼鐵副產(chǎn)煤氣調(diào)配方面,針對煤氣產(chǎn)生消耗量預(yù)測問題,劉穎等[3]基于改進(jìn)回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)用于高爐煤氣發(fā)生量預(yù)測,張顏顏等[4]采用改進(jìn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動子空間算法求解鋼鐵企業(yè)能源預(yù)測問題,肖冬峰等[5]基于改進(jìn)BP(Back propagation)網(wǎng)絡(luò)的高爐煤氣發(fā)生量預(yù)測模型;針對煤氣優(yōu)化調(diào)配問題,Akimoto等[6]采用多周期混合整數(shù)線性規(guī)劃模型研究煤氣柜位控制和自備電廠煤氣分配問題,張琦等[7]提出了鋼鐵聯(lián)合企業(yè)煤氣系統(tǒng)優(yōu)化分配模型,Giacomo等[8?9]從煤氣利用效益最大和二氧化碳排放最小角度研究了煤氣系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化求解算法,Yang等[10]研究了考慮副產(chǎn)煤氣存儲能力的富裕煤氣最優(yōu)分配問題.在氧氣優(yōu)化調(diào)配方面,Han等[11]研究了考慮電費(fèi)的氧氣系統(tǒng)優(yōu)化問題.在電力系統(tǒng)調(diào)配方面,王小輝[12]研究了某鋼廠電力負(fù)荷模擬與預(yù)測研究問題,Ashok[13]提出了一種適合工業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)能源優(yōu)化分配模型,高云龍等[14]研究了高耗能企業(yè)關(guān)口平衡優(yōu)化調(diào)度及其輸出功率控制方式,劉坤等[15]研究了考慮負(fù)荷及煤氣量不確定性的企業(yè)微電網(wǎng)自發(fā)電調(diào)度模型,張玉慶等[16]提出了綜合考慮發(fā)電、配電、用電環(huán)節(jié)的鋼鐵企業(yè)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行框架.鋼鐵工業(yè)單一介質(zhì)優(yōu)化調(diào)配,不能考慮各種能源介質(zhì)的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,難以取得多種能源介質(zhì)綜合優(yōu)化的效果.

對于鋼鐵工業(yè)多介質(zhì)優(yōu)化調(diào)配問題,近年來也有一些學(xué)者進(jìn)行了研究.李丹[17]提出了基于價(jià)值最大化的能源系統(tǒng)綜合調(diào)整策略,孟華[18]研究了鋼鐵企業(yè)自備電廠機(jī)組配置優(yōu)化及煤氣優(yōu)化調(diào)度問題,張琦等[19]建立了鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣–蒸汽–電力耦合模型,通過ILOG Cplex求解出模型的最優(yōu)解,獲得煤氣、蒸汽和電力的最優(yōu)分配方案,孫彥廣[20]基于能量流網(wǎng)絡(luò)信息模型提出了6大類多種能源介質(zhì)分解–協(xié)調(diào)動態(tài)調(diào)控策略,曾玉嬌等[21?22]建立了鋼鐵企業(yè)蒸汽和發(fā)電綜合優(yōu)化調(diào)度模型.何佳毅等[23]研究了鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型仿真及組態(tài)問題,Nawzad[24]提出了仿真和優(yōu)化結(jié)合的方法為提高能效提供決策支持.

上述鋼鐵工業(yè)多介質(zhì)優(yōu)化調(diào)配方案,并沒有充分考慮鋼鐵工業(yè)能源系統(tǒng)與鋼材生產(chǎn)系統(tǒng)耦合緊密的特點(diǎn),事實(shí)上,生產(chǎn)系統(tǒng)品種、產(chǎn)量、設(shè)備狀態(tài)和工藝路徑的不同,能源系統(tǒng)各介質(zhì)的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化、分配和使用需求不同,都會導(dǎo)致各種能源介質(zhì)的平衡關(guān)系、優(yōu)化約束邊界條件發(fā)生變化,使優(yōu)化效果大打折扣.

