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《》项目总结报告

《钢铁企业能源管控系统煤气优化调度关键技术研究》项目总结报告

一、项目概况

项目名称：

钢铁企业能源管控系统煤气优化调度关键技术研究

立项时间：

2015年7月

项目编号：

BY2015070-23

项目负责人：

郝勇生

项目承担单位：

东南大学

项目合作企业：

国电南瑞科技股份有限公司

经费情况：

省拨款30万元，自筹经费6万元

本项目研究内容主要包括四个部分：

1）钢铁企业主工艺（设备）煤气产/耗特性研究与模拟，采用机理与数据驱动相结合方法建立设备产/耗特性模型；

2）钢铁企业自备电厂煤气消耗特性研究与模拟，建立煤气消耗量特性模型，进而预测电厂煤气消耗裕量；

3）建立多目标优化模型；研究多目标协同优化算法，进而研究工艺设备、燃气火电机组以及混合煤气配比调整策略；

4）钢铁企业煤气调度优化软件的功能和接口设计，探索适合于在钢铁企业推广的用户软件使用模式。

二、项目实施情况

2.1组织保障

成立了由东南大学、国电南瑞科技股份有限公司、中天钢铁集团公司等多家单位联合组成的项目组，明确了项目组负责人及项目成员的工作职责。

定期召开项目技术联络会，项目执行期间，共计召开项目技术联络会8次，技术联络会的主要议题为小结前一阶段工作，安排下一阶段工作计划，保证项目研究工作保质保量的有序向前推进。

项目组职责如下：

1）项目领导小组

Ø制定项目组的组织机构和总体研究方案；

Ø负责与试点钢铁企业的联系沟通；

Ø负责各项目技术小组工作协调及技术方案的评审。

2）现场调研及数据预处理小组

Ø负责钢铁企业现场调研及数据获取工作；

Ø负责研究海量历史数据的预处理算法。

3）煤气优化调度核心算法研究小组

Ø负责钢铁企业设备煤气产耗特性建模；

Ø负责钢铁企业自备电厂煤气耗特性建模；

Ø负责研究钢铁企业副产煤气产耗量的预测算法；

Ø负责研究多目标协同优化算法；

Ø负责较长时间尺度的副产煤气优化调度算法研究；

Ø负责较短时间尺度的副产煤气优化调度算法研究；

Ø负责研究工艺设备、燃气火电机组以及混合煤气配比调整策略；

Ø负责煤气消耗设备时序优化研究。

4）优化调度软件模块设计小组

Ø负责整个软件模块的程序设计；

Ø负责与管控软件平台接口设计与开发。

2.2工作过程

钢铁企业能源管控系统煤气优化调度关键技术研究项目的实施需要和合作单位国电南瑞科技股份有限公司以及试点钢铁企业中天钢铁集团协调配合，以及各项目技术小组之间的紧密协调配合，才能保证项目顺利开展。

本研究项目工作过程如下：

a）2015年7月

项目启动；

b）2015年8月—2015年10月

业务需求调研分析、现场调研、系统原型设计与研究方案制定；

c）2015年11月—2016年2月

完成功能设计说明书初稿，调研现场数据获取方案；

d）2016年3月—2016年11月

评审功能设计说明书初稿，开展关键技术研究，提出高级应用功能设计方案并组织评审；

e）2016年12月—2017年4月

软件接口模块设计、开发与调试；

f）2017年5月—2017年10月

开始基础功能、高级应用功能软件模块开发；

g）2017年11月—2016年12月

编写项目验收材料，准备项目验收。

2.3实施方案

本项目在信息化的基础上，对钢铁企业煤气系统安全、稳定、经济调度的相关技术资料、文献进行广泛调研，研究适应于能够为钢铁企业煤气优化调度提供更科学、更实用、更有预测准确性的整体应用解决方案。

为了保证项目实施，在项目实施的各个重要阶段都形成各阶段性方案文档，保证项目的实施。

项目执行阶段，形成会议纪要5份，实施方案4份，软件设计说明书2份，极大的保证了项目按时、有效的实施。

三、项目技术情况

3.1技术路线

本项目针对钢铁企业副产煤气系统优化调度问题进行研究，解决目前优化调度中自备电厂调节过于频繁，未能与煤气柜缓冲方式进行合理区分等实际调度中存在的诸多问题。

本项目采用两种尺度的分层优化，在一小时这个尺度上优化模型中缓冲设备只考虑自备电厂，忽略煤气柜，在十分钟这个尺度上优化模型中缓冲设备则只考虑煤气柜，这样充分体现两种缓冲设备各自的特性。

