寶鋼能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與能耗優(yōu)化分析

寶鋼能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與能耗優(yōu)化分析

采空間的能耗取決于主生產(chǎn)系統(tǒng)和能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能耗特性以及它們之間的作用關系。研究和確定它們之間的作用機理和定量關系,建立能源優(yōu)化模型,為合理組織生產(chǎn)、優(yōu)化能源使用、分析節(jié)能潛力提供了理論依據(jù)。鋼鐵企業(yè)能耗模型的研究很多,主要是從工序能耗、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)等方面進行研究的。文獻討論了物流對一定流程下的產(chǎn)品能耗的影響和對主生產(chǎn)系統(tǒng)能耗的影響。這些研究沒有考慮能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的作用和多流程的企業(yè)物流變化。基于寶鋼的生產(chǎn)工藝和1998年的生產(chǎn)數(shù)據(jù),建立了寶鋼能源優(yōu)化模型,在模型中包括了物流、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)緩沖作用和調(diào)整作用對能耗的影響。通過優(yōu)化計算和分析,提出了合理的生產(chǎn)方案,發(fā)現(xiàn)了寶鋼在減少物流損失方面的節(jié)能潛力。1能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)1998年寶鋼鋼產(chǎn)量1011萬噸,材產(chǎn)量794.2萬噸,能耗738萬噸標煤。該廠主生產(chǎn)系統(tǒng)流程由燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、初軋連鑄、熱軋和冷軋六道工序九個單元組成,生產(chǎn)流程見圖1。能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由焦化、蒸汽、鼓風、給水、制氧、CDQ發(fā)電、電廠和燃氣輪機8個單元組成。燃氣加工、運輸、企業(yè)虧損、化產(chǎn)、焙燒、鋼錠模和機修等一律合并為其它項。在實際生產(chǎn)中,主生產(chǎn)系統(tǒng)和能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都存在平行作業(yè)問題。例如電爐與轉(zhuǎn)爐、連鑄與模鑄、熱軋與鋼管,CDQ、電廠和燃氣輪機都能發(fā)電,低壓鍋爐、CDQ和電廠都可以產(chǎn)生蒸汽。電廠將根據(jù)煤氣平衡的情況合理地對其耗量進行調(diào)整。對這些問題,必須通過優(yōu)化方法來解決,從而可以得到主系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)優(yōu)化的生產(chǎn)方案。2能源條件目標函數(shù)是全企業(yè)的凈能耗,由一次能源乘以相應的能源折算系數(shù)之和組成:min(f(Ew?j))=min(nΣj=1ψjEw?j)(1)min(f(Ew?j))=min(Σj=1nψjEw?j)(1)約束方程較為復雜,可以分為三類:一是各種能源供需平衡約束,其中包括一次能源和二次能源。二是物流平衡和對能耗影響約束,其中包括單元主流、返回物流、購入物流等7種物流。三是轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的緩沖、調(diào)節(jié)約束。上下界約束按實際生產(chǎn)情況下的波動范圍或生產(chǎn)能力來確定。