一種鋼鐵企業(yè)多能源介質(zhì)集成調(diào)度優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于鋼鐵企業(yè)能源調(diào)度【技術(shù)領(lǐng)域】，提供了一種鋼鐵企業(yè)多能源介質(zhì)集成調(diào)度優(yōu)化方法，包括：獲取鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及除煤氣、蒸汽和電力各子系統(tǒng)中可調(diào)度的關(guān)鍵設(shè)備和其它公輔設(shè)備之外各主要生產(chǎn)工序及設(shè)備在未來多個調(diào)度周期內(nèi)對煤氣、蒸汽和電力三種能源介質(zhì)的需求量和產(chǎn)生量信息；建立煤氣子系統(tǒng)的調(diào)度子模型J1；建立蒸汽子系統(tǒng)的調(diào)度子模型J2；建立電力子系統(tǒng)的調(diào)度子模型J3；建立鋼鐵企業(yè)多能源介質(zhì)多周期集成優(yōu)化調(diào)度模型為：MinJ＝J1+J2+J3，其約束條件為各個子系統(tǒng)需分別滿足的所述約束條件的總和；求解優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，從綜合調(diào)度和全局優(yōu)化的角度給出了多能源介質(zhì)集成優(yōu)化調(diào)度的技術(shù)方案，對具體實踐的指導(dǎo)意義明確。
【專利說明】一種鋼鐵企業(yè)多能源介質(zhì)集成調(diào)度優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鋼鐵企業(yè)能源調(diào)度【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種鋼鐵企業(yè)多能源介質(zhì)集成 調(diào)度優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)性支柱產(chǎn)業(yè)，同時又是資源、能源密集型產(chǎn)業(yè)。能源消 耗是決定鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)成本和利潤的重要因素，也是影響環(huán)境負荷的主要原因。一方面，鋼 鐵企業(yè)生產(chǎn)流程長，工序、設(shè)備繁多，各工序間相互銜接，且每種工序、設(shè)備都與多種能源介 質(zhì)關(guān)聯(lián)；另一方面，鋼鐵企業(yè)需要用到的能源種類超過20種，這些能源介質(zhì)不僅各自存在 產(chǎn)耗、儲存、緩沖和輸配等多種形態(tài)，而且相互之間有著復(fù)雜的轉(zhuǎn)換、替代等關(guān)聯(lián)關(guān)系，這都 使得整個鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密耦合、錯綜復(fù)雜。因此，對鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)的研 究具有理論和現(xiàn)實兩方面的重要意義。
[0003] 近年來，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)在鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)研究工作中取得了許多成果， 大致可歸為能源預(yù)測及能源平衡、調(diào)度兩個方向。其中，能源平衡、調(diào)度的研究成果主要集 中在煤氣或蒸汽等單一能源介質(zhì)系統(tǒng)中，而綜合考慮多種能源介質(zhì)的耦合關(guān)系并實施優(yōu)化 調(diào)度的成果還不多見。文獻（孫彥廣.鋼鐵企業(yè)能量流網(wǎng)絡(luò)信息模型及多種能源介質(zhì)動態(tài) 調(diào)控[C].香山科學(xué)會議第356次學(xué)術(shù)討論會.2009:123-131.)于2009年在香山科學(xué)會議 上提出了多種能源介質(zhì)分解-協(xié)調(diào)優(yōu)化策略和實現(xiàn)方法，以提升能源中心調(diào)控水平，實現(xiàn) 鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)高效有序運行。文獻（羅先喜，苑明哲，徐化巖，等.面向鋼鐵企業(yè)的先 進能源管理系統(tǒng)研究新進展[J].信息與控制.2011，40(6) :819-828.)把基于全流程優(yōu)化 控制與系統(tǒng)節(jié)能思想的能源系統(tǒng)作為鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)發(fā)展的高級階段。這些成果高屋建 瓴，以高度概括的方式為鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)的研究指明了方向，但唯一的缺憾是它們都聚 焦在理論層面，對具體實踐的指導(dǎo)不明確。
