本發(fā)明屬于能源優(yōu)化以及能源流動分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及鋼鐵企業(yè)能源流動分析，尤其是一種基于能量多級傳遞模型的鋼鐵企業(yè)能源流動分析方法。

背景技術(shù)：

隨著全球能源危機的加劇，節(jié)能已成為人類社會發(fā)展必須面對的問題。我國的能源情況并不樂觀，一方面能源儲量不足，人均資源量非常有限；另一方面能源消耗大，能源利用效率低下。隨著我國經(jīng)濟增長，重工業(yè)尤其是高耗能產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了快速發(fā)展。工業(yè)是我國最大的終端能源消費部門，而鋼鐵產(chǎn)業(yè)作為工業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè)，其能耗問題已成為我國能耗結(jié)構(gòu)中的一個重要組成部分，為了有效提升鋼鐵企業(yè)的能源利用效率，鋼鐵企業(yè)內(nèi)部的能量流動分析成為了備受關(guān)注的重要問題。

目前在鋼鐵企業(yè)能源流動分析方面的研究缺乏從能量輸入和能量利用的整個能量流動過程出發(fā)的能源流動分析。因此，迫切需要對鋼鐵企業(yè)的內(nèi)部能源流動進行深入研究。

經(jīng)檢索，未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明相同或相似的已公開的專利文獻。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于能量多級傳遞模型的鋼鐵企業(yè)能源流動分析方法，該方法能夠從能源輸入、能源轉(zhuǎn)換、能源輸出三個角度出發(fā)，對鋼鐵企業(yè)內(nèi)部的能量流動現(xiàn)狀進行分析，從而掌握鋼鐵企業(yè)內(nèi)部能量利用方式。本發(fā)明能夠為鋼鐵企業(yè)能源的全局優(yōu)化利用提供支撐，有利于提升鋼鐵企業(yè)能源優(yōu)化水平，促進鋼鐵企業(yè)的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于能量多級傳遞模型的鋼鐵企業(yè)能源流動分析方法，包括以下步驟：

步驟1、建立包括能量輸入和能量利用的整個能量流動過程的鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型；

步驟2、基于步驟1所述的鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型，建立包括能量輸入、能量消耗和能量輸出的鋼鐵企業(yè)能量流動網(wǎng)絡(luò)，并通過對鋼鐵企業(yè)能量消耗過程中能量轉(zhuǎn)換過程的能量流進行分析，建立鋼鐵企業(yè)的能量流動模型，進而對鋼鐵企業(yè)內(nèi)部能源流動進行分析。

而且，所述步驟1的具體步驟包括：

(1)根據(jù)能量守恒定律，建立鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型的能量流動公式如下：

E_I＝E_C+E_L

上式中，E_I表示能量輸入，E_C表示能量消耗，E_L表示能量損耗；

(2)建立鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型的能量輸入公式可表示為：

E_I＝E_P+E_F

上式中，E_P表示電能輸入，E_F表示化石能源輸入；

(3)建立鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型的能量消耗公式可表示為：

上式中，E_i(i＝1,2,...,n)表示工業(yè)用戶各終端負(fù)荷的能量消耗；

(4)建立鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型的能量損耗公式可表示為：

E_L＝E_pl+E_fl

上式中，E_pl表示電能網(wǎng)絡(luò)損耗，E_fl表示化石能源輸送損耗；

其中，電能網(wǎng)絡(luò)損耗主要包括電能傳輸過程中的線路損耗和變壓器損耗；

①線路損耗是指電能流經(jīng)導(dǎo)線時以熱能形式散發(fā)的功率損失，計算公式如下：

上式中，P、Q分別為流經(jīng)路線的有功功率和無功功率；U為路線上與P、Q同一點測得的電壓；R為線路的電阻，與導(dǎo)線的截面、導(dǎo)線的材料和線路的長度有關(guān)；