同时为实现双尺度优化本研究对于重要设备煤气产/耗量预测采用了基于BP神经网络修正的ARMA模型，既可以预测未来多周期的煤气产/耗量，又保证了在生产状态变化时模型预测的精度。

本项目为完善优化调度研究的完整性，研究了自备电厂的煤气耗特性，在优化调度中考虑了自备电厂机组间负荷分配问题。

具体研究内容如下。

1、钢铁企业设备煤气产耗特性建模研究

本研究基于机理分析和专家知识（如丰富的运行经验），建立了副产煤气生产设备特性模型（产气特性）、副产煤气消耗设备特性模型（耗气特性），并对煤气系统中的副产煤气缓冲设备特点、副产煤气混合站特点进行了分析。

2、自备电厂煤气耗特性建模研究

本研究采用一种基于设计数据机理建模与基于运行数据修正模型参数的混合建模方法。

该方法利用设计数据，通过循环函数法建立抽汽供热机组煤气耗特性与其热、电负荷的关联方程式，进而采用典型工况下运行数据修正模型参数。

该方法相较单纯利用设计数据，计算精度较高，且不需太多运行数据。

3、设备煤气产/耗量预测算法研究

本研究提出一种基于BP神经网络修正的ARMA预测模型，即满足了本研究双尺度优化调度多尺度预测数据的需求，又使预测模型能较好地应对生产状态变化的情况，提高了模型整体预测精度。

同时，对于单一影响因素及影响因素不易确定的设备，分别建立了回归预测模型和ARMA预测模型，也都取得满意的预测精度。

4、较长时间尺度的副产煤气优化调度算法研究

本研究提出了一种双尺度优化调度模型的优化思路和过程，以钢铁企业副产煤气系统为对象，研究双尺度优化中的较长时间尺度（1h）下副产煤气的优化问题。

较长时间尺度下忽略煤气柜的调节能力，采用自备电厂作为主要缓冲手段。

由于较长时间尺度下副产煤气优化是一个非线性的多目标优化问题，本研究采用多目标遗传优化算法对其实现优化调度。

5、较短时间尺度的副产煤气优化调度算法研究

在较长时间尺度副产煤气系统优化调度的基础上，对于较短尺度副产煤气系统进行优化调度研究。

以煤气放散量最小为目标函数，结合设备煤气产/耗模型预测的10min粒度数据对副产煤气系统进行优化。

通过优化结果的分析比较可知，本研究提出的方法优化后副产煤气系统煤气放散量为0，且煤气柜柜位波动更小，自备电厂负荷稳定，调整频率较低。

6、多种煤气介质最优混合配比算法研究

本研究提出一种混合煤气逆向分解的方法，将各设备（包括煤气消耗设备与电厂）所用的混合煤气中包含的众多单一煤气成分体积，表示为各设备获得热量与混合煤气热值的函数，确定了体积变量与热值、热量变量之间的转化关系。

在此基础上建立了多煤气介质最优混合配比模型，该模型以各设备的混合煤气热值、设备获得热量作为决策变量，以各煤气消耗设备的热量偏差最小为目标，综合考虑了各煤气设备的热值要求、自备电厂的热量与热值要求，三种副产煤气体积守恒等约束条件，并采用遗传算法求解该带有众多约束条件的非线性问题，同时利用遗传算法基因初始化的范围区间控制混合煤气的热值范围。

3.2关键技术

1）依据钢铁企业生产流程上下游的联系，以铁水生产速率为基础，建立了不同状态下的煤气生产设备、消耗设备的特性模型；

2）提出一种基于BP神经网络模型修正的ARMA模型预测，此混合模型既具有ARMA模型可多周期预测的优点，又通过BP神经网络模型可在生产趋势变化时修正ARMA模型的预测结果；

