基于帶式輸送機(jī)的倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究*

邢建旭,岑 梁,盧 峰,黃益軍,胡文博,邱澤晶,張世榮

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司 湖州供電公司,浙江 湖州 313100;2.國網(wǎng)浙江長興縣供電有限公司,浙江 湖州 313100;3.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院 武漢能效測評有限公司,湖北 武漢 430074;4.武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院,湖北 武漢 430072)

0 引 言

為了響應(yīng)國家的節(jié)能減排政策,水泥熟料倉儲及轉(zhuǎn)運(yùn)領(lǐng)域?qū)嵤┝巳娺\(yùn)輸、全電倉儲、全電裝卸、全電泊船的“全電物流”電能替代項(xiàng)目[1]。而上述倉儲及轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)通常都是采用帶式輸送機(jī)來完成。

帶式輸送機(jī)是以輸送帶兼作牽引機(jī)構(gòu)和承載機(jī)構(gòu)的一種連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械,具有運(yùn)輸量大、單位耗能低、運(yùn)輸平穩(wěn)、電驅(qū)動,以及易于實(shí)現(xiàn)自動控制等優(yōu)點(diǎn)。

目前,帶式輸送機(jī)一般采用變頻驅(qū)動,這為輸送系統(tǒng)能源效率的提升創(chuàng)造了有利條件。按照XIA Xiao-hua等人[2]提出的能效優(yōu)化POET框架,水泥熟料倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)可從性能層和操作層提升能源效率。由于能效優(yōu)化項(xiàng)目無需進(jìn)行復(fù)雜的硬件設(shè)備改造,可以只升級系統(tǒng)的控制策略,該項(xiàng)目實(shí)施的成本較低。

對帶速和運(yùn)輸量進(jìn)行控制是輸送機(jī)節(jié)能的可行方法,并且這些方法已經(jīng)被用于輸送系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度的研究之中。ZHANG Shi-rong等人[3-5]1931在研究優(yōu)化帶式輸送機(jī)系統(tǒng)控制效率等問題時,提出了一種輸送機(jī)的開關(guān)控制及調(diào)速控制框架。MU Yun-fei等人[6]在研究煤礦輸送系統(tǒng)的調(diào)度問題時,提出了一種考慮筒倉虛擬儲能的煤礦帶式輸送機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法。劉暾[7]在煤礦帶式輸送機(jī)綜合節(jié)能調(diào)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究中，對礦用輸送機(jī)實(shí)際控制中進(jìn)行了調(diào)速系統(tǒng)的控制實(shí)踐。

優(yōu)化調(diào)度是各行業(yè)提升能源效率的重要方法,在車輛調(diào)度[8]、泵站[9]573-574等行業(yè)都得到了應(yīng)用。

目前,在帶式輸送機(jī)運(yùn)輸量的在線測量方面已經(jīng)出現(xiàn)了多種方法,例如稱量法、應(yīng)力法[10]、CCD圖像測量法[11,12]等。這些方法的出現(xiàn)為帶式輸送機(jī)的帶速-運(yùn)輸量匹配控制提供了可能。翟文超[13]采用雙目視覺方法測量了煤流量,并且設(shè)計(jì)了輸送機(jī)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。劉寶軍[14]基于皮帶秤的測量數(shù)據(jù),研究了帶式輸送機(jī)的學(xué)習(xí)建模和模糊控制問題。

在以上文獻(xiàn)中,有關(guān)于帶式輸送[15，16]機(jī)優(yōu)化調(diào)度的研究主要是針對運(yùn)煤系統(tǒng)開展的,而水泥熟料運(yùn)輸方面的研究較少。

受原料分布特征的影響,水泥廠的選址具有集群特征,在同一片區(qū)域會布置多家水泥生產(chǎn)企業(yè)。水泥熟料需從多個廠區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)出來并存儲到多個熟料庫,再統(tǒng)一運(yùn)送出去。水泥熟料倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)流程復(fù)雜、設(shè)備繁多,需要調(diào)度的變量維度高。

