一种基于单元分类的钢铁企业煤气调度模型.docx
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一种基于单元分类的钢铁企业煤气调度模型
一种基于单元分类的钢铁企业煤气调度模型
聂秋平。
2，吴敏1，张超1，熊永华1
（1中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙410083；2湖南华菱涟源钢铁有限公司信息自动化中心，湖南娄底417009）
摘 要：
针对如何高效、合理利用煤气的问题，以国内某大型钢铁联合企业为背景，通过分析其煤气系统流程与结构，按照在生产过程中所起作用的不同，对各煤气用户进行单元分类处理，每一煤气用户所属的单元拥有相同的煤气产消特点或方式；基于此单元分类方法，提出了一种新的煤气调度模型，模型根据实际生产需求来制定各煤气用户统一的调度目标，并根据用户所属单元类别采用不同的约束条件；最后给出了数学规划形式的模型表连式和相应的约束方程，并给出了模型的求解和应用实倒。
关键词：
钢铁企业；煤气；调度；单元分类；数学规划
中图分类号：
TP27 文献标识码：
A
L引言
煤气是钢铁企业重要的二次能源，其消耗量占企业总能耗的百分之30左右。
为了降低能耗，合理利用煤气显得尤为重要。
在实际生产中，由于生产、检修计划及其他因素的变化，各种煤气的产生与消耗量不断波动，煤气系统在短时间内易表现出不平衡状态，这可能导致煤气利用效率低下。
目前，针对煤气调度的研究主要包括模型化的方法和一些现代先进算法或理论，如分级理论、模糊技术、遗传算法、拓扑学原理等。
不过上述研究工作均从煤气系统整体考虑出发，制定全厂的调度目标与条件，而对细节，如各分厂煤气产消量特性、各用户自身产消煤气特点、某些煤气缓冲用户在煤气系统中所起作用的考虑则尚存欠缺。
本文在分析钢铁企业煤气系统的基础上，充分考虑了煤气用户在生产过程中的不同特点，通过分析各用户煤气产生或消耗特性，将其视为调度单元进行分类，根据实际生产情况确定目标函数和不同类别煤气用户的约束条件。
2钢铁企业煤气系统分析
在钢铁企业中，大部分生产过程需要产生或消耗一定量的煤气，煤气的产消量和热值高低对产品产量也有决定性的影响。
同时，煤气子系统作为能源系统中最重要的组成部分之一，在铜铁企业中起到了重要作用。
1）煤气系统流程钢铁企业煤气系统不仅涉及煤气生产、输送、贮存、分配、消耗、放散等诸多环节，还关系到多种工序产品产量和质量的提高、原材料成本的降低、环境污染的改善等一系列问题。
典型钢铁企业煤气产生与消耗的流程，如图1所示。
各种煤气介质经处理后先进入煤气柜，然后通过调压器或者煤气混合站供应到生产过程系统，或供应到动力车间的锅炉、燃气轮机等设备，转化为蒸汽、电力等其他能源介质。
高炉煤气是高炉炼铁的副产品，热值较低，一般为3000~3800kj/m3，产出波动大；焦炉煤气是炼焦生产的副产品，产量相对稳定，各种参数波动较小，热值高，一般为17598~18855kj/m3;纯氧顶吹转炉炼钢过程中产生大量的转炉煤气，其中，含百分之60～90的CO热值一般为7500~8000kj／m3，毒性大，每吨钢可回收70~100m3的转炉煤气。
2）煤气系统结构煤气系统包括煤气发生系统、输配系统和用户。
煤气发生系统包括产生高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气的设备；输配系统主要由管网，煤气柜、煤气混合站、煤气加压站组成；煤气用户则分布在各二级厂不同的生产过程中。
某钢铁企业煤气流向示意图，如图2所示。
各种煤气生产出来后，有自用户、加压站和直接用户3种流向。
