以放散最小為目標的鋼鐵企業煤氣系統優化模型的研究

(1.日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276800;2.北京科技大學能源與環境工程學院， 北京 100083)

0 引 言

近年來，我國鋼鐵產量仍保持著上升的趨勢。2010-2011年，由于國際和國內經濟形勢的不景氣的影響，我國鋼鐵生產提高速度有所減緩，但仍然達到了6.955億t粗鋼。

我國鋼鐵工業的高能耗給環境帶來了沉重的負擔，環境污染是我國鋼鐵工業必須面臨的重要問題[1-3]。面對這一問題，提高生產合理化水平，進一步進行工藝上的調整以及減少能源成本的重要性進一步提高，對鋼鐵企業克服難關有著重要的意義。

一直以來，對單體設備和生產單元進行節能優化，是能源工作者努力的方向。對單元設備進行優化，局部上是節能的，但由于鋼鐵生產單元繁多，各單元間關系復雜，從整體生產的角度來看就未必經濟。

例如：降低礦石的品味可在選礦階段減少能源消耗，但勢必將在燒結等后續工序投入更多的能量，反而造成了整體消耗的增多。因此，系統節能已成為時下最先進的節能理念。因此，越來越多的學者已著手進行了能源優化和調度的研究[4-8]。

副產煤氣是鋼鐵企業在生產鋼鐵產品的同時產生的重要二次能源，占企業總能源消耗的30%左右。因此，對副產煤氣進行預測和合理的調度，對鋼鐵企業的整體節能效果有著重要的作用[9]。

比如，寶鋼在1995年時的高爐煤氣的放散率約為16.1%，通過能源管理中心對二次能源進行合理分配和使用后，到1999年其放散率已達到0.12%，接近了極限回收的理念，對經濟效益和環保要求起到了巨大的推進作用[10]。

1 能源管理系統概述

鋼鐵企業能源管理系統(EMS, Energy Management System)，是對鋼鐵企業的生產進行監控，相關數據得以及時顯示，數字等報表進行處理，同時還包含了高級別的能源預測及調度功能的綜合性系統。系統按其功能的不同，通常分為3個部分：數據采集層、數據邏輯層和數據展示層。

圖1 能源管理系統結構圖

數據采集層根據實際生產監控上的需要，對多種能源介質信息量，如電量、高爐煤氣流量、氧氣流量、凈水流量等實現實時監控，并將監測獲取的數據存放至各個分區設置的數采子站與采集點相連。

具體實現通過儀器儀表等相關手段及方法，對各單元和設備進行數據采集，通過標準化方法和數據子網將數據整理后傳輸到各子站，經統一的協議編碼后，由子站將數據傳輸到總網，以得到數據的匯總和備份。

數據邏輯層是能源管理中心的核心部分，負責數據的組織、存儲、分析等多種功能。該層通過對采集得到的數據進行監視和計算，從而得到包括對比設備性能參數及時發現故障，從而進行報警等提示，快速得到故障處理的方案并實行；并通過能耗預測模型和優化調度模型，分別得到對未來能耗的趨勢預測，以及對能源及二次能源進行最優的分配，以實現最優調度的目標，完成生產利潤最大化或消耗的最小化，以實現能源管理中心的主要功能。

數據展示層，主要功能是將各采集得到的單元的運行情況，以及邏輯層經過處理得到的能耗預測和優化等結果，通過畫面等手段。以數字曲線及報表等形式，面向調度員等用戶進行展示。用以滿足企業網用戶和Web用戶兩種用戶的業務需求。

2 鋼鐵生產流程設備分類

對鋼鐵企業內副產煤氣進行調度，就要對煤氣使用及流通對象進行分類，以便于計算過程中的簡化處理。

在鋼鐵生產的流程中，按設備對副產煤氣的處理功效，在文中的研究過程中，將設備進行以下四個方面的分類：

(1)副產煤氣消耗設備

該類設備是鋼鐵生產流程中的主要功能設備，對副產煤氣進行消耗。其消耗的副產煤氣，可能是單一種類的煤氣，也可能是按照其熱值要求所混合的多種副產煤氣，例如，高爐熱風爐、加熱爐和熱處理爐等。

