以放散最小為目標(biāo)的鋼鐵企業(yè)煤氣系統(tǒng)優(yōu)化模型的研究

2019-07-02 09:25:32

應(yīng)用能源技術(shù) 2019年6期

(1.日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東日照 276800;2.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

近年來，我國鋼鐵產(chǎn)量仍保持著上升的趨勢。2010-2011年，由于國際和國內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢的不景氣的影響，我國鋼鐵生產(chǎn)提高速度有所減緩，但仍然達(dá)到了6.955億t粗鋼。

我國鋼鐵工業(yè)的高能耗給環(huán)境帶來了沉重的負(fù)擔(dān)，環(huán)境污染是我國鋼鐵工業(yè)必須面臨的重要問題[1-3]。面對(duì)這一問題，提高生產(chǎn)合理化水平，進(jìn)一步進(jìn)行工藝上的調(diào)整以及減少能源成本的重要性進(jìn)一步提高，對(duì)鋼鐵企業(yè)克服難關(guān)有著重要的意義。

一直以來，對(duì)單體設(shè)備和生產(chǎn)單元進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，是能源工作者努力的方向。對(duì)單元設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，局部上是節(jié)能的，但由于鋼鐵生產(chǎn)單元繁多，各單元間關(guān)系復(fù)雜，從整體生產(chǎn)的角度來看就未必經(jīng)濟(jì)。

例如：降低礦石的品味可在選礦階段減少能源消耗，但勢必將在燒結(jié)等后續(xù)工序投入更多的能量，反而造成了整體消耗的增多。因此，系統(tǒng)節(jié)能已成為時(shí)下最先進(jìn)的節(jié)能理念。因此，越來越多的學(xué)者已著手進(jìn)行了能源優(yōu)化和調(diào)度的研究[4-8]。

副產(chǎn)煤氣是鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品的同時(shí)產(chǎn)生的重要二次能源，占企業(yè)總能源消耗的30%左右。因此，對(duì)副產(chǎn)煤氣進(jìn)行預(yù)測和合理的調(diào)度，對(duì)鋼鐵企業(yè)的整體節(jié)能效果有著重要的作用[9]。

比如，寶鋼在1995年時(shí)的高爐煤氣的放散率約為16.1%，通過能源管理中心對(duì)二次能源進(jìn)行合理分配和使用后，到1999年其放散率已達(dá)到0.12%，接近了極限回收的理念，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保要求起到了巨大的推進(jìn)作用[10]。

1 能源管理系統(tǒng)概述

鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)(EMS, Energy Management System)，是對(duì)鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控，相關(guān)數(shù)據(jù)得以及時(shí)顯示，數(shù)字等報(bào)表進(jìn)行處理，同時(shí)還包含了高級(jí)別的能源預(yù)測及調(diào)度功能的綜合性系統(tǒng)。系統(tǒng)按其功能的不同，通常分為3個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)邏輯層和數(shù)據(jù)展示層。

圖1 能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集層根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)監(jiān)控上的需要，對(duì)多種能源介質(zhì)信息量，如電量、高爐煤氣流量、氧氣流量、凈水流量等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)存放至各個(gè)分區(qū)設(shè)置的數(shù)采子站與采集點(diǎn)相連。

具體實(shí)現(xiàn)通過儀器儀表等相關(guān)手段及方法，對(duì)各單元和設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過標(biāo)準(zhǔn)化方法和數(shù)據(jù)子網(wǎng)將數(shù)據(jù)整理后傳輸?shù)礁髯诱荆?jīng)統(tǒng)一的協(xié)議編碼后，由子站將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偩W(wǎng)，以得到數(shù)據(jù)的匯總和備份。

數(shù)據(jù)邏輯層是能源管理中心的核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)、分析等多種功能。該層通過對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和計(jì)算，從而得到包括對(duì)比設(shè)備性能參數(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，從而進(jìn)行報(bào)警等提示，快速得到故障處理的方案并實(shí)行；并通過能耗預(yù)測模型和優(yōu)化調(diào)度模型，分別得到對(duì)未來能耗的趨勢預(yù)測，以及對(duì)能源及二次能源進(jìn)行最優(yōu)的分配，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)度的目標(biāo)，完成生產(chǎn)利潤最大化或消耗的最小化，以實(shí)現(xiàn)能源管理中心的主要功能。