②變壓器損耗是指電能流經(jīng)變壓器時以熱能形式散發(fā)的功率損耗，計算公式如下：

ΔP_T＝P_Fe+P_cu＝P₀+β²P_k

上式中，P_Fe為鐵損，P_cu為銅損，P₀為空載損耗，P_K為額定負(fù)載損耗，β為平均負(fù)載系數(shù)；

其中，化石能源輸送損耗是化石能源在傳遞過程中的損耗，是鋼鐵企業(yè)用能統(tǒng)計期內(nèi)損耗的化石能源實物量按規(guī)定的計算方法和單位分別折算成標(biāo)準(zhǔn)煤后的總量，其計算公式如下：

上式中，n表示化石能源品種數(shù)，e_i表示能量傳遞過程中第i種化石能源的損耗實物量，p_i表示第i種化石能源的折算系數(shù)，按能量的當(dāng)量值或能源等價值折算。

而且，所述步驟2的鋼鐵企業(yè)能量輸入包括電能輸入和化石能源輸入；能量輸出包括產(chǎn)品和副產(chǎn)品；能量消耗過程中能量轉(zhuǎn)換過程的能量流由能量轉(zhuǎn)換單元、能量轉(zhuǎn)換工序和能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；其中，能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)由若干個能量轉(zhuǎn)換工序組成，每個能量轉(zhuǎn)換工序又由若干個能量轉(zhuǎn)換單元組成。

而且，所述步驟2的鋼鐵企業(yè)的能量轉(zhuǎn)換單元的能量流動模型為：能量轉(zhuǎn)換單元能量流由五部分組成，分別是：外部能量、前一單元轉(zhuǎn)換后的能量、能量損失、回收自用、能源產(chǎn)品和副產(chǎn)品輸出；

設(shè)任一能量轉(zhuǎn)換工序第i個能量轉(zhuǎn)換單元能量流組成部分分別為：外部能量E_inⁱ、前一單元轉(zhuǎn)換后的能量E_v^i-1、能量損失E_lossⁱ、回收自用E_reⁱ、能源產(chǎn)品和副產(chǎn)品輸出E_outⁱ，則可以得到如下所示的第i個能量轉(zhuǎn)換單元的能量流動模型：

E_inⁱ+E_v^i-1+E_reⁱ＝E_lossⁱ+E_outⁱ。

而且，所述步驟2的鋼鐵企業(yè)的能量轉(zhuǎn)換工序的能量流動模型為：能量轉(zhuǎn)換工序是由多個能量轉(zhuǎn)換單元組成的，能量轉(zhuǎn)換工序能量流由五部分組成，分別是：外部能量、前一工序轉(zhuǎn)換后的能量E_v^j-1、能量損失、回收自用E_re^j、能源產(chǎn)品和副產(chǎn)品輸出E_out^j；

設(shè)第j個能量轉(zhuǎn)換工序共m_j個能量轉(zhuǎn)換單元，則基于所述第i個能量轉(zhuǎn)換單元的能量流動模型，可以得到如下第j個能量轉(zhuǎn)換工序的能量流動模型：

而且，所述步驟2的鋼鐵企業(yè)的能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的能量流動模型為：能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)由多個能量轉(zhuǎn)換工序組成，能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)能量流由四部分組成，分別是：外部能量、能量損失、回收自用E_re、能源產(chǎn)品和副產(chǎn)品輸出E_out；

設(shè)能量流動網(wǎng)絡(luò)有l(wèi)個工序，基于所述第j個能量轉(zhuǎn)換工序的能量流動模型，可以得到如下能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的能量流動模型：

本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：

1、本發(fā)明提供一種適用于鋼鐵企業(yè)的能源流動分析方法，該方法能夠從能源輸入、能源轉(zhuǎn)換、能源輸出三個角度出發(fā)，對鋼鐵企業(yè)內(nèi)部的能量流動現(xiàn)狀進行分析，從而掌握鋼鐵企業(yè)內(nèi)部能量利用方式。本發(fā)明能夠為鋼鐵企業(yè)能源的全局優(yōu)化利用提供支撐，有利于提升鋼鐵企業(yè)能源優(yōu)化水平，促進鋼鐵企業(yè)的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展。

2、本發(fā)明通過對鋼鐵企業(yè)的內(nèi)部能源流動進行深入研究，并基于涵蓋整個能量流動過程的能量多級傳遞模型，提出一種新的鋼鐵企業(yè)能源流動分析方法，從而為鋼鐵企業(yè)的能源利用效率提升和能源優(yōu)化管理提供理論基礎(chǔ)。構(gòu)建基于能量多級傳遞模型的鋼鐵企業(yè)能源流動分析方法，是亟待解決的實際問題，具有良好的理論價值和應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型示意圖；