炼铁厂产生的高炉煤气一部分用于炼铁厂自身的热风炉，一部分送往1号加压站，直接使用高炉煤气的有机电公司、炉料公司、焦化厂、烧结厂以及热电厂等；焦化厂产生的焦炉煤气除了自身使用外，还送至3号加压站、冷轧加压站，直接使用的用户有烧结厂、高炉热风炉、炼钢厂以及民用煤气等；转炉煤气用户主要是6号高炉热风炉、热电厂，及与焦炉煤气混合后供应热轧。
其中，部分用户同时使用几种单独的煤气，并不经过加压站，根据自身生产情况进行不同煤气的混合。
其中，作为主体生产单位的棒材厂、带钢厂、炼钢厂和烧结厂等用户的煤气消耗占煤气总消耗的百分之80以上。
进一步，可把煤气系统抽象为煤气管网，把用户描述为对应的单元模型，便可以得到煤气系统网。
4络结构的抽象表示：
由煤气管网和单元模型两部分组成，单元模型产生或消耗不同煤气，连接到不同煤气管网。
该结构可以用一个矩阵来描述，设煤气管网数目为Mp，为所有煤气管网进行编号，分别为l，2，…，单元模型数目为Me，也依次编号为1，2，…，M则网络结构A可用如下矩阵形式表示：
矩阵中的行对应煤气管网，列对应单元模型，矩阵中每一个元素取值为0，1或-1，对于第。
行第，列（1≤i≤N，1≤j≤Mu）的元素有：
3煤气调度单元分类
作为调度单元的煤气用户是煤气优化调度的基本单位。
调度单元由用户根据生产结构、工艺流程和调度问题的具体目标与需求来确定，可以为某一设备，或者是某一类型的多个设备的组合。
如对于总厂级调度来说，调度单元可能是分厂、某道工序；对于分厂级调度来说，它可能是车间、具体设备。
实际调度中的通常做法是确定多级调度单元，如一级调度单元有焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢等，而烧结可分为130烧结、180烧结、280烧结和360烧结等若干二级调度单元。
调度单元的细化程度将对调度结果产生直接影响。
为了确定合理的
建模方法，需耍首先根据调度单元的相关性质，对其进行归类。
本文根据调度单元在煤气优化调度过程中所起的作用、产生和消耗煤气方式，将所有调度单元分为以下4类：
①煤气固定型单元该调度单元直接或间接产生或消耗煤气，消耗煤气为单一种类或者是各种煤气介质之间的某一比例值。
当生产任务下达后，其产生和消耗的煤气种类和数量均为定值，且不可随意分配，不满足需求的煤气供应可能导致生产任务的延误或产品质量的下降。
对应图2中此类单元包括消耗高炉煤气的焦化厂、机电公司、4号锅炉和炉料公司等，消耗焦炉煤气的民用煤气、3200高炉和2250冷轧等，消耗转炉煤气的35锅炉和6号高炉等。
②煤气可变型单元该类调度单元在生产过程中产生或者消耗特定煤气介质，但其煤气产消量具有可调节性，通常为多种煤气介质的组合。
在指定生产任务条件下，可采用不同煤气组合和配比，对煤气产消关系进行调整。
通常煤气组合须满足一定的约束条件，包括配比关系约束、煤气使用量上下限约束及煤气调整速度约束等。
此类单元主要包括除煤气固定型单元以外的主体生产用户，所消耗的一般都是经过加压后的混合煤气。
③煤气转换型单元该单元负责将煤气转化为另一种形式的能源，对应的能源设备主要包括以各种煤气、蒸汽为燃科产生蒸汽和电力的发电机和锅炉等。
在该类调度单元中，转化与被转化能源的量一般具有一定的可调节性。
此类单元包括产生电力的机电公司等。
④煤气缓冲型单元具有煤气缓冲能力的调度单元。
该类调度单元本身不参与煤气的产耗计算，一般作为缓冲设备来增强所连接管网的缓冲能力，并对其提供调节平衡的能力。
此类用户在图2中并没有特别注明，一般包括煤气柜、蒸汽锅炉等。
其缓冲能力的大小由对应设备的属性决定，如煤气柜容量大小、柜位上下限约束、柜位变化速率约束、管网压力范围、锅炉容量等。
在确定调度单元所属类型时，如果调度单元有上述分类中两种或两种以上的属性，需将调度单元细分，直到每个调度单元可归属到一类为止。
如：
