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        多能源介質(zhì)耦合優(yōu)化系統(tǒng)模型的開發(fā)及應(yīng)用

        2020-06-22 15:26:40李雪晴詹守權(quán)劉偉
        鞍鋼技術(shù) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:焦?fàn)t煤氣發(fā)電量煤氣

        李雪晴,詹守權(quán),劉偉

        (1.鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)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(yè)是國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石,為建筑、汽車、機(jī)械、造船、家電等相關(guān)行業(yè)提供了重要原材料保障,推動(dòng)了國內(nèi)工業(yè)化、現(xiàn)代化的發(fā)展。在保證鋼產(chǎn)量的同時(shí),國內(nèi)鋼鐵行業(yè)在節(jié)能減排方面也取得了一定的成績。根據(jù)日前冶金工業(yè)規(guī)劃研究院發(fā)布的 《中國鋼鐵工業(yè)節(jié)能低碳發(fā)展報(bào)告2018》,2018年鋼鐵行業(yè)在產(chǎn)量增長11.0%的情況下,能源消費(fèi)總量同比增長僅8.9%,鋼鐵行業(yè)的能效水平穩(wěn)步提升。發(fā)改委鋼鐵行業(yè)2019年運(yùn)行情況顯示,國內(nèi)粗鋼產(chǎn)量同比增長,生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量分別增長5.3%、8.3%、9.8%。

        在成績的背后,清晰看到國內(nèi)鋼鐵工業(yè)仍然存在生產(chǎn)結(jié)構(gòu)不合理、節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)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(shí)際生產(chǎn)過程中,調(diào)度人員往往從單一生產(chǎn)需求的角度出發(fā),無法綜合各方面因素進(jìn)行分析調(diào)度。目前國內(nèi)關(guān)于多介質(zhì)耦合優(yōu)化基于不同的目標(biāo),有許多的模型和算法[3-5],大部分處于理論計(jì)算水平。本文以鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司實(shí)施的智慧能源管控大數(shù)據(jù)平臺(tái)為依托,通過采集水、電、煤氣、蒸汽的數(shù)據(jù),結(jié)合鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際狀況,運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)與優(yōu)化算法,對(duì)公司多介質(zhì)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化,提供介質(zhì)消耗量、電的發(fā)生量、公司的生產(chǎn)成本預(yù)測(cè)與分析平臺(tái),并與實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,提供合理的優(yōu)化平衡方案,進(jìn)而降低公司生產(chǎn)成本,實(shí)現(xiàn)煤氣放散最低與企業(yè)利潤最大化的目標(biāo)。該系統(tǒng)是從公司整體的生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)行考慮,對(duì)公司生產(chǎn)主要消耗的介質(zhì)進(jìn)行分析,是整個(gè)公司生產(chǎn)調(diào)度的核心,在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

        1 多介質(zhì)耦合優(yōu)化模型

        多介質(zhì)耦合優(yōu)化模型的核心是:煤氣設(shè)備、蒸汽設(shè)備與CCPP機(jī)組發(fā)電的同時(shí),消耗煤氣、蒸汽、水,在峰、谷、平不同的時(shí)段,外購電的單價(jià)是不同的,發(fā)電消耗成本也是不同的,在谷時(shí)可以少發(fā)電,多外購,積累柜位,在峰時(shí)可以多發(fā)電,少外購,降低成本,同時(shí)煤氣可以外賣,增加企業(yè)利潤,當(dāng)煤氣柜達(dá)到峰值時(shí),需要放散。針對(duì)這一特點(diǎn),建立多能源介質(zhì)耦合優(yōu)化模型,模型的輸入、輸出、目標(biāo)與約束的示意圖如圖1所示。

        圖1 多能源介質(zhì)耦合優(yōu)化模型Fig.1 Optimization Model by Coupling for Multi-energy Medium

        (1)目標(biāo)函數(shù)f為公司消耗的總成本(元),即在t時(shí)間內(nèi)公司多介質(zhì)消耗或產(chǎn)生介質(zhì)所帶來的成本與收益之差:

        式中,n為第n組數(shù)據(jù);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(fā)電所消耗的成本,元;cnt為外賣焦?fàn)t煤氣產(chǎn)生的收益,元;k為優(yōu)化的時(shí)間長度t與優(yōu)化時(shí)間粒度Δt的商。

