文凱, 張琦, 王曉坡

(1.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安;2.東北大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 110819, 沈陽)

符號(hào)表

隨著能源環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻,鋼鐵企業(yè)面臨的節(jié)能減排壓力與日俱增[1-2]。作為具有相當(dāng)規(guī)模自備電廠的鋼鐵企業(yè),其蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)(SPS)耦合了煤氣、蒸汽、電力等多種能源[3-4],這些能源消耗占整個(gè)鋼鐵企業(yè)能耗的60%[5]。正因?yàn)槿绱?能源耦合優(yōu)化正逐漸成為鋼鐵企業(yè)進(jìn)一步節(jié)能減排的重點(diǎn)之一。但現(xiàn)今絕大多數(shù)此類研究主要集中于石化行業(yè)[6-7]。

張琦等綜合考慮了富余煤氣波動(dòng)、蒸汽和電力的動(dòng)態(tài)需求、多燃料結(jié)構(gòu)、分時(shí)電價(jià)等因素,建立了鋼鐵企業(yè)煤氣-蒸汽-電力耦合優(yōu)化模型[8]。高金彤等針對(duì)鋼鐵企業(yè)SPS,考慮了能源設(shè)備、分時(shí)電價(jià)和污染物排放等因素,分別建立了鋼鐵企業(yè)SPS的單目標(biāo)和多目標(biāo)耦合優(yōu)化模型[9-10]。孟華等建立了基于不同污染物環(huán)境價(jià)值的鋼鐵企業(yè)鍋爐負(fù)荷多周期混合整數(shù)線性規(guī)劃模型,并用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對(duì)其求解[11]。Zeng等建立了考慮煤氣、燃料價(jià)格和分時(shí)電價(jià)的SPS優(yōu)化模型[12]。Zhang等的模型額外考慮了煤氣波動(dòng)和安全問題,特別分析了熱值約束對(duì)高爐煤氣利用率的影響[13]。

上述研究表明,聚焦鋼鐵企業(yè)SPS全流程多能源的優(yōu)化調(diào)度研究不多,且考慮污染物排放的較少。同時(shí),大多研究中污染物排放僅考慮系統(tǒng)本身,忽略了所需能源資源生產(chǎn)輸送的上游過程影響。尚未發(fā)現(xiàn)以生命周期評(píng)價(jià)方法(LCA)建立環(huán)境指標(biāo)的鋼鐵企業(yè)SPS多周期多目標(biāo)優(yōu)化研究。本文立足于鋼鐵企業(yè)SPS,考慮了動(dòng)態(tài)供需、燃料結(jié)構(gòu)、分時(shí)電價(jià)、污染物排放等問題,采用LCA方法建立環(huán)境指標(biāo),使用多目標(biāo)優(yōu)化的方法力求為企業(yè)提供經(jīng)濟(jì)-環(huán)境的權(quán)衡運(yùn)行策略。

圖1 鋼鐵企業(yè)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of steam power system in iron and steel enterprises

1 蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化模型構(gòu)建

一個(gè)鋼鐵企業(yè)的SPS通常包括幾個(gè)不同的環(huán)節(jié)來提供煤氣、蒸汽、電力等產(chǎn)品,如圖1所示。鋼鐵企業(yè)SPS的燃料氣主要是焦?fàn)t煤氣(COG)和高爐煤氣(BFG),它們都是典型的鋼鐵生產(chǎn)工序(焦?fàn)t煉焦、高爐煉鐵)的伴生二次能源。實(shí)際情況下,為了保證能源的高效利用,這些煤氣在滿足燃?xì)鉄煲欢ㄈ剂蠠嶂狄蟮那疤嵯逻M(jìn)行適當(dāng)?shù)幕旌系玫交旌厦簹?MXG)。同時(shí),該系統(tǒng)具有回收紅焦顯熱的余熱鍋爐,這些余熱將被惰性氣體在干熄塔回收利用。系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽可用于供熱、發(fā)電并滿足廠區(qū)自身需要,如若發(fā)電量超過了當(dāng)期需求,則系統(tǒng)將把多余電量供給外部電網(wǎng)謀取一定收益,否則將從外網(wǎng)購(gòu)置額外電力來彌補(bǔ)。