图2中的冷轧、一炼钢可将其分为煤气固定型单元，也可视作煤气可变型单元，此时可将调度单元细化到生产过程中具体的某一设备来确定所属类型。
4煤气调度数学模型
煤气调度的目标是在给定生产计划、检修计划与系统当前状态的前提下，基于已知煤气网络和单元模型，确定满足生产需求的最佳煤气分配方案。
针对煤气调度过程，以往一般都是调度人员根据预先制定的生产计划确定各个用户的煤气消耗值。
若生产计划临时改变或在生产过程中发生某些意外，如设各发生故障需要停机等，此时则只能依靠调度人员的人工经验对煤气量进行重新分配，以确保生产稳定，但是，此类做法与调度人员的素质、责任心和操作水平有关，调度结果的可靠性不高，缺乏对调度结果的准确评价。
同时，当系统规模增大时，调度人员由于自身条件的限制，往往难以给出合适的调度方案。
数学规划的研究对象是计划管理工作中有关安排和估值的问题，解决的主要问题是在给定条件下，按某一衡量指标来寻找安排的最优方案。
它可以表示成求函数在满足约束条件下的极大极小值问题。
数学规划方法作为一种有效的手段在解决调度问题领域已得到成功应用。
本文的煤气调度问题可描述成数学规划的形式：
即将调度目标表示成目标函数，将保证生产安全、设备安全与能源稳定供给等众多条件作为约束条件。
1）目标函数根据实际生产需求，可将煤气优化调度目标分为以下3类：
①煤气平衡通过各种调节措施，达到各煤气管网的平衡与稳定，以确保煤气的稳定供给和生产安全运行，这是煤气优化调度的最基本要求。
式
（1）表示各管网的煤气流量平衡或压力稳定：
上述4类用户煤气管网都必须保证在平衡的基础上才能迸行优化调度。
②煤气放散最小化在确保煤气平衡的前提之下，进行合理的调度分配。
当煤气富足时，可进行储存或将煤气与蒸汽混合发电；当煤气不足时，优先保证关键工序的供给或把不同煤气按一定比例混合以达到用户热值要求以供生产，尽可能减少不必要的煤气放散。
式
（2）表示使某一调度时间段内各管网放散量之和最小化：
式中，J2为某一调度时间段内各管网放散量之和；φk为第k个管网放散权系数；Qxk（ti）为第A个管网放散量；TN为调度时间段数，某时间段记为fi，1≤ti≤TN；Mp为煤气管网数，对于某一个煤气管网，用A表示，l≤k≤Mp。
③经济效益最大化实际生产活动中，通常会综合考虑外卖、外购及价格因素，以达到企业整体效益的最大化。
煤气的产生需要消耗一定量的焦炭或煤炭，钢铁企业外卖或外购量占据了能源成本很大一部分，因此定义两个优化调度子目标如下：
子目标1外卖最大化
字母表2外购最小化
将两个子目标综合便可以得到
式（3），式（4）分别表示使某一调度时间内各管网外卖资源最大化与外购资源最小化，而式（5）表示外卖与外购量经济之差，即使得在该段调度时间内经济效益的最大化。
2）约束条件煤气固定型单元的煤气消耗量主要由产品产量决定，一旦生产计划制定完成，在无特殊情况下，其煤气消耗量基本保持在某一个水平，上下波动幅度不大，因此在约束条件方面暂时未作考虑，故煤气调度约束方程的形式主要可以分为可变型单元模型约束方程、转换型单元模型约束方程和缓冲型单元模型约柬方程3类，同时，把煤气管网的平衡也作为考虑因素之一加入到约束方程中。
①煤气可变型单元约束方程考虑某煤气可变型单元，m，n为其煤气输入管网，则有：
a）混合煤气配比约束为保证能源质量和生产安全，所使用混合煤气的各煤气配比必须在一定范围之内：
式中，δmn（max），δmn（min）分别为单元消耗煤气m，n的配比的上下限；xm（ti），xn（ti）单元在某煤气管网m，n的煤气消耗率。
b）煤气消耗量约束 由于生产工艺需求，某一过程的正常发生必须要有一定量特定煤气介质的参与：
e）调节速率约束当调整煤气配比结构时，其调节速度要控制在一定的范围之内，否则可能导致生产安全问题：