2.1構(gòu)成轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的主要能源寶鋼使用的一、二次能源共有22種(見表1),每種能源列出一個供需平衡方程,共22個約束方程。[EE?1EE?2??EE?n]=[mΣi=1(ei?1-bi?1)ΡimΣi=1(ei?2-bi?2)Ρi?????????mΣi=1(ei?n-bi?n)Ρi]+[m+kΣi=m+1(ei?1-bi?1)Bi?1(i)m+kΣi=m+1(ei?2-bi?2)Bi?2(i)???????????m+kΣi=m+1(ei?n-bi?n)Bi?n(i)]+[Ew?1Ew?2??Ew?n]+[Ed?1+Eo?1Ed?2+Eo?2????Ed?n+Eo?n](2)??????EE?1EE?2??EE?n??????=?????????????Σi=1m(ei?1?bi?1)PiΣi=1m(ei?2?bi?2)Pi?????????Σi=1m(ei?n?bi?n)Pi?????????????+??????????????Σi=m+1m+k(ei?1?bi?1)Bi?1(i)Σi=m+1m+k(ei?2?bi?2)Bi?2(i)???????????Σi=m+1m+k(ei?n?bi?n)Bi?n(i)??????????????+??????Ew?1Ew?2??Ew?n??????+??????Ed?1+Eo?1Ed?2+Eo?2????Ed?n+Eo?n??????(2)式中,n為能源種類,為22;m為主生產(chǎn)系統(tǒng)單元的個數(shù),為9;k為轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的生產(chǎn)單元的個數(shù),為9;ei,j為主生產(chǎn)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各單元的能源單耗;bi,j為主生產(chǎn)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各單元的能源單位發(fā)生量;Pi為主生產(chǎn)系統(tǒng)單元產(chǎn)量;Bi,j(i)為轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要能源產(chǎn)品產(chǎn)量;EE,i為企業(yè)凈能耗;Ew,i為能源放散量;Ed,i為能源儲存量,取為0;Eo,i為其它能源消耗量,為常數(shù)。2.2第h道工序單元k主生產(chǎn)系統(tǒng)能源單耗:ei,j=e0h,k,j(1+KΜ1h?kM1h?k+KΜ2h?kM2h?k)(3)主生產(chǎn)系統(tǒng)能源單位發(fā)生量:bi,j=b0h,k,j(1+KΜ1h?kM1h?k+KΜ2h?kM2h?k)(4)產(chǎn)量與單元主流量的關系:Pi=(Mh,k+M3h,k)/Ch,k(5)物流平衡方程有兩個,具體如下:Μh-1?k=rh-1?kmhΣk=1((1+ΚΜ1h?k+ΚΜ2h?k)rh?kΜh+Μ3h?k(1+ΚΜ1h?k+ΚΜ2h?k)-Μ4h?k-Μ10h?k)(6)Μh-1=mhΣk=1((1+ΚΜ1h?k+ΚΜ2h?k)rh?kΜh+Μ3h?k(1+ΚΜ1h?k+ΚΜ2h?k)-Μ4h?k-Μ10h?k)(7)Mh?1?k=rh?1?kΣk=1mh((1+KM1h?k+KM2h?k)rh?kMh+M3h?k(1+KM1h?k+KM2h?k)?M4h?k?M10h?k)(6)Mh?1=Σk=1mh((1+KM1h?k+KM2h?k)rh?kMh+M3h?k(1+KM1h?k+KM2h?k)?M4h?k?M10h?k)(7)式中,h、k——第h道工序第k個生產(chǎn)單元,h=2、3…6,k=1、2…9;Mh,k為單元供給下道工序的物流流量,稱為單元主流量;Mh為工序供給下道工序的物流流量,稱為工序主流量;M3為外銷物流流量;M4為外加物流流量;M10h?k0h?k為輸入返回物流流量;KΜ1h?kM1h?k為輸出返回物流的返回率;KΜ2h?kM2h?k為廢品物流的廢品率;rh,k為單元主流占工序主流的比例系數(shù);Ch,k為產(chǎn)品鐵素含量;e0i,j為基準能耗。