1.1 鍋爐模型

本系統(tǒng)鍋爐的數(shù)學(xué)模型[9-10]如下。為方便表示,Mbo和hbo代表鍋爐蒸汽流量和蒸汽焓,其余符號(hào)含義可見文首符號(hào)表。鍋爐的質(zhì)量守恒和蒸汽產(chǎn)量與排污量關(guān)系如下式

(1)

(2)

式中:t代表優(yōu)化周期;Mbo,wt表示鍋爐給水量;Mbo,p表示鍋爐排污量;φ表示排污率,本文取為0.02。鍋爐蒸汽的負(fù)荷約束如下式

(3)

(4)

一段時(shí)間內(nèi)鍋爐負(fù)荷應(yīng)在設(shè)備允許的負(fù)荷范圍內(nèi),且其變化值不得超過允許變化量。鍋爐效率擬合公式及能量守恒關(guān)系如下式

(5)

(6)

a、b、c為擬合系數(shù),Mg表示氣體燃料的體積流量,Mbo,Rin和Mbo,Rout表示鍋爐在熱蒸汽入口和出口的流量。余熱鍋爐模型類似,余熱利用效率取為0.7。

1.2 汽輪機(jī)模型

對(duì)于簡(jiǎn)單汽輪機(jī)的運(yùn)行可以用Willans線相當(dāng)準(zhǔn)確地描述[14],而對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)的汽輪機(jī),可以用汽輪機(jī)耗量特性方程描述其能量關(guān)系,汽輪機(jī)質(zhì)量守恒關(guān)系式如下

(7)

汽輪機(jī)負(fù)荷約束如下

(8)

(9)

(10)

(11)

一段時(shí)間內(nèi)汽輪機(jī)進(jìn)汽、抽汽和產(chǎn)電能力不得超過設(shè)備負(fù)荷的允許范圍,其產(chǎn)電能力變化也不得超過設(shè)備允許變化量。

汽輪機(jī)耗量特性方程如下式,可通過設(shè)備實(shí)際運(yùn)行參數(shù)擬合得到

(12)

1.3 污染物排放模型

采用LCA方法來構(gòu)建環(huán)境目標(biāo)函數(shù)涉及的環(huán)節(jié)不僅是該系統(tǒng)本身,還包括其上游過程。因此要分析的不單是SPS產(chǎn)生的污染物,同時(shí)包含著為滿足SPS運(yùn)行生產(chǎn)上游所需提供的各類能源資源開采、加工、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)造成的污染物,可以認(rèn)為產(chǎn)生的污染物包含系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外兩部分,圖2給出了污染物排放的流程圖。系統(tǒng)內(nèi)燃煤鍋爐排放模型如下[14-15]

Gdust=McoalA(1-ηdust)D/(1-F)

(13)

GNOx=1.63Mcoal(Nδ+vY)

(14)

v=K0qcoal(α+β)/4 187

(15)

GSO2=1.6McoalS(1-ηS)

(16)

GCO2=3.667McoalB+0.44lR

(17)

l=3.125McoalHS/R

(18)

Gash+slag=

(19)

式中:G表示某種污染物的排放量;Gdust、Gash+slag分別表示煙塵和固體廢棄物(灰渣)排放量;ηdust和ηS表示鍋爐的除塵和脫硫效率。

圖2 污染物排放流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of pollutant discharge process

對(duì)于燃?xì)忮仩t模型,采用排放因子和燃料量的乘積來表示燃?xì)忮仩t的各類排放[14]

(20)

式中:ω表示某燃?xì)馀欧乓蜃?m表示污染物種類。燃?xì)忮仩tCO2排放仍采用燃煤鍋爐的排放模型進(jìn)行計(jì)算[8]。上游環(huán)節(jié)排放模型為

(21)