圖2是本發(fā)明的鋼鐵企業(yè)能量流動網(wǎng)絡(luò)示意圖；

圖3是本發(fā)明的鋼鐵企業(yè)能量轉(zhuǎn)換單元能量流動圖；

圖4是本發(fā)明的鋼鐵企業(yè)能量轉(zhuǎn)換工序能量流動圖；

圖5是本發(fā)明的鋼鐵企業(yè)能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)能量流動圖；

圖6是本發(fā)明的具體實施例的焦?fàn)t能量轉(zhuǎn)換單元的能量流動圖；

圖7是本發(fā)明的具體實施例的焦化能量轉(zhuǎn)換工序的能量流動圖；

圖8是本發(fā)明的具體實施例的能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)分析中煤在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部的轉(zhuǎn)換過程及中間產(chǎn)品比例示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例作進一步詳述：

一種基于能量多級傳遞模型的鋼鐵企業(yè)能源流動分析方法，包括以下步驟：

步驟1、建立包括能量輸入和能量利用的整個能量流動過程的鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型，如圖1所示；

鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型包括能量輸入和能量利用，鋼鐵企業(yè)能量輸入包括電能輸入和化石能源輸入，能量利用又分為能量消耗和能量損耗。

能量利用為鋼鐵企業(yè)內(nèi)能源通過梯級利用及部分損耗進行的能量流動；能量消耗為鋼鐵企業(yè)通過能源轉(zhuǎn)換單元、能源轉(zhuǎn)換工序和能源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)所消耗的能量；能量損耗主要是指能源在梯級利用過程中的損耗，包括電能網(wǎng)絡(luò)損耗和化石能源輸送損耗。

所述步驟1的具體步驟包括：

(1)根據(jù)能量守恒定律，建立鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型的能量流動公式如下：

E_I＝E_C+E_L (1)

式(1)中，E_I表示能量輸入，E_C表示能量消耗，E_L表示能量損耗；

(2)建立鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型的能量輸入公式可表示為：

E_I＝E_P+E_F (2)

式(2)中，E_P表示電能輸入，E_F表示化石能源輸入；

(3)建立鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型的能量消耗公式可表示為：

式(3)中，E_i(i＝1,2,...,n)表示工業(yè)用戶各終端負(fù)荷的能量消耗；

(4)建立鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型的能量損耗公式可表示為：

E_L＝E_pl+E_fl (4)

式(4)中，E_pl表示電能網(wǎng)絡(luò)損耗，E_fl表示化石能源輸送損耗；

其中，電能網(wǎng)絡(luò)損耗主要包括電能傳輸過程中的線路損耗和變壓器損耗；

①線路損耗是指電能流經(jīng)導(dǎo)線時以熱能形式散發(fā)的功率損失，計算公式如下：

上式中，P、Q分別為流經(jīng)路線的有功功率和無功功率；U為路線上與P、Q同一點測得的電壓；R為線路的電阻，與導(dǎo)線的截面、導(dǎo)線的材料和線路的長度有關(guān)；

②變壓器損耗是指電能流經(jīng)變壓器時以熱能形式散發(fā)的功率損耗，計算公式如下：

ΔP_T＝P_Fe+P_cu＝P₀+β²P_k

上式中，P_Fe為鐵損，P_cu為銅損，P₀為空載損耗，P_K為額定負(fù)載損耗，β為平均負(fù)載系數(shù)；

其中，化石能源輸送損耗是化石能源在傳遞過程中的損耗，是鋼鐵企業(yè)用能統(tǒng)計期內(nèi)損耗的化石能源實物量按規(guī)定的計算方法和單位分別折算成標(biāo)準(zhǔn)煤后的總量，其計算公式如下：

式(5)中，n表示化石能源品種數(shù)，e_i表示能量傳遞過程中第i種化石能源的損耗實物量，p_i表示第i種化石能源的折算系數(shù)，按能量的當(dāng)量值或能源等價值折算。