[0004]目前，規(guī)模在300萬t以上鋼鐵企業(yè)的能源調(diào)度大都具備了較好的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)等 硬件基礎(chǔ)條件，不同程度地實現(xiàn)了能源集中監(jiān)視，以及能源調(diào)度與生產(chǎn)調(diào)度的信息共享，但 仍然存在一些不可忽視的關(guān)鍵問題，在文獻中（張玉慶，徐化巖.鋼鐵企業(yè)能源中心的現(xiàn)狀 與發(fā)展趨勢[J].冶金自動化.2011，35(4) : 15-19.)明確指出：對單一能源介質(zhì)的調(diào)度模型 研究較多，多介質(zhì)協(xié)同調(diào)度研究較少，而單介質(zhì)優(yōu)化無法解決系統(tǒng)優(yōu)化問題，甚至出現(xiàn)不滿 足其他介質(zhì)約束而使優(yōu)化結(jié)果無效的情形。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實施例的目的在于提供一種鋼鐵企業(yè)多能源介質(zhì)集成調(diào)度優(yōu)化方法，以解 決現(xiàn)有技術(shù)中缺少鋼鐵企業(yè)多能源介質(zhì)集成調(diào)度優(yōu)化方法的問題。
[0006] 本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種鋼鐵企業(yè)多能源介質(zhì)集成調(diào)度優(yōu)化方法，所述 方法包括以下步驟：
[0007] 步驟1，獲取鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及除煤氣、蒸汽和電力各子系統(tǒng)中可 調(diào)度的關(guān)鍵設(shè)備和其它公輔設(shè)備之外各主要生產(chǎn)工序及設(shè)備在未來多個調(diào)度周期內(nèi)對煤 氣、蒸汽和電力三種能源介質(zhì)的需求量和產(chǎn)生量信息；
[0008] 步驟2,建立煤氣子系統(tǒng)的調(diào)度子模型為：J1 -pro# ,并確定所述煤氣子 系統(tǒng)的調(diào)度子模型的約束條件包括煤氣平衡約束、煤氣子系統(tǒng)中各單元設(shè)備（包含煤氣混 合站、加壓站、煤氣柜和放散塔等）的工藝約束，以及除煤氣柜消耗的煤氣數(shù)量之外的變量 的非負約束；
[0009] 其中，為煤氣放散懲罰；pr〇gas為將剩余的煤氣作為商品煤氣外售而產(chǎn)生的 收益； 「00101 步驟3,建立蒸汽子系統(tǒng)的調(diào)庠子模型為：

【權(quán)利要求】
1. 一種鋼鐵企業(yè)多能源介質(zhì)集成調(diào)度優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法包括： 步驟1，獲取鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及除煤氣、蒸汽和電力各子系統(tǒng)中可調(diào)度 的關(guān)鍵設(shè)備和其它公輔設(shè)備之外各主要生產(chǎn)工序及設(shè)備在未來多個調(diào)度周期內(nèi)對煤氣、蒸 汽和電力三種能源介質(zhì)的需求量和產(chǎn)生量信息； 步驟2,建立煤氣子系統(tǒng)的調(diào)度子模型為：J1 = - /Was,并確定所述煤氣子系統(tǒng) 的調(diào)度子模型的約束條件包括煤氣平衡約束、煤氣子系統(tǒng)中各單元設(shè)備的工藝約束，以及 除煤氣柜消耗的煤氣數(shù)量之外的變量的非負約束；所述煤氣子系統(tǒng)中的單元設(shè)備包含煤氣 混合站、加壓站、煤氣柜和放散塔； 其中，為煤氣放散懲罰；Progas為將剩余的煤氣作為商品煤氣外售而產(chǎn)生的收 M; 步驟3,建立蒸汽子系統(tǒng)的調(diào)度子模型為： J2 +.細·+/^c；十聲<;，確定所述蒸汽子系統(tǒng)的調(diào)度子模型的約 束條件包括：蒸汽平衡約束、蒸汽子系統(tǒng)各單元設(shè)備的工藝約束和所有變量的非負約束； 其中，buyf?