SPS產(chǎn)生的污染物屬于系統(tǒng)內(nèi)部污染物,由對(duì)應(yīng)的排放模型計(jì)算得到。COG生產(chǎn)輸送、煤炭開采、煤炭運(yùn)輸、電力生產(chǎn)輸送的污染物排放清單取自eBalance數(shù)據(jù)庫。BFG生產(chǎn)輸送過程污染物排放需要計(jì)算,本研究將煉鐵企業(yè)視作一個(gè)三產(chǎn)品系統(tǒng),其主要產(chǎn)品為鐵水、高爐煤氣和高爐渣,可以根據(jù)污染物經(jīng)濟(jì)分配的方法對(duì)高爐煤氣污染物進(jìn)行分配[16-17]。高爐煤氣與鐵水的經(jīng)濟(jì)效益和分配系數(shù)的關(guān)系

(22)

Iiron=CironVPRO,iron

(23)

(24)

式中:I表示煉鐵工序產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益;CBFG和Ciron表示單位BFG和鐵水的售價(jià);VPRO和VREC表示產(chǎn)品的產(chǎn)生量和回收量;X表示產(chǎn)品的分配系數(shù),本研究的BFG污染物分配系數(shù)為4.314%,根據(jù)煉鐵工序排放清單[18-19]即可得BFG生產(chǎn)及輸送排放。對(duì)于煤炭洗選和建設(shè)環(huán)節(jié)有關(guān)參數(shù)取值參考排放清單[20-22],研究選取的洗煤廠清單總懸浮顆粒物(TSP)小于PM10的只占總TSP的0.5%,并且有一半的煤矸石可以回收利用。建設(shè)環(huán)節(jié)的排放只考慮鋼材造成的排放而沒有考慮其他材料,煤炭運(yùn)輸距離設(shè)為748 km,輸送和洗選的折損系數(shù)取為0.02和0.2。

1.4 目標(biāo)函數(shù)

本研究經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)為全系統(tǒng)的運(yùn)行成本,該成本代表一段時(shí)間內(nèi)SPS滿足系統(tǒng)內(nèi)外需求情況下的總支出C,表達(dá)式如下

(25)

xtyt=0xt,yt∈{0,1}

(26)

式中:Pb為外購(gòu)電量;Ps為外送電量;Ce和Cs分別為外購(gòu)和外送電價(jià);Cmb和Cmt分別為鍋爐和汽輪機(jī)的維護(hù)成本。xt和yt為離散變量,其目的是確立一種邏輯約束,保證買賣電兩種行為在優(yōu)化模型中不會(huì)同時(shí)發(fā)生,同時(shí)指示t時(shí)段系統(tǒng)是否存在外送或外購(gòu)電的情況。當(dāng)總發(fā)電量大于總需求量時(shí),xt=1,yt=0,此時(shí)送電但不買電。當(dāng)總發(fā)電量小于總需求量時(shí),xt=0,yt=1,此時(shí)買電但不送電。

環(huán)境目標(biāo)函數(shù)是LCA方法計(jì)算得到的一個(gè)加權(quán)綜合指標(biāo)。本研究考慮了SPS自身為滿足系統(tǒng)供需產(chǎn)生的環(huán)境影響以及供給系統(tǒng)的電力、燃料和建設(shè)材料等生產(chǎn)和輸送環(huán)節(jié)產(chǎn)生的環(huán)境影響。該影響可以分為6種類型,包括全球變暖(GW)、酸化(AC)、富營(yíng)養(yǎng)化(EP)、健康威脅(Hh)、固體廢棄物污染(SW)、煙塵污染(Sad)。環(huán)境目標(biāo)函數(shù)[22-23]如下式

(27)

E2(n)=E3(n)Z1(n)

(28)

(29)

(30)

(31)

1.5 約束條件

本研究考慮的質(zhì)量與能量守恒約束暨鍋爐和汽輪機(jī)模型,同時(shí)忽略系統(tǒng)密封性的影響。除此之外的供需約束如下。燃?xì)夤┬杓s束為

(32)

(33)

任何時(shí)間段內(nèi)燃?xì)饪傁牧坎坏贸^供應(yīng)量,且鍋爐供氣量必須在設(shè)備允許范圍之內(nèi)。

蒸汽和電力供需約束為

(34)

(35)

(36)

