竞彩网计算器,竞彩足球计算器

联系方式:010-65256519

专题解读

钢铁企业煤气预测与调度优化系统

  摘要:钢铁行业面临着巨大的节能减排压力,提高能源利用效率成为钢铁企业的内在需求和必然选择。煤气是钢铁企业在生产过程中产生的重要二次能源,占企业总能源消耗的30%左右,减少煤气放散,提高煤气综合利用效率,降低能源成本,履行社会责任,对实现企业可持续发展尤为重要。基于该目标,本文首先介绍了钢铁企业煤气系统的组成,然后对煤气平衡问题及煤气调度进行了分析,最后对钢铁企业煤气预测与调度优化系统的系统目标、系统模型、系统功能及实施效果进行了介绍。通过建立模型和系统,对煤气的产生与消耗进行预测,保证煤气系统的平衡,减少煤气放散,提高煤气利用率,实现节能降耗。

  关键词:钢铁企业 煤气产生预测 煤气消耗预测 煤气调度优化 动态模型 放散

  一、钢铁企业煤气系统概述

  能源是国家与企业可持续发展的命脉,近几年来,国家将节能减排作为宏观调控,推进结构调整,淘汰落后产能的重点。据统计,钢铁行业的能源消耗量占中国总能源消耗的15%左右,钢铁行业面临着巨大的节能减排压力。在能源消耗与环境成本高昂、企业能源浪费严重、环保压力日趋加大的背景下,提高能源利用效率成为新时代钢铁工业的内在需要和必然选择。煤气是钢铁企业在生产过程中产生的重要二次能源,占企业总能源消耗的30%左右,建设煤气预测与调度优化系统,减少煤气放散,提高煤气综合利用效率,对于钢铁企业节能降耗具有重要意义。

  二、钢铁企业煤气调度问题分析

  (一)钢铁企业煤气系统的组成

  钢铁企业煤气系统由煤气消耗系统、煤气产生系统、煤气管网、煤气存储系统与热电联产系统(煤气转换系统)组成,如图1-1所示:

 

  图1-1钢铁企业煤气系统结构图

  1.煤气产生系统

  钢铁企业副产煤气主要包括焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气。焦炉煤气在三种煤气中热值最高,在16720—18810kJ/m3,主要用于焦炉和烧结炉的燃料,也可用于发电,生成天然气等。

  转炉煤气热值一般为7500-8000KJ/m3,主要用户为轧钢加热炉。

  高炉煤气的特点为杂质含量高、气量大、热值低,一般为3000-3800KJ/m3,主要用户为高炉热风炉、焦炉等设备。

  混合煤气是将以上三种热值不同的煤气按照一定比例进行混合得到的煤气,主要用于轧钢加热炉的燃料。

  2.煤气消耗系统

  钢铁企业煤气消耗用户主要有焦炉、烧结机、球团竖炉、高炉热风炉、高炉喷煤、炼钢、轧钢加热炉、冷轧热处理、耐材制备,以及发电厂、锅炉及需加热的设备都需要消耗煤气。

  3.煤气传输系统

  煤气传输通过煤气管网进行。包括高炉煤气管网、焦炉煤气管网、转炉煤气管网及混合煤气管网等。其中,混合煤气管网根据其传输煤气热值的不同,可分为高混煤气管网、中混煤气管网等。煤气管网存在压力限制。

  4.煤气存储系统

  煤气有剩余时存入煤气柜内,煤气不足管网压力下降时再补入管网,减少煤气放散。煤气柜有容量限制,超过正常容量范围,煤气柜就会处于危险当中。煤气柜可用于稳定管网压力,也可减轻不稳定生产和消耗。

  5.煤气转化系统

  煤气产生后,在保证煤气用户的使用管网压力的情况下,剩余部分输送到热电锅炉系统用于发电。

  (二)钢铁企业煤气平衡分析

  钢铁企业副产煤气的发生量与消耗量经常随生产工艺状态的改变而产生波动,波动幅度与企业的工序组成、煤气的管理与调配水平有关。以下三种因素是导致煤气不平衡的主要原因:

  1.高、焦混合煤气使用配比不稳定

  目前大多钢铁企业的高、焦炉煤气经输送管道首先进入加压站加压,然后再由总管网将混合煤气输送到各煤气用户。管网中高、焦煤气配比与热值随时在发生变化,导致用户煤气使用量的极大不稳定,从而使得煤气波动加剧。

  2.煤气产生量、消耗量发生波动

  煤气产生量和消耗量均具有波动性,当高炉休风、高炉换炉、待料、焦炉换向等都将造成大量煤气剩余。在轧钢工序,当加热坯料品种、规格、物理性质、轧钢产量等发生变化时,加热工艺也随之发生变化,煤气用量也相应变化,这必然造成煤气用量的大幅度波动。

  3.煤气缓冲用户能力不足

  煤气柜与热电厂锅炉均为煤气缓冲用户。煤气系统缓冲用户能力不足将对煤气管网产生很大的影响。如果高炉煤气柜、焦炉煤气柜与煤气总流量不匹配就难以发挥缓减总管网煤气压力及流量的作用。如果煤气总管网由于发生和使用的不平衡造成管网内煤气压力高于煤气柜压力,煤气柜也不能发挥作用。热电厂锅炉虽然是大部分企业的主要缓冲用户,但由于锅炉在起作用时存在滞后性,一般约为半小时,在实际中很难起到瞬时缓冲管网压力和流量的作用,所以很难平衡管网中煤气的瞬时不平衡。

  煤气动态不平衡会给生产带来一定的影响。当煤气不足时,需限制部分煤气用户的生产;煤气盈余时,又将有大量煤气被放散,既浪费能源又污染环境。发生量与消耗量带来的煤气管网的波动将使工艺生产的热工制度得不到保证,既影响产品质量,又增加产品单位热耗。因此,钢铁企业副产煤气的发生量与消耗量是影响煤气动态平衡状况的主要因素。

  (三)钢铁企业煤气平衡调度

  钢铁企业煤气平衡调度主要分为静态调度和动态调度。

  1.静态平衡

  静态平衡是以计划为主,对一段时期内的煤气产出量、消耗量和需求量结合生产计划、检修计划等影响因素,进行预测性的平衡。

  2.动态平衡

  动态平衡则是指煤气压力、流量、热值随着生产过程的波动而波动,需要采取即时平衡,因影响因素较多,实际生产中煤气供应与需求之间时刻在发生着动态变化。

  三、钢铁企业煤气预测与调度优化系统

  (一)系统目标

  钢铁企业副产煤气由于生产调度、设备检修等原因,具有生产及消耗不稳定的特点,基于人工经验的调度在问题复杂度、精细粒度、优化程度等方面存在很大的局限性,很难做到全局最优,运用数学模型对副产煤气进行预测与调度优化,能快速得到更优解,对节能降耗具有重要意义。

  钢铁企业煤气预测与调度优化系统的系统目标是保证生产稳定运行的情况下,通过动态调整优化,有效避免煤气不足或过剩的状况,使得(1)煤气管网压力相对稳定;(2)减少煤气放散,防止环境污染与能源浪费;(3)减少外购能源,降低能源成本;(4)保持煤气柜、锅炉等设备的稳定,降低设备运维成本。

  (二)系统建模

  煤气的供需平衡是一个复杂的系统工程,实际生产中煤气的产生与消耗时刻在发生着变化。对于钢铁企业煤气的产出、消耗、传输、存储及排放之间的瞬时不平衡,若用静态分析的方法很难得到准确的预测信息,需要建立动态模型,才能进行有效的分析。

