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

李雪晴，詹守權(quán)，劉偉

（1.鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)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(yíng)口115007）

鋼鐵行業(yè)是國(guó)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(dòng)了國(guó)內(nèi)工業(yè)化、現(xiàn)代化的發(fā)展。在保證鋼產(chǎn)量的同時(shí)，國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)在節(jié)能減排方面也取得了一定的成績(jī)。根據(jù)日前冶金工業(yè)規(guī)劃研究院發(fā)布的 《中國(guó)鋼鐵工業(yè)節(jié)能低碳發(fā)展報(bào)告2018》，2018年鋼鐵行業(yè)在產(chǎn)量增長(zhǎng)11.0%的情況下，能源消費(fèi)總量同比增長(zhǎng)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(guó)內(nèi)粗鋼產(chǎn)量同比增長(zhǎng)，生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量分別增長(zhǎng)5.3%、8.3%、9.8%。

在成績(jī)的背后，清晰看到國(guó)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(wèn)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(wèn)題的有效方法［2］。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，調(diào)度人員往往從單一生產(chǎn)需求的角度出發(fā)，無(wú)法綜合各方面因素進(jìn)行分析調(diào)度。目前國(guó)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(jì)算水平。本文以鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司實(shí)施的智慧能源管控大數(shù)據(jù)平臺(tái)為依托，通過(guò)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(shí)際狀況，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)與優(yōu)化算法,對(duì)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(cè)與分析平臺(tái)，并與實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(shí)現(xiàn)煤氣放散最低與企業(yè)利潤(rùn)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(duì)公司生產(chǎn)主要消耗的介質(zhì)進(jìn)行分析，是整個(gè)公司生產(chǎn)調(diào)度的核心，在國(guó)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(shí)，消耗煤氣、蒸汽、水，在峰、谷、平不同的時(shí)段，外購(gòu)電的單價(jià)是不同的，發(fā)電消耗成本也是不同的，在谷時(shí)可以少發(fā)電，多外購(gòu)，積累柜位，在峰時(shí)可以多發(fā)電，少外購(gòu)，降低成本，同時(shí)煤氣可以外賣，增加企業(yè)利潤(rùn)，當(dāng)煤氣柜達(dá)到峰值時(shí)，需要放散。針對(duì)這一特點(diǎn)，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(shí)間內(nèi)公司多介質(zhì)消耗或產(chǎn)生介質(zhì)所帶來(lái)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(gòu)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(shí)間長(zhǎng)度t與優(yōu)化時(shí)間粒度Δt的商。

在建設(shè)模型過(guò)程中，考慮設(shè)定煤氣放散價(jià)格損失最大，使得煤氣在放散時(shí)造成的經(jīng)濟(jì)損失最大，所以這個(gè)模型不僅滿足了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最大化，也實(shí)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(jià)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(jià)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(jí)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(jí)減壓閥低壓蒸汽單位價(jià)格，元/t；s3nh為一級(jí)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(jià)格，元/t；exnh為余熱設(shè)備使用低壓蒸汽量，t/h。

（4）外購(gòu)電成本：

式中，pnp為外購(gòu)電價(jià)格，元/（kW·h）；enp為外購(gòu)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(jià)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(jià)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(lái)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(jià)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(gòu)電量?jī)刹糠纸M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(guò)實(shí)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(hào)等各項(xiàng)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(gè)變量的取值范圍也不盡相同，可根據(jù)公司的實(shí)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(wèn)題的一般形式可表示為：

針對(duì)這一問(wèn)題，通常采用外點(diǎn)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(diǎn) 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(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題

（3） 如果 Φc（xk）≤ε，算法終止，xk為原問(wèn)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(wèn)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(gòu)電三個(gè)方面出發(fā)，對(duì)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(shí)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(shí)間粒度和4 h，8 h，24 h三種時(shí)間長(zhǎng)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(jí)減壓閥蒸汽的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比曲線。

（2）系統(tǒng)提供大量的字典頁(yè)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(shí)，及時(shí)調(diào)整設(shè)備和介質(zhì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化，以保障系統(tǒng)的長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(bào)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(shí)際數(shù)據(jù)與系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)據(jù)的對(duì)比，從表中可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)據(jù)與實(shí)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(bào)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(bào)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(chǔ)平臺(tái)，利用Python作為后臺(tái)模型的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Java作為前臺(tái)頁(yè)面的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，從2019年3月份上線以來(lái)，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(yǔ)

多介質(zhì)耦合優(yōu)化系統(tǒng)充分考慮公司的實(shí)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(jì)符合實(shí)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(guò)建立實(shí)時(shí)變化的折線圖來(lái)將實(shí)際值與預(yù)測(cè)值對(duì)比分析，指導(dǎo)生產(chǎn)向著最優(yōu)的調(diào)度方案調(diào)整，實(shí)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(shí)現(xiàn)用戶對(duì)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(duì)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(jìng)爭(zhēng)力。