筆者對某由帶式輸送機(jī)構(gòu)成的復(fù)雜水泥熟料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行分析和流程分解,采用最優(yōu)控制方法建立轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的全流程優(yōu)化調(diào)度問題,在考慮分時電價、產(chǎn)量預(yù)測等因素,以及熟料庫庫容等多種約束的基礎(chǔ)上,對優(yōu)化調(diào)度策略進(jìn)行仿真,研究優(yōu)化時域?qū)ζ湫阅艿挠绊憽?/p>

1 帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

筆者針對某水泥熟料倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究,如圖1所示。

圖1 水泥熟料倉儲輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)示意圖

倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中的一段長距離帶式輸送機(jī)如圖2所示。

圖1中,筆者分別將3家水泥廠標(biāo)記為MS、BX和HK。其中：

(1)MS廠產(chǎn)量為5 000 t/d,廠區(qū)內(nèi)布置了大容量熟料庫silo1,以存儲本廠的產(chǎn)品并接受從熟料庫silo2和熟料庫silo3轉(zhuǎn)運(yùn)過來的熟料,silo1的庫容為30 000 t;(2)HK水泥廠產(chǎn)量為7 500 t/d,silo2庫容為10 179 t,存儲HK廠的產(chǎn)品,并接受從GD route輸送系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)過來的熟料,GD route也采用了帶式輸送機(jī),輸送量為每年600萬噸。熟料庫silo2中的熟料通過運(yùn)輸線路Route 2#的4臺輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到silo1,route 2#的運(yùn)輸能力為2 400 t/h;(3)BX水泥廠產(chǎn)量為5 000 t/d,silo3熟料庫庫容為8 000 t,用于存儲BX廠的產(chǎn)品并通過運(yùn)輸線路route 3#的3臺輸送機(jī)將熟料轉(zhuǎn)運(yùn)到silo1,route 3#的運(yùn)輸能力為800 t/h。

圖2 長距離帶式輸送機(jī)

最后,silo1中的熟料通過運(yùn)輸線路route 1#轉(zhuǎn)運(yùn)到CX港碼頭,route 1#包含5臺輸送機(jī),運(yùn)輸能力為3 000 t/h。

在該轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中,包括3條運(yùn)輸線,共計(jì)12臺輸送機(jī),輸送機(jī)設(shè)備配置如表1所示。

表1 輸送機(jī)規(guī)格及配置

2 全流程優(yōu)化調(diào)度仿真

目前,分時電價政策已在國內(nèi)推廣。另一方面,熟料庫1～熟料庫3提供了較大的緩沖空間,若采用優(yōu)化控制理論充分利用分時電價和熟料庫的緩沖能力對倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度將獲得可觀的能效提升。

圖1中水泥熟料倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)包括3條運(yùn)輸線,共12臺輸送機(jī)。利用熟料庫的緩沖功能系統(tǒng)可以分解為3個子系統(tǒng)分別進(jìn)行優(yōu)化,但子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)只能依靠人工調(diào)度。

筆者從整體性角度出發(fā),考慮3條運(yùn)輸線的關(guān)聯(lián)特征,將整個水泥熟料倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)定義為全流程。

以下將以轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)全流程為對象,通過建模及優(yōu)化控制以提高系統(tǒng)的能源效率。

2.1 輸送機(jī)模型

輸送機(jī)是輸送系統(tǒng)中的核心耗能設(shè)備,ZHANG Shi-rong等人[17][18]3062-3064提出了帶式輸送機(jī)的能量計(jì)算模型,即:

(1)

式中:P(v,T)—帶式輸送機(jī)功率,kW;v—帶速,m/s;T—輸送機(jī)運(yùn)輸量,t/h;a-e—模型系數(shù),由設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算獲得,也可通過參數(shù)辨識或曲線擬合等方式獲得[19]。

筆者采用曲線擬合的方式獲得了12臺輸送機(jī)的模型參數(shù),并且借助于Belt Analyst分析軟件獲得了其建模數(shù)據(jù)。Belt Analyst是由Overland Conveyor公司提供的一款專業(yè)帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)軟件,被廣泛用于輸送機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真領(lǐng)域[20,21]。Belt Analyst采用表1所示的輸送機(jī)基本參數(shù),借助其穩(wěn)態(tài)分析功能,即可獲得輸送機(jī)能耗模型的建模樣本。

