伊象武

（福建華電電力工程有限公司，福建 福州 350013）

0 引言

為了應(yīng)對可能出現(xiàn)的突發(fā)情況，一般大型煉鋼廠、石油石化等高能耗企業(yè)會建設(shè)自備電廠，在減少浪費(fèi)的同時還能有效緩解企業(yè)的峰值用電負(fù)擔(dān)[1]。因此制定出合理的高能耗企業(yè)自備電廠出力及煤氣分配計(jì)劃對降低企業(yè)成本和提高用電效率均有重要的實(shí)際意義[2]。目前對此種高能耗企業(yè)自備電廠的電力調(diào)度情況所做的研究往往是基于煤氣剩余量或?qū)γ簹馐Ｓ嗔窟M(jìn)行的大致預(yù)測[3]，但此種方法主要以機(jī)組之間約束的關(guān)口平衡作為主要優(yōu)化目標(biāo)，并將自備電廠作為剩余煤氣的消納用戶，未能將自備電廠本身的消耗和發(fā)電量納入優(yōu)化方案，從而導(dǎo)致優(yōu)化方案未能達(dá)到最優(yōu)解，進(jìn)而對其發(fā)電量產(chǎn)生了一定影響。針對以上問題，不少學(xué)者對以煤氣系統(tǒng)為主的鋼鐵企業(yè)的優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行了研究。但多數(shù)研究仍然忽視了對鋼鐵廠等高能耗企業(yè)自備電廠發(fā)電效率與能源消耗特征的考慮。

該文基于某地鋼鐵廠，分別從發(fā)電機(jī)組的組合和煤氣系統(tǒng)的調(diào)度2 個角度分別建立分步優(yōu)化調(diào)度模型和綜合優(yōu)化調(diào)度模型，并通過實(shí)例對其優(yōu)化效果進(jìn)行了分析，可為此類企業(yè)的能源系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)。

1 研究概況

該文研究的鋼鐵廠位于我國東北某省，始建于1968 年。該廠年產(chǎn)鋼量達(dá)450 萬t，是當(dāng)?shù)剌^大的鋼鐵廠。生產(chǎn)類型主要以工字鋼、圓鋼、槽鋼等36 個品種為主，并包括建筑行業(yè)所使用的熱軋帶肋鋼筋等。鋼鐵廠擁有的主體設(shè)備包括4 座轉(zhuǎn)爐、3 座高爐以及5 條軋鋼生產(chǎn)線。其中高爐中的1 號爐容量最小，為560m3，每日工業(yè)生鐵產(chǎn)量約為2180t，其高爐鐵渣比約為0.4，而2 號爐和3 號爐容量最大，為1150m3，每日工業(yè)生鐵產(chǎn)量約為3320t，二者高爐鐵渣比均為0.4。該鋼鐵廠擁有自備電廠，電廠包括5 臺機(jī)組，其電力系統(tǒng)的構(gòu)成電壓為220kV、66kV、35kV 和10kV4 個等級，并以10kV 的等級為主配電網(wǎng)為廠區(qū)內(nèi)各生產(chǎn)線提供電力。

該鋼鐵企業(yè)的煤氣系統(tǒng)由4 個煤氣柜構(gòu)成，包括1 個高爐煤氣柜，2 個焦?fàn)t煤氣柜和1 個轉(zhuǎn)爐煤氣柜，其容量分別為1.2×105m3、1.8×105m3和4.8×105m3。除此之外，該鋼廠擁有4 個煤氣加壓站和2 個煤氣精煉站，4 個煤氣加壓站共有14 臺氣體加壓機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的自由加壓。為了應(yīng)對企業(yè)競爭的需要，該廠在近期內(nèi)會新增2.0×105m3的高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣柜以及一臺4.8×105m3的焦?fàn)t煤氣柜。

2 研究方法

2.1 優(yōu)化調(diào)度模型

該文以某地鋼鐵廠為對象，分別從發(fā)電機(jī)組的組合和煤氣系統(tǒng)的調(diào)度2 個角度分別建立分步優(yōu)化調(diào)度模型和綜合優(yōu)化調(diào)度模型。其中鋼鐵廠煤電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。在該結(jié)構(gòu)中，從煉鋼廠、焦化廠中產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣分別通過3 條主管道輸送到對應(yīng)的煤氣用戶或煤氣站。因此，煤氣系統(tǒng)中進(jìn)行的分步優(yōu)化調(diào)度建模需要忽略掉電廠機(jī)組的組合形式，分步優(yōu)化調(diào)度建模將目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為煤氣系統(tǒng)運(yùn)行成本最小值，以煤氣熱值為約束條件，最后以煤氣優(yōu)化量為燃料參數(shù)設(shè)置機(jī)組的出力約束，建立分步優(yōu)化調(diào)度模型。而綜合優(yōu)化調(diào)度模型則是將機(jī)組組合與煤氣系統(tǒng)相耦合，以最大發(fā)電量和最小的煤氣系統(tǒng)運(yùn)行成本為目標(biāo)函數(shù)建立綜合優(yōu)化調(diào)度模型。

