多能源介質(zhì)耦合優(yōu)化系統(tǒng)模型的開發(fā)及應(yīng)用

李雪晴，詹守權(quán)，劉偉

（1.鞍鋼集團(tuán)自動化有限公司，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007）

鋼鐵行業(yè)是國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，為建筑、汽車、機(jī)械、造船、家電等相關(guān)行業(yè)提供了重要原材料保障，推動了國內(nèi)工業(yè)化、現(xiàn)代化的發(fā)展。在保證鋼產(chǎn)量的同時，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)在節(jié)能減排方面也取得了一定的成績。根據(jù)日前冶金工業(yè)規(guī)劃研究院發(fā)布的 《中國鋼鐵工業(yè)節(jié)能低碳發(fā)展報告2018》，2018年鋼鐵行業(yè)在產(chǎn)量增長11.0%的情況下，能源消費總量同比增長僅8.9%，鋼鐵行業(yè)的能效水平穩(wěn)步提升。發(fā)改委鋼鐵行業(yè)2019年運(yùn)行情況顯示，國內(nèi)粗鋼產(chǎn)量同比增長，生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量分別增長5.3%、8.3%、9.8%。

在成績的背后，清晰看到國內(nèi)鋼鐵工業(yè)仍然存在生產(chǎn)結(jié)構(gòu)不合理、節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新和推廣難度大、噸鋼綜合能耗高等問題［1］。提高能源利用率、減少煤氣放散、降低成本是解決這些問題的有效方法［2］。在實際生產(chǎn)過程中，調(diào)度人員往往從單一生產(chǎn)需求的角度出發(fā)，無法綜合各方面因素進(jìn)行分析調(diào)度。目前國內(nèi)關(guān)于多介質(zhì)耦合優(yōu)化基于不同的目標(biāo)，有許多的模型和算法［3-5］，大部分處于理論計算水平。本文以鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司實施的智慧能源管控大數(shù)據(jù)平臺為依托，通過采集水、電、煤氣、蒸汽的數(shù)據(jù)，結(jié)合鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的實際狀況，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)與優(yōu)化算法,對公司多介質(zhì)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，提供介質(zhì)消耗量、電的發(fā)生量、公司的生產(chǎn)成本預(yù)測與分析平臺，并與實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，提供合理的優(yōu)化平衡方案，進(jìn)而降低公司生產(chǎn)成本，實現(xiàn)煤氣放散最低與企業(yè)利潤最大化的目標(biāo)。該系統(tǒng)是從公司整體的生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)行考慮，對公司生產(chǎn)主要消耗的介質(zhì)進(jìn)行分析，是整個公司生產(chǎn)調(diào)度的核心，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

1 多介質(zhì)耦合優(yōu)化模型

多介質(zhì)耦合優(yōu)化模型的核心是：煤氣設(shè)備、蒸汽設(shè)備與CCPP機(jī)組發(fā)電的同時，消耗煤氣、蒸汽、水，在峰、谷、平不同的時段，外購電的單價是不同的，發(fā)電消耗成本也是不同的，在谷時可以少發(fā)電，多外購，積累柜位，在峰時可以多發(fā)電，少外購，降低成本，同時煤氣可以外賣，增加企業(yè)利潤，當(dāng)煤氣柜達(dá)到峰值時，需要放散。針對這一特點，建立多能源介質(zhì)耦合優(yōu)化模型，模型的輸入、輸出、目標(biāo)與約束的示意圖如圖1所示。

圖1 多能源介質(zhì)耦合優(yōu)化模型Fig.1 Optimization Model by Coupling for Multi-energy Medium

（1）目標(biāo)函數(shù)f為公司消耗的總成本（元），即在t時間內(nèi)公司多介質(zhì)消耗或產(chǎn)生介質(zhì)所帶來的成本與收益之差：

式中，n為第n組數(shù)據(jù)；cng為煤氣使用成本，元；cns為蒸汽成本，元；cnp為外購電成本，元；cnr為煤氣放散成本，元；cne為發(fā)電所消耗的成本，元；cnt為外賣焦?fàn)t煤氣產(chǎn)生的收益，元；k為優(yōu)化的時間長度t與優(yōu)化時間粒度Δt的商。

在建設(shè)模型過程中，考慮設(shè)定煤氣放散價格損失最大，使得煤氣在放散時造成的經(jīng)濟(jì)損失最大，所以這個模型不僅滿足了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最大化，也實現(xiàn)了煤氣放散最少的目標(biāo)。