論文從鋼鐵制造流程物質(zhì)流能量流耦合特點(diǎn)出發(fā),提出了基于能量流網(wǎng)絡(luò)動態(tài)仿真的鋼鐵工業(yè)多能源介質(zhì)綜合優(yōu)化調(diào)配策略.首先，基于主生產(chǎn)工序的能量流模型、分介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型建立鋼鐵企業(yè)物質(zhì)流能量流集成的能量流網(wǎng)絡(luò)模型,充分表征物質(zhì)流、能量流相互耦合和相互影響;然后，通過輸入當(dāng)前生產(chǎn)計(jì)劃、工藝路徑、設(shè)備運(yùn)行狀況等信息進(jìn)行鋼鐵制造全流程仿真,來識別、調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)對能源系統(tǒng)的時(shí)變需求,形成多時(shí)間周期動態(tài)變化的優(yōu)化約束邊界條件;最后,針對不同生產(chǎn)場景進(jìn)行優(yōu)化求解,給出對應(yīng)的多能源介質(zhì)動態(tài)優(yōu)化調(diào)配.

論文首先探討了能量流網(wǎng)絡(luò)化建模、生產(chǎn)流程與能源系統(tǒng)結(jié)合的能源仿真技術(shù);然后,探討了多能源介質(zhì)綜合優(yōu)化調(diào)配技術(shù);最后,通過在鋼鐵企業(yè)示范應(yīng)用案例驗(yàn)證了論文所提方案的有效性.

1 鋼鐵工業(yè)能量流網(wǎng)絡(luò)化模型

鋼鐵工業(yè)能量流貫穿于能源使用、能源回收和能源轉(zhuǎn)換輸配三個環(huán)節(jié),在不同環(huán)節(jié)有不同的能源介質(zhì)表現(xiàn)形式.完整描述鋼鐵企業(yè)能量流網(wǎng)絡(luò)的信息模型結(jié)構(gòu)包括主生產(chǎn)工序的能量流模型、分介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型和鋼鐵企業(yè)能量流網(wǎng)絡(luò)集成模型.

其中,主生產(chǎn)工序的能量流模型描述各生產(chǎn)工序能源使用和回收情況,分介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型描述各種能源介質(zhì)產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、輸配情況.鋼鐵企業(yè)能量流網(wǎng)絡(luò)集成模型將能源使用、回收、轉(zhuǎn)換輸配三個環(huán)節(jié)能源信息關(guān)聯(lián)起來,并形成多種能源介質(zhì)間的調(diào)控[20].圖1為三個模型之間的信息流和控制流示意圖.

1.1 主生產(chǎn)工序的能量流模型

國內(nèi)外對鋼鐵企業(yè)主生產(chǎn)工序的能量流模型做了很多研究[25?30],從生產(chǎn)工序物料平衡和能源平衡的角度,分析了各種工藝制度對鋼鐵企業(yè)能源結(jié)構(gòu)的影響,以及鋼鐵企業(yè)余熱余能循環(huán)利用的潛力.這些模型的能耗計(jì)算是按鋼比進(jìn)行靜態(tài)匹配計(jì)算,不能反映生產(chǎn)節(jié)奏、設(shè)備檢修故障、能源緩沖等動態(tài)變化,而且這些模型沒有考慮與能源網(wǎng)絡(luò)的信息交互,無法滿足能源動態(tài)調(diào)配的需要.

針對上述問題,采取了以下措施,建立主生產(chǎn)工序的工序能量流模型[20]:

1)將主生產(chǎn)工序設(shè)備細(xì)分為能源消耗設(shè)備和能源回收設(shè)備,通過啟動/停止等狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)識,以反映設(shè)備正常、故障等動態(tài)運(yùn)行狀況,設(shè)備狀態(tài)信號來源于設(shè)備檢修計(jì)劃和設(shè)備管理系統(tǒng);煤氣管網(wǎng)、蒸汽管網(wǎng)和自發(fā)電機(jī)組等能源調(diào)配響應(yīng)周期為20分鐘到40分鐘,模型循環(huán)計(jì)算的時(shí)間粒度確定為30分鐘.

2)在能量流模型中引入鋼鐵生產(chǎn)流程動態(tài)調(diào)控機(jī)制:根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃,確定工藝路徑、主生產(chǎn)工序單元種類和每單元鋼材產(chǎn)量;根據(jù)作業(yè)計(jì)劃、維護(hù)計(jì)劃決定各單元的運(yùn)行時(shí)間;各生產(chǎn)單元按工藝路徑依次計(jì)算,并考慮前一工序輸出和庫存對后工序運(yùn)行的影響.

3)單元模型的輸入/輸出與各能源介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)模型對應(yīng),便于能源調(diào)控方案的研究.