優(yōu)化模型需保證各變量大于等于0。

2 優(yōu)化結(jié)果及影響因素分析

本文以圖3所示的某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象,HP、MP、LP分別表示高壓、中壓、低壓蒸汽管網(wǎng),EL和WG表示電力和水力管網(wǎng),其中高壓、中壓和低壓蒸汽的溫度和壓力分別為(708 K,3.5 MPa)、(513 K,1.0 MPa)和(443 K,0.4 MPa),系統(tǒng)其他參數(shù)可見文獻(xiàn)[8-10]。優(yōu)化的決策變量包括各鍋爐燃料量和產(chǎn)汽量,各汽機(jī)進(jìn)汽凝汽和各級(jí)抽汽量、發(fā)電量以及電網(wǎng)電力交易量等。

圖3 某鋼鐵企業(yè)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 A system structure diagram

系統(tǒng)每日污染物最大排放量按照有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[24],取系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的污染物合格排放量為最大限制量,表1給出了優(yōu)化周期內(nèi)系統(tǒng)的供應(yīng)需求量。對(duì)于所建立的單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化模型,本研究的計(jì)算環(huán)境為2.60 GHz Intel(R) Core(TM) i7-10750H,搭載GAMS平臺(tái)以及Matlab軟件。采用GAMS/LINDOGlobal求解器求解并集成ε約束法[25]用于多目標(biāo)分析。

表1 系統(tǒng)各時(shí)段供應(yīng)需求量

圖4 分時(shí)電價(jià)與買賣電量關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between time-of-use electricity price and electricity trading quantity

2.1 經(jīng)濟(jì)單目標(biāo)優(yōu)化

圖4給出了優(yōu)化結(jié)果的外購(gòu)?fù)馑碗娏侩S分時(shí)電價(jià)的變化關(guān)系,表2給出了優(yōu)化前后各項(xiàng)成本間的比較,其中外送電收益為負(fù)表征系統(tǒng)通過外送電減少的運(yùn)行成本?？梢园l(fā)現(xiàn),優(yōu)化后該系統(tǒng)每天節(jié)約運(yùn)行成本101 950元,占原運(yùn)行成本的3.75%。在滿足外界對(duì)電力和蒸汽需求的情況下,系統(tǒng)選擇購(gòu)買更少的煤炭,買煤成本降低22.41%,而購(gòu)氣成本上升了24.34%。系統(tǒng)自身發(fā)電量和設(shè)備負(fù)荷降低,使得維護(hù)成本下降了13.23%。外購(gòu)電增加而外送電減少,得到了一種峰送谷買的優(yōu)化電網(wǎng)交易策略。

2.2 環(huán)境單目標(biāo)優(yōu)化

圖5給出了不同優(yōu)化策略環(huán)境指標(biāo)的關(guān)系,其中單位PE表示標(biāo)準(zhǔn)人當(dāng)量,視作一種環(huán)境影響量度。由圖5可以看出,采用經(jīng)濟(jì)或環(huán)境優(yōu)化對(duì)總環(huán)境影響(涵蓋SPS自身和上游過程)都有改善,但主要集中于GW、SW和Sad,而對(duì)其他類型改善程度較小。這些類型僅靠系統(tǒng)本身調(diào)度可能難以優(yōu)化,造成它們的污染物集中于系統(tǒng)必須的能源資源中,應(yīng)同時(shí)考慮系統(tǒng)上游環(huán)節(jié)優(yōu)化或設(shè)備升級(jí)才有可能獲得改善。

圖5 優(yōu)化前后各環(huán)境影響對(duì)比Fig.5 Comparison of environmental impacts before and after optimization