步驟2、基于步驟1所述的鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型，建立包括能量輸入、能量消耗和能量輸出的鋼鐵企業(yè)能量流動網(wǎng)絡(luò)，并通過對鋼鐵企業(yè)能量消耗過程中能量轉(zhuǎn)換過程的能量流進行分析，建立鋼鐵企業(yè)的能量流動模型，進而對鋼鐵企業(yè)內(nèi)部能源流動進行分析。

基于步驟1所述的鋼鐵企業(yè)能量多級傳遞模型，建立鋼鐵企業(yè)能量流動網(wǎng)絡(luò)，包括能量輸入、能量消耗和能量輸出三個部分，如圖2所示。

其中，鋼鐵企業(yè)能量輸入包括電能輸入和化石能源輸入；能量輸出包括產(chǎn)品和副產(chǎn)品；能量消耗過程中的能量轉(zhuǎn)換過程則較為復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)換過程的能量流由能量轉(zhuǎn)換單元、能量轉(zhuǎn)換工序和能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)由若干個能量轉(zhuǎn)換工序組成，而每個能量轉(zhuǎn)換工序又由若干個能量轉(zhuǎn)換單元組成。

下面分別對鋼鐵企業(yè)的能量轉(zhuǎn)換單元、能量轉(zhuǎn)換工序和能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的能量流進行分析，建立鋼鐵企業(yè)的能量轉(zhuǎn)換單元、能量轉(zhuǎn)換工序和能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的能量流動模型：

(1)對鋼鐵企業(yè)的能量轉(zhuǎn)換單元的能量流進行分析，建立能量轉(zhuǎn)換單元的能量流動模型；

能量轉(zhuǎn)換單元能量流由5部分組成，如圖3所示，分別是：外部能量、前一單元轉(zhuǎn)換后的能量、能量損失、回收自用和能源產(chǎn)品和副產(chǎn)品輸出，

設(shè)任一能量轉(zhuǎn)換工序第i個能量轉(zhuǎn)換單元能量流組成部分分別為：外部能量E_inⁱ、前一單元轉(zhuǎn)換后的能量E_v^i-1、能量損失E_lossⁱ、回收自用E_reⁱ、能源產(chǎn)品和副產(chǎn)品輸出E_outⁱ，則可以得到如下所示的第i個能量轉(zhuǎn)換單元的能量流動模型：

E_inⁱ+E_v^i-1+E_reⁱ＝E_lossⁱ+E_outⁱ (6)

(2)對鋼鐵企業(yè)的能量轉(zhuǎn)換工序的能量流進行分析，建立能量轉(zhuǎn)換工序的能量流動模型；

能量轉(zhuǎn)換工序是由多個能量轉(zhuǎn)換單元組成的，能量轉(zhuǎn)換工序能量流也由5部分組成，如圖4所示，分別是：外部能量、前一工序轉(zhuǎn)換后的能量E_v^j-1、能量損失、回收自用E_re^j、能源產(chǎn)品和副產(chǎn)品輸出E_out^j。

設(shè)第j個能量轉(zhuǎn)換工序共m_j個能量轉(zhuǎn)換單元，則基于式(6)，可以得到如下第j個能量轉(zhuǎn)換工序的能量流動模型：

(3)對鋼鐵企業(yè)的能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的能量流進行分析，建立能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的能量流動模型；

能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)由多個能量轉(zhuǎn)換工序組成，能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)能量流由4部分組成，如圖5所示，分別是：外部能量、能量損失、回收自用E_re、能源產(chǎn)品和副產(chǎn)品輸出E_out。

設(shè)能量流動網(wǎng)絡(luò)有l(wèi)個工序，基于式(7)，可以得到如下能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的能量流動模型：

本實施例中，以某鋼鐵企業(yè)為例，根據(jù)本發(fā)明的一種基于能量多級傳遞模型的鋼鐵企業(yè)能源流動分析方法，分析其能源流動的能量流。該鋼鐵企業(yè)始建于建國初期，是國內(nèi)布局較為完善、資源優(yōu)勢較為明顯的鋼鐵企業(yè)。

