以放散最小为目标的钢铁企业煤气系统优化模型的研究

(1.日照钢铁控股集团有限公司，山东 日照 276800;2.北京科技大学能源与环境工程学院， 北京 100083)

0 引 言

近年来，我国钢铁产量仍保持着上升的趋势。2010-2011年，由于国际和国内经济形势的不景气的影响，我国钢铁生产提高速度有所减缓，但仍然达到了6.955亿t粗钢。

我国钢铁工业的高能耗给环境带来了沉重的负担，环境污染是我国钢铁工业必须面临的重要问题[1-3]。面对这一问题，提高生产合理化水平，进一步进行工艺上的调整以及减少能源成本的重要性进一步提高，对钢铁企业克服难关有着重要的意义。

一直以来，对单体设备和生产单元进行节能优化，是能源工作者努力的方向。对单元设备进行优化，局部上是节能的，但由于钢铁生产单元繁多，各单元间关系复杂，从整体生产的角度来看就未必经济。

例如：降低矿石的品味可在选矿阶段减少能源消耗，但势必将在烧结等后续工序投入更多的能量，反而造成了整体消耗的增多。因此，系统节能已成为时下最先进的节能理念。因此，越来越多的学者已着手进行了能源优化和调度的研究[4-8]。

副产煤气是钢铁企业在生产钢铁产品的同时产生的重要二次能源，占企业总能源消耗的30%左右。因此，对副产煤气进行预测和合理的调度，对钢铁企业的整体节能效果有着重要的作用[9]。

比如，宝钢在1995年时的高炉煤气的放散率约为16.1%，通过能源管理中心对二次能源进行合理分配和使用后，到1999年其放散率已达到0.12%，接近了极限回收的理念，对经济效益和环保要求起到了巨大的推进作用[10]。

1 能源管理系统概述

钢铁企业能源管理系统(EMS, Energy Management System)，是对钢铁企业的生产进行监控，相关数据得以及时显示，数字等报表进行处理，同时还包含了高级别的能源预测及调度功能的综合性系统。系统按其功能的不同，通常分为3个部分：数据采集层、数据逻辑层和数据展示层。

图1 能源管理系统结构图

数据采集层根据实际生产监控上的需要，对多种能源介质信息量，如电量、高炉煤气流量、氧气流量、净水流量等实现实时监控，并将监测获取的数据存放至各个分区设置的数采子站与采集点相连。

具体实现通过仪器仪表等相关手段及方法，对各单元和设备进行数据采集，通过标准化方法和数据子网将数据整理后传输到各子站，经统一的协议编码后，由子站将数据传输到总网，以得到数据的汇总和备份。

数据逻辑层是能源管理中心的核心部分，负责数据的组织、存储、分析等多种功能。该层通过对采集得到的数据进行监视和计算，从而得到包括对比设备性能参数及时发现故障，从而进行报警等提示，快速得到故障处理的方案并实行；并通过能耗预测模型和优化调度模型，分别得到对未来能耗的趋势预测，以及对能源及二次能源进行最优的分配，以实现最优调度的目标，完成生产利润最大化或消耗的最小化，以实现能源管理中心的主要功能。

数据展示层，主要功能是将各采集得到的单元的运行情况，以及逻辑层经过处理得到的能耗预测和优化等结果，通过画面等手段。以数字曲线及报表等形式，面向调度员等用户进行展示。用以满足企业网用户和Web用户两种用户的业务需求。

2 钢铁生产流程设备分类

对钢铁企业内副产煤气进行调度，就要对煤气使用及流通对象进行分类，以便于计算过程中的简化处理。

在钢铁生产的流程中，按设备对副产煤气的处理功效，在文中的研究过程中，将设备进行以下四个方面的分类：

(1)副产煤气消耗设备

该类设备是钢铁生产流程中的主要功能设备，对副产煤气进行消耗。其消耗的副产煤气，可能是单一种类的煤气，也可能是按照其热值要求所混合的多种副产煤气，例如，高炉热风炉、加热炉和热处理炉等。

该类设备由于生产上的需要，其所需的煤气量和煤气品质必须得到满足，否则可能影响生产上的连续性。

(2)副产煤气缓冲设备

该类设备是钢铁生产流程中的辅助设备，往往通过副产煤气的输入，可以进行能源上的转化，如锅炉等，在副产煤气总量富余的时候，可以通过其功能的实现，满足其他能源，如电力和蒸汽等的部分能源需求。

该类设备在运行的过程中，往往可以使用除副产煤气外的其他能源物质，来达到其正常运行的功能；同时，在副产煤气总量富余的时候，也常通过多种副产煤气的配比，以满足其热值上的需求。

该类设备在整个副产煤气管网中，往往起到一个缓冲的能力，即在煤气大量富余的时候，通过对这类设备的使用，可以达到减少煤气放散，以及维持煤气管网安全压力的目的。因此，在对该类设备进行副产煤气的供气时，供气量往往低于其最大煤气消耗量。

(3)副产煤气储存设备

该类设备是维持管道压力、减少煤气的放散以及保证用气连续性的重要设备，如高炉煤气柜等。该类设备通过对其开度或阀门的调节，在副产煤气富余的时候进行一定量的储存，以减少煤气的放散，并维持管网的安全压力；同时，在煤气发生量不足的时候，又可以通过活塞的调节，减少其储存量，起到补充煤气缺口，保证生产的安全和连续性的作用。