主生產(chǎn)工序能源輸入輸出模型由于其與生產(chǎn)品種、產(chǎn)量、工況、原料結(jié)構(gòu)、工藝制度等密切相關(guān),很難用一個統(tǒng)計(jì)模型描述.論文研究中分析了影響介質(zhì)波動的因素,把影響因素分為靜態(tài)因素、動態(tài)因素及本身波動特性,采用基于工況信息的分段建模方法進(jìn)行模型描述.

圖1 能量流網(wǎng)絡(luò)模型的信息流與控制Fig.1 Information flow and control of energy flow network model

以高爐煤氣回收量模型為例.正常生產(chǎn)、休風(fēng)、減風(fēng)等不同工況下煤氣流量模型描述如下:

1.2 分介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型

分介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型是從燃?xì)狻⒄羝㈦姟⒓夹g(shù)氣體(氧氬氮)、壓縮空氣和水等分介質(zhì)管網(wǎng)角度,將主生產(chǎn)工序分能源介質(zhì)的消耗、回收與能源系統(tǒng)分能源介質(zhì)的產(chǎn)生、儲存、轉(zhuǎn)換分配連接起來,建立分介質(zhì)管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型.

能源管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的描述利用圖論的有向圖原理,通過關(guān)聯(lián)矩陣(樹枝矩陣、連枝矩陣)和基本回路矩陣將管網(wǎng)圖形(枝狀網(wǎng)與環(huán)狀網(wǎng)混合)信息數(shù)據(jù)化,并與能源節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián).能源管網(wǎng)基本方程.根據(jù)流體網(wǎng)絡(luò)的一些基本定律,如質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、阻力定律,確定連續(xù)性方程、能量方程和壓降方程,并對管段摩阻系數(shù)進(jìn)行辨識.

1.3 鋼鐵企業(yè)能量流網(wǎng)絡(luò)集成模型

在主生產(chǎn)工序的能量流模型和分介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上,建立鋼鐵企業(yè)能量流網(wǎng)絡(luò)集成模型,將主生產(chǎn)工序的能量流模型的計(jì)算結(jié)果與分介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)果銜接起來,如圖2所示.

主生產(chǎn)工序作為介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)從能源管網(wǎng)獲取所需要的各種能源介質(zhì),產(chǎn)生主產(chǎn)品、副產(chǎn)品,同時(shí)回收能源介質(zhì),回收的能源介質(zhì)又作為介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)的始端節(jié)點(diǎn).介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型始端節(jié)點(diǎn)除了回收能源外包括自產(chǎn)和外購能源,中間環(huán)節(jié)包括存儲、轉(zhuǎn)換分配及連接介質(zhì)管網(wǎng),終端節(jié)點(diǎn)包括主產(chǎn)用戶、能源生產(chǎn)單元用戶、公輔及小用戶,多余的能源放散或外送.其中能源生產(chǎn)單元在不同的介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)中角色不同,一方面在本身的產(chǎn)出介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)中作為始端節(jié)點(diǎn),產(chǎn)生自產(chǎn)能源;另一方面因?yàn)槟茉磫卧蚕哪茉?因此在其他介質(zhì)的能量流網(wǎng)絡(luò)中,作為終端節(jié)點(diǎn),消耗能源.

鋼鐵企業(yè)能量流網(wǎng)絡(luò)集成模型包括兩部分:1)主生產(chǎn)工序與介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型集成;2)各介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)之間集成.圖3為主生產(chǎn)工序之一的高爐與介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型集成示意圖,高爐從各介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型獲取能源作為能源輸入,產(chǎn)生鐵水,同時(shí)回收高爐煤氣,產(chǎn)生的高爐煤氣又作為高爐煤氣能量流網(wǎng)絡(luò)模型的輸入.高爐消耗及回收能源模型在主生產(chǎn)工序能量流網(wǎng)絡(luò)模型中描述.圖4為某鋼鐵企業(yè)電力系統(tǒng)與其他介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)集成模型示意圖,電力能量流網(wǎng)絡(luò)始端輸入節(jié)點(diǎn)包括300MW煤氣和燃煤CHP(Combined heat and power)發(fā)電、25MW余熱發(fā)電、CDQ余熱發(fā)電、TRT余能發(fā)電及外購能源,終端節(jié)點(diǎn)除給各主工序生產(chǎn)用戶外,還作為其他能量流網(wǎng)絡(luò)(技術(shù)氣體、壓縮空氣、水等)始端節(jié)點(diǎn)的能量輸入,各介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)集成模型主要考慮能源介質(zhì)之間的轉(zhuǎn)換.