式中，Xm（ti），xm（ti-l）分别为目前调度时间段与上一调度时间段单元的煤气消耗率；λm为单元消耗煤气m的变化速率的上限。
②煤气转换型单元约束方程考虑某煤转换型单元，m，n为其煤气输入管网，p为其煤气输出簪网，则有：
a）混合煤气配比约束作为煤气转换型单元的输入，其混合煤气的配比也要求控制在一定范围之内：
b）煤气消耗量约束 由于煤气转换单元的操作要求，特定输入煤气介质需要约束在某一范围之内：
其中，式（9），式（10）中各符号的含义分别与式（6），式（7）相同。
c）能源产生量约束 由于煤气转换单元本身的功率、转换效率等问题，使得其输出（能源产生量）也有约束条件限制：
d）调节速率约束调整煤气输入或能源输出量时，也要在一个合理的变化速度范围内进行：
式（12）中各符号含义与式（8）相同，式（13）中，yp（ti），yp（ti-1）分别为目前调度时间段与上一调度时间段单元的能源产生量；ηp为单元产生能源p的变化率的上限。
对能源中心实施操作的设备都设置观场、能源中心两级控制，非正常情况可以人工手动操作。
能源中心本身不设置实时调节系统，回路控制在现场控制系统中完成，能源中心通过能源网，对其进行参数设定和调节操作。
企业老生产区煤气系统大部分有PLC控制系统，但控制系统功能和工艺设备不符合无人值守要求。
新区煤气系统要实现元人值守的要求，PLC控制系统通过能源监控环网直接接人能源管理系统中
③煤气缓冲型单元约束方程考虑某缓冲型单元，v表示其存储状态，如煤气柜柜位等，则有：
a）状态约束煤气缓冲型单元的存储状态受其本身存储能力的限制：
式中，v（ti）为单元的存储状态；V（max），y（min）分别为存储能力的上下限。
b）状态变化速率约束：
c）管网放散量约束管网放散在煤气缓冲型单元存储缓冲能力达到上限时发生，如煤气柜柜位或管网压力达到上限。
记某时间段内其煤气产耗不平德量为c（ti），则有：
给定存储状态V（t，）和煤气产耗不平衡量V（ti），考虑管网放散量Qm（ti），存在以下情况：
管网存储能力未达到上限，且煤气产耗不平衡量C（ti）。
其中，K为调整系数，为煤气柜中的绝对温度，世中的R为通用气体常数，为8314J．mol-1．为煤气柜的底面积，P为煤气柜压力。
管网存储能力未达到上限，但煤气产耗不平衡量已超出管网缓冲能力范围，此时发生放散。
即此时有：
管网存储能力达到上限时，，也发生放散，此时有：
④煤气管网平衡约束方程可按煤气管网是否连接有能源缓冲模型或是否具有储存／冲能力，将其分为两类：
a）煤气储存／缓冲型管网 在该类能源管网中，连接有能源缓冲模型或管网本身可看作能源存储／缓冲能力，如连有煤气柜的管网、送气过程中经过缓冲单元的管网等，其平衡方程为
b）非煤气储存／缓冲型管网在该类煤气管网中，没有能源存储模型连接，管网本身不具有存储／缓冲能力设备，如未连煤气柜的管网、直接输送至各主生产单元的管网等，其平衡方程为
3）模型的求解和应用 上述模型表达式由3个目标函数和一系列等式或不等式的约束方程构成，其求解过程即为寻求目标函数极值的过程，通过求解方程得到的结果即可作为单元的煤气优化值。
①模型的求觯以煤气可变型单元作为典型对象描述，具体的求解过程，其具体步骤如下：
Stepl 以企业煤气流向示意图确定可变型单元具体用户及该类单元用户的煤气管网数目A缸。
Step2通过管网检测装置确定各管网的煤气流人／流出量，记两者之差为^，并以式
（1）作为目标函数之一。
Step3 以企业调度需求确定调度时间段强的值，并根据式
（2）-式（5）以企业实际生产情况，将式
（2），式（5）也作为目标函数。
Step4通过实际生产过程和企业数据报表，分别确定该类单元中每个用户具体的煤气消耗情况，以此求得式（6）~式（8）中各参数与变量的数值。
Step5以式
（1），式