鋼鐵企業(yè)的能量流由能量轉(zhuǎn)換單元、能量轉(zhuǎn)換工序和能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具體來說，能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)由若干個能量轉(zhuǎn)換工序組成，而一個能量轉(zhuǎn)換工序又由若干個能量轉(zhuǎn)換單元組成。

本實例重點分析煤這一能源介質(zhì)在鋼鐵企業(yè)中的能量流動過程。具體來說，煤在該鋼鐵企業(yè)內(nèi)部的轉(zhuǎn)換需經(jīng)過焦化、煉鐵和煉鋼等主要工序，能源最終以鋼和二氧化碳的形式輸出。

(1)能量轉(zhuǎn)換單元分析

以焦?fàn)t單元為例，如圖6所示，分析該鋼鐵企業(yè)焦?fàn)t這一能量轉(zhuǎn)換單元的能量流動。

結(jié)合能量轉(zhuǎn)換單元的能量流動模型(公式6)，由于焦?fàn)t單元是第一個轉(zhuǎn)換單元，因此不存在前一單元轉(zhuǎn)換后的能量。該鋼鐵企業(yè)焦?fàn)t轉(zhuǎn)換單元能量流由4部分組成，分別是：外部能量輸入(煤100％)、能量損失(顯熱10.42％)、能源產(chǎn)品和副產(chǎn)品輸出(產(chǎn)品輸出69.83％、焦?fàn)t煤氣副產(chǎn)品輸出19.75％)、自收自用(22.4％)。

(2)能量轉(zhuǎn)換工序分析

以焦化工序為例，如圖7所示，分析該鋼鐵企業(yè)焦化這一轉(zhuǎn)換工序的能量流動。

結(jié)合能量轉(zhuǎn)換工序的能量流動模型(公式7)，由于焦化工序是第一個轉(zhuǎn)換單元，因此不存在前一工序轉(zhuǎn)換后的能量。該鋼鐵企業(yè)焦?fàn)t轉(zhuǎn)換工序能量流由4部分組成，分別是：外部能量輸入(煤100％)、能量損失(顯熱10.42％+69.83％*29.41％＝30.96％)、能源產(chǎn)品和副產(chǎn)品輸出(產(chǎn)品輸出69.83％*70.59％＝49.29％、焦?fàn)t煤氣副產(chǎn)品19.75％)、自收自用(22.4％)。

(3)能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)分析

分析煤在焦化、煉鐵和煉鋼等工序之間流動的能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。煤在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部的轉(zhuǎn)換過程及中間產(chǎn)品比例如圖8所示。

由圖8可知，鋼鐵生產(chǎn)即鋼鐵企業(yè)能量流動是一個復(fù)雜的過程，對于輸入的煤，需經(jīng)過焦化、煉鐵和煉鋼等工序，能量流動過程產(chǎn)生副產(chǎn)煤氣(焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣)和爐渣等余熱余能，最終轉(zhuǎn)變?yōu)殇?，同時會排放二氧化碳。

內(nèi)部能量流動過程具體為：首先是焦?fàn)t焦化工序，輸入的煤經(jīng)過焦?fàn)t焦化后形成冶金焦(69.83％)、焦?fàn)t煤氣(19.75％)、顯熱和副產(chǎn)(10.42％)；其中，冶金焦主要用于高爐煉鐵工序，焦?fàn)t煤氣主要用于熱軋、開坯、板材、冷軋、燒結(jié)以及外售等，同時冶金焦和焦?fàn)t煤氣也有部分回收自用。其次是高爐煉鐵工序，主要原料是冶金焦，經(jīng)過高爐工序后形成的主要副產(chǎn)品是少量鐵水、高爐煤氣(40.47％)以及鐵、渣及其他；其中少量鐵水可用于電爐工序，高爐煤氣可用于熱軋、開坯、板材、冷軋、燒結(jié)，同時也有部分高爐煤氣回收至焦?fàn)t工序，鐵、渣及其他可用于轉(zhuǎn)爐工序。繼而是轉(zhuǎn)爐煉鋼工序，流入的能量為焦?fàn)t煤氣(1.6％)、電力及燃料、鐵渣及其他，流出的能量為轉(zhuǎn)爐煤氣，主要用作燃料。

需要強調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。