多能源介質耦合優化系統模型的開發及應用

李雪晴，詹守權，劉偉

（1.鞍鋼集團自動化有限公司，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007）

鋼鐵行業是國內經濟發展的基石，為建筑、汽車、機械、造船、家電等相關行業提供了重要原材料保障，推動了國內工業化、現代化的發展。在保證鋼產量的同時，國內鋼鐵行業在節能減排方面也取得了一定的成績。根據日前冶金工業規劃研究院發布的 《中國鋼鐵工業節能低碳發展報告2018》，2018年鋼鐵行業在產量增長11.0%的情況下，能源消費總量同比增長僅8.9%，鋼鐵行業的能效水平穩步提升。發改委鋼鐵行業2019年運行情況顯示，國內粗鋼產量同比增長，生鐵、粗鋼和鋼材產量分別增長5.3%、8.3%、9.8%。

在成績的背后，清晰看到國內鋼鐵工業仍然存在生產結構不合理、節能技術的創新和推廣難度大、噸鋼綜合能耗高等問題［1］。提高能源利用率、減少煤氣放散、降低成本是解決這些問題的有效方法［2］。在實際生產過程中，調度人員往往從單一生產需求的角度出發，無法綜合各方面因素進行分析調度。目前國內關于多介質耦合優化基于不同的目標，有許多的模型和算法［3-5］，大部分處于理論計算水平。本文以鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司實施的智慧能源管控大數據平臺為依托，通過采集水、電、煤氣、蒸汽的數據，結合鋼鐵企業生產的實際狀況，運用大數據技術與優化算法,對公司多介質進行協同優化，提供介質消耗量、電的發生量、公司的生產成本預測與分析平臺，并與實時生產數據進行對比，提供合理的優化平衡方案，進而降低公司生產成本，實現煤氣放散最低與企業利潤最大化的目標。該系統是從公司整體的生產運行進行考慮，對公司生產主要消耗的介質進行分析，是整個公司生產調度的核心，在國內處于領先地位。

1 多介質耦合優化模型

多介質耦合優化模型的核心是：煤氣設備、蒸汽設備與CCPP機組發電的同時，消耗煤氣、蒸汽、水，在峰、谷、平不同的時段，外購電的單價是不同的，發電消耗成本也是不同的，在谷時可以少發電，多外購，積累柜位，在峰時可以多發電，少外購，降低成本，同時煤氣可以外賣，增加企業利潤，當煤氣柜達到峰值時，需要放散。針對這一特點，建立多能源介質耦合優化模型，模型的輸入、輸出、目標與約束的示意圖如圖1所示。

圖1 多能源介質耦合優化模型Fig.1 Optimization Model by Coupling for Multi-energy Medium

（1）目標函數f為公司消耗的總成本（元），即在t時間內公司多介質消耗或產生介質所帶來的成本與收益之差：

式中，n為第n組數據；cng為煤氣使用成本，元；cns為蒸汽成本，元；cnp為外購電成本，元；cnr為煤氣放散成本，元；cne為發電所消耗的成本，元；cnt為外賣焦爐煤氣產生的收益，元；k為優化的時間長度t與優化時間粒度Δt的商。

在建設模型過程中，考慮設定煤氣放散價格損失最大，使得煤氣在放散時造成的經濟損失最大，所以這個模型不僅滿足了企業的經濟效益最大化，也實現了煤氣放散最少的目標。

（2）煤氣使用成本主要包括煤氣設備消耗煤氣成本、CCPP機組消耗煤氣與焦爐煤氣外賣成本：

式中，pnb為高爐煤氣使用單位價格，元/km3；bfgng為煤氣設備高爐煤氣消耗量，km3/h；bfgnc為CCPP機組高爐煤氣消耗量，km3/h；pnc為焦爐煤氣使用單位價格，元/km3；cogng為煤氣設備焦爐煤氣消耗量，km3/h；cognc為 CCPP機組焦爐煤氣消耗量，km3/h；cognt為外賣焦爐煤氣量，km3/h。

（3）蒸汽成本包括余熱設備一級減壓閥低壓蒸汽成本和余熱設備低壓蒸汽成本：

式中，pns3為一級減壓閥低壓蒸汽單位價格，元/t；s3nh為一級減壓閥使用低壓蒸汽量，t/h；pnex為余熱設備低壓蒸汽單位價格，元/t；exnh為余熱設備使用低壓蒸汽量，t/h。

（4）外購電成本：

式中，pnp為外購電價格，元/（kW·h）；enp為外購電量，kW。

（5）煤氣放散成本為高爐煤氣和焦爐煤氣放散產生的成本：

式中，bfgnr為高爐煤氣放散量，km3/h；pnbr為高爐煤氣放散的懲罰價格，元/km3；cognr為焦爐煤氣放散量，km3/h；pncr為焦爐煤氣放散的懲罰價格，元/km3。

（6）發電消耗的成本包括煤氣設備、余熱設備、CCPP機組發電所帶來的成本：

式中，pnge為單位發電量煤氣設備成本，元/（kW·h）；eng為煤氣設備發電量，kW；pnhe為單位發電量余熱設備成本， 元/（kW·h）；enh為余熱設備發電量，kW；pnce為單位發電量 CCPP 機組成本，元/（kW·h）；enc為CCPP機組發電量，kW。