表3給出了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境單目標(biāo)優(yōu)化后運(yùn)行成本的變化。在環(huán)境優(yōu)化下,系統(tǒng)相對(duì)于經(jīng)濟(jì)優(yōu)化購(gòu)煤成本減少3.64%,購(gòu)氣成本減少0.82%,維護(hù)成本減少3.75%,外購(gòu)電成本減少1.04%。外送電量在這種情況下為0,變化率為100%,因?yàn)樾枨笠酝獾碾娏ιa(chǎn)不能為系統(tǒng)創(chuàng)造環(huán)境收益。由此帶來總成本上升1.14%,一年多支出8 922 000元。但系統(tǒng)環(huán)境指標(biāo)有較大改善,與優(yōu)化前相比降幅為12.21%,與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化相比,降幅為3.91%,可見該方案對(duì)環(huán)境影響有較好的改善能力。結(jié)合兩種優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析容易發(fā)現(xiàn),相較于優(yōu)化前環(huán)境優(yōu)化能改善系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性,而經(jīng)濟(jì)優(yōu)化也能降低系統(tǒng)環(huán)境影響,但始終不能實(shí)現(xiàn)二者最優(yōu),兩者之間存在特殊的矛盾和聯(lián)系。

2.3 多目標(biāo)優(yōu)化

從上述的單目標(biāo)優(yōu)化中可以發(fā)現(xiàn),想要經(jīng)濟(jì)和環(huán)境指標(biāo)兼得是不可能的,減少運(yùn)行成本可能會(huì)以增加不合理的環(huán)境影響為代價(jià)。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中,有必要進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化來找到經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響之間的一種權(quán)衡。

圖6給出了雙目標(biāo)優(yōu)化的求解結(jié)果,以帕累托曲線的形式體現(xiàn)。圖6中A、B、C分別代表最優(yōu)經(jīng)濟(jì)點(diǎn)、權(quán)衡點(diǎn)、最優(yōu)環(huán)境點(diǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn),當(dāng)系統(tǒng)處于最小運(yùn)行成本狀態(tài)時(shí),在優(yōu)化模型中運(yùn)行成本的小幅增加就能使得環(huán)境影響顯著下降。但當(dāng)環(huán)境影響下降到B點(diǎn)后,其改善就變得困難,進(jìn)一步降低環(huán)境影響需要支付越發(fā)高昂的經(jīng)濟(jì)成本。因此認(rèn)為B點(diǎn)是本系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的最佳權(quán)衡點(diǎn),其相較優(yōu)化前運(yùn)行成本降低3.46%,環(huán)境影響下降11.91%,在保證企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也能盡可能避免環(huán)境污染?？傊?引入LCA構(gòu)建的環(huán)境指標(biāo)參與優(yōu)化,能綜合考慮到系統(tǒng)自身和其上游過程,未附加經(jīng)濟(jì)因素,可以切實(shí)反映全系統(tǒng)的環(huán)境效益,便于企業(yè)達(dá)到經(jīng)濟(jì)環(huán)境利益最大化。

圖6 雙目標(biāo)優(yōu)化的帕累托曲線Fig.6 Pareto curve of double-objective optimization

表2 運(yùn)行成本單目標(biāo)優(yōu)化前后各項(xiàng)成本匯總

表3 環(huán)境影響單目標(biāo)優(yōu)化前后各項(xiàng)成本匯總

2.4 靈敏度分析

(a)優(yōu)化運(yùn)行成本

(b)優(yōu)化環(huán)境影響圖7 系統(tǒng)運(yùn)行成本及環(huán)境影響隨煤價(jià)的變化Fig.7 Variation of operating cost and environmental impact of two strategies with coal price