數(shù)據(jù)展示層，主要功能是將各采集得到的單元的運(yùn)行情況，以及邏輯層經(jīng)過處理得到的能耗預(yù)測和優(yōu)化等結(jié)果，通過畫面等手段。以數(shù)字曲線及報(bào)表等形式，面向調(diào)度員等用戶進(jìn)行展示。用以滿足企業(yè)網(wǎng)用戶和Web用戶兩種用戶的業(yè)務(wù)需求。

2 鋼鐵生產(chǎn)流程設(shè)備分類

對(duì)鋼鐵企業(yè)內(nèi)副產(chǎn)煤氣進(jìn)行調(diào)度，就要對(duì)煤氣使用及流通對(duì)象進(jìn)行分類，以便于計(jì)算過程中的簡化處理。

在鋼鐵生產(chǎn)的流程中，按設(shè)備對(duì)副產(chǎn)煤氣的處理功效，在文中的研究過程中，將設(shè)備進(jìn)行以下四個(gè)方面的分類：

(1)副產(chǎn)煤氣消耗設(shè)備

該類設(shè)備是鋼鐵生產(chǎn)流程中的主要功能設(shè)備，對(duì)副產(chǎn)煤氣進(jìn)行消耗。其消耗的副產(chǎn)煤氣，可能是單一種類的煤氣，也可能是按照其熱值要求所混合的多種副產(chǎn)煤氣，例如，高爐熱風(fēng)爐、加熱爐和熱處理爐等。

該類設(shè)備由于生產(chǎn)上的需要，其所需的煤氣量和煤氣品質(zhì)必須得到滿足，否則可能影響生產(chǎn)上的連續(xù)性。

(2)副產(chǎn)煤氣緩沖設(shè)備

該類設(shè)備是鋼鐵生產(chǎn)流程中的輔助設(shè)備，往往通過副產(chǎn)煤氣的輸入，可以進(jìn)行能源上的轉(zhuǎn)化，如鍋爐等，在副產(chǎn)煤氣總量富余的時(shí)候，可以通過其功能的實(shí)現(xiàn)，滿足其他能源，如電力和蒸汽等的部分能源需求。

該類設(shè)備在運(yùn)行的過程中，往往可以使用除副產(chǎn)煤氣外的其他能源物質(zhì)，來達(dá)到其正常運(yùn)行的功能；同時(shí)，在副產(chǎn)煤氣總量富余的時(shí)候，也常通過多種副產(chǎn)煤氣的配比，以滿足其熱值上的需求。

該類設(shè)備在整個(gè)副產(chǎn)煤氣管網(wǎng)中，往往起到一個(gè)緩沖的能力，即在煤氣大量富余的時(shí)候，通過對(duì)這類設(shè)備的使用，可以達(dá)到減少煤氣放散，以及維持煤氣管網(wǎng)安全壓力的目的。因此，在對(duì)該類設(shè)備進(jìn)行副產(chǎn)煤氣的供氣時(shí)，供氣量往往低于其最大煤氣消耗量。

(3)副產(chǎn)煤氣儲(chǔ)存設(shè)備

該類設(shè)備是維持管道壓力、減少煤氣的放散以及保證用氣連續(xù)性的重要設(shè)備，如高爐煤氣柜等。該類設(shè)備通過對(duì)其開度或閥門的調(diào)節(jié)，在副產(chǎn)煤氣富余的時(shí)候進(jìn)行一定量的儲(chǔ)存，以減少煤氣的放散，并維持管網(wǎng)的安全壓力；同時(shí)，在煤氣發(fā)生量不足的時(shí)候，又可以通過活塞的調(diào)節(jié)，減少其儲(chǔ)存量，起到補(bǔ)充煤氣缺口，保證生產(chǎn)的安全和連續(xù)性的作用。

