生产管理知识_能量系统优化研究及基于钢管生产应用论文

河北工业大学 硕士学位论文 能量系统优化研究及基于钢管生产应用 姓名：郭磊宏 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：杨历 2010-12 河北工业大学硕士学位论文 i 能量系统优化研究及基于钢管生产应用 摘 要 能量系统优化研究及基于钢管生产应用 摘 要 能量系统优化技术仅仅几十年就获得了突飞猛进的发展，已成为工业界和学术界关注 的焦点。针对我国节能现状严峻，尤其工业领域中广泛存在整体能源耗量大、利用率低和 用能不合理等现象，其有广阔的应用空间。 本文提出全局能量系统递进式协同优化策略，重点分析单元设备、局部子系统、全局 系统三层次间相互影响制约关系以及系统的协同优化方法与策略。从故障诊断、优化改造 和系统评价这三大方面，建立一套以无缝钢管生产为例的复杂能量系统分析和优化方法。 本文的研究内容主要包括以下 5 方面: 1）本文首先研究了能量系统优化的原则和方法，对怎样合理划分系统以降低局部优 化时环节间的耦合度，提出了能量系统四环节协同优化策略。 2）本文针对系统存在的问题，以热经济学结构理论为基础建立了“三角”结构模型， 为全局系统优化提供了更加清晰合理的脉络。其避免能量利用层级顺序发生的片面结构思 想，简单明了的展示了能量子系统间的并行耦合关系，并在兼顾全局的前提下更侧重于能 源供入和消耗端的研究分析。 3）以钢管厂各系统主要单元设备的热平衡和火用平衡为优化突破口，诊断其能源利用 效率低和能耗量大的根源。在系统各环节现状分析的基础上运用“三角”结构模型对其作 全局协调优化处理，并根据系统优化的原则提出可行性改进方案与措施。 4）本文以加热炉钢坯加热为重点单元综合评价模型，综合多种因素对加热工艺目标 函数的确定及其优化策略进行了深入分析，并通过 MATLAB 软件对其编程求解来获得符 合生产目标的最佳工艺制度； 5）本文综合考虑能耗和经济两大因素，合理选择各项权重指标建立模糊数学综合评 价方法，并对提出的厂区系统能效解决方案进行综合效益最优评价选择。 本文所得的结果可作为进一步深入研究相关能量系统优化理论和方法的基础，也可为 钢管行业的全局优化改造提供实例参考。 关键词：关键词：能量系统优化结构模型钢管故障诊断 能量系统优化研究及基于钢管生产应用 ii O O O OPTIMIZATIONPTIMIZATIONPTIMIZATIONPTIMIZATION OFOFOFOFENERGYENERGYENERGYENERGYSYSTEMSYSTEMSYSTEMSYSTEM R R R RESEARCHESEARCHESEARCHESEARCHANDANDANDAND A A A APPLICATIONSPPLICATIONSPPLICATIONSPPLICATIONS ONONONON STEELSTEELSTEELSTEELPIPEPIPEPIPEPIPE PRODUCTIONPRODUCTIONPRODUCTIONPRODUCTION ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT In the several dozens years, the technology about energy system optimization has obtained the development which progresses by leaps and bounds, it has become the focal point in the industrial sector and the academic circle. The energy situation in our country is critical, particularly in the industrial profession. The phenomenon is widespread existence ,for example the overall energy consumption quantity is large, the energy use factor is low and the energy irrational to use, so it has a broad application space. This article proposes the progressive and collaborative optimized strategy about global energy system. Pay more attention to analysis the unit equipment, partial subsystem and global system three gradations relationship, which include the mutual influence and restriction ,as well as systems coordination optimization method and strategy. From the fault diagnosis, optimized reform and systems assessment these three aspects establish a set of programme which use seamless steel pipe production as an example，include complex energy system analysis and optimization . This article research content mainly in the following 5 aspects: 1) This article has first studied the energy system optimizations principle and method, toward how reasonable to divide system and to reduce the coupling between subsystem, proposed the four segment of energy system collaborative optimized strategy. 