冶金企業熱爐制冷聯供設備優化設計

凌付平，秦黃輝

(1.南通航運職業技術學院，金工實訓中心，江蘇 南通 226010 ;2.南通航運職業技術學院，輪機工程系，江蘇 南通 226010）

近年來，隨著我國經濟的發展，開發和研究具有高效、節能的冷熱交換設備已經成為目前重要的研究課題。冶金企業作為我國的經濟支柱產業之一，傳統的冶金企業熱爐設備消耗能量大[1]、且運行時間較長，很大程度上造成了能源浪費。對于冷熱聯供設備功能方式復雜，從目前的聯供系統運行時間看，項目帶來的經濟效益并不是很樂觀，一定程度上阻礙了聯供系統的發展，基于此，提出對冶金企業熱爐制冷聯供設備優化設計。當前，在能源與環境問題日益嚴峻的背景下，對冶金企業的節能減排方面提出了新的要求，所以在進行設備優化時，要針對能耗大、時間長、經濟效益低的情況進行優化設計，保證能源的綜合利用率，并且要減輕電網的壓力。隨著負荷的變化對運行的參數進行調整實現設備的經濟性，針對應用的全年負荷性進行合理優化，并隨負荷變化隨時調整。具體設備優化過程如下所示，通過設備優化減少了能源消耗，并獲得了更高的經濟效益，具有一定的實際應用意義。

1 冶金企業熱爐制冷聯供設備優化設計

1.1 設定優化參數

冶金企業熱爐制冷聯供提供冷熱負荷和電負荷，在滿足企業生產的前提下，考慮設備的一些指標對設備進行優化設計，如果單純考慮經濟性、節能性和減排性中其中的一個因素，在選擇優化參數時，會存在不一致性，所以選擇經濟性角度和節能角度設計優化參數，提高優化參數的準確性。為保證優化參數選擇的準確性，引入綜合性指標PPF，綜合考慮熱爐制冷聯供設備的經濟性，引入權重因子，根據權重因子的取值，得到不同的目標函數，綜合目標函數的表達方式如下所示：

式中，PPF 代表滿足v設備要求的前提下的優化參數選擇，V代表權重因子參數，z代表經濟性權重因子，此次計算不做定向分析。

當采用綜合目標PPF作為目標函數進行優化時，針對不同的要求，經濟性權重因子和節能性權重因子對于綜合指標的敏感性是不同的，根據熱爐制冷聯供設備的權重因子敏感性分析，獲得目標函數即優化目標值，其計算公式為：

式中，Prin為綜合目標函數，MB為聯供設備優化參數，FV代表權重因子敏感值，此次計算不做定向分析。

在上述計算完成后，完成設定優化參數，當聯供設備的能源消耗與分供設備的能源消耗的比值較小時，得出的結果為最優目標，所以在設定優化參數時選擇綜合性目標函數進行優化參數設定。通過設定優化參數，給聯供設備優化目標進行定位，優化的聯供設備以此目標為最終優化目標。

1.2 引入冷熱調節控制器

為實現冶金企業熱爐制冷聯供設備的優化，對熱爐的冷熱進行調節，以熱爐的出口溫度為參考信號，通過調節冷熱控制器的閥門來改變整齊的入口流量，達到調節制冷量的目的。引入KKI控制器，此控制器首先將熱爐出口水的溫度設定為定值，當外界負荷過大時，熱爐水的出口溫度隨之上升，安裝在熱爐出水口的傳感器在接收到信號后通過控制器傳遞給執行機構，通過執行機構對冷熱溫度進行調節，增大加熱的蒸汽量。當高低壓的發生器內熱量增大，熱爐的出口溫度下降，此時冷熱控制器溫度直接 回到初始設定值。通過冷熱控制器調節時，不會涉及到熱爐內部的溶液，并且在調節時安全系數高。KKI控制器能夠通過調節控制器參數進行干預被控對象的特性，通過給系統施加階級干擾，獲得輸出信號，根據等幅震蕩輸出信號，確定臨界增益Ku和震蕩周期Cu,具體工作步驟為，將控制器積分時間常數Tc設定為?，微分常數T∞設定為0，對比例系數進行調節輸入，然后對臨界增益Ku和震蕩周期Cu進行記錄，通過公式計算得出參數具體值，計算公式為：

通過上述公式計算，得出控制器三個參數具體值，如表所示：

表1 控制器參數值

表1能夠求出控制器的參數值，通過調節KKI控制器的參數實現更精準的冷熱調節，優化熱爐制冷聯供設備的冷熱調節精準度。為實現熱爐制冷聯供設備的優化，在設定優化參數和引入冷熱調節控制器的基礎上，采用雙層優化算法對其進行優化，主要分為兩層算法，首先選擇優化設備，將設備的參數帶入公式中，參數值如表所示：

表2 優化設備參數

在此優化參數設定完成的基礎上，帶入公式，計算公式為：

式中，Cp代表運行費用參數，Mr代表系統生命周期，rc代表線性約束參數，此次計算不做定向分析。

此公式以運行費用最低為目標，以熱爐制冷聯供設備性能和能量守恒作為線性約束，從而得到對應的最佳優化方案，根據優化的方案對系統的生命周期、成本和總排放量進行計算，得到該設備對應的生命值、排放量。第一層算法的目標是找到熱爐制冷聯供設備的最優排放量、冷熱轉換、成本現值等等，引入差別選擇法，其原理是根據設備的類型將隨機選擇的設計方案輸入到第二層，若沒有解則進行丟棄，若有解則得到最佳的運行方案。然后根據運行方案對設備進行計算，將此方案的計算結果和目標值進行保存，多次重復這個過程，保存N個優化設計方案。將這些數值表現在坐標軸中，每個方案用一個點表示，從而得到方案目標值的分布圖。將得到的N個方案為一組，增加隨機選擇的方案，將增加的組的設計方案進行聯合組成用作目標值分布圖，當再也找不到可以超越之前運算的邊界值則為最優值。在第一層算法完成后，進行第二層算法，應用抽象數學模型，算法如下：

式中，Mt代表平衡方程和設備約束方程，cm代表設備每一時間的輸出值，∞代表設備運行時開關狀態值，此次計算不做定向分析。

通過第一層和第二層的計算實現熱爐制冷聯供設備優化，計算后得到的最優值就是對熱爐制冷聯供設備的最佳優化值。在完成以上步驟設計后，能夠減少電網負荷、減少設備運行的成本、減少能源消耗并且能提高熱爐制冷聯供設備的工作效率。以此，實現熱爐制冷聯供設備的優化，實現能源消耗低和經濟性能高的目標。

2 結束語

冶金企業的熱爐制冷聯供設備的優化不僅能夠提高能源的利用效率，并且能夠節省時間，有利于環保，而且能夠對能源供應起到保障作用。結合冶金企業的現狀，發現常規熱爐制冷聯供設備存在一定的問題，因此對其進行優化設計，其優化設計的關鍵點在于合理配置熱爐機組，對聯供設備設定優化參數，并設置冷熱調節控制器，提高設備轉換的精準度，并通過優化算法，有效對其優化，并提高了設備運行效率和降低了設備的運行成本，希望本文的優化設計，能夠對冶金企業的熱爐聯供設備的發展起到一定的作用。