該類設(shè)備進(jìn)行副產(chǎn)煤氣的儲(chǔ)存和輸出，根據(jù)其自身特點(diǎn)，其柜位需維持在其儲(chǔ)存能力的安全上下限之間；另外，由于活塞和閥門調(diào)節(jié)速度的限制，其緩沖的速率應(yīng)不高于其安全調(diào)節(jié)速率值。

(4)副產(chǎn)煤氣輸送設(shè)備

不同于其他的能源物質(zhì)，副產(chǎn)煤氣由于其流動(dòng)性和連續(xù)性的特點(diǎn)，要通過煤氣管道進(jìn)行煤氣的傳輸。

煤氣管道作為副產(chǎn)煤氣重要的輸送設(shè)備，在進(jìn)行煤氣運(yùn)輸?shù)倪^程中，對(duì)副產(chǎn)煤氣使用上的“質(zhì)”和“量”，有著以下的影響：

首先，由于管道自身距離長、彎頭和閥門較多的特點(diǎn)，由于其引起的沿程和局部壓力的損失，使得煤氣管道在輸送的過程中，會(huì)造成煤氣品質(zhì)的降低。因此，對(duì)煤氣管道進(jìn)行研究，可以判定煤氣出口和入口的需求壓力是否匹配，即能否滿足生產(chǎn)的需求；在不滿足需求的時(shí)候，怎樣通過相應(yīng)加壓站的建立，以達(dá)到匹配的目的。

其次，由于管道結(jié)構(gòu)和材料安全壓力的要求和限制，在進(jìn)行煤氣調(diào)度的過程中，其調(diào)度計(jì)劃是否可行，同樣可通過對(duì)管道的研究得出。

然而，大多數(shù)鋼鐵企業(yè)煤氣管網(wǎng)建設(shè)年代較長，且由于后期的擴(kuò)張和建設(shè)，導(dǎo)致閥門等部件的品牌和規(guī)格的不匹配或者相應(yīng)數(shù)據(jù)的遺失，導(dǎo)致難于對(duì)煤氣管網(wǎng)進(jìn)行模型的建設(shè)，其在煤氣輸運(yùn)過程中的作用，也被不同程度的忽略和簡化。

3 副產(chǎn)煤氣的多目標(biāo)優(yōu)化模型

副產(chǎn)煤氣是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中重要的能源介質(zhì)。所以，滿足各單元生產(chǎn)的煤氣需求，維持煤氣管道的安全壓力，同時(shí)，在煤氣總量富余時(shí)進(jìn)行一定量的存儲(chǔ)，以確保煤氣不足時(shí)的緩沖使用，都是副產(chǎn)煤氣調(diào)節(jié)的重要因素。因此，對(duì)多種副產(chǎn)煤氣進(jìn)行合理的配比使用，對(duì)減少企業(yè)的能源成本，保證生產(chǎn)的安全和連續(xù)，是十分重要的。

由于副產(chǎn)煤氣的熱值不同，在同一時(shí)刻的發(fā)生量同樣有著一定的區(qū)別，故在副產(chǎn)煤氣的使用過程中，通過煤氣的靈活配比，往往在能夠滿足生產(chǎn)需求的條件下，還能夠充分的對(duì)煤氣進(jìn)行利用。因此，為了達(dá)到對(duì)副產(chǎn)煤氣進(jìn)行優(yōu)化使用的目的，通常會(huì)以各種煤氣的熱值為基準(zhǔn)，以當(dāng)前時(shí)刻的發(fā)生量為依據(jù)，以各種煤氣的最小放散最為目標(biāo)函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化使用副產(chǎn)煤氣的最終目的。

以企業(yè)利用高爐和轉(zhuǎn)爐兩種煤氣為例，建立以最小放散為目標(biāo)的函數(shù)如下：

ε1[Hmax1-H1(τ)]

(1)

ε2[Hmax2-H2(τ)]

(2)

在建立了目標(biāo)函數(shù)之后，就要針對(duì)具體設(shè)備建立與目標(biāo)函數(shù)匹配的約束條件。

(1)根據(jù)煤氣整體的產(chǎn)耗平衡建立如下的約束條件

Hbfg(τ-1)]+Lbfg(τ)

(3)

Hldg(τ-1)]+Lldg(τ)

(4)