圖2 鋼鐵企業(yè)能量流網(wǎng)絡(luò)集成模型結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structural block diagram of energy flow network integration model for iron and steel enterprises

圖3 高爐工序與能量流網(wǎng)絡(luò)模型集成Fig.3 Blast furnace process and energy flow network model integration

2 生產(chǎn)流程與能源系統(tǒng)結(jié)合的能源仿真技術(shù)

基于上述能量流網(wǎng)絡(luò)化模型,開發(fā)了生產(chǎn)流程與能源系統(tǒng)結(jié)合的能源仿真計(jì)算軟件,如圖5所示.

圖4 電力能量流網(wǎng)絡(luò)與其他介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)集成Fig.4 Power energy flow network and other media energy flow network integration

圖5 基于能量流網(wǎng)絡(luò)模型的能源系統(tǒng)動態(tài)仿真Fig.5 Dynamic simulation of energy system based on energy flow network model

圖6 介質(zhì)之間優(yōu)先級依賴關(guān)系Fig.6 Priority dependencies between media

能源系統(tǒng)動態(tài)仿真首先確定介質(zhì)之間優(yōu)先級依賴關(guān)系,如圖6所示.鋼鐵企業(yè)能源介質(zhì)種類繁多,大致可分為燃?xì)夂兔骸⒄羝㈦姟⒓夹g(shù)氣體、壓縮空氣和水6大類,分析能源介質(zhì)間消耗–轉(zhuǎn)換–產(chǎn)生的“鏈條”關(guān)系,燃?xì)庀到y(tǒng)處于轉(zhuǎn)換“鏈條”上游,電、蒸汽系統(tǒng)處于轉(zhuǎn)換“鏈條”中游,技術(shù)氣體、壓縮空氣、水處于轉(zhuǎn)換“鏈條”下游.據(jù)此,把技術(shù)氣體、風(fēng)、水的需量轉(zhuǎn)化為對電、蒸汽、燃?xì)獾男枨?重點(diǎn)解決煤氣–蒸汽–電三類能源介質(zhì)的調(diào)配.

對于每一種介質(zhì),基于一定的調(diào)配規(guī)則按次序?qū)Ω髫?fù)荷進(jìn)行分配,圖7給出副產(chǎn)煤氣的分配次序.副產(chǎn)煤氣的用戶分為基準(zhǔn)用戶和緩沖用戶.基準(zhǔn)用戶為主生產(chǎn)工序用戶,如高爐熱風(fēng)爐、軋鋼加熱爐等,緩沖用戶為能源系統(tǒng)用戶,如蒸汽鍋爐和自發(fā)電機(jī)組.基準(zhǔn)用戶的優(yōu)先級高于緩沖用戶.因此仿真計(jì)算時(shí),首先根據(jù)全流程能源需求和可回收計(jì)算結(jié)果,滿足基準(zhǔn)用戶需求,多余煤氣為可供緩沖用戶量.根據(jù)蒸汽和電需求,計(jì)算出緩沖用戶實(shí)際使用量,可供緩沖用戶量與緩沖用戶實(shí)際使用量之差為煤氣多余量.

動態(tài)仿真過程是事件驅(qū)動的.仿真計(jì)算過程中,在主生產(chǎn)工序能量模型引入了生產(chǎn)設(shè)備啟/停和正常/異常生產(chǎn)工況的事件標(biāo)識,反映生產(chǎn)過程的動態(tài)變化;在分介質(zhì)能量流模型中,設(shè)置了能源設(shè)備啟停標(biāo)識,同時(shí)能源介質(zhì)管網(wǎng)平衡模型考慮了管網(wǎng)壓力、氣柜柜位的計(jì)算,反映能源系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行、能源放散等動態(tài)變化.

通過鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)模擬仿真計(jì)算,可以分析各能源介質(zhì)在能源使用、能源回收和轉(zhuǎn)換輸配三個環(huán)節(jié)動態(tài)變化情況,分析評估各環(huán)節(jié)的效率和流程綜合效率;分析對比各種鋼鐵制造流程、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、中間緩沖能力和二次能源轉(zhuǎn)換輸配方案對能耗和效率的影響,為鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行策略的對比和優(yōu)化提供定量分析手段.圖8為某鋼鐵企業(yè)一段時(shí)間內(nèi)煤氣和電力供需平衡情況.