在獲得建模樣本后,利用數(shù)據(jù)擬合即可獲得輸送機(jī)能耗模型參數(shù)a-e。

帶式輸送機(jī)工作時,其帶速v和運(yùn)輸量T之間滿足以下關(guān)系:

T=3.6·qG·v

(2)

式中:qG—單位長度傳送帶上的物料質(zhì)量,kg。

qG最大值qG_max取決于傳送帶及物料本身的特性。在輸送機(jī)運(yùn)行時,調(diào)整T和v使qG取最大值,使輸送帶滿載運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有效方式[3]1935-1936[18]3066。

可見,T和v存在緊耦合關(guān)系,即:

(3)

將式(3)代入式(1),經(jīng)整理可得:

P(T)=λT3+γT

(4)

圖1中,構(gòu)成每條運(yùn)輸線的幾臺帶式輸送機(jī)串行連接,且中間沒有分支,故同一運(yùn)輸線路幾臺輸送機(jī)的運(yùn)輸量必然相等。

在后續(xù)輸送機(jī)優(yōu)化調(diào)度問題中,筆者將運(yùn)輸線路1的運(yùn)輸量T1,運(yùn)輸線路2的運(yùn)輸量T2和運(yùn)輸線路3的運(yùn)輸量T3合并為向量[T1,T2,T3],并將其作為調(diào)度的優(yōu)化變量,這樣可有效降低優(yōu)化變量的維數(shù)。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

在區(qū)域[1,No],熟料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)全流程能源費(fèi)用可以表示為:

(5)

在研究文獻(xiàn)中,優(yōu)化時域[t0,tf]一般取24 h,以符合分時電價函數(shù)的周期特征[3]1930-1931[9]576-577[18]3068-3069。

筆者將水泥廠熟料產(chǎn)量處理為可預(yù)測變量,這可以通過廠內(nèi)的生產(chǎn)計(jì)劃獲得,但優(yōu)化時域長則預(yù)測量的預(yù)測誤差會增大。

以下將優(yōu)化時域No作為可變參數(shù)進(jìn)行研究,在時間軸上優(yōu)化時域按照先后順序排列,如圖3所示。

圖3 優(yōu)化時域

為了抑制輸送帶帶速變化以保護(hù)輸送帶,筆者將在目標(biāo)函數(shù)中增加以下項(xiàng):

(6)

式(6)抑制了輸送量的大幅度變化。

由于輸送量和帶速存在式(3)所示的緊耦合關(guān)系,故對輸送量的抑制最終將體現(xiàn)為對帶速變化的抑制。

為了確保在兩個連續(xù)時域切換時,能夠控制變量的連續(xù)性,需要在優(yōu)化目標(biāo)中增加以下項(xiàng):

(7)

將式(7)融入目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最小化,即可實(shí)現(xiàn)時域切換時運(yùn)輸量及帶速的連續(xù)性。

(8)

2.3 約束條件

在建立熟料運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問題時,需要考慮包括帶速約束在內(nèi)的4種約束。

具體約束如下:

(1)帶速約束。輸送機(jī)工作時,其帶速vj和運(yùn)輸量Tj之間滿足以下關(guān)系:

(9)

(2)熟料庫庫容約束。為了確保轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)安全,3個熟料庫中的物料存量應(yīng)一直處于上限值和下限值之間,即:

(10)

(11)

(12)

(13)

(3)運(yùn)輸量約束。在轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的能效優(yōu)化問題中,線路1、線路2和線路3的運(yùn)輸量應(yīng)該滿足相應(yīng)的物理限制,即:

(14)

(4)產(chǎn)量約束。在任意調(diào)度時域,各熟料庫出庫量大于等于入庫量。

保證在某優(yōu)化時域開始和結(jié)束時各熟料庫內(nèi)存量基本相等,這樣便于優(yōu)化調(diào)度的迭代執(zhí)行:

(15)

3 優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

在該優(yōu)化調(diào)度策略中,需要提前預(yù)知MS、BX和HK水泥廠的熟料產(chǎn)量以及GD線的熟料輸入量。在該倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)行管理中可以獲得以上變量的日前預(yù)測值,這為優(yōu)化調(diào)度的實(shí)現(xiàn)提供了條件。為了便于對比,以下選取固定預(yù)測量和波動預(yù)測量兩種工況進(jìn)行分析。

