一種基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的冶金企業(yè)氧氮能源優(yōu)化調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于信息【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及模糊分類、優(yōu)化方法等技術(shù)，是一種基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的冶金企業(yè)氧氮能源優(yōu)化調(diào)度方法。本發(fā)明采用真實(shí)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，首先對(duì)數(shù)據(jù)做濾波除噪等預(yù)處理，并通過模糊分類明確可調(diào)設(shè)備及相應(yīng)調(diào)整能力；進(jìn)而通過數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，綜合考慮設(shè)備特征與管網(wǎng)實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)氧氮能源系統(tǒng)做整體規(guī)劃，建立優(yōu)化調(diào)度模型；最終給出含有調(diào)整設(shè)備及相應(yīng)調(diào)整量的優(yōu)化調(diào)度方案，并附有放散率變化模擬結(jié)果，以協(xié)助現(xiàn)場操作人員制定具體的調(diào)整措施。
【專利說明】-種基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的冶金企業(yè)氧氮能源優(yōu)化調(diào)度方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信息【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及模糊分類、優(yōu)化方法等技術(shù)，是一種基于數(shù)學(xué)規(guī)劃 的冶金企業(yè)氧氮能源優(yōu)化調(diào)度方法。本發(fā)明采用真實(shí)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，首先對(duì)數(shù)據(jù)做濾波除 噪等預(yù)處理，并通過模糊分類明確可調(diào)設(shè)備及相應(yīng)調(diào)整能力；隨后，通過數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，綜 合考慮設(shè)備特征與管網(wǎng)實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)氧氮能源系統(tǒng)做整體規(guī)劃，建立優(yōu)化調(diào)度模型；最終給 出含有調(diào)整設(shè)備及相應(yīng)調(diào)整量的優(yōu)化調(diào)度方案，并附有放散率變化模擬結(jié)果，以協(xié)助現(xiàn)場 操作人員制定具體的調(diào)整措施。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋼鐵冶煉是一個(gè)高能耗高排放行業(yè)，需要大量能源介質(zhì)支撐。由于資源日益緊缺， 如何合理高效地利用相關(guān)能源成為冶金企業(yè)始終面臨的問題。包含有氧氮等能源介質(zhì)的氧 氣系統(tǒng)是鋼鐵工業(yè)能源系統(tǒng)不可或缺的組成部分。在日常生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐煉鋼、高爐煉鐵、有 色金屬冶煉等環(huán)節(jié)均需要不斷進(jìn)行氧氣吹掃，而高爐和轉(zhuǎn)爐的密封、設(shè)備冷卻保護(hù)等均需 要氮?dú)庵С?，因此鋼鐵企業(yè)的用氧用氮較為普遍且用量巨大，對(duì)氧氮能源的平衡優(yōu)化工作 將關(guān)系到生產(chǎn)效率和環(huán)境保護(hù)，甚至企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益等諸多問題。
[0003] 目前工業(yè)現(xiàn)場對(duì)于鋼鐵氧氣能源的優(yōu)化調(diào)度問題，主要依靠專家經(jīng)驗(yàn)解決，即在 氧氮出現(xiàn)供需失衡情況時(shí)，富有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的工程師首先對(duì)管網(wǎng)調(diào)整能力做大致估計(jì)，然后 根據(jù)個(gè)人日常操作習(xí)慣，選擇設(shè)備進(jìn)行試探性調(diào)整作業(yè)。在這樣的人工調(diào)整過程中，調(diào)整設(shè) 備的選定因人而異，并且現(xiàn)場人員可能會(huì)依據(jù)實(shí)際情況多次改變調(diào)整設(shè)備及相應(yīng)調(diào)整量， 最終將能源供需情況優(yōu)化調(diào)整至新的平衡狀態(tài)。