3）提出一种基于设计数据机理建模与基于运行数据修正模型参数的混合建模方法；

4）基于副产煤气系统两种主要煤气缓冲手段特性不同，提出一种双尺度的煤气优化调度策略；

5）在双尺度的副产煤气具体优化中，提出一种基于改进的基因设计方式的多目标优化算法；

6）建立多煤气最优混合配比模型，模型以各煤气消耗设备所需热量偏差最小化为目标，并考虑热量、热值、煤气量等约束。

3.3创新点

1）提出一种基于BP神经网络模型修正的ARMA模型预测；

2）基于副产煤气系统两种主要煤气缓冲手段特性不同，提出了一种双尺度的煤气优化调度策略；

3）提出了一种基于改进的基因设计方式的多目标优化算法；

4）提出了一种建立多煤气最优混合配比模型。

四、合同任务指标完成情况

4.1项目研究内容完成情况

本研究项目目前已经完成了合同所规定的所有研究工作，技术成果满足合同要求。

依据钢铁企业生产流程上下游的联系，以铁水生产速率为基础，建立了不同状态下的煤气生产设备、消耗设备的特性模型；

1）提出一种基于BP神经网络模型修正的ARMA模型预测，此混合模型既具有ARMA模型可多周期预测的优点，又通过BP神经网络模型可在生产趋势变化时修正ARMA模型的预测结果；

2）提出一种基于设计数据机理建模与基于运行数据修正模型参数的混合建模方法；

3）基于副产煤气系统两种主要煤气缓冲手段特性不同，提出一种双尺度的煤气优化调度策略；

4）在双尺度的副产煤气具体优化中，提出一种基于改进的基因设计方式的多目标优化算法；

5）建立多煤气最优混合配比模型，模型以各煤气消耗设备所需热量偏差最小化为目标，并考虑热量、热值、煤气量等约束；

6）申请发明专利2项，撰写科技论文2篇。

4.2项目研究成果

（一）《钢铁企业煤气优化调度关键技术研究报告》1份；

（二）《钢铁企业煤气优化调度软件设计说明书》1份。

（三）专利2篇：

1）一种基于小波变换的ARMA-RBF副产煤气发生量组合预测方法

申请号：

201710609626.6

申请日期：

2017年7月25日

申请人：

东南大学

主要完成人：

郝勇生、王培红、赵刚、顾玉顺

2）一种钢铁企业煤气消耗设备时序优化方法

申请号：

201711127829.8

申请日期：

2017年11月15日

申请人：

东南大学

主要完成人：

赵刚、闫雷、郝勇生、王培红

（四）论文2篇：

1）钢铁企业日际煤气最优混合配比的算法研究

发表刊物：

热能动力工程（中文核心）

录用时间：

2017年7月4日

主要完成人：

闫雷、王培红、郝勇生

2）煤气发电锅炉耗差分析建模研究

发表刊物：

热力发电（中文核心）

录用时间：

2017年11月13日

主要完成人：

郝勇生、王培红、赵刚

五、项目绩效分析

5.1经济效益

1）通过煤气产/耗量预测，使得煤气调度人员能够准确掌握短期内煤气管网运行状态及变化趋势，避免出现由于短期煤气供需不平衡导致的煤气放散或设备停机等异常情况，从而减少煤气浪费，保障稳定生产；

2）通过较长及较短时间尺度的煤气优化调度策略，在保证煤气零放散的前提下，使得自备电厂及煤气柜波动最小，降低设备损耗；

3）通过多煤气介质最优混合配比，保证各煤气设备热量偏差最小，生产成本最优。

因此，通过本项目，既可以使钢铁企业煤气系统零放散，同时还能够减少设备因煤气供需矛盾造成的异常停机，因此能够获得比较显著的经济效益。

5.2环境效益

通过本项目，对钢铁企业实现煤气管网安全、稳定、经济运行提供了有力支撑，降低煤气放散，并由此降低钢铁企业SOX、NOX等污染物排放。

六、存在问题、有关建议及下一步研究设想

本研究项目基于钢铁企业时序优化的概念进行了两个时间尺度的优化调度，取得了初步的成果。

本研究中还有一些可以进一步深入和完善的地方：

（1）本研究建立的各设备的煤气产耗模型，多是平均值或分段平均值模型，模型的精度不高，如果对这部分的模型进行进一步研究，建立相对精确的产耗模型，则可以更加贴近实际的生产状况。

（2）本研究没有对检修与休风进行考虑，对于临时性、突然性的短休风与检修，如何保证煤气系统的产耗平衡，还要进一步研究。

（3）本研究将各煤气消耗设备的煤气热值优化为一个固定值，如果进一步将各设备每一个小时的热值都进行一次优化，那么对整个煤气系统的产耗平衡优化，会有很大的帮助，这也是在后续研究中需要加以考虑的。