該類設備由于生產上的需要，其所需的煤氣量和煤氣品質必須得到滿足，否則可能影響生產上的連續性。

(2)副產煤氣緩沖設備

該類設備是鋼鐵生產流程中的輔助設備，往往通過副產煤氣的輸入，可以進行能源上的轉化，如鍋爐等，在副產煤氣總量富余的時候，可以通過其功能的實現，滿足其他能源，如電力和蒸汽等的部分能源需求。

該類設備在運行的過程中，往往可以使用除副產煤氣外的其他能源物質，來達到其正常運行的功能；同時，在副產煤氣總量富余的時候，也常通過多種副產煤氣的配比，以滿足其熱值上的需求。

該類設備在整個副產煤氣管網中，往往起到一個緩沖的能力，即在煤氣大量富余的時候，通過對這類設備的使用，可以達到減少煤氣放散，以及維持煤氣管網安全壓力的目的。因此，在對該類設備進行副產煤氣的供氣時，供氣量往往低于其最大煤氣消耗量。

(3)副產煤氣儲存設備

該類設備是維持管道壓力、減少煤氣的放散以及保證用氣連續性的重要設備，如高爐煤氣柜等。該類設備通過對其開度或閥門的調節，在副產煤氣富余的時候進行一定量的儲存，以減少煤氣的放散，并維持管網的安全壓力；同時，在煤氣發生量不足的時候，又可以通過活塞的調節，減少其儲存量，起到補充煤氣缺口，保證生產的安全和連續性的作用。

該類設備進行副產煤氣的儲存和輸出，根據其自身特點，其柜位需維持在其儲存能力的安全上下限之間；另外，由于活塞和閥門調節速度的限制，其緩沖的速率應不高于其安全調節速率值。

(4)副產煤氣輸送設備

不同于其他的能源物質，副產煤氣由于其流動性和連續性的特點，要通過煤氣管道進行煤氣的傳輸。

煤氣管道作為副產煤氣重要的輸送設備，在進行煤氣運輸的過程中，對副產煤氣使用上的“質”和“量”，有著以下的影響：

首先，由于管道自身距離長、彎頭和閥門較多的特點，由于其引起的沿程和局部壓力的損失，使得煤氣管道在輸送的過程中，會造成煤氣品質的降低。因此，對煤氣管道進行研究，可以判定煤氣出口和入口的需求壓力是否匹配，即能否滿足生產的需求；在不滿足需求的時候，怎樣通過相應加壓站的建立，以達到匹配的目的。

其次，由于管道結構和材料安全壓力的要求和限制，在進行煤氣調度的過程中，其調度計劃是否可行，同樣可通過對管道的研究得出。

然而，大多數鋼鐵企業煤氣管網建設年代較長，且由于后期的擴張和建設，導致閥門等部件的品牌和規格的不匹配或者相應數據的遺失，導致難于對煤氣管網進行模型的建設，其在煤氣輸運過程中的作用，也被不同程度的忽略和簡化。

3 副產煤氣的多目標優化模型

副產煤氣是鋼鐵企業生產過程中重要的能源介質。所以，滿足各單元生產的煤氣需求，維持煤氣管道的安全壓力，同時，在煤氣總量富余時進行一定量的存儲，以確保煤氣不足時的緩沖使用，都是副產煤氣調節的重要因素。因此，對多種副產煤氣進行合理的配比使用，對減少企業的能源成本，保證生產的安全和連續，是十分重要的。

由于副產煤氣的熱值不同，在同一時刻的發生量同樣有著一定的區別，故在副產煤氣的使用過程中，通過煤氣的靈活配比，往往在能夠滿足生產需求的條件下，還能夠充分的對煤氣進行利用。因此，為了達到對副產煤氣進行優化使用的目的，通常會以各種煤氣的熱值為基準，以當前時刻的發生量為依據，以各種煤氣的最小放散最為目標函數，以實現優化使用副產煤氣的最終目的。