[0004] 對(duì)于冶金工業(yè)氧氮能源系統(tǒng)的研究，目前大多是針對(duì)空分機(jī)組等設(shè)備的單體優(yōu) 化分析，有關(guān)系統(tǒng)整體優(yōu)化調(diào)度的研究成果還較為有限。某些研究利用集合論等方法， 先對(duì)空分機(jī)組可能組成的方案做窮舉，進(jìn)而通過諸如耗電等指標(biāo)進(jìn)行篩選，最終確定調(diào) 度方案（Guang Chen, Tao Du, (2003). Optimization decision model study of oxygen production program in iron and steel enterprise[J]. Journal of Anhui University of Technology)。還有一些研究針對(duì)鋼鐵生產(chǎn)用氧，通過積分函數(shù)、分段函數(shù)等方式近似 計(jì)算能源消耗量，建立供氧優(yōu)化決策支持系統(tǒng)（莫友坤，（2004).鋼鐵企業(yè)供氧優(yōu)化決策 支持系統(tǒng)研究[D].華中科技大學(xué)）。此外，也有通過simulink仿真的方式，對(duì)煉鋼生產(chǎn)用 氧做仿真，進(jìn)而通過優(yōu)化煉鋼作業(yè)模式，達(dá)到降低氧氣放散量的目的（陳光，陸鐘武，蔡 九菊等，（2002).鋼鐵企業(yè)氧氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）ISTIC EI PKU,，23(10))。
[0005] 以上方法基于專家經(jīng)驗(yàn)的人工調(diào)整方式往往存在較大誤差，調(diào)度工作一般需要多 步才能逐漸達(dá)到預(yù)期效果，耗時(shí)問題較為嚴(yán)重，而在長時(shí)間的能源介質(zhì)優(yōu)化調(diào)度過程中，管 網(wǎng)容易出現(xiàn)新的變化，從而引發(fā)新的能源供需失衡問題。本發(fā)明所面向的管網(wǎng)設(shè)備相對(duì)較 多，且調(diào)節(jié)能力和條件各有差異，因此對(duì)可能存在的調(diào)度方案進(jìn)行窮舉是較為困難的。此 夕卜，由于空分機(jī)組的調(diào)整存在大時(shí)滯特性，液罐液化蒸發(fā)等又存在較強(qiáng)的非線性特征，因而 很難建立行之有效的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行近似分析計(jì)算。另外對(duì)煉鋼作業(yè)模式優(yōu)化是對(duì)生產(chǎn)單元 的約束，而作為供給部分的制氧系統(tǒng)同樣需要優(yōu)化調(diào)整。從實(shí)際應(yīng)用上考慮，制氧區(qū)設(shè)備調(diào) 節(jié)操作較為復(fù)雜，需多部門數(shù)名工人協(xié)調(diào)配合，所以一個(gè)實(shí)際可用平衡優(yōu)化方案還應(yīng)涉及 較少的調(diào)整單元。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明主要解決冶金企業(yè)氧氣系統(tǒng)的平衡優(yōu)化問題。本發(fā)明使用的驗(yàn)證數(shù)據(jù)為工 業(yè)現(xiàn)場真實(shí)數(shù)據(jù)，首先，通過分析數(shù)據(jù)，明確可調(diào)整設(shè)備以及相應(yīng)調(diào)整能力；其次，在考慮設(shè) 備特征的基礎(chǔ)上，利用混合整數(shù)線性規(guī)劃的方法，對(duì)管網(wǎng)建立平衡優(yōu)化模型；最終，給出調(diào) 度方案供現(xiàn)場調(diào)度人員參考，以指導(dǎo)實(shí)施具體優(yōu)化排產(chǎn)措施。本發(fā)明的具體步驟如下：
[0007] 1.對(duì)原始數(shù)據(jù)做除噪、填補(bǔ)等預(yù)處理，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量；
[0008] 2.分析管網(wǎng)內(nèi)所有數(shù)據(jù)對(duì)象，利用模糊分類識(shí)別可調(diào)整用戶，并計(jì)算可調(diào)用戶的 調(diào)整能力；
[0009] 3.結(jié)合空分機(jī)組、液罐及液化裝置等設(shè)備的各自特點(diǎn)，綜合考慮管網(wǎng)整體情況，并 將調(diào)整設(shè)備約束為最多3個(gè)，對(duì)管網(wǎng)建立混合整數(shù)線性規(guī)劃模型；將最終優(yōu)化方案提供給 操作人員。