為鍋爐外購燃料的費用，用于計算燃煤鍋爐或摻燒煤氣鍋爐在煤氣之外其 他燃料的費用；fecTt為鍋爐給水費用；Ξ為蒸汽放散懲罰；外叫=為蒸汽降級使用懲 罰；buystm為外購蒸汽成本； 步驟4,建立電力子系統(tǒng)的調(diào)度子模型為：J3 =buyele-pr〇e1%確定所述電力子系統(tǒng)的調(diào) 度子模型的約束條件包括電力需求平衡約束、電力子系統(tǒng)中變量的非負約束和外購電量和 外售電量不能同時大于〇的約束； 其中，buy&為外購電力成本；pro+為電力富余時倒送返網(wǎng)帶來的收益； 步驟5,建立鋼鐵企業(yè)多能源介質(zhì)多周期集成優(yōu)化調(diào)度模型為： MinJ=Ji+J2+J3，即其目標(biāo)函數(shù)取為各個子系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)之和，其約束條件為各個子 系統(tǒng)需分別滿足的所述約束條件的總和； 步驟6,根據(jù)所述鋼鐵企業(yè)多能源介質(zhì)多周期集成優(yōu)化調(diào)度模型求解優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1中獲取的鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) 拓撲結(jié)構(gòu)包括：各類能源介質(zhì)管網(wǎng)信息，以及煤氣、蒸汽和電力子系統(tǒng)中的可調(diào)度的關(guān)鍵設(shè) 備和其它公輔設(shè)備的單元設(shè)備信息。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2中：

式（1)為煤氣子系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)，t為調(diào)度周期序號；j為煤氣公輔設(shè)備序號，EMI為煤 氣放散塔子集；i為煤氣介質(zhì)序號，GAS為煤氣介質(zhì)集合，包含所有的單一煤氣和混合煤氣； |Γ為煤氣i的放散價格，單位為CNY/kNm3,CT為設(shè)備j在周期t內(nèi)煤氣i的消耗量，單 位為kNm3/h; 為煤氣i的外售價格，單位為CNY/kNm3, 5Γ為在周期t內(nèi)煤氣i的外售 量，單位為kNm3/h; 式（2)為煤氣平衡約束，即每種煤氣介質(zhì)i在調(diào)度周期t內(nèi)的供需平衡，具體為煤氣i在周期t內(nèi)的預(yù)測產(chǎn)生量cr與煤氣公輔設(shè)備的產(chǎn)生量之和，減去煤氣公輔設(shè)備的消 耗量X=和鍋爐的消耗量〇以及煤氣的外售量SisT，等于該煤氣的預(yù)測需求量ΑΓIm為鍋爐序號，BOI為鍋爐集合； 式（3)?（11)為煤氣子系統(tǒng)中各個單元設(shè)備的工藝約束條件： 式（3)?（6)為煤氣混合站的工藝約束，MIX為煤氣混合站子集，i2為混合站的2 種輸入煤氣介質(zhì)序號，i'為其輸出的混合煤氣序號；式（3)為能量平衡約束，Afi為煤氣i的熱值，單位為GJ/kNm3,相應(yīng)地，、Λ,Γ和/|廣分別為混合站的輸入煤氣介質(zhì)h、i2和輸 出煤氣介質(zhì)i'的熱值，-CL.Cl和.itZ.分別為對應(yīng)的消耗量或產(chǎn)生量；式（4)為物料平 衡約束；式（5)為混合能力約束，為煤氣混合站的混合能力上限，單位為kNm3/h;式（6) 為混合配比約束，《7"和《廠分別為煤氣混合站j的混合配比上限和下限； 式（7)?（8)為煤氣加壓站的工藝約束，PRE為煤氣加壓站子集，i和i'分別為加壓 站入口和出口煤氣介質(zhì)序號；式（7)為加壓站的物料平衡約束，為加壓站入口煤氣消 耗量，為加壓站出口煤氣產(chǎn)生量；式（8)為加壓能力約束，為煤氣加壓站的加壓能 力上限，單位為kNm3/h; 式（9)?（10)為煤氣柜的工藝約束，HLD為煤氣柜子集；式（9)為煤氣柜柜位約束，C6為煤氣吞吐量，T為調(diào)度周期的時間長度，單位為h，為煤氣柜j在上一周期t-1 末的柜位，單位為kNm3,FTx和Ff1分別為煤氣柜j的可用柜位上限和下限，單位為kNm3 ; 式（10)為煤氣柜吞吐能力約束，Vf5為煤氣柜j的吞吐能力上限，單位為kNmVh; 式（11)為煤氣放散塔的放散能力約束，EMI為煤氣放散塔子集，Cr為煤氣放散量， 為煤氣放散塔的放散能力上限，單位為kNm3/h; 式（12)為除煤氣柜消耗的煤氣數(shù)量之外，其余變量的非負約束。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3中：