3 基于能源仿真的多能源介質(zhì)綜合優(yōu)化調(diào)配

3.1 基于能源仿真的多能源介質(zhì)綜合優(yōu)化調(diào)配流程

以上基于調(diào)度規(guī)則的仿真運(yùn)行模式,可以支持以滿足生產(chǎn)用戶需求和放散最小為目標(biāo)的多介質(zhì)能源調(diào)配.在此基礎(chǔ)上,引入優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)以多介質(zhì)能源成本最小為目標(biāo)的多能源介質(zhì)綜合優(yōu)化調(diào)配.

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)品種、產(chǎn)量、設(shè)備狀態(tài)和工藝路徑的不同,能源系統(tǒng)各介質(zhì)的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化、分配和使用方式不同,都會導(dǎo)致各種能源介質(zhì)的平衡關(guān)系、優(yōu)化約束邊界條件發(fā)生變化,使靜態(tài)優(yōu)化效果大打折扣.能源仿真的主要目的是輸入當(dāng)前生產(chǎn)計(jì)劃、工藝路徑、設(shè)備運(yùn)行狀況等信息,通過仿真計(jì)算實(shí)時(shí)識別、調(diào)整生產(chǎn)工序能量動態(tài)平衡約束條件、能源介質(zhì)轉(zhuǎn)換動態(tài)平衡約束條件和能源設(shè)備產(chǎn)能約束條件,提高多能源介質(zhì)綜合優(yōu)化調(diào)配對生產(chǎn)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)動態(tài)變化的適應(yīng)性.基于能源仿真的多能源介質(zhì)綜合優(yōu)化調(diào)配流程如圖9所示.

圖7 煤氣的調(diào)配規(guī)則及各類負(fù)荷分配次序Fig.7 Gas distribution rules and various types of load distribution order

圖8 某鋼鐵企業(yè)一段時(shí)間內(nèi)煤氣和電力供需平衡情況Fig.8 Gas and electricity supply and demand balance in a period of time in a steel enterprise

圖9 基于能源仿真的多能源介質(zhì)綜合優(yōu)化調(diào)配流程Fig.9 Comprehensive optimization of multi-energy medium based on energy simulation

1)基于能量流網(wǎng)絡(luò)模型的仿真.首先,根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃確定流程工藝路徑及工序單元,生成作業(yè)計(jì)劃和維修計(jì)劃,調(diào)用主生產(chǎn)工序能量流模型計(jì)算生產(chǎn)工序各種能源介質(zhì)消耗量和回收量,以及生產(chǎn)工序各能源介質(zhì)凈需求,據(jù)此形成主生產(chǎn)工序能量動態(tài)平衡約束條件;然后,調(diào)用分介質(zhì)能量流模型進(jìn)行能源系統(tǒng)介質(zhì)轉(zhuǎn)化計(jì)算,將技術(shù)氣體、壓縮空氣、水、氫氣等介質(zhì)需求轉(zhuǎn)換成對于煤氣、蒸汽和電力需求,形成能源介質(zhì)轉(zhuǎn)換動態(tài)平衡約束條件;同時(shí)調(diào)用分介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型,根據(jù)能源設(shè)備啟/停標(biāo)識和能源介質(zhì)管網(wǎng)平衡模型生產(chǎn)能源設(shè)備產(chǎn)能動態(tài)約束條件.

2)多能源介質(zhì)動態(tài)調(diào)配優(yōu)化.匯總上述仿真信息,生產(chǎn)目標(biāo)函數(shù)和約束條件,進(jìn)行煤氣–蒸汽–電力動態(tài)調(diào)配優(yōu)化,進(jìn)而得到技術(shù)氣體、壓縮空氣、水、氫氣、煤氣、蒸汽和電力分介質(zhì)調(diào)配方案.

3.2 目標(biāo)函數(shù)

鋼鐵企業(yè)需要充分利用一次能源(如動力煤)、副產(chǎn)二次能源(副產(chǎn)煤氣)和余熱余能資源(余熱、余壓),安排各生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行蒸汽和電力的優(yōu)化生產(chǎn),在滿足生產(chǎn)過程對各種能源介質(zhì)的需求下,降低整個系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用,減少煤氣放散,降低能源消耗,提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益.為此,目標(biāo)函數(shù)選為給定調(diào)度周期內(nèi)整個鋼鐵企業(yè)煤氣–蒸汽–電力系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最低,包括燃料費(fèi)用、鍋爐給水費(fèi)用、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用、煤氣放散懲罰費(fèi)用,電能供給不足時(shí)的外購電費(fèi)以及電能富余時(shí)的外送電收益[21?22,31].技術(shù)氣體、壓縮空氣和水等能源介質(zhì)的費(fèi)用通過煤氣、蒸汽、電力三類能源介質(zhì)費(fèi)用來表征.