[0010] 本發(fā)明法可較為快捷地實(shí)現(xiàn)調(diào)整用戶分離、優(yōu)化方案計(jì)算與指標(biāo)衡量等功能，極 大程度地縮短了制定調(diào)整計(jì)劃所需時(shí)間。本發(fā)明不需要進(jìn)行數(shù)學(xué)機(jī)理建模，而是通過對(duì)實(shí) 際工業(yè)數(shù)據(jù)做模糊分類，可方便準(zhǔn)確地分離出氧氮管網(wǎng)中可調(diào)整用戶；隨后的平衡優(yōu)化模 型主要面向制氧區(qū)設(shè)備，充分考慮了設(shè)備的實(shí)際特點(diǎn)和介質(zhì)在氣液兩種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換關(guān)系 等，提升了計(jì)算效率；此外模型還將調(diào)整單元約束為3個(gè)以內(nèi)，有效地協(xié)助現(xiàn)場人員決策優(yōu) 化排產(chǎn)工作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為某鋼鐵廠氧氮系統(tǒng)管網(wǎng)示意圖；
[0012] 圖2為本發(fā)明應(yīng)用流程圖；
[0013] 圖3(a)和圖3(b)分別為氧氣富余或缺口時(shí)的不同優(yōu)化調(diào)度方法比較圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面以某鋼鐵廠氧氮能源系統(tǒng)為例做進(jìn)一步說明。由附圖1的氧氮系統(tǒng)示意圖可 知，八臺(tái)空分機(jī)組是主要的氧氮發(fā)生單元，所產(chǎn)生的氧氮等能源介質(zhì)一部分直接以低壓形 態(tài)供給如高爐等用戶使用，另一部分則經(jīng)過壓縮機(jī)打入中壓或高壓管網(wǎng)中，而后者或直接 供給如冷熱軋等用戶使用，或繼續(xù)輸送至液化裝置轉(zhuǎn)為液態(tài)產(chǎn)品儲(chǔ)存在液罐當(dāng)中，這些液 態(tài)產(chǎn)品在必要時(shí)可蒸發(fā)為氣態(tài)產(chǎn)品作為供給。雖然上述設(shè)備均可作為調(diào)整單元使用，然而 其各自也存在一些調(diào)整限制和換算關(guān)系。綜上所述，需要考慮管網(wǎng)設(shè)備實(shí)際特征，建立行之 有效的模型，解決氧氮系統(tǒng)能源平衡優(yōu)化問題。
[0015] 步驟1 :數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與預(yù)處理
[0016] 從工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫讀取空分機(jī)組氧氮產(chǎn)量、液罐液位、液化裝置液化量 和蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)。因工業(yè)環(huán)境嘈雜，數(shù)據(jù)存在含噪聲、缺失等問題，因此在模型建立與求解 前，首先對(duì)數(shù)據(jù)做基本的除噪、填補(bǔ)等處理，以保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量。
[0017] 步驟2 :分類調(diào)整用戶，確定相應(yīng)調(diào)整能力
[0018] 根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的各氧氮設(shè)備數(shù)據(jù)，分類出可調(diào)和不可調(diào)用戶。首先針對(duì) 數(shù)據(jù)對(duì)象建立矩形模糊隸屬度函數(shù)，以空分機(jī)組為例，當(dāng)其處在額定負(fù)荷范圍內(nèi)或停機(jī)狀 態(tài)時(shí)，隸屬可調(diào)設(shè)備程度為1 ;而當(dāng)其工作在額定負(fù)荷范圍外，一般是由于該設(shè)備正處在開 停機(jī)試車過程中，此種情況下隸屬度為0。進(jìn)而引入模糊劃分，將所有數(shù)據(jù)對(duì)象根據(jù)不同量 綱做出劃分，以便一并進(jìn)行分析計(jì)算。最終通過IF-THEN形式建立模糊規(guī)則，分類出可調(diào)設(shè) 備。
[0019] 對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別確定可調(diào)整用戶后，再通過與設(shè)備相應(yīng)上下限做比對(duì)，計(jì)算出相 應(yīng)調(diào)整能力，這些信息將用來建立氧氮能源平衡優(yōu)化模型。表1、表2是各設(shè)備負(fù)荷或容量 等情況。
[0020] 表1空分機(jī)組額定負(fù)荷及相應(yīng)液罐容量