2.4.1 煤價(jià)變化對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響 圖7給出了不同優(yōu)化策略運(yùn)行成本和環(huán)境影響隨煤價(jià)的變化。圖8給出了不同優(yōu)化策略電網(wǎng)交易計(jì)劃隨煤價(jià)的變化,圖9給出了煤價(jià)變化對(duì)雙目標(biāo)優(yōu)化的影響。由圖7可知,煤價(jià)上升,不同優(yōu)化策略運(yùn)行成本逐漸提高。對(duì)于環(huán)境優(yōu)化,煤價(jià)上升不會(huì)改變系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),其運(yùn)行成本與煤價(jià)成線性變化,環(huán)境影響不變。經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)因煤價(jià)發(fā)生調(diào)整,這在環(huán)境影響變化中能較好的反映,根據(jù)不同的斜率,曲線可分為5段。第1段雖然煤價(jià)升高,但其價(jià)格對(duì)于系統(tǒng)仍可承受,且使用煤炭較為劃算,運(yùn)行策略未改變。第2段由于煤價(jià)升高超過閾值,優(yōu)化策略試圖減小使用煤炭造成的經(jīng)濟(jì)損失,因此減少了煤炭用量轉(zhuǎn)而使用更多污染較小的煤氣。當(dāng)煤價(jià)位于第3段,系統(tǒng)必然在煤價(jià)繼續(xù)走高時(shí)使用更多煤氣,但煤氣量的使用受到煤氣供應(yīng)和高焦混合煤氣熱值的約束,存在一個(gè)相對(duì)極限,使得環(huán)境影響下降速率減小。第4、5段環(huán)境影響隨煤價(jià)升高逐漸減小并趨于穩(wěn)定,原因是過高的煤價(jià)已經(jīng)使得系統(tǒng)開始大幅調(diào)整電網(wǎng)交易策略和負(fù)荷分配方案來滿足外界的熱電需求,不過這種調(diào)度能力和交易潛力有一定限度,某些煤炭需求不可避免。當(dāng)煤炭?jī)r(jià)格在900元/t以上時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)不能再減少燃煤量,優(yōu)化潛力已基本用盡,現(xiàn)行的優(yōu)化策略不再隨煤價(jià)變化,系統(tǒng)環(huán)境影響最終穩(wěn)定。

圖8 不同優(yōu)化策略電網(wǎng)交易計(jì)劃隨煤價(jià)的變化 Fig.8 The change of grid trading plan with coal price under two optimization strategies

由圖8可以看出,煤價(jià)變化不會(huì)改變環(huán)境優(yōu)化的電網(wǎng)交易策略,而經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的電網(wǎng)交易策略則受到顯著影響。隨著煤價(jià)升高,系統(tǒng)外送電量逐漸減少而外購(gòu)電量逐漸增加,但整體上保持著峰送谷買的趨勢(shì)。由圖9可知,隨著煤價(jià)升高,運(yùn)行成本上下限升高很快,環(huán)境影響下限未變而上限下降明顯。這說明在一定范圍內(nèi)隨著煤價(jià)升高環(huán)境優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的矛盾在減小,模型優(yōu)化潛力在下降,經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)化的運(yùn)行狀態(tài)在接近。但這絕不表示煤價(jià)足夠高就能解除這種矛盾,相反當(dāng)煤價(jià)超過一定值時(shí)該矛盾就不再減小而是處于不可調(diào)和的狀態(tài)。

圖9 煤價(jià)變化對(duì)雙目標(biāo)優(yōu)化的影響 Fig.9 Influence of coal price on double-objective optimization

2.4.2 高爐煤氣使用量對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響 圖10給出了不同優(yōu)化策略運(yùn)行成本和環(huán)境影響與BFG使用上限的關(guān)系,圖11給出了BFG使用上限與系統(tǒng)內(nèi)部污染物排放的關(guān)系,圖12給出了BFG使用上限對(duì)雙目標(biāo)優(yōu)化的影響。由圖10可知,限制每時(shí)段的BFG使用上限對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本影響較大,隨著BFG使用上限增加,不同優(yōu)化策略的運(yùn)行成本都在下降,這表明BFG具有良好的經(jīng)濟(jì)效益,但其使用受到熱值約束,當(dāng)BFG使用量超過供給量70%時(shí),COG的供給量已經(jīng)難以滿足熱值約束的條件。同時(shí),隨著BFG使用上限的增加,經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)化的環(huán)境影響整體都處于下降趨勢(shì),這說明使用BFG可以改善全系統(tǒng)的環(huán)境效益。不過其改善程度并不如預(yù)想中一樣明顯,這極大程度上歸結(jié)于本研究考慮了BFG的生產(chǎn)輸送過程,它作為煉鐵企業(yè)一種具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的副產(chǎn)品,必須承擔(dān)創(chuàng)生這些經(jīng)濟(jì)價(jià)值所造成的污染。

(a)優(yōu)化運(yùn)行成本

(b)優(yōu)化環(huán)境影響圖10 不同優(yōu)化策略運(yùn)行成本和環(huán)境影響隨BFG使用上限的變化Fig.10 Variation of operating cost and environmental impact of two optimization strategies with upper limit of BFG usage