式中,T為一個調(diào)度周期內(nèi)所包含的時(shí)段數(shù)目,Nse表示蒸汽生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)目,Npe表示電力生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)目,Ng表示副產(chǎn)煤氣的數(shù)目,τ表示每個操作時(shí)段的工作時(shí)間,Cg表示副產(chǎn)煤氣g的價(jià)格,表示設(shè)備i在t時(shí)段副產(chǎn)煤氣g消耗量,Ccoal表示外購煤的價(jià)格,表示設(shè)備i在t時(shí)段燃料煤的消耗量,CM,i和Mi,t分別表示產(chǎn)汽設(shè)備的制造費(fèi)用(包括設(shè)備折舊、維修費(fèi)用,人工薪酬等)和在t時(shí)段的蒸汽產(chǎn)量,CM,j和Pi,t分別表示發(fā)電設(shè)備的設(shè)備維護(hù)成本(元)以及在t時(shí)段的發(fā)電量,Crel,g表示副產(chǎn)煤氣g的放散懲罰價(jià)格,Rg,t表示副產(chǎn)煤氣g在t時(shí)段的放散量,Pw,t表示在t時(shí)段的關(guān)口交換功率,δt表示外網(wǎng)在t時(shí)段的供電狀態(tài),,Cb,t為t時(shí)段的外購電價(jià),Cs,t為時(shí)段t的外送電價(jià).

3.3 約束條件

包括生產(chǎn)工序能量動態(tài)平衡約束條件、能源介質(zhì)轉(zhuǎn)換動態(tài)平衡約束條件和能源設(shè)備產(chǎn)能約束條件,根據(jù)從鋼鐵企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing execution systems,MES)、能源管理系統(tǒng)(Energy management systems,EMS)獲取的當(dāng)前生產(chǎn)計(jì)劃、工藝路徑、設(shè)備運(yùn)行狀況等信息,通過仿真計(jì)算進(jìn)行動態(tài)調(diào)整.

1)蒸汽、電力、煤氣需求平衡約束

鋼鐵企業(yè)在不同時(shí)段對蒸汽、電力、煤氣的需求是不同的,且在每個時(shí)段系統(tǒng)必須滿足能源供需平衡.

2)蒸汽鍋爐能量平衡模型

3)余熱余能回收發(fā)電設(shè)備(如CDQ)能量平衡模型

4)利用副產(chǎn)煤氣的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)設(shè)備能量平衡模型

式中,ηk表示第k臺熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的效率,分別表示自發(fā)電設(shè)備k在t時(shí)段的r等級蒸汽的產(chǎn)量和發(fā)電功率.

5)設(shè)備能力約束

蒸汽鍋爐產(chǎn)汽量能力

汽輪機(jī)進(jìn)汽量約束

汽輪機(jī)抽汽能力

發(fā)電設(shè)備有功出力約束

6)發(fā)電機(jī)組燃料約束

發(fā)電機(jī)組燃?xì)忮仩t對煤氣量使用的上下限范圍

對于多種煤氣混燒鍋爐,使用的煤氣不但對量有要求,而且對其質(zhì)也有要求,通常要求多種煤氣的混合熱值要大于最低要求.

式中,βi第i臺發(fā)電機(jī)對混合煤氣熱值的最低要求(kJ/kg).

7)富裕煤氣供應(yīng)約束

在整個調(diào)度周期內(nèi)的每一時(shí)間段內(nèi),副產(chǎn)煤氣的使用總量要小于或等于該時(shí)段煤氣供應(yīng)上限.

8)發(fā)電機(jī)爬坡約束

式中,URi為發(fā)電機(jī)i瞬間上調(diào)的約束值,即發(fā)電機(jī)在一個時(shí)段內(nèi)能增加最大功率;DRi為發(fā)電機(jī)i瞬間下調(diào)的約束值,即發(fā)電機(jī)在一個時(shí)段內(nèi)能減小的最大功率.