  根据钢铁企业煤气系统的组成和特点,针对煤气发生系统、输配系统和用户组成分别构建动态模型,并根据组合模型进行预测。

  煤气预测与调度模型可分为三大类:煤气产生预测模型、煤气消耗预测模型和煤气优化调度模型。

  1.煤气产出预测模型

  根据高炉、焦炉、转炉生产运行状态的不同阶段及影响因素分别构建预测模型。

  表3-1 高炉、焦炉、转炉煤气产出分析与模型构建

 

  2.煤气消耗预测模型

  对钢铁企业的主要生产工序和辅助工序的煤气消耗进行建模。包括(1)烧结机、高炉热风炉、焦炉、热轧加热炉等这些煤气消耗量较大,且与生产状态相关较密切的重点工序;(2)高炉喷煤、石灰窑、炼钢烘烤、炼钢连铸切割等辅助工序。

  根据不同生产状态对煤气耗用的特点分别进行建模。

  表3-2 煤气消耗分析与模型构建

  影响短期煤气流量波动的因素众多,错综复杂,且随生产工况不同发生很大变化,所以不能用单一的模型进行预测,要对影响煤气波动的因素及波动状况进行系统分析,根据静态因素对煤气流量的基准值起基础决定作用,动态因素对煤气流量的波动趋势产生影响,综合运用煤气实时数据和生产过程信息的分段短期动态预测建模方法,使预测结果符合现场状况,在工况变化时,也能做出合理准确预测。模型可采用来源:竞彩足球计算器 时间序列分析、统计回归分析,神经网络模型,灰色预测模型等。

  3.煤气调度优化模型

  煤气系统优化调度模型,要综合考虑多种影响因素的基础上确立目标函数,并结合能量守恒、物料守恒、资源平衡、设备操作、用户优先级等约束条件,在煤气产生与消耗预测的基础上,得到优化调度模型。

  钢铁企业煤气系统涉及的设备包括煤气产生、消耗、存储、转换及调节五类,对于调度中可以操作的设备或单元称为可调度设备,反之则为不可调度设备。

  1.煤气优化调度模型

  优化目标:①煤气管网平衡与稳定;②煤气放散最小化;③经济效益最大化。

  约束条件:①资源平衡约束;②能量平衡约束;③煤气柜存储能力及操作约束;④热电锅炉、管网等设备操作约束;⑤流量范围;⑥热值要求;⑦压力要求;⑧用户优先级顺序。

  系统参数:① 时刻煤气的产出流量;②不可调度消耗单元在 时刻的消耗流量;③可调度消耗单元流量范围;④可调度消耗单元优先级;⑤存储单元能力范围;⑥调节单元流量范围。

  系统变量:①可调度消耗单元在 时刻的消耗流量;②调节单元在 时刻的消耗流量;③存储单元在 时刻的存储量。

  决策变量:①可调度消耗单元在 时刻是否用气;②调节单元在 时刻是否用气。

  2.模型求解方法

  以上煤气优化调度模型为大规模混合整数规划问题MILP(Mixed Integer Linear Programming),该类问题属于NP-Hard,算法复杂度随变量数目增加呈指数级增长,当变量数目较少时采用运筹学方法,变量数目较多的时候用智能优化算法进行求解。

  当变量数目较少时,采用运筹学方法能获得问题的最优解,但当调度问题规模较大时,求解难度急剧上升,同时,运筹学方法侧重于求解算法,往往忽视现实问题中存在的灵活性。

  当变量数目较多时,采用智能优化算法可以较小的计算来源:竞彩足球计算器 时间获得满足实际应用要求的次优解或满意解,在钢铁生产计划与调度中获得许多应用。可采用遗传算法或者是粒子群算法等。

  近年来源于人工智能领域的约束满足技术在生产调度等具有复杂约束的组合优化问题领域得到应用,并且在解决生产调度问题方面取得了很好的成果。约束满足技术可以清晰表达复杂约束、具有很好的建模能力。在已有的约束传播技术中,维持弧相容算法MAC(Maintaining Arc Consistency)被认为是处理大规模难解问题的最有效的一般方法。在求解方法上,采用与问题表述相分离的约束传播、变量启发式算法和值启发式算法等技术,可以快速缩减搜索空间,在短来源:竞彩足球计算器 时间内找到较好的可行解,具有很好的可重用性。