（2）煤氣使用成本主要包括煤氣設(shè)備消耗煤氣成本、CCPP機(jī)組消耗煤氣與焦?fàn)t煤氣外賣成本：

式中，pnb為高爐煤氣使用單位價格，元/km3；bfgng為煤氣設(shè)備高爐煤氣消耗量，km3/h；bfgnc為CCPP機(jī)組高爐煤氣消耗量，km3/h；pnc為焦?fàn)t煤氣使用單位價格，元/km3；cogng為煤氣設(shè)備焦?fàn)t煤氣消耗量，km3/h；cognc為 CCPP機(jī)組焦?fàn)t煤氣消耗量，km3/h；cognt為外賣焦?fàn)t煤氣量，km3/h。

（3）蒸汽成本包括余熱設(shè)備一級減壓閥低壓蒸汽成本和余熱設(shè)備低壓蒸汽成本：

式中，pns3為一級減壓閥低壓蒸汽單位價格，元/t；s3nh為一級減壓閥使用低壓蒸汽量，t/h；pnex為余熱設(shè)備低壓蒸汽單位價格，元/t；exnh為余熱設(shè)備使用低壓蒸汽量，t/h。

（4）外購電成本：

式中，pnp為外購電價格，元/（kW·h）；enp為外購電量，kW。

（5）煤氣放散成本為高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣放散產(chǎn)生的成本：

式中，bfgnr為高爐煤氣放散量，km3/h；pnbr為高爐煤氣放散的懲罰價格，元/km3；cognr為焦?fàn)t煤氣放散量，km3/h；pncr為焦?fàn)t煤氣放散的懲罰價格，元/km3。

（6）發(fā)電消耗的成本包括煤氣設(shè)備、余熱設(shè)備、CCPP機(jī)組發(fā)電所帶來的成本：

式中，pnge為單位發(fā)電量煤氣設(shè)備成本，元/（kW·h）；eng為煤氣設(shè)備發(fā)電量，kW；pnhe為單位發(fā)電量余熱設(shè)備成本， 元/（kW·h）；enh為余熱設(shè)備發(fā)電量，kW；pnce為單位發(fā)電量 CCPP 機(jī)組成本，元/（kW·h）；enc為CCPP機(jī)組發(fā)電量，kW。

（7）外賣焦?fàn)t煤氣收益：

式中，pnt為外賣焦?fàn)t煤氣價格，元/km3；cognt為外賣焦?fàn)t煤氣量，km3/h。

（8）總用電量由發(fā)電量和外購電量兩部分組成，其中發(fā)電量是由煤氣設(shè)備、余熱設(shè)備、CCPP機(jī)組三部分發(fā)電產(chǎn)生：

式中，ena為總用電量，kW；enca為總發(fā)電量，kW。

通過實際數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)各設(shè)備的發(fā)電量與水、蒸汽、煤氣的使用量之間存在一定的關(guān)系：

式中，u1，v1，z1，u2，v2，z2，u3，v3，z3為三種設(shè)備擬合的系數(shù)，由于設(shè)備的型號等各項參數(shù)不同，系數(shù)也不盡相同，wng為煤氣設(shè)備消耗的水量，t/h；s2nh為余熱設(shè)備進(jìn)汽量，t/h。

（9）煤氣的分配滿足：

式中，bfgna為高爐煤氣富余量，km3/h；bfgns為從煤氣柜取出或存入的高爐煤氣量，km3/h；cogna為焦?fàn)t煤氣富余量，km3/h；cogns為從煤氣柜取出或存入的焦?fàn)t煤氣量，km3/h。

（10）余熱蒸汽分配滿足：

式中，s3nd為蒸汽的需求量，t/h。

根據(jù)公司設(shè)備情況、生產(chǎn)狀況的不同，各個變量的取值范圍也不盡相同，可根據(jù)公司的實際情況選取合適的取值范圍，建立不等式約束，再綜合式（1）～（15），得到多介質(zhì)非線性優(yōu)化模型。