在優(yōu)化調(diào)度策略仿真中,整個研究時域取48 h(N=144)以考察策略的有效性。但優(yōu)化時域?qū)⑷〔煌闹狄匝芯繒r域?qū)挾葘δ苄?yōu)化性能的影響,將考慮No=3、No=12、No=24、No=36及No=72這5種方案。

在整個研究時域中,多個優(yōu)化時域按照時間順序迭代運(yùn)行,如圖3所示。例如,當(dāng)No=12時,整個研究時域?qū)⒈环譃?2個優(yōu)化時域,這些時域?qū)凑障群箜樞蛞来螆?zhí)行。

3.1 固定預(yù)測量工況

首先,筆者研究固定預(yù)測量工況下的優(yōu)化調(diào)度問題。

MS、BX和HK水泥廠的熟料產(chǎn)量以及GD線的熟料輸入量都保持恒定值,如圖4所示。

圖4 固定預(yù)測量工況下倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

此處,調(diào)度時域?qū)挾确謩e取No=3、No=12、No=24、No=36及No=72進(jìn)行對比,優(yōu)化調(diào)度策略如圖4所示。

在固定預(yù)測量工況下,5種優(yōu)化調(diào)度方案都可完成倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)全流程優(yōu)化調(diào)度:3個熟料庫的庫容量都一直處于上、下限之間;各輸送機(jī)單位長度物料量一直處于其最大值之下,且接近最大值,實(shí)現(xiàn)了輸送帶的滿載運(yùn)行;輸送機(jī)運(yùn)輸量都滿足其物理約束。

當(dāng)優(yōu)化時域較小時(N=3,時間為1 h),由于調(diào)度時域短,優(yōu)化指令無法響應(yīng)分時電價,3條線路的運(yùn)輸量基本不變,且熟料庫存量也基本不變。隨著調(diào)度時域的增加,優(yōu)化指令將充分利用熟料庫緩沖能力及分時電價,熟料庫存量變化大,并盡量在電價低谷期運(yùn)行輸送機(jī),在高峰期和尖峰期低速運(yùn)行甚至停運(yùn)。

為了進(jìn)行對比,筆者還考慮了常規(guī)開關(guān)控制方案,并將其作為節(jié)能率和節(jié)費(fèi)率計(jì)算的參考;開關(guān)控制完全按照庫存量來調(diào)度運(yùn)輸線路的啟停。以線路1為例,若熟料庫1中的存量小于等于其下限則啟動運(yùn)輸線路1;反之,當(dāng)熟料庫1存量大于等于其上限則停運(yùn)線路1。線路2和線路3的調(diào)度方案與之相同。在開關(guān)控制方案下,為了更加貼合實(shí)際工況,輸送機(jī)運(yùn)行在帶速上限,且運(yùn)輸量取最大輸送量的80%。

常規(guī)開關(guān)調(diào)度結(jié)果如圖5所示。

圖5 固定預(yù)測量工況下倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)開關(guān)控制

由圖5可知:3個熟料庫的存量一直在上、下限之間;但開關(guān)控制完全不考慮分時電價,在電價低谷期停運(yùn)輸送機(jī),而在高峰期甚至尖峰期運(yùn)行輸送機(jī),這將導(dǎo)致較低的能源效率。

3.2 波動預(yù)測量工況

為了研究最優(yōu)調(diào)度策略的有效性,筆者將繼續(xù)在波動預(yù)測量工況下對其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

優(yōu)化調(diào)度的結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知:在波動預(yù)測量工況下,5種優(yōu)化調(diào)度方案都獲得了可行解;熟料庫容量、輸送機(jī)單位長度物料量都滿足約束。優(yōu)化指令充分利用了分時電價和熟料庫的緩沖能力,盡量將輸送機(jī)的運(yùn)行時段調(diào)度到電價低谷期,在高峰期和尖峰期低速運(yùn)行輸送機(jī),甚至停機(jī)。