3.4 優(yōu)化求解算法

上述所建的多周期優(yōu)化模型屬于一類高維、非線性、多約束優(yōu)化問題.非線性問題由于混合煤氣熱值約束的非線性、鍋爐效率與蒸汽負(fù)荷的非線性、發(fā)電機(jī)組燃料消耗與發(fā)電量和抽汽量的二次曲線關(guān)系等引起.針對這類問題,結(jié)合本文研究的多能源介質(zhì)優(yōu)化調(diào)配的特點(diǎn),采用粒子群算法(Partide swarm optimization,PSO)為基本算法.針對常規(guī)PSO存在的缺乏有效的約束處理機(jī)制、隨著問題維數(shù)的增加容易陷入局部極值和收斂速度變慢等缺點(diǎn),對常規(guī)PSO算法進(jìn)行了改進(jìn),提出了混沌自適應(yīng)粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化求解[21?22,31],該求解算法在文獻(xiàn)[21]中有詳細(xì)介紹.該算法具有以下特點(diǎn):

1)在參數(shù)選擇上,采用有效動態(tài)變化機(jī)制進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整.為了增加種群的多樣性,跳出局部極值,引入了自適應(yīng)變異操作.自適應(yīng)變異機(jī)制采用兩種不同變異算子即差分變異和高斯變異,對種群中的每個個體進(jìn)行變異,增加了種群的多樣性,引出算法跳出局部最優(yōu),并采用貪婪原則選擇適應(yīng)度最優(yōu)個體作為下一代,提高了算法全局尋優(yōu)性能.

2)在約束條件的處理上,采用啟發(fā)式規(guī)則而不是常規(guī)的罰函數(shù)方法進(jìn)行約束處理.對于含有大量約束條件的優(yōu)化問題,罰函數(shù)方法不僅帶來大量懲罰調(diào)整參數(shù)工作量,而且還導(dǎo)致尋優(yōu)效率降低甚至搜索不到最優(yōu)解.本文針對所建模型的特點(diǎn),采用一種有效的啟發(fā)式約束處理方法,通過對不可行個體進(jìn)行有效的逐次調(diào)整,使所有約束條件逐一得到滿足.

4 應(yīng)用實(shí)例分析

4.1 應(yīng)用背景[21]

某鋼鐵企業(yè)蒸汽電力系統(tǒng)主要由4臺燃料鍋爐 (B1～B4)、2臺抽汽背壓式汽輪機(jī) (BT1和 BT2)、2套干熄焦發(fā)電裝置 (CDQ),2臺熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(CHP)組成,為生產(chǎn)工藝過程提供電力、S1蒸汽 (2.0～3.8MPa,450?C)、S2蒸汽 (0.78～1.27MPa,170～280?C)和 S3蒸汽(0.3～0.78MPa,142～170?C).其系統(tǒng)關(guān)系示意圖如圖10所示.

其中,4臺鍋爐(B1～B4)消耗高爐煤氣(Blast furnace gas,BFG)和焦?fàn)t煤氣(Coke oven gas,COG)供S1和S2兩種品質(zhì)蒸汽;鍋爐B3和B4消耗動力煤和副產(chǎn)煤氣為汽輪機(jī)(BT1和BT2)提供蒸汽S1發(fā)電,并產(chǎn)生S2抽汽和乏汽;2套CDQ設(shè)備回收紅焦的顯熱發(fā)電,并可以供S1和S2兩種品質(zhì)蒸汽.

結(jié)合該企業(yè)煤氣–蒸汽–電力系統(tǒng)實(shí)際情況,建立該鋼鐵企業(yè)煤氣–蒸汽–電力集成優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為

圖10 某鋼鐵企業(yè)煤氣–蒸汽–電力系統(tǒng)示意圖Fig.10 A diagram of a gas-steam-electric power system in a steel enterprise

各設(shè)備正常運(yùn)行條件約束方程如下:

該優(yōu)化模型共包括24個調(diào)度時(shí)段,每個時(shí)段為1小時(shí).

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

采用上述混沌自適應(yīng)粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化求解.通過20次獨(dú)立優(yōu)化計(jì)算可知,單次優(yōu)化計(jì)算時(shí)間小于3分鐘,并且所有的約束條件得到滿足,可以用于解決實(shí)際工程問題.

1)正常工況下優(yōu)化結(jié)果

表1給出了通過動態(tài)仿真計(jì)算得到的各時(shí)段的富余煤氣供應(yīng)量和蒸汽、電力需求量預(yù)測結(jié)果.