（7）外賣焦爐煤氣收益：

式中，pnt為外賣焦爐煤氣價格，元/km3；cognt為外賣焦爐煤氣量，km3/h。

（8）總用電量由發電量和外購電量兩部分組成，其中發電量是由煤氣設備、余熱設備、CCPP機組三部分發電產生：

式中，ena為總用電量，kW；enca為總發電量，kW。

通過實際數據擬合發現各設備的發電量與水、蒸汽、煤氣的使用量之間存在一定的關系：

式中，u1，v1，z1，u2，v2，z2，u3，v3，z3為三種設備擬合的系數，由于設備的型號等各項參數不同，系數也不盡相同，wng為煤氣設備消耗的水量，t/h；s2nh為余熱設備進汽量，t/h。

（9）煤氣的分配滿足：

式中，bfgna為高爐煤氣富余量，km3/h；bfgns為從煤氣柜取出或存入的高爐煤氣量，km3/h；cogna為焦爐煤氣富余量，km3/h；cogns為從煤氣柜取出或存入的焦爐煤氣量，km3/h。

（10）余熱蒸汽分配滿足：

式中，s3nd為蒸汽的需求量，t/h。

根據公司設備情況、生產狀況的不同，各個變量的取值范圍也不盡相同，可根據公司的實際情況選取合適的取值范圍，建立不等式約束，再綜合式（1）～（15），得到多介質非線性優化模型。

（11）多介質耦合優化問題的一般形式可表示為：

針對這一問題，通常采用外點罰函數方法解決。

首先，構造罰函數：

其中，f（x）為目標函數，元；x表示輸入變量組成的集合；。

算法：

（1） 給定初始點 x0∈Rn，π0＞0，γ＞1，和允許誤差 ε≥0，ε1≥0，ε2≥0，k=1。

（2） 求罰函數 p（x，πk）的最小值 xk，即求解無約束優化問題

（3） 如果 Φc（xk）≤ε，算法終止，xk為原問題的近似最優解；否則，進入下一步。

（4）若||xk-xk-1||≤ε1，，算法終止，xk為原問題的近似最優解，否則取πk+1∈（πk，γπk），k=k+1，進入步驟 2。

2 多介質耦合優化系統功能介紹

（1）多介質耦合優化系統主要從煤氣分配、蒸汽分配、發電與外購電三個方面出發，對模型優化結果進行分析，將數據展示與圖形展示相結合，實現結果的全方位展現，為技術人員提供調度調整的方向和依據。它依賴于1 min，10 min，30 min三種時間粒度和4 h，8 h，24 h三種時間長度，根據不同的設備建立不同的介質分配曲線。圖2為蒸汽分配曲線，圖中可以看到煤氣設備、余熱設備、一級減壓閥蒸汽的實際值與預測值的對比曲線。

（2）系統提供大量的字典頁面，供用戶修改設備數量、設備名稱以及設備的各種參數，用戶可以在公司工況、設備發生變化時，及時調整設備和介質參數，實現系統數據的動態變化，以保障系統的長期穩定運行。圖3為多能源介質熱值、焓值字典，該字典可以維護煤氣的熱值、水和蒸汽的焓值數據，用戶可實現對數據進行查詢和修改。

圖2 蒸汽分配曲線Fig.2 Distribution Curves for Steam

圖3 多能源介質熱值、焓值字典Fig.3 Dictionary for Calorific Values and Enthalpy of Multi-energy Medium

（3）系統以大數據為依托，結合設備和介質消耗的機理，建立并求解非線性優化模型，使多介質耦合優化系統展現的結果具有合理性，符合公司實際生產情況。系統給出完整的最優調度方案即煤氣與電力以及蒸汽與成本報表，幫助用戶指導生產。表1、表2分別是鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司多介質耦合實際數據與系統優化數據的對比，從表中可以發現，系統優化數據與實際數據比，發電量大，外賣或放散煤氣量少，總節省成本2 020.68元/h。

表1 多介質耦合優化煤氣與電力報表Table 1 Gas and Power Statement for Multi-energy Medium Optimized by Coupling

表2 多介質耦合優化蒸汽與成本報表Table 2 Steam and Cost Statement for Multi-energy Medium Optimized by Coupling

3 運行效果

本系統以InfluxDB+Hadoop+Oracle作為異構數據存儲平臺，利用Python作為后臺模型的開發平臺，Java作為前臺頁面的開發平臺，從2019年3月份上線以來，系統所提供的數據初步滿足用戶的需求，達到初期的運行目標。

4 結語

多介質耦合優化系統充分考慮公司的實際生產狀況、生產工藝、設備參數與運行狀況等因素，設計符合實際生產狀況的參數和擬合曲線，建立了煤氣、蒸汽、水、電協同合作的多介質耦合優化模型。系統通過建立實時變化的折線圖來將實際值與預測值對比分析，指導生產向著最優的調度方案調整，實現了能源管理與生產數據之間的互聯互通和反饋調節，展現了物質流與信息流的相互轉換，是鋼鐵行業智能制造的重要組成部分。本系統為用戶提供多種設備參數、產品參數字典，實現用戶對系統的自由控制，提高了系統的適用程度。系統以總成本最低為目標，對各種介質進行合理的分配，將介質的利用率發揮到最大化，減少污染，降低鋼鐵產品的能源使用成本，提升了企業的競爭力。