2.3為避免節(jié)能緩沖和調(diào)整的影響(1)tbs產(chǎn)ue緩沖用戶的單位發(fā)生量:btb?tg(s)=b0tb?tg(s)+ξtg(s)ηtg(s)3Σk=1Δetb?tb(k)(8)btb?tg(s)=b0tb?tg(s)+ξtg(s)ηtg(s)Σk=13Δetb?tb(k)(8)第tb(k)種能源的單耗:etb,tb(k)=e0tb?tb(k)0tb?tb(k)+Δetb,tb(k)(9)第ta(l)種能源的單耗:etb?ta(l)=e0tb?ta(l)-ξta(l)exta(l)3Σk=1ψkΔetb?tb(k)(10)同時滿足:0≤etb,tb(k)Btb,[tg(l)]tb≤CAtb(k)(11)(2)模型1:個人特質(zhì)和產(chǎn)品變化下的能源模型電力相對其它能源單耗變化:etb,j=e0tb?jθ(12)除了蒸汽和電力外,電廠對其它能源單位發(fā)生量:btb,j=b0tb?jθ(13)電力對蒸汽單位發(fā)生量:btb,tg(2)=b0tb?tg(2)θ+(θ-1)ηtb,tg(1)ψtb,tg(1)/ψtg(2)(14)電力對電力單位發(fā)生量:btb,tg(1)=1(15)式中,上角標為0的符號代表緩沖和調(diào)整前相應的值。ξta(l)、ξtg(s)為替換量和發(fā)生量的分配系數(shù),且Σξta(l)+Σξtg(s)=1;exta(l)為使用tb(k)種能源替換ta(l)種能源的替換系數(shù);ψk為相應能源折算系數(shù);ηtg(s)為使用tb(k)能源轉(zhuǎn)化成tg(s)種能源的效率;ψtb,tg(1)為電的能源折算系數(shù);ψtb,tg(2)為蒸汽能源折算系數(shù);ηtb,tg(1)為電廠鍋爐熱效率;tb為電廠單元序號,為16;tb(k)為可以被緩沖的能源種類序號,只考慮高爐煤氣和焦爐煤氣,取k=1、2;ta(l)為可以被調(diào)整的能源種類序號,只考慮煤粉(動力煤),l=1;tg(s)為緩沖單元發(fā)生的能源種類序號,只有電力和蒸汽,s=1、2,tg(1)為主產(chǎn)品(電力)序號,tg(2)為蒸汽的序號;θ為電力調(diào)整比例系數(shù)?？紤]到方程(8)有兩個方程(s=1、2),這部分共有9個方程。由于物流分配、能源的緩沖和調(diào)整的作用,該模型是典型的非線性(二次)優(yōu)化模型。本文采用MATLABL語言,編制優(yōu)化計算程序進行計算。3計算和討論3.1企業(yè)能耗、能源發(fā)生量和其它物流的優(yōu)化通過模型驗證計算可知,所有的約束方程都得到滿足。經(jīng)計算,最大相對誤差為0.21%,是低壓蒸汽;其它各項的誤差都小于0.2%,企業(yè)凈能耗誤差僅為0.14%。下面計算和討論兩方面內(nèi)容,(1)主要單元輔流(如返回物流、廢品物流等)不變時,對企業(yè)能耗、能源發(fā)生量和其它物流進行優(yōu)化;(2)單元輔流變化對優(yōu)化結(jié)果的影響。3.2優(yōu)化結(jié)果分析針對現(xiàn)場情況,按四種約束條件分別進行優(yōu)化計算:(1)能源生產(chǎn)能力約束放大10%;(2)在條件(1)基礎上中間產(chǎn)品生產(chǎn)能力約束放大10%;(3)在條件(2)基礎上購入廢鋼約束擴大10萬噸;(4)在條件(3)基礎上焦炭無外銷和庫存。四種條件得到相應的四個優(yōu)化生產(chǎn)方案,優(yōu)化結(jié)果見表2、表3、圖2和圖3。表2、表3和圖2分別表示不同優(yōu)化條件下,企業(yè)(凈)能耗量、煤氣緩沖量和電力調(diào)整比例,物流產(chǎn)品產(chǎn)量變化和各種能源消耗量。由約束條件所定,方案(1)的物流情況與實際情況相同,方案(4)的物流情況與方案(3)的也相同,所以表3僅列出方案(2)和方案(3)的產(chǎn)量變化情況。