以企業利用高爐和轉爐兩種煤氣為例，建立以最小放散為目標的函數如下：

ε1[Hmax1-H1(τ)]

(1)

ε2[Hmax2-H2(τ)]

(2)

在建立了目標函數之后，就要針對具體設備建立與目標函數匹配的約束條件。

(1)根據煤氣整體的產耗平衡建立如下的約束條件

Hbfg(τ-1)]+Lbfg(τ)

(3)

Hldg(τ-1)]+Lldg(τ)

(4)

(2)根據主要消耗設備的煤氣以及最小熱值需求，建立如下的約束條件：

Q1×Fbfg,i+Q2×Fldg,i=Q1×Xbfg,i+Q2×Xldg,i

(5)

Q1×Fbfg,i+Q2×Fldg,i=Q1×Xbfg,i+Q2×Xldg,i

(6)

(7)

(3)根據緩沖(轉化)設備的煤氣需求，建立供應的調節煤氣量小于其最大需求量的約束條件：

Fbfg,j≤Xbfg,j

(8)

Fldg,j≤Xldg,j

(9)

(4)根據儲存設備(煤氣柜)的特征，建立柜位在最大及最小安全柜位之間，以及柜位的緩沖速度小于安全速度的目標函數：

Hmin1≤H1(τ)≤Hmax1

(10)

Hmin2≤H2(τ)≤Hmax2

(11)

|H1(τ)-H1(τ-1)|≤ΔH1

(12)

|H2(τ)-H2(τ-1)|≤ΔH2

(13)

(5)同時，上述約束條件中的每一項均不為負。

各變量的定義如下：

Lbfg(τ)——當前時刻高爐煤氣放散量

Lldg(τ)——當前時刻轉爐煤氣放散量

BFG(τ)——當前時刻高爐煤氣總產生量

LDG(τ)——當前時刻轉爐煤氣總產生量

BFGi(τ)——當前煤氣消耗設備高爐煤氣使用量

LDGi(τ)——當前煤氣消耗設備轉爐煤氣使用量

BFGj(τ)——當前煤氣緩沖(轉換)設備高爐煤氣使用量

LDGj(τ)——當前煤氣緩沖(轉換)設備轉爐煤氣使用量

ε1——高爐煤氣柜位與煤氣量的轉換系數

ε2——轉爐煤氣柜位與煤氣量的轉換系數

Hmax1——高爐煤氣柜柜位上限

Hmax2——轉爐煤氣柜柜位上限

H1(τ)——高爐煤氣柜當前柜位值

H2(τ)——轉爐煤氣柜當前柜位值

Q1——高爐煤氣熱值

Q2——轉爐煤氣熱值

Fbfg,i——煤氣消耗設備高爐煤氣實際供應量

Fldg,i——煤氣消耗設備轉爐煤氣實際供應量

Xbfg,i——煤氣消耗設備高爐煤氣需求量

Xldg,i——煤氣消耗設備轉爐煤氣需求量

Fbfg,j——緩沖(轉化)設備高爐煤氣供應量

Fldg,j——緩沖(轉化)設備轉爐煤氣供應量

Xbfg,j——緩沖(轉化)設備高爐煤氣需求量

Xldg,j——緩沖(轉化)設備轉爐煤氣需求量

△H1——高爐煤氣柜安全柜位變化量

△H2——轉爐煤氣柜安全柜位變化量

4 結束語

對副產煤氣進行以放散最小的模型建立，同時得到其相應的約束條件以進行求解，對于鋼鐵企業的副產煤氣的使用和管理有著重要的作用。

這樣保證了煤氣的充分使用，又起到了減少煤氣放散、保證生產安全和連續性的作用，對鋼鐵企業副產煤氣的合理使用有著重要的啟示和意義。