        在建設(shè)模型過程中,考慮設(shè)定煤氣放散價(jià)格損失最大,使得煤氣在放散時(shí)造成的經(jīng)濟(jì)損失最大,所以這個(gè)模型不僅滿足了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最大化,也實(shí)現(xiàn)了煤氣放散最少的目標(biāo)。

        (2)煤氣使用成本主要包括煤氣設(shè)備消耗煤氣成本、CCPP機(jī)組消耗煤氣與焦?fàn)t煤氣外賣成本:

        式中,pnb為高爐煤氣使用單位價(jià)格,元/km3;bfgng為煤氣設(shè)備高爐煤氣消耗量,km3/h;bfgnc為CCPP機(jī)組高爐煤氣消耗量,km3/h;pnc為焦?fàn)t煤氣使用單位價(jià)格,元/km3;cogng為煤氣設(shè)備焦?fàn)t煤氣消耗量,km3/h;cognc為 CCPP機(jī)組焦?fàn)t煤氣消耗量,km3/h;cognt為外賣焦?fàn)t煤氣量,km3/h。

        (3)蒸汽成本包括余熱設(shè)備一級(jí)減壓閥低壓蒸汽成本和余熱設(shè)備低壓蒸汽成本:

        式中,pns3為一級(jí)減壓閥低壓蒸汽單位價(jià)格,元/t;s3nh為一級(jí)減壓閥使用低壓蒸汽量,t/h;pnex為余熱設(shè)備低壓蒸汽單位價(jià)格,元/t;exnh為余熱設(shè)備使用低壓蒸汽量,t/h。

        (4)外購電成本:

        式中,pnp為外購電價(jià)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?fàn)t煤氣放散產(chǎn)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(jià)格,元/km3;cognr為焦?fàn)t煤氣放散量,km3/h;pncr為焦?fàn)t煤氣放散的懲罰價(jià)格,元/km3。

        (6)發(fā)電消耗的成本包括煤氣設(shè)備、余熱設(shè)備、CCPP機(jī)組發(fā)電所帶來的成本:

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

        (7)外賣焦?fàn)t煤氣收益:

        式中,pnt為外賣焦?fàn)t煤氣價(jià)格,元/km3;cognt為外賣焦?fàn)t煤氣量,km3/h。

        (8)總用電量由發(fā)電量和外購電量兩部分組成,其中發(fā)電量是由煤氣設(shè)備、余熱設(shè)備、CCPP機(jī)組三部分發(fā)電產(chǎn)生:

        式中,ena為總用電量,kW;enca為總發(fā)電量,kW。

        通過實(shí)際數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)各設(shè)備的發(fā)電量與水、蒸汽、煤氣的使用量之間存在一定的關(guān)系:

        式中,u1,v1,z1,u2,v2,z2,u3,v3,z3為三種設(shè)備擬合的系數(shù),由于設(shè)備的型號(hào)等各項(xiàng)參數(shù)不同,系數(shù)也不盡相同,wng為煤氣設(shè)備消耗的水量,t/h;s2nh為余熱設(shè)備進(jìn)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?fàn)t煤氣富余量,km3/h;cogns為從煤氣柜取出或存入的焦?fàn)t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(jù)公司設(shè)備情況、生產(chǎn)狀況的不同,各個(gè)變量的取值范圍也不盡相同,可根據(jù)公司的實(shí)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(zhì)非線性優(yōu)化模型。

        (11)多介質(zhì)耦合優(yōu)化問題的一般形式可表示為:

        針對(duì)這一問題,通常采用外點(diǎn)罰函數(shù)方法解決。

        首先,構(gòu)造罰函數(shù):

        其中,f(x)為目標(biāo)函數(shù),元;x表示輸入變量組成的集合;。

        算法:

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

        (2) 求罰函數(shù) p(x,πk)的最小值 xk,即求解無約束優(yōu)化問題

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

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

        2 多介質(zhì)耦合優(yōu)化系統(tǒng)功能介紹

        (1)多介質(zhì)耦合優(yōu)化系統(tǒng)主要從煤氣分配、蒸汽分配、發(fā)電與外購電三個(gè)方面出發(fā),對(duì)模型優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析,將數(shù)據(jù)展示與圖形展示相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)結(jié)果的全方位展現(xiàn),為技術(shù)人員提供調(diào)度調(diào)整的方向和依據(jù)。它依賴于1 min,10 min,30 min三種時(shí)間粒度和4 h,8 h,24 h三種時(shí)間長度,根據(jù)不同的設(shè)備建立不同的介質(zhì)分配曲線。圖2為蒸汽分配曲線,圖中可以看到煤氣設(shè)備、余熱設(shè)備、一級(jí)減壓閥蒸汽的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比曲線。

        (2)系統(tǒng)提供大量的字典頁面,供用戶修改設(shè)備數(shù)量、設(shè)備名稱以及設(shè)備的各種參數(shù),用戶可以在公司工況、設(shè)備發(fā)生變化時(shí),及時(shí)調(diào)整設(shè)備和介質(zhì)參數(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化,以保障系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。圖3為多能源介質(zhì)熱值、焓值字典,該字典可以維護(hù)煤氣的熱值、水和蒸汽的焓值數(shù)據(jù),用戶可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhì)熱值、焓值字典Fig.3 Dictionary for Calorific Values and Enthalpy of Multi-energy Medium

        (3)系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)為依托,結(jié)合設(shè)備和介質(zhì)消耗的機(jī)理,建立并求解非線性優(yōu)化模型,使多介質(zhì)耦合優(yōu)化系統(tǒng)展現(xiàn)的結(jié)果具有合理性,符合公司實(shí)際生產(chǎn)情況。系統(tǒng)給出完整的最優(yōu)調(diào)度方案即煤氣與電力以及蒸汽與成本報(bào)表,幫助用戶指導(dǎo)生產(chǎn)。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(zhì)耦合實(shí)際數(shù)據(jù)與系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)據(jù)的對(duì)比,從表中可以發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)比,發(fā)電量大,外賣或放散煤氣量少,總節(jié)省成本2 020.68元/h。

        表1 多介質(zhì)耦合優(yōu)化煤氣與電力報(bào)表Table 1 Gas and Power Statement for Multi-energy Medium Optimized by Coupling

        表2 多介質(zhì)耦合優(yōu)化蒸汽與成本報(bào)表Table 2 Steam and Cost Statement for Multi-energy Medium Optimized by Coupling

        3 運(yùn)行效果

        本系統(tǒng)以InfluxDB+Hadoop+Oracle作為異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái),利用Python作為后臺(tái)模型的開發(fā)平臺(tái),Java作為前臺(tái)頁面的開發(fā)平臺(tái),從2019年3月份上線以來,系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)初步滿足用戶的需求,達(dá)到初期的運(yùn)行目標(biāo)。

        4 結(jié)語

        多介質(zhì)耦合優(yōu)化系統(tǒng)充分考慮公司的實(shí)際生產(chǎn)狀況、生產(chǎn)工藝、設(shè)備參數(shù)與運(yùn)行狀況等因素,設(shè)計(jì)符合實(shí)際生產(chǎn)狀況的參數(shù)和擬合曲線,建立了煤氣、蒸汽、水、電協(xié)同合作的多介質(zhì)耦合優(yōu)化模型。系統(tǒng)通過建立實(shí)時(shí)變化的折線圖來將實(shí)際值與預(yù)測(cè)值對(duì)比分析,指導(dǎo)生產(chǎn)向著最優(yōu)的調(diào)度方案調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了能源管理與生產(chǎn)數(shù)據(jù)之間的互聯(lián)互通和反饋調(diào)節(jié),展現(xiàn)了物質(zhì)流與信息流的相互轉(zhuǎn)換,是鋼鐵行業(yè)智能制造的重要組成部分。本系統(tǒng)為用戶提供多種設(shè)備參數(shù)、產(chǎn)品參數(shù)字典,實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)系統(tǒng)的自由控制,提高了系統(tǒng)的適用程度。系統(tǒng)以總成本最低為目標(biāo),對(duì)各種介質(zhì)進(jìn)行合理的分配,將介質(zhì)的利用率發(fā)揮到最大化,減少污染,降低鋼鐵產(chǎn)品的能源使用成本,提升了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

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