圖11給出優(yōu)化前后整個鋼鐵企業(yè)煤氣–蒸汽–電力系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用在各個時(shí)段的變化情況.由圖11分析可知,優(yōu)化后系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用在谷段下降幅度較大.

表2給出了優(yōu)化前后各項(xiàng)費(fèi)用的比較結(jié)果,優(yōu)化后全天系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用比實(shí)際費(fèi)用降低了4%,優(yōu)化效果非常明顯.優(yōu)化前的調(diào)配方案是基于煤氣平衡關(guān)系和柜位變化,為避免煤氣放散,有多少富裕煤氣發(fā)多少電,沒有進(jìn)行煤氣–蒸汽–電力綜合優(yōu)化.優(yōu)化后的調(diào)配方案,在充分利用富余煤氣和蒸汽余熱資源的同時(shí),能有效利用峰平谷時(shí)段電價(jià)不同(見表3),優(yōu)化發(fā)電機(jī)組的出力,減少總的費(fèi)用,進(jìn)而有效地節(jié)約了能源,提高了鋼鐵企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益.

2)異常工況下優(yōu)化結(jié)果

基于能源仿真的多能源介質(zhì)綜合優(yōu)化調(diào)配不僅可以用于正常工況下能源優(yōu)化,而且可以在異常工況或設(shè)備故障情況下通過動態(tài)改變優(yōu)化的約束條件實(shí)現(xiàn)多能源介質(zhì)綜合優(yōu)化調(diào)配.

圖11 各周期系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用優(yōu)化前后對比Fig.11 Comparison of system operating costs of each cycle before and after optimization

表4、表5分別為某鋼鐵公司煉鐵煉鋼減產(chǎn)10小時(shí)、2250軋線停產(chǎn)12小時(shí)兩種異常工況下能源優(yōu)化前后各種費(fèi)用對比.

表1 各時(shí)段富余煤氣供應(yīng)及蒸汽和電力需求Table 1 Wealthy gas supply and steam and electricity demand for each period

表2 正常工況優(yōu)化前后各種費(fèi)用比較Table 2 Comparison of various costs in normal working conditions before and after optimization

表3 電網(wǎng)電價(jià)Table 3 Grid price

表4 鐵鋼系統(tǒng)減產(chǎn)10小時(shí)工況優(yōu)化前后各種費(fèi)用對比Table 4 The comparison of various costs for 10 hour reduction of the steel system before and after optimization

表5 2250軋線停產(chǎn)12小時(shí)工況優(yōu)化前后各種費(fèi)用對比Table 5 The comparison of various costs for 12 hours cut offof 2250 rolling line before and after the optimization

5 結(jié)論

鋼鐵工業(yè)多介質(zhì)優(yōu)化調(diào)配,需要考慮能源系統(tǒng)與鋼材生產(chǎn)系統(tǒng)耦合緊密、多能源介質(zhì)轉(zhuǎn)換的特點(diǎn),基于主生產(chǎn)工序的能量流模型、分介質(zhì)能量流網(wǎng)絡(luò)模型建立鋼鐵企業(yè)物質(zhì)流能量流集成的能量流網(wǎng)絡(luò)模型,是充分反映物質(zhì)流能量流相互耦合和能源介質(zhì)相互影響的有效表達(dá)方式.

針對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化和生產(chǎn)工況變化,需要提高多能源介質(zhì)優(yōu)化調(diào)配的適應(yīng)能力,基于能量流網(wǎng)絡(luò)動態(tài)仿真的多能源介質(zhì)優(yōu)化調(diào)配是一種可行的方案.通過與鋼鐵企業(yè)目前的信息化系統(tǒng)結(jié)合,及時(shí)獲取生產(chǎn)計(jì)劃、工藝路徑、設(shè)備運(yùn)行狀況等信息,通過能量流網(wǎng)絡(luò)動態(tài)仿真確定不同工況對能源系統(tǒng)的需求變化,形成動態(tài)的約束邊界條件,然后進(jìn)行優(yōu)化求解,得到對應(yīng)的多能源介質(zhì)動態(tài)優(yōu)化調(diào)配方案.

在某鋼鐵企業(yè)示范應(yīng)用案例表明論文所提方案對不同工況適應(yīng)性強(qiáng),能取得節(jié)能降成本效果.

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