  (三)系统功能

  煤气预测与调度系统的主要包含以下功能:基础信息维护、煤气在线预测、实时报警、优化调度以及调度方案评估。

  1.基础信息维护

  煤气预测与调度系统的基础信息包括煤气类型管理、煤气用户类型管理、用户优先级管理、煤气产出设备管理、煤气管网管理、调度规则管理、运行配置参数等。

  2.计划管理

  计划管理模块主要用于管理煤气调度计划、用电计划、天然气供应计划、产线生产计划和检修计划,这些计划信息有的可从外部系统获取。

  3.煤气在线预测

  煤气在线预测功能收集相关设备的实时及未来某一时长的运行状态,根据预测模型预测未来时段(根据用户需求设置)的煤气运行状况。为调度人员提供未来时段煤气管网的流量、容量、流速、温度、压力、热值等运行状态及管网关键节点设备的运行曲线图。如果预测到节点可能出现异常,则报警并给出调度建议,管理人员可据此采取相应的调度措施。

  4.煤气在线预警

  煤气系统中节点发生异常或预测到节点将出现的异常时系统自动预警。

  5.煤气调度优化

  当系统预测到管网中某些节点已经发生或未来即将发生某些异常变动时,可启动调度优化功能,系统将根据预测的节点异常信息、当前管网状态以及调度约束规则等进行运算,给出调度建议方案。调度人员可根据建议方案采取相应的调度措施。

  6.调度方案评估

  调度人员选择调度方案时,可通过调度方案评估功能对调度方案进行预测和评价,并据此采取相应的调度措施。

  7.系统接口与系统集成

  煤气预测与调度系统需要的状态数据及计划数据等,可从外部系统获取,包括:

  (1)从实时数据采集系统获取管网及各节点的实时/历史数据;

  (2)从生产执行系统获取生产计划及检修计划数据;

  (3)从能源管控系统获取可预知的管网状态变更及调度事件信息等等。

  (三)实施效果

  本章运用预测及调度优化模型对钢铁企业的副产煤气进行多周期动态优化。该系统利用M企业的数据进行了系统仿真,通过六个周期的数据分析,以副产煤气放散费用、煤气柜煤气量偏移成本、锅炉开关转换费用、外购燃料费用、电力收入等指标(不同企业需要根据实际情况设定不同的评价指标)进行综合评价,优化前后对比可节约20%-30%的成本。

  四、结论

  钢铁企业副产煤气系统的预测与调度是非常复杂的,但根据将煤气系统中涉及的各个单元(设备)不同的运行状态的特点进行详细分析,确定为不同的阶段,可以较好地拟合实际,并采用组合策略进行

  煤气预测与优化调度建模,能够取得较好的效果,对于企业保证煤气消耗用户稳定运行的情况下,减少外购燃料,减少副产煤气放散,尽可能提高煤气利用率,降低能源成本,履行社会责任,实现可持续发展具有重要意义。

  参考文献:

  [1]施灿涛,刘自升,李铁克,王宁宁。钢铁企业副产煤气优化调度问题模型及算法[J].工业工程与管理,2012,17(2):26-32.

  [2]齐二石,孔海宁,何曙光。钢铁企业副产煤气多周期动态优化调度[J].系统工程理论与实践,2010,30(2):2071-2077.

  [3]聂秋平,吴敏,张超,熊永华。一种基于单元分类的钢铁企业煤气调度模型[J].控制工程,2010,17(4):460-465.

  [4]李红娟,熊文真。钢铁企业副产煤气预测及优化调度[J].钢铁,2016,51(8):90-98.

  [5]朱俊杰,黄金舫,刘明。首钢煤气安全实时监测及应急响应系统的实现[J].有色冶金设计与研究,2015,36(3):51-53.