(2)根據(jù)主要消耗設(shè)備的煤氣以及最小熱值需求，建立如下的約束條件：

Q1×Fbfg,i+Q2×Fldg,i=Q1×Xbfg,i+Q2×Xldg,i

(5)

Q1×Fbfg,i+Q2×Fldg,i=Q1×Xbfg,i+Q2×Xldg,i

(6)

(7)

(3)根據(jù)緩沖(轉(zhuǎn)化)設(shè)備的煤氣需求，建立供應(yīng)的調(diào)節(jié)煤氣量小于其最大需求量的約束條件：

Fbfg,j≤Xbfg,j

(8)

Fldg,j≤Xldg,j

(9)

(4)根據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備(煤氣柜)的特征，建立柜位在最大及最小安全柜位之間，以及柜位的緩沖速度小于安全速度的目標(biāo)函數(shù)：

Hmin1≤H1(τ)≤Hmax1

(10)

Hmin2≤H2(τ)≤Hmax2

(11)

|H1(τ)-H1(τ-1)|≤ΔH1

(12)

|H2(τ)-H2(τ-1)|≤ΔH2

(13)

(5)同時(shí)，上述約束條件中的每一項(xiàng)均不為負(fù)。

各變量的定義如下：

Lbfg(τ)——當(dāng)前時(shí)刻高爐煤氣放散量

Lldg(τ)——當(dāng)前時(shí)刻轉(zhuǎn)爐煤氣放散量

BFG(τ)——當(dāng)前時(shí)刻高爐煤氣總產(chǎn)生量

LDG(τ)——當(dāng)前時(shí)刻轉(zhuǎn)爐煤氣總產(chǎn)生量

BFGi(τ)——當(dāng)前煤氣消耗設(shè)備高爐煤氣使用量

LDGi(τ)——當(dāng)前煤氣消耗設(shè)備轉(zhuǎn)爐煤氣使用量

BFGj(τ)——當(dāng)前煤氣緩沖(轉(zhuǎn)換)設(shè)備高爐煤氣使用量

LDGj(τ)——當(dāng)前煤氣緩沖(轉(zhuǎn)換)設(shè)備轉(zhuǎn)爐煤氣使用量

ε1——高爐煤氣柜位與煤氣量的轉(zhuǎn)換系數(shù)

ε2——轉(zhuǎn)爐煤氣柜位與煤氣量的轉(zhuǎn)換系數(shù)

Hmax1——高爐煤氣柜柜位上限

Hmax2——轉(zhuǎn)爐煤氣柜柜位上限

H1(τ)——高爐煤氣柜當(dāng)前柜位值

H2(τ)——轉(zhuǎn)爐煤氣柜當(dāng)前柜位值

Q1——高爐煤氣熱值

Q2——轉(zhuǎn)爐煤氣熱值

Fbfg,i——煤氣消耗設(shè)備高爐煤氣實(shí)際供應(yīng)量

Fldg,i——煤氣消耗設(shè)備轉(zhuǎn)爐煤氣實(shí)際供應(yīng)量

Xbfg,i——煤氣消耗設(shè)備高爐煤氣需求量

Xldg,i——煤氣消耗設(shè)備轉(zhuǎn)爐煤氣需求量

Fbfg,j——緩沖(轉(zhuǎn)化)設(shè)備高爐煤氣供應(yīng)量

Fldg,j——緩沖(轉(zhuǎn)化)設(shè)備轉(zhuǎn)爐煤氣供應(yīng)量

Xbfg,j——緩沖(轉(zhuǎn)化)設(shè)備高爐煤氣需求量

Xldg,j——緩沖(轉(zhuǎn)化)設(shè)備轉(zhuǎn)爐煤氣需求量

△H1——高爐煤氣柜安全柜位變化量

△H2——轉(zhuǎn)爐煤氣柜安全柜位變化量

4 結(jié)束語

對(duì)副產(chǎn)煤氣進(jìn)行以放散最小的模型建立，同時(shí)得到其相應(yīng)的約束條件以進(jìn)行求解，對(duì)于鋼鐵企業(yè)的副產(chǎn)煤氣的使用和管理有著重要的作用。