圖2橫坐標能源種類序號與表1一致,圖3橫坐標單元序號與圖1一致。表2表明,優(yōu)化后的企業(yè)能耗都比實際能耗低,各種優(yōu)化都收到了一定的節(jié)能效果;從方案(1)到方案(4),節(jié)能量分別為0.62、5.89、11.29和36.76萬噸標煤。表2下三行表明了電廠的緩沖和調(diào)整作用的效果(能力約束取實際方案的1.2倍)。電廠對高爐煤氣的緩沖量(正為增加耗量,負為減少耗量)在方案(3)時最大,對焦爐煤氣的緩沖量在方案(4)時最大,對電力向蒸汽的調(diào)整量也是在方案(4)時最大。表3表明,在擴大10%中間產(chǎn)品生產(chǎn)能力時(方案(2)),轉(zhuǎn)爐鋼和連鑄坯產(chǎn)量明顯增大,電爐鋼和初軋坯產(chǎn)量明顯減少,煉鐵略有減少。在外購廢鋼增加10萬噸時,與方案(2)相比,初軋和連鑄沒變,轉(zhuǎn)爐減少10萬噸,電爐增加10萬噸,燒結(jié)和煉鐵也分別減少了17.41和10.42萬噸。從圖2可知,各種能源消耗量的減少量,在焦炭無外銷和庫存時最大,購入廢鋼約束擴大10萬噸時次之,中間產(chǎn)品生產(chǎn)能力約束放大10%時再次之,能源生產(chǎn)能力約束放大10%時最小。方案(1)把所有物流值和外供能源值都限定為實際生產(chǎn)值,在物流方面已經(jīng)沒有優(yōu)化余地。雖然在能源方面有10%的優(yōu)化余地,但是,在此條件下難以充分發(fā)揮。優(yōu)化結(jié)果僅使動力煤(圖2序號2)發(fā)生一定的變化,減少0.62萬噸,所以目標函數(shù)變化很小。方案(2)一定程度地放開了中間產(chǎn)品的約束,通過優(yōu)化物流和能源,使電爐鋼比和連鑄比更趨于合理;使動力煤消耗量減少5.32萬噸,電力減少4.85萬噸,轉(zhuǎn)爐煤氣減少1.36萬噸。方案(3)一定程度地放開了廢鋼的約束,洗精煤、動力煤、噴吹煤、冶金焦和電力分別減少了6.13、3.99、1.36、4.43和3.76萬噸。方案(4)表明在焦炭自給自足、沒有外供和庫存時,洗精煤、動力煤、噴吹煤、冶金焦、焦爐煤氣、高爐煤氣、電力和蒸汽分別減少了35.42、2.46、1.63、4.43、7.28、1.83、4.68和1.69萬噸。優(yōu)化結(jié)果也說明,通過優(yōu)化物流和能源,在不增加焦炭產(chǎn)量時,也可以滿足焦爐煤氣的需求。從上述分析可知,通過物流結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化,單元產(chǎn)量和能源產(chǎn)品產(chǎn)量發(fā)生了變化,每個方案都不同程度地收到節(jié)能效果,相比之下,第四生產(chǎn)方案節(jié)能效果最明顯,節(jié)能37.67萬噸。3.3最大節(jié)能潛力的確定通過優(yōu)化計算企業(yè)能耗,就可以發(fā)現(xiàn)減少廢劣品物流(資源利用)和返回物流方面的最大節(jié)能潛力。通過假設各單元的廢品物流和返回物流在為零基礎上,分別增加1萬噸,考察各單元的節(jié)能潛力。通過優(yōu)化計算可得,若9個單元的廢品物流和返回物流都為零時,企業(yè)能耗減少58.42萬噸標煤。各單元廢品物流和返回物流分別增加1萬噸,企業(yè)能耗的變化見圖3。從圖3可知,廢品物流對企業(yè)能耗的影響,比返回物流影響大,總體上說,越是后部工序的單元,這種影響的差別越明顯。從廢品物流來看,對企業(yè)能耗的影響除轉(zhuǎn)爐煉鋼外,越是后部工序的單元這種影響越明顯;燒結(jié)的影響僅為0.107萬噸,而冷軋的影響為1.188萬噸。從返回物流來看,對企業(yè)能耗的影響,煉鐵最大,為0.618萬噸;煉鋼最小,僅為0.02萬噸。從上述分析可知,在減少廢品物流和返回物流方面的最大節(jié)能潛力為58.42萬噸標煤;按每噸標煤500元計算,近3億人民幣。廢品物流對節(jié)能效果影響比返回物流的影響大。4各物流