2) This article in view of the system problem, take the thermoeconomics theory as the foundation establish “triangle“ structural model, and provided a clearer and reasonable vein for the overall energy system optimization. It avoid the one-sided structure thought about energy using as the level order occurs, clearly and simply demonstrate the parallel coupling relations between energy subsystems.under the premise of the global system focus, stress the research analysis about energy supply and consumption end . 3) Take the heat balance and exergy balance which come form the steel plants main unit as breakthrough to diagnose the root of low energy efficiency and large consume quantity. At the base of subsystem analysis, utilizes the “triangle” structural model to make overall energy system collaborative optimized, and according to system optimizations principle to propose the feasibility improvement program and the measure. 4) This article take the heat furnaces billet steel heating process as the key unit 河北工业大学硕士学位论文 iii comprehensive evaluation model. Analysis ,synthesis many kinds of factor to define the heating craft objective function, and carry on the thorough analysis to optimized strategy .Utilize MATLAB software to obtain compliance of its programming to solve the optimal system of production targets 5) This article synthesis analysis the two big factor which include energy consumption and economical, reasonable to choice the weighting factors, establish fuzzing mathematics comprehensive evaluation. toward the factory system proposed comprehensive energy efficiency solutions for the optimal benefit evaluation for selection. The results obtained here may provide some theoretical bases for further deep research on related energy system optimization theory and methods, may also provide the example reference for the steel pipe profession global optimization reform. KEYKEYKEYKEYWORDSWORDSWORDSWORDS：Energy systemOptimizationStructural modelSteel pipeFault diagnosis 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内 容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采 用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部 分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名：日期： 导师签名：日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章绪论绪论 1.11.11.11.1 课题的背景及意义课题的背景及意义 1.1.11.1.11.1.11.1.1 节能的研究背景与意义节能的研究背景与意义 目前我国已经成为世界第一大能源生产和消费国， 同时节能降耗工作也成为整个社会可 持续发展的重中之重。 “节能减排”是我国“十一五”规划纲要提出的重要战略，主要指在减 少能源浪费和降低废气排放具体要求在其间实现单位国内生产总值能耗降低 20左右。我 国工业能耗占全国一次能源消费的 65%左右，其中钢铁、化工、建材、有色金属、石油加工 及炼焦等高耗能行业占工业总能耗的 70%左右。比如目前现存的 10 多万台各种工业炉窑, 它的能耗约占全国年总能耗的 25%。 这些节能背景都为我国全面开展节能工作提供了广泛的 平台和应用空间。 在当今全球矿物能源紧缺的背景下，用能效率的提高早已成为世界各国研究的重点， 而 对节能技术的深入研究和发展也是我国建设成为节约型社会的必经之路。 节能技术主要经历 了以下三阶段历程 1：第一阶段主要表现在余热的回收利用，一般着眼于生产过程中直接 耗能设备如加热炉和汽轮机等， 但其仅着重单一的余热流而不考虑整体系统的热回收； 第二 阶段主要表现在单一设备能源利用率的提高， 例如换热器采用强化传热技术、 热泵装置的添 加以及将蒸发设备从双效改为三效等措施来改进控制系统或强化节能效果； 第三阶段是随着 对节能研究全面而深入的发展， 人们逐渐意识到深层次且巨大的节能潜力存在于能量系统环 节间的相互联系和制约关系中， 只有以宏观总体为出发点来改进现有的工艺和设备， 才能达 到更加经济合理的用能效果，因此提出了适应科学发展的全局能量系统综合优化的概念。 