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(guó)鋼鐵工業(yè)能耗約占全國(guó)工業(yè)總能耗的16%[1].目前我國(guó)鋼鐵企業(yè)的噸鋼能耗仍比世界先進(jìn)水平國(guó)家高出10%左右[2].面對(duì)節(jié)能減排的嚴(yán)峻形勢(shì),鋼鐵工業(yè)亟需通過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)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(chǔ)、輸送和分配使用通過(guò)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(duì)于鋼鐵工業(yè)單一介質(zhì)優(yōu)化調(diào)配問(wèn)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(duì)煤氣產(chǎn)生消耗量預(yù)測(cè)問(wèn)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(cè),張顏顏等[4]采用改進(jìn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)子空間算法求解鋼鐵企業(yè)能源預(yù)測(cè)問(wèn)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(cè)模型;針對(duì)煤氣優(yōu)化調(diào)配問(wèn)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(wèn)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(chǔ)能力的富裕煤氣最優(yōu)分配問(wèn)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(wèn)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(cè)研究問(wèn)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(duì)于鋼鐵工業(yè)多介質(zhì)優(yōu)化調(diào)配問(wèn)題,近年來(lái)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(wèn)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(guò)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(dòng)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(wèn)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(méi)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(huì)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(dòng)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(guò)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(lái)識(shí)別、調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)能源系統(tǒng)的時(shí)變需求,形成多時(shí)間周期動(dòng)態(tài)變化的優(yōu)化約束邊界條件;最后,針對(duì)不同生產(chǎn)場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化求解,給出對(duì)應(yīng)的多能源介質(zhì)動(dòng)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(guò)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(gè)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(gè)環(huán)節(jié)能源信息關(guān)聯(lián)起來(lái),并形成多種能源介質(zhì)間的調(diào)控[20].圖1為三個(gè)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)變化,而且這些模型沒(méi)有考慮與能源網(wǎng)絡(luò)的信息交互,無(wú)法滿足能源動(dòng)態(tài)調(diào)配的需要.

針對(duì)上述問(wèn)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(guò)啟動(dòng)/停止等狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)識(shí),以反映設(shè)備正常、故障等動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀況,設(shè)備狀態(tài)信號(hào)來(lái)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(dòng)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(kù)存對(duì)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(duì)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(gè)統(tǒng)計(jì)模型描述.論文研究中分析了影響介質(zhì)波動(dòng)的因素,把影響因素分為靜態(tài)因素、動(dòng)態(tài)因素及本身波動(dòng)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)?、蒸汽、電、技術(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(chǔ)存、轉(zhuǎn)換分配連接起來(lái),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(guò)關(guān)聯(lián)矩陣(樹(shù)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(duì)管段摩阻系數(shù)進(jìn)行辨識(shí).

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(lái),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(gòu)能源,中間環(huán)節(jié)包括存儲(chǔ)、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(gòu)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(kāi)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(dòng)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(jí)依賴關(guān)系Fig.6 Priority dependencies between media

能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真首先確定介質(zhì)之間優(yōu)先級(jí)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?、電、技術(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(duì)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(duì)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(jí)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(dòng)態(tài)仿真過(guò)程是事件驅(qū)動(dòng)的.仿真計(jì)算過(guò)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(shí),反映生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)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(shí),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(dòng)態(tài)變化.

通過(guò)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(gè)環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)變化情況,分析評(píng)估各環(huán)節(jié)的效率和流程綜合效率;分析對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(guò)仿真計(jì)算實(shí)時(shí)識(shí)別、調(diào)整生產(chǎn)工序能量動(dòng)態(tài)平衡約束條件、能源介質(zhì)轉(zhuǎn)換動(dòng)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(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)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(duì)于煤氣、蒸汽和電力需求,形成能源介質(zhì)轉(zhuǎn)換動(dòng)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(shí)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(dòng)態(tài)約束條件.

2)多能源介質(zhì)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guò)程對(duì)各種能源介質(zhì)的需求下,降低整個(gè)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(gè)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(gòu)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(guò)煤氣、蒸汽、電力三類能源介質(zhì)費(fèi)用來(lái)表征.

式中,T為一個(gè)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(gè)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(gòu)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(gòu)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(dòng)態(tài)平衡約束條件、能源介質(zhì)轉(zhuǎn)換動(dòng)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(guò)仿真計(jì)算進(jìn)行動(dòng)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(duì)蒸汽、電力、煤氣的需求是不同的,且在每個(gè)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(tái)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(jí)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(duì)煤氣量使用的上下限范圍

對(duì)于多種煤氣混燒鍋爐,使用的煤氣不但對(duì)量有要求,而且對(duì)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(tái)發(fā)電機(jī)對(duì)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(gè)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(gè)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(gè)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(wèn)題.非線性問(wèn)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(duì)這類問(wèn)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(duì)常規(guī)PSO存在的缺乏有效的約束處理機(jī)制、隨著問(wèn)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(duì)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(dòng)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(duì)種群中的每個(gè)個(gè)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(gè)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(duì)于含有大量約束條件的優(yōu)化問(wèn)題,罰函數(shù)方法不僅帶來(lái)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(duì)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(guò)對(duì)不可行個(gè)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(tái)燃料鍋爐 (B1～B4)、2臺(tái)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(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(CHP)組成,為生產(chǎn)工藝過(guò)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(tái)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(dòng)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(gè)調(diào)度時(shí)段,每個(gè)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(guò)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(wèn)題.

1)正常工況下優(yōu)化結(jié)果

表1給出了通過(guò)動(dòng)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(cè)結(jié)果.

圖11給出優(yōu)化前后整個(gè)鋼鐵企業(yè)煤氣–蒸汽–電力系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用在各個(gè)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(méi)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(jiàn)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(guò)動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(guò)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(guò)能量流網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)仿真確定不同工況對(duì)能源系統(tǒng)的需求變化,形成動(dòng)態(tài)的約束邊界條件,然后進(jìn)行優(yōu)化求解,得到對(duì)應(yīng)的多能源介質(zhì)動(dòng)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(duì)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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