（2），式（5）作为调度目标函数、以式（6）~式（8）作为约束条件，进行数学规划方程求解，当满足所有目标函数时，以此时的结果作为该段调度时间内各用户的煤气调度值进行优化调度；当需要在其他时间段内再次进行调度时，返回Step2。
Step6返回调度结果值，用于备用户煤气的合理分配。
②模型应用实例以下以煤气可变型单元为具体应用实例，说明模型的求解及实现过程。
由图2所示煤气沆向和实际生产情况可确定企业煤气可变型单元包括热轧板厂、带钢厂、棒材一厂、一炼钢厂等14个生产用户，根据上述模型的求解过程。
a）首先需要针对每一用户确定其管网连接关系，包括管网分布、管网数目等。
根据图2所示结构，在此可取煤气管网数目MP为17，即包括14个用户各自的管网和高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气等。
3个主煤气管网；然后通过各用户自身的检测装置测量各管网的流量，并取管网流量之差为以ji=0为目标确保管网平衡与稳定。
调度时间则以企业生产调度需求确定。
b）在实际生产过程中，难免存在因各种因素而导致煤气放散的情况，此时需要对单元中各用户的放散情况进行统计，包括用户具体放散量和放散权系数等。
放散量来源于各生产用户生产数据，而放散权系数则由各用户自身决定，如热轧板厂所连接的高炉煤气管网在某一调度时间内放散量为65.7m3，其对应的放散权系数为0.23，需要将上述l4个用户放散量累积，并把结果作为调度目标函数五。
c）煤气产生过程中消耗的原料如焦炭或煤炭等资源需要进行外购，外购量取决于各用户所需煤气用量，同时也要考虑资源外卖量，而价格系数则根据当前市场价格实际水平决定，以实际经济效益作为调度目标函数。
d）针对不同的约束条件，以单元中各用户煤气产消特性决定其中的参数值。
如：
当焦炉煤气量不足时，可将高炉煤气与其混合使用，此时两种煤气的混合比则根据用户对生产要求的不同而决定，一般来说，焦炉煤气与高炉煤气的比例应当控制在1：
2～1:
3之间，以满足不同用户对煤气热值的要求；其余变量值由企业实际生产数据决定，各用户的煤气产生／消耗量则通过企业设备检测得到。
e）利用以上各种参数与数据，按照上文的方法对模型进行求解，可得到该类单元中各用户的煤气数值，此值即为优化后的煤气调度值，可满足所有的调度目标。
运用上述方法后得出的煤气调度结果，见表1。
表中各数据为某一日煤气调度值，主要是根据前段时间生产数据和生产计划对下一日的煤气分配进行安排，以满足上述3个调度目标，并最终达到提高煤气利用效率和企业经济效益的目的。
其中，各数据如煤气流量、产消量、放散量、产品产量和各种生产参数等均取自企业内部能源数据库。
当前，大部分钢铁企业均采用通过观测现场数据的方法对煤气进行人工调度，调度人员根据个人经验给出调度方案，调度过程存在一定盲目性，而利用该模型对煤气系统进行优化调度，可使煤气调度过程有明确的调度目标，克服了以往人工调度过程中的主观性大，准确性低等缺点，减少了煤气放散量，提高了煤气利用效率。
5结语
本文以国内某大型钢铁联合企业为研究背景，介绍典型钢铁企业煤气产生消耗流程与煤气系统的网络结构，通过在生产过程中的不同作用和在调度过程中的相关属性特点将煤气调度单元分为煤气固定型、煤气可变型、煤气转换型和煤气缓冲型等四类，以数学规划的方式统一建立了煤气调度的目标函数，针对不同类型单元在生产过程中的特点分别提出了相应的约束条件，并以煤气可变型单元为典型示例给出模型的求解方法和相应的应用。
该调度模型的建立将在钢铁企业合理优化煤气调度过程方面发挥指导惟作用，同时为企业节约能源费用，提升经济效益和能源信息化管理水平提供重要方向。
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