（11）多介質(zhì)耦合優(yōu)化問題的一般形式可表示為：

針對這一問題，通常采用外點罰函數(shù)方法解決。

首先，構(gòu)造罰函數(shù)：

其中，f（x）為目標(biāo)函數(shù)，元；x表示輸入變量組成的集合；。

算法：

（1） 給定初始點 x0∈Rn，π0＞0，γ＞1，和允許誤差 ε≥0，ε1≥0，ε2≥0，k=1。

（2） 求罰函數(shù) p（x，πk）的最小值 xk，即求解無約束優(yōu)化問題

（3） 如果 Φc（xk）≤ε，算法終止，xk為原問題的近似最優(yōu)解；否則，進(jìn)入下一步。

（4）若||xk-xk-1||≤ε1，，算法終止，xk為原問題的近似最優(yōu)解，否則取πk+1∈（πk，γπk），k=k+1，進(jìn)入步驟 2。

2 多介質(zhì)耦合優(yōu)化系統(tǒng)功能介紹

（1）多介質(zhì)耦合優(yōu)化系統(tǒng)主要從煤氣分配、蒸汽分配、發(fā)電與外購電三個方面出發(fā)，對模型優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，將數(shù)據(jù)展示與圖形展示相結(jié)合，實現(xiàn)結(jié)果的全方位展現(xiàn)，為技術(shù)人員提供調(diào)度調(diào)整的方向和依據(jù)。它依賴于1 min，10 min，30 min三種時間粒度和4 h，8 h，24 h三種時間長度，根據(jù)不同的設(shè)備建立不同的介質(zhì)分配曲線。圖2為蒸汽分配曲線，圖中可以看到煤氣設(shè)備、余熱設(shè)備、一級減壓閥蒸汽的實際值與預(yù)測值的對比曲線。

（2）系統(tǒng)提供大量的字典頁面，供用戶修改設(shè)備數(shù)量、設(shè)備名稱以及設(shè)備的各種參數(shù)，用戶可以在公司工況、設(shè)備發(fā)生變化時，及時調(diào)整設(shè)備和介質(zhì)參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的動態(tài)變化，以保障系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。圖3為多能源介質(zhì)熱值、焓值字典，該字典可以維護(hù)煤氣的熱值、水和蒸汽的焓值數(shù)據(jù)，用戶可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和修改。

圖2 蒸汽分配曲線Fig.2 Distribution Curves for Steam

圖3 多能源介質(zhì)熱值、焓值字典Fig.3 Dictionary for Calorific Values and Enthalpy of Multi-energy Medium

（3）系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)為依托，結(jié)合設(shè)備和介質(zhì)消耗的機(jī)理，建立并求解非線性優(yōu)化模型，使多介質(zhì)耦合優(yōu)化系統(tǒng)展現(xiàn)的結(jié)果具有合理性，符合公司實際生產(chǎn)情況。系統(tǒng)給出完整的最優(yōu)調(diào)度方案即煤氣與電力以及蒸汽與成本報表，幫助用戶指導(dǎo)生產(chǎn)。表1、表2分別是鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司多介質(zhì)耦合實際數(shù)據(jù)與系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)據(jù)的對比，從表中可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)比，發(fā)電量大，外賣或放散煤氣量少，總節(jié)省成本2 020.68元/h。

表1 多介質(zhì)耦合優(yōu)化煤氣與電力報表Table 1 Gas and Power Statement for Multi-energy Medium Optimized by Coupling

表2 多介質(zhì)耦合優(yōu)化蒸汽與成本報表Table 2 Steam and Cost Statement for Multi-energy Medium Optimized by Coupling

3 運(yùn)行效果

本系統(tǒng)以InfluxDB+Hadoop+Oracle作為異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲平臺，利用Python作為后臺模型的開發(fā)平臺，Java作為前臺頁面的開發(fā)平臺，從2019年3月份上線以來，系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)初步滿足用戶的需求，達(dá)到初期的運(yùn)行目標(biāo)。

4 結(jié)語

多介質(zhì)耦合優(yōu)化系統(tǒng)充分考慮公司的實際生產(chǎn)狀況、生產(chǎn)工藝、設(shè)備參數(shù)與運(yùn)行狀況等因素，設(shè)計符合實際生產(chǎn)狀況的參數(shù)和擬合曲線，建立了煤氣、蒸汽、水、電協(xié)同合作的多介質(zhì)耦合優(yōu)化模型。系統(tǒng)通過建立實時變化的折線圖來將實際值與預(yù)測值對比分析，指導(dǎo)生產(chǎn)向著最優(yōu)的調(diào)度方案調(diào)整，實現(xiàn)了能源管理與生產(chǎn)數(shù)據(jù)之間的互聯(lián)互通和反饋調(diào)節(jié)，展現(xiàn)了物質(zhì)流與信息流的相互轉(zhuǎn)換，是鋼鐵行業(yè)智能制造的重要組成部分。本系統(tǒng)為用戶提供多種設(shè)備參數(shù)、產(chǎn)品參數(shù)字典，實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的自由控制，提高了系統(tǒng)的適用程度。系統(tǒng)以總成本最低為目標(biāo)，對各種介質(zhì)進(jìn)行合理的分配，將介質(zhì)的利用率發(fā)揮到最大化，減少污染，降低鋼鐵產(chǎn)品的能源使用成本，提升了企業(yè)的競爭力。