圖1 鋼鐵廠煤電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 煤氣系統(tǒng)模型

在煤氣系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化模型中，忽略電廠機(jī)組的組合形式，設(shè)其調(diào)度總時長為T，各分段之間的調(diào)度時長為Δt且各分段調(diào)度時長相等，則煤氣系統(tǒng)對應(yīng)的最低成本化的目標(biāo)函數(shù)如公式（1）所示。

式中：z為目標(biāo)函數(shù)；u 為煤氣用戶；d 為放散塔；g 為生產(chǎn)的煤氣類別；h 為煤氣柜；b 為煤氣系統(tǒng)中的緩沖用戶。Cu，t為t時刻下的煤氣用戶能量虧損；Cd，g，t為t時刻下的放散塔中的煤氣放散成本；Gb，t為t時刻下的緩沖用戶獲益值；Wh，g，t為t時刻下的煤氣柜產(chǎn)生的成本；Wu，t為t時刻下的熱值成本。

富余煤氣的供應(yīng)大小在不同時間段可能會出現(xiàn)波動，富余煤氣在給不足時會出現(xiàn)虧損，當(dāng)虧損出現(xiàn)時產(chǎn)生的虧損成本如公式（2）所示。

式中：E為煤氣用戶在煤氣供給不足時產(chǎn)生的能量虧損；λ為出現(xiàn)虧損時設(shè)置的懲罰系數(shù)。

當(dāng)煤氣供給過剩時，可以將煤氣發(fā)散，以穩(wěn)定煤氣供給系統(tǒng)的負(fù)荷量，但發(fā)散的同時會產(chǎn)生發(fā)散成本，發(fā)散成本如公式（3）所示。

式中：f為煤氣放散量。

對煤氣系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化的約束條件，主要對煤氣熱值進(jìn)行約束，如公式（4）所示。

式中：hg為熱值大小。

2.3 機(jī)組組合模型

對此種自備電廠的機(jī)組組合模型的建立，往往需要基于煤氣系統(tǒng)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行，因此該文以優(yōu)化的煤氣使用量作為輸入數(shù)據(jù)，設(shè)定發(fā)電量最大化為目標(biāo)函數(shù)，此目標(biāo)函數(shù)如公式（5）所示。

式中：P為發(fā)電量；p為機(jī)組在不同時間段的出力值大??；I為機(jī)組數(shù)量。

關(guān)于機(jī)組發(fā)電量的約束條件，主要以物料平衡為主，因此其約束條件如公式（6）所示。

式中：Q為不同時間段下的煤氣消耗量；fI，t為t時間段下的機(jī)組煤氣供給量。

3 結(jié)果分析

3.1 參數(shù)分析

根據(jù)該廠煤氣生產(chǎn)量、不同用戶之間的能量需求情況以及熱值產(chǎn)生情況等各個參數(shù)，在考慮發(fā)電機(jī)組能源消耗特征的基礎(chǔ)上，應(yīng)用該文建立的優(yōu)化調(diào)度模型對該電廠的協(xié)調(diào)調(diào)度問題進(jìn)行求解計(jì)算，其中計(jì)算方式采用CPLEX 求解引擎?？紤]煤氣供應(yīng)波動大、不平衡的問題，按日進(jìn)行調(diào)度，其中一個調(diào)度周期分為t1～t10共10 個時間段，每個時間段設(shè)定為30min。其中一個調(diào)度周期內(nèi)的煤氣發(fā)生量預(yù)測結(jié)果見表1。

表1 一個調(diào)度周期內(nèi)的煤氣發(fā)生量預(yù)測結(jié)果

將鋼鐵廠中自備電廠的5臺機(jī)組分別標(biāo)定為U1～U5，最大Pmax及最小出力功率Pmin及出力維持時間Is，初始出力功率P0見表2。

表2 自備電廠5 臺機(jī)組性能參數(shù)

3.2 優(yōu)化效果分析

根據(jù)以上參數(shù)信息并結(jié)合煤氣用戶的能量消耗特性，分別使用分步優(yōu)化和綜合優(yōu)化2 種優(yōu)化模型對其進(jìn)行優(yōu)化，針對發(fā)電量、煤氣發(fā)散量以及能量虧缺結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到的優(yōu)化結(jié)果對比見表3。