式（14)中，m為鍋爐序號，BOI為鍋爐集合；r為燃料序號，F(xiàn)UE為鍋爐燃料集合； 為燃料r的外購價格，單位為CNYAl03*kgce) ;C為鍋爐m在周期t內(nèi)燃料r的消耗量， 單位為103*kgce/h;式（15)中，pwat為鍋爐給水的價格，單位為CNY/t;<T為鍋爐m在周期 t內(nèi)的給水量，單位為t/h;式（16)中，s為蒸汽序號，STM為蒸汽集合；/C'為蒸汽s的放 散價格，單位為CNY/t;Cf為在周期t內(nèi)蒸汽s的放散量，單位為t/h;式（17)中，1為減 溫減壓閥序號，VAL為減溫減壓閥集合；為蒸汽s的降級價格，單位為CNY/t; .<1,為減 溫減壓閥1在周期t內(nèi)入口蒸汽s的流量，單位為t/h;式（18)中，為蒸汽s的外購價 格，單位為CNY/t; "為在周期t內(nèi)蒸汽S的外購量（t/h); 式（19)為蒸汽平衡約束，對于任意等級的蒸汽s在調(diào)度周期t內(nèi)的供需平衡，預(yù)測產(chǎn) 生量FsT1、鍋爐產(chǎn)汽量ys，m，t、汽輪機出口抽汽/凝汽量、減溫減壓閥出口數(shù)量.ν'：.與外 購數(shù)量KIT之和，減去汽輪機入口消耗量、減溫減壓閥入口數(shù)量和放散量Cw，等 于該等級蒸汽的預(yù)測需求量ATI 式（20)?（24)為鍋爐的工藝約束，式（20)為鍋爐的能量平衡約束，if為燃料r的熱 值，單位為GX/(103*kgCe) ;ηm為鍋爐m的效率；Af為蒸汽s的比焓，單位為GJ/t;hwat為 鍋爐給水的比焓，單位為GJ/t，為鍋爐m在周期t內(nèi)的給水量，單位為t/h;式（21)為 鍋爐的物料平衡約束，即在忽略排污率的情況下，鍋爐產(chǎn)汽量等于給水量；式（22)為鍋爐 運行負荷約束，為鍋爐m的蒸發(fā)能力上限，單位為t/h;式（23)為摻燒/全燒煤氣鍋爐 的煤氣流量約束，和1C1分別為鍋爐m的煤氣i流量上限和下限，單位為t/h;式（24) 為摻燒/全燒煤氣鍋爐的混合煤氣熱值約束，//Γ^Ρ//：Γη分別為鍋爐m的混合煤氣熱值上 限和下限，單位為GJ/kNm3; 式（25)?（29)為汽輪機的工藝約束；式（25)為汽輪機的能量平衡約束，s為入口進 汽序號，s'為出口抽汽/凝汽序號，模型考慮了多級抽汽的情況，11"為汽輪機η的效率；式 (26)為汽輪機的物流平衡約束，即入口進汽量最終都將以抽汽或凝汽的方式排出；式（27) 為入口蒸汽流量約束，F(xiàn)fra和Ifek分別為汽輪機η入口蒸汽流量上限和下限，單位為t/ h;式（28)為出口蒸汽流量約束，^_和>^：'分別為汽輪機η出口蒸汽s'的抽汽/凝 汽流量上限和下限，單位為t/h;式（29)為汽輪機的額定功率約束，C1為汽輪機η的額定 功率，單位為麗； 式（30)?（31)為減溫減壓閥的工藝約束；式（30)為減溫減壓閥的物料平衡約束，入 口蒸汽流量;等于出口蒸汽流量:<1，s為入口蒸汽序號，s'為出口降溫降壓后的蒸汽 序號；式（31)為其能力約束，』Γ為減溫減壓閥1的能力上限，單位為t/h; 式（32)?（35)為所有變量的非負約束；式（36)為蒸汽放散量￡,了和外購量足了不能 同時大于〇的約束。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4中：
式（37)中，為在周期t內(nèi)電力的外購價格，單位為CNYAMW*h)，Jf為在周期t內(nèi) 的外購電量，單位為麗+/h; /Jfrf為在周期t內(nèi)電力的外售價格，單位為CNYAMW*h) ;Sf為在周期t內(nèi)的外售電量，單位為麗·1ιΛ; 式（38)為電力供需平衡約束，預(yù)測產(chǎn)生量F；*8、汽輪機產(chǎn)生的電量zn，t與外購電量 之和，減去外售電量，等于電力的預(yù)測需求量Cf; 式（39)為電力子系統(tǒng)中變量的非負約束，式（40)為外購電量和外售電量不能同時大 于〇的約束。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟5中，所建立的鋼鐵企業(yè)多能源介 質(zhì)多周期集成優(yōu)化調(diào)度模型具有如下的形式： MinJ=WJ3 S. t.(2)?（12) (19)?（36)。 (38)?（40)
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟6中調(diào)用智能進化算法進行求解， 計算中采用懲罰函數(shù)法處理數(shù)學(xué)模型中的多個約束條件，所述步驟6之后還包括：人工判 斷是否接受計算求得的解，是則輸出所述解，否則執(zhí)行所述步驟6重新計算求解。
【文檔編號】G06Q10/04GK104318321SQ201410536017
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】曾亮, 梁小兵, 歐燕, 葉理德 申請人:中冶南方工程技術(shù)有限公司