由圖11可知,隨BFG使用上限的增加,不同優(yōu)化策略系統(tǒng)內(nèi)部SO2、煙塵、固體廢棄物排放量下降,而CO2和NOx排放量上升。其中燃煤量下降是SO2、煙塵及固體廢棄物減少的主要原因,而NOx和CO2排放的增加則是由于BFG燃用量的增大,因?yàn)锽FG是一種低熱值高耗量、高煙氣產(chǎn)生量、高含氮量的氣體燃料,它的燃燒貢獻(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部近一半的NOx,同時(shí)其提供相同熱量產(chǎn)生的CO2要比其他燃料多得多。

(a)與系統(tǒng)內(nèi)部SO2、NOx和煙塵排放的關(guān)系

(b)與系統(tǒng)內(nèi)部CO2、固體廢棄物排放的關(guān)系圖11 BFG使用上限與系統(tǒng)內(nèi)部污染物排放的關(guān)系Fig.11 Relationship between upper limit of BFG usage and internal pollutant emission of the system

由圖12可以發(fā)現(xiàn),隨著BFG使用上限的增加,優(yōu)化曲線有向左下方移動(dòng)的趨勢(shì),權(quán)衡點(diǎn)的運(yùn)行成本和環(huán)境影響有一定程度的減小,這說明使用BFG能改善全系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益。同時(shí),BFG使用上限變化不會(huì)影響該優(yōu)化模型的優(yōu)化潛力,不論哪一種比例的供給,系統(tǒng)都能找到運(yùn)行的最佳權(quán)衡點(diǎn),但當(dāng)BFG供給較少時(shí),最佳權(quán)衡點(diǎn)的環(huán)境影響和運(yùn)行成本將會(huì)不可避免地升高。

圖12 BFG使用上限對(duì)雙目標(biāo)優(yōu)化的影響Fig.12 Influence of upper limit of BFG usage on double-objective optimization

3 結(jié) 論

針對(duì)鋼鐵企業(yè)SPS,結(jié)合分時(shí)電價(jià)、燃料結(jié)構(gòu)和污染物排放等變化因素,采用運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和LCA方法建立的環(huán)境指標(biāo),構(gòu)建了SPS全流程多周期混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP)模型,依托GAMS平臺(tái)和Matlab交互對(duì)其進(jìn)行了單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化。結(jié)果表明:較優(yōu)化前,單目標(biāo)優(yōu)化可減少系統(tǒng)運(yùn)行成本3.75%或降低環(huán)境影響12.21%,而多目標(biāo)優(yōu)化可同時(shí)改善兩者,使其分別降低3.46%和11.91%。優(yōu)化模型能適應(yīng)系統(tǒng)供需的變化,制定合理的電網(wǎng)交易策略和負(fù)荷分配方案從而實(shí)現(xiàn)單目標(biāo)最優(yōu)或多目標(biāo)權(quán)衡。LCA構(gòu)建的環(huán)境指標(biāo)作為全系統(tǒng)環(huán)境影響的一種度量,無需摻雜經(jīng)濟(jì)因素,能同時(shí)涵蓋系統(tǒng)自身和上游過程,可以更真實(shí)地反映經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的權(quán)衡關(guān)系。靈敏度分析顯示,在一定范圍內(nèi)煤價(jià)升高能降低經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)化的矛盾,而BFG的使用可以顯著減少系統(tǒng)的運(yùn)行成本,同時(shí)減少系統(tǒng)內(nèi)部煙塵、固廢和SO2排放,但CO2和NOx的排放將增加。然而在LCA的視角下,全系統(tǒng)權(quán)衡點(diǎn)環(huán)境影響仍隨BFG用量的增加有所下降。暨從整個(gè)系統(tǒng)來看,使用BFG仍是一種經(jīng)濟(jì)且相對(duì)環(huán)保的運(yùn)行策略。有關(guān)分析和結(jié)論可以為鋼鐵企業(yè)SPS未來節(jié)能減排增收和優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行提供參考。