為了對優(yōu)化策略的性能進(jìn)行定量分析,筆者對優(yōu)化策略的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了整理,如表2所示。

圖6 波動預(yù)測量工況下倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

表2 控制策略性能指標(biāo)

續(xù)表

由表2可知:在固定預(yù)測量工況下,優(yōu)化調(diào)度策略的節(jié)費(fèi)率隨著時域的增大而增加,當(dāng)No=72(即以24 h為優(yōu)化時域)時,3條線路都可以取得顯著節(jié)費(fèi)率。與節(jié)費(fèi)率相比,節(jié)能率的數(shù)值相對較小。電能的節(jié)約主要源于輸送機(jī)的降速滿載運(yùn)行;電費(fèi)的節(jié)約則源于對分時電價的優(yōu)化利用,調(diào)度策略將運(yùn)輸任務(wù)規(guī)劃到低電價時段。

與固定預(yù)測量工況類似,當(dāng)No較小時,優(yōu)化策略可使用的余量較弱,節(jié)費(fèi)率不高,甚至出現(xiàn)負(fù)值(例如,當(dāng)No=3時線路3的節(jié)費(fèi)率)。隨著優(yōu)化時域的增加,調(diào)度策略充分利用了熟料庫的緩沖能力和分時電價:在尖峰時段停運(yùn)輸送機(jī);在高峰時段輸送機(jī)以較低的速度運(yùn)行;在谷段則按照較高速度運(yùn)行。

表2中,在波動預(yù)測量工況下,優(yōu)化調(diào)度也獲得了明顯的節(jié)費(fèi)率和一定的節(jié)能率。

對比表2兩種工況下不同的優(yōu)化時域可知:當(dāng)No取72(預(yù)測時域24 h)時,優(yōu)化調(diào)度的節(jié)費(fèi)率最大,但隨著預(yù)測時域的增大,對水泥廠產(chǎn)量的預(yù)測精度必然會降低,現(xiàn)場應(yīng)用難度大。當(dāng)No從3增加到12時,節(jié)費(fèi)率增幅最大;隨著No的進(jìn)一步增加,節(jié)費(fèi)率增幅變小。

以上結(jié)果表明:若能獲得4 h寬度的預(yù)測量(No=12),該優(yōu)化調(diào)度方案雖不能取得最優(yōu)節(jié)費(fèi)率,但亦可獲得較大的收益。且4 h的預(yù)測寬度大大降低了對產(chǎn)量預(yù)測的要求,現(xiàn)場應(yīng)用相對簡單。表2中,節(jié)能率與優(yōu)化時域間無正相關(guān)性,是因?yàn)閮?yōu)化調(diào)度問題以能費(fèi)最小化為指標(biāo),而不以能耗最小化為指標(biāo)。

4 結(jié)束語

筆者對某包含3個水泥廠、3個熟料庫、1條外運(yùn)輸入線路和1個港口的水泥熟料倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的全流程最優(yōu)調(diào)度進(jìn)行了研究;并對優(yōu)化時域?qū)挾冗M(jìn)行了研究,探討了預(yù)測寬度對優(yōu)化性能的影響。

研究結(jié)果表明:

(1)在預(yù)測量固定和預(yù)測量波動兩種工況下,本文提出的優(yōu)化調(diào)度策略均可節(jié)約水泥熟料倉儲轉(zhuǎn)運(yùn)全流程的電能,且節(jié)費(fèi)率提升尤為顯著;

(2)隨著預(yù)測寬度的增加,優(yōu)化調(diào)度策略的節(jié)費(fèi)率增大,但產(chǎn)量預(yù)測難度也將增加;

(3)節(jié)費(fèi)率的最大增幅位于No=12,若預(yù)測時長大于等于4 h(No≥12),筆者所提調(diào)度策略即可獲得顯著收益。

筆者的研究有效縮短了預(yù)測時域長度,降低了調(diào)度策略的現(xiàn)場應(yīng)用難度,具有較大的實(shí)用性。在后續(xù)的工作中,筆者將對優(yōu)化調(diào)度策略的現(xiàn)場應(yīng)用及對預(yù)測偏差的補(bǔ)償控制問題進(jìn)行研究。