表3 分步優(yōu)化與綜合優(yōu)化結(jié)果對比

從表3 可以看出，對比2 種優(yōu)化的發(fā)電量、煤氣發(fā)散量和能量虧缺量結(jié)果發(fā)現(xiàn)綜合調(diào)度優(yōu)化在各方面均比分步優(yōu)化略好，在增大發(fā)電量的同時還能夠有效減少煤氣的發(fā)散量。

基于分步優(yōu)化模型和綜合優(yōu)化模型，得出了一個周期內(nèi)各時間段期間的電廠出力情況和煤氣供應(yīng)情況。其中不同優(yōu)化方案下的一個周期內(nèi)各時間段期間的電廠出力情況如圖2 所示，圖中t1～t10分別為一個調(diào)度周期內(nèi)的調(diào)度時段，每個時間段為30min。

圖2 不同優(yōu)化方案下的一個周期內(nèi)各時間段期間的電廠出力情況

對不同優(yōu)化方案下一個周期內(nèi)各時間段中的煤氣系統(tǒng)中煤氣供應(yīng)情況則如圖3 所示。

圖3 不同優(yōu)化方案下的一個周期內(nèi)各時間段期間的煤氣供應(yīng)情況

圖2 和圖3 分別為不同優(yōu)化方案下的一個周期內(nèi)各時間段期間的電廠出力情況和煤氣供應(yīng)情況，結(jié)合圖2 和圖3 的機(jī)組出力情況和煤氣供應(yīng)情況可以看出在t1、t2和t10這3 個時間段中供給端電廠的能量需求最大，而在其他時間段中該值均達(dá)到上限。在t3～t7這5 個時間段中出現(xiàn)了綜合優(yōu)化能量消耗大于分步優(yōu)化的情況，其可能原因在于在所使用的機(jī)組中存在未能滿發(fā)的機(jī)組，進(jìn)而影響了煤氣在機(jī)組中的分配程度。

為了對2 種優(yōu)化方案進(jìn)行深入的分析，該文研究了2 種方案下同一周期內(nèi)各時間段中的煤氣供應(yīng)與熱值之間的關(guān)系，如圖4 和圖5 所示。圖中t1～t10同樣為一個調(diào)度周期內(nèi)的調(diào)度時段且每個時間段為30min，其中為了便于觀察，圖中加注了t0以表征起始調(diào)度時段。

圖4 不同優(yōu)化方案下的同一周期內(nèi)各時間段期中的煤氣供應(yīng)量對比

圖5 不同優(yōu)化方案下的同一周期內(nèi)各時間段期中的用戶熱值對比

圖4 和圖5 分別為不同優(yōu)化方案下的同一周期內(nèi)各時間段期中的煤氣供應(yīng)量對比和用戶熱值對比情況，結(jié)合圖2 和圖3 的各時段煤氣供應(yīng)量和用戶熱值情況可以看出，在t5、t6、t7、t8這4 個時間段中綜合優(yōu)化的變化幅度比分步優(yōu)化穩(wěn)定，結(jié)合上文分析的綜合優(yōu)化下的煤氣低熱值高供應(yīng)量可知，綜合優(yōu)化下的自備電廠消耗的煤氣主要以低熱值的高爐煤氣為主，而高熱值的焦?fàn)t煤氣則供應(yīng)給了熱值需求量較高的用戶。因此通過綜合考慮煤氣供應(yīng)與機(jī)組組合，能夠保證煤氣供應(yīng)具有選擇性和協(xié)調(diào)性，可大大提高煤氣使用效率并增大發(fā)電量。

4 結(jié)論

該文基于某地鋼鐵廠，分別從發(fā)電機(jī)組的組合和煤氣系統(tǒng)的調(diào)度2 個角度分別建立分步優(yōu)化調(diào)度模型和綜合優(yōu)化調(diào)度模型，并通過實(shí)際案例驗(yàn)算其對電廠發(fā)電量和煤氣消散率的貢獻(xiàn)，得出的結(jié)論如下：1）對比分步優(yōu)化調(diào)度和綜合優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電量、煤氣發(fā)散量和能量虧缺量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)綜合調(diào)度優(yōu)化在各方面均比分步優(yōu)化略好，在增大發(fā)電量的同時還能夠有效減少煤氣的發(fā)散量。2）綜合考慮煤氣供應(yīng)與機(jī)組組合，能夠在保證煤氣供應(yīng)具有選擇性和協(xié)調(diào)性的同時，大大提高煤氣使用效率并增大發(fā)電量。