该类设备进行副产煤气的储存和输出，根据其自身特点，其柜位需维持在其储存能力的安全上下限之间；另外，由于活塞和阀门调节速度的限制，其缓冲的速率应不高于其安全调节速率值。

(4)副产煤气输送设备

不同于其他的能源物质，副产煤气由于其流动性和连续性的特点，要通过煤气管道进行煤气的传输。

煤气管道作为副产煤气重要的输送设备，在进行煤气运输的过程中，对副产煤气使用上的“质”和“量”，有着以下的影响：

首先，由于管道自身距离长、弯头和阀门较多的特点，由于其引起的沿程和局部压力的损失，使得煤气管道在输送的过程中，会造成煤气品质的降低。因此，对煤气管道进行研究，可以判定煤气出口和入口的需求压力是否匹配，即能否满足生产的需求；在不满足需求的时候，怎样通过相应加压站的建立，以达到匹配的目的。

其次，由于管道结构和材料安全压力的要求和限制，在进行煤气调度的过程中，其调度计划是否可行，同样可通过对管道的研究得出。

然而，大多数钢铁企业煤气管网建设年代较长，且由于后期的扩张和建设，导致阀门等部件的品牌和规格的不匹配或者相应数据的遗失，导致难于对煤气管网进行模型的建设，其在煤气输运过程中的作用，也被不同程度的忽略和简化。

3 副产煤气的多目标优化模型

副产煤气是钢铁企业生产过程中重要的能源介质。所以，满足各单元生产的煤气需求，维持煤气管道的安全压力，同时，在煤气总量富余时进行一定量的存储，以确保煤气不足时的缓冲使用，都是副产煤气调节的重要因素。因此，对多种副产煤气进行合理的配比使用，对减少企业的能源成本，保证生产的安全和连续，是十分重要的。

由于副产煤气的热值不同，在同一时刻的发生量同样有着一定的区别，故在副产煤气的使用过程中，通过煤气的灵活配比，往往在能够满足生产需求的条件下，还能够充分的对煤气进行利用。因此，为了达到对副产煤气进行优化使用的目的，通常会以各种煤气的热值为基准，以当前时刻的发生量为依据，以各种煤气的最小放散最为目标函数，以实现优化使用副产煤气的最终目的。

以企业利用高炉和转炉两种煤气为例，建立以最小放散为目标的函数如下：

ε1[Hmax1-H1(τ)]

(1)

ε2[Hmax2-H2(τ)]

(2)

在建立了目标函数之后，就要针对具体设备建立与目标函数匹配的约束条件。

(1)根据煤气整体的产耗平衡建立如下的约束条件

Hbfg(τ-1)]+Lbfg(τ)

(3)

Hldg(τ-1)]+Lldg(τ)

(4)

(2)根据主要消耗设备的煤气以及最小热值需求，建立如下的约束条件：

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)根据缓冲(转化)设备的煤气需求，建立供应的调节煤气量小于其最大需求量的约束条件：

Fbfg,j≤Xbfg,j

(8)

Fldg,j≤Xldg,j

(9)

(4)根据储存设备(煤气柜)的特征，建立柜位在最大及最小安全柜位之间，以及柜位的缓冲速度小于安全速度的目标函数：

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)同时，上述约束条件中的每一项均不为负。

各变量的定义如下：

Lbfg(τ)——当前时刻高炉煤气放散量

Lldg(τ)——当前时刻转炉煤气放散量

BFG(τ)——当前时刻高炉煤气总产生量

LDG(τ)——当前时刻转炉煤气总产生量

BFGi(τ)——当前煤气消耗设备高炉煤气使用量

LDGi(τ)——当前煤气消耗设备转炉煤气使用量

BFGj(τ)——当前煤气缓冲(转换)设备高炉煤气使用量

LDGj(τ)——当前煤气缓冲(转换)设备转炉煤气使用量

ε1——高炉煤气柜位与煤气量的转换系数

ε2——转炉煤气柜位与煤气量的转换系数

Hmax1——高炉煤气柜柜位上限

Hmax2——转炉煤气柜柜位上限

H1(τ)——高炉煤气柜当前柜位值

H2(τ)——转炉煤气柜当前柜位值

Q1——高炉煤气热值

Q2——转炉煤气热值

Fbfg,i——煤气消耗设备高炉煤气实际供应量

Fldg,i——煤气消耗设备转炉煤气实际供应量

Xbfg,i——煤气消耗设备高炉煤气需求量

Xldg,i——煤气消耗设备转炉煤气需求量

Fbfg,j——缓冲(转化)设备高炉煤气供应量

Fldg,j——缓冲(转化)设备转炉煤气供应量

Xbfg,j——缓冲(转化)设备高炉煤气需求量

Xldg,j——缓冲(转化)设备转炉煤气需求量

△H1——高炉煤气柜安全柜位变化量

△H2——转炉煤气柜安全柜位变化量

4 结束语

对副产煤气进行以放散最小的模型建立，同时得到其相应的约束条件以进行求解，对于钢铁企业的副产煤气的使用和管理有着重要的作用。

这样保证了煤气的充分使用，又起到了减少煤气放散、保证生产安全和连续性的作用，对钢铁企业副产煤气的合理使用有着重要的启示和意义。