[0021]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的冶金企業(yè)氧氮能源優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于如下步驟： 步驟1 : 從工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫讀取空分機(jī)組氧氮產(chǎn)量、液罐液位、液化裝置液化量和蒸 發(fā)量數(shù)據(jù)，在模型建立與求解前，對(duì)數(shù)據(jù)做基本的除噪、填補(bǔ)處理，以保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量； 步驟2 : 根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的各氧氮設(shè)備數(shù)據(jù)，分類出可調(diào)和不可調(diào)用戶；首先針對(duì)數(shù)據(jù) 對(duì)象建立矩形模糊隸屬度函數(shù)，進(jìn)而引入模糊劃分，將所有數(shù)據(jù)對(duì)象根據(jù)不同量綱做出劃 分；最終通過IF-THEN形式建立模糊規(guī)則，分類出可調(diào)設(shè)備； 對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別確定可調(diào)整用戶后，再通過與設(shè)備相應(yīng)上下限做比對(duì)，計(jì)算出相應(yīng)調(diào) 整能力，用這些信息來建立氧氮能源平衡優(yōu)化模型； 步驟3 : 基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的平衡優(yōu)化模型的建立分為兩部分，即選取目標(biāo)函數(shù)和制定約束； A. 選取目標(biāo)函數(shù) 目前冶金工業(yè)現(xiàn)場衡量調(diào)整工作的指標(biāo)是放散率，如下式所示： P
其中，〇&、Nto分別為管網(wǎng)氧氣、氮?dú)夥派⒙?，Op、Np分別為管網(wǎng)的氧氣、氮?dú)獍l(fā)生量，0。、N。分別為管網(wǎng)的氧氣、氮?dú)庥昧?；?duì)于氧氮管網(wǎng)的優(yōu)化，設(shè)目標(biāo)函數(shù)如下： min(〇dr+Ndr) (2) B. 制定約束 約束分為空分機(jī)組、液化裝置、液罐三部分，通過對(duì)裝置特性的描述，建立相應(yīng)約束； 1) 空分機(jī)組 空分機(jī)組均有對(duì)應(yīng)發(fā)生能力的上下限，額定負(fù)荷的80% -105%，并且氧氮分開說明， 以此形成對(duì)應(yīng)約束； 2) 液化裝置 液化裝置有相應(yīng)的液化上限，而液化下限一般是上限的60%，形成其液化能力的約 束； 3) 液罐 無論是空分設(shè)備還是液化裝置，都連接有液罐存儲(chǔ)液態(tài)產(chǎn)品；每個(gè)液罐都有自身的安 保上下限，標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)量的10% -95%，由此可形成其液位的約束； 4) 其它約束 首先，優(yōu)化模型的目標(biāo)是最小化放散率，但應(yīng)保證其結(jié)果不能異號(hào)；若優(yōu)化前放散率為 正值，即氧氣供大于求，則優(yōu)化后放散率不能變?yōu)樨?fù)值，即供小于求；對(duì)氧氮有如下約束：
n m f ￡ A,V; I ￡ ΛTN： - ￡ Λ/,ΡΛ^ ：> ,V v 丨丨； .1 ; _丨_.： 其中，AOdPΛNi分別為空分氧氮調(diào)整量，Λ叫和ΛΤ%分別為氧氮液化量，ALPOk 和ALPNk分別為氧氮蒸發(fā)量，δ(^和δΝ分別表示氧氮缺口量或富余量；η為空分機(jī)組數(shù)，m 為進(jìn)行液化的液罐數(shù)，q為進(jìn)行蒸發(fā)的液罐數(shù)； 其次，對(duì)空分、液化裝置和液罐設(shè)定0-1變量，通過約束這些變量為1的個(gè)數(shù)，達(dá)到約束 調(diào)整設(shè)備數(shù)量的目的，如下式所示：
式中變量均為0-1變量，BOi和BNi為空分機(jī)組變量，BT(^_和BT%為液化用液罐變量，BLPOk和BLPNk為蒸發(fā)用液罐變量； 步驟4 : 給出最終調(diào)整方案，輔助指導(dǎo)制氧區(qū)實(shí)際優(yōu)化排產(chǎn)工作。
【文檔編號(hào)】G06Q50/00GK104463360SQ201410723014
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】趙珺, 韓中洋, 王偉, 劉穎 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)