近几年我国经济快速增长，在取得各项成就的同时也付出了巨大的资源和环境代价。 经 济发展与资源环境的矛盾日益尖锐， 这种状况与单纯粗放型增长方式、 经济结构不合理等相 关。如果依旧不转变经济增长方式并调整经济结构，其结果必将导致资源持续枯竭、环境日 益破坏，而我国宏观经济的发展也终将受到严重的阻碍。在如此紧迫的时代背景下，本文重 点研究节能更深层次的系统理论与研究方法，为我国的能源经济健康发展提供一些参考。 1.1.1.1.1.1.1.1.2 2 2 2 能量系统优化的研究背景与意义能量系统优化的研究背景与意义 能量系统优化工程是国家颁布 节能中长期专项规划 中提到的十大重点节能工程之一， 已被纳入国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要 ，是实现“十一五”单位 GDP 能耗降 低 20约束性目标的重要措施之一。 我国正处在工业化进程中,经济和社会的发展对资源的依赖较为严重。现阶段我国的工 能量系统优化研究及基于钢管生产应用 2 业类型主要仍为能源密集型工业，其生产过程中系统因素所造成的能源消耗占有很高的比 重，约占工业能耗的 20%和全国总能耗量的 10%。全局能量系统综合优化技术日益被国内 外众多企业所重视， 因为很多生产工艺单从技术层面上来讲并没有太多差别， 各公司竞争的 实质则是系统技术的较量， 更少的投资和更低的能量消耗主要取决于高度集成化的全局能量 系统的综合改进。因此，能量系统的合理高效优化配置是提高产业经济效益和环境质量， 降 低单位能耗的有效途径，也是国内外工业领域节能降耗重点研究领域和方向。 能量系统优化是多种节能技术的深化综合2，它侧重于在一定物料流程方案前提下全局 能量子环节的综合利用， 流程结构之间的权衡以及相应设备工况参数的优化选择； 并同时考 虑系统的经济性、操作性、安全性等目标，以实现资源和资金最优配置的科学方法。能量系 统优化技术的应用对工业能量体系中对于单一技术向多项技术协同综合发展和简单过程向 复杂过程的深入发展都起到了促进指导作用。全局系统能量优化的原则是“分配得当、温度 对口、去繁从简、梯级利用”，以全局系统经济效益最优为目标，重点分析工艺操作方式和 运行参数来消除系统结构流程中的瓶颈，以寻求改善系统性能的途径。 1. 1. 1. 1.2 2 2 2 国内外能量系统优化研究方法与现状国内外能量系统优化研究方法与现状 能量系统优化技术是用能理论深入研究和节能技术不断发展的结晶， 长期以来广泛应用 于工业生产的各个领域，并具有鲜明的创新性和科学性。它不但以热经济学为理论基础， 更 采用系统工程的原理和方法，并结合运筹学、信息论、控制论以及计算机技术等学科，使其 成为近几十年科学界研究关注的热点3。其研究方法和现状主要包括以下几内容： 夹点技术是针对能量系统优化研究开始最早也是比较完善的方法之一，由 Linnhoff B4 于上世纪 70 年代末提出，其以热力学为基础5从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度 的分布。 该方法最先应用于热网络的工程调优， 随后扩大应用于公用工程、 化学反应与分离， 水处理等诸多过程系统。它在不同程度上反映了系统不同部分的能量特征及相互间的关系， 其作用主要包含两点：一是对现有设备的用能状况进行诊断以发现其用能的缺陷和薄弱环 节；二是对设计方案用能状况进行诊断, 分析其“瓶颈”并加以改进提高。夹点技术着重于 换热网络合成优化， 但却未能给出严格的定量数学模型， 而且系统子环节的划分也没能准确 反映其能量结构的功能本质， 仅着重于能耗最小值的优化却忽略了能耗费用和投资费用之间 的平衡关系，以致于不能得到确切的全局费用函数最优方案，这些都是该方法的应用弊端。 基于建模的学术类优化方法6，从传统的直接搜索法、数学规划法到新兴的遗传算法 （Genetic Algorithm，GA）7、进化规划（Evolutionary Programming ，EP）8、进化策略 （Evolution Strategies，ES）9以及遗传规划（GeneticProgramming，GP）10等方法都有其各 的自适用范围和特点。 但这些方法常需将复杂的实际问题人为简化， 导致其物理概念不清晰 且难免有所失真。 比如数学规划法11虽然在理论上可得到最优解， 但因实际模型通常较为复 河北工业大学硕士学位论文 3 杂且目标函数多峰， 同时还要考虑若干决策和连续状态变量， 因此得到的往往是局部最优解。 国外学者 Host 和 Tuy12对多项式规划问题提出了外逼近技术。Li Han-Lin 和 Chang Ching-Ter13提出了寻找多项式规划近似全局最优解的方法，基本思想是将一个有界连续变 量 i X 表示成一个离散变量 i d 和一个较小的变量 i e 的和。多项式 ijijj iij X Xd Xd eee=+ ， 而 ij d X 和 j i d e 能够完全线性化， ij ee 在预先给定的精度内近似线性化，然后将这一线性化 推广到高阶多项式中去解。 自上世纪 70 年代能源危机发生之后，火用的研究在国外得到了广泛关注。火用对过程的 热力学分析、 工艺过程节能和新工艺开发设计都起到了十分重要的作用14。 目前国内外在冶 金、石化、动力、制冷等技术领域都广泛应用以火 用分析为指导的用能实践方法15。但其自 身也存在着一下显著缺陷：第一，火 用分析法以火 用效率为准则，追求能量品位的最佳匹配， 却未给出火 用成本和其形成规律； 第二， 片面强调降低火 用损而忽视其对实际过程的推动作用， 而推动力的减少也会直接导致设备投资增加；第三，在接近环境态时，环境温度 T0的变化 对火 用值影响较大，准确性降低。 早在上世纪 30 年代初，麻省理学院教授 J.H.Keenan 就开始进行基于热力学第二定律的 成本计算研究，并在研究热电联产装置的电和热价格时首先提出了火 用经济成本的概念。直 到60年代初, 美国加州大学的M.Tribus和R.B.Evans在研究海水淡化装置中, 将工程经济学 与火 用分析计算结合起来，并称其为“ thermoeconomics” （热经济学）16,，才使其得到广泛 认同并流行起来。热经济学应用于能量系统故障诊断的方法，主要包括火 用经济学和扰动理 论。Arena 和 Verda 等人研究了产品火 用的不同组成和生产结构对热经济学诊断的影响，发现 当系统划分越详细时得到的诊断结果也越精确。 华北电力大学的杨勇平等建立了在热力学第二定律基础上的火 用分析法与热经济学法， 并将其应用于能量系统的故障诊断17。证明了其对系统中发生的故障具有更高的敏感度， 并 以某火电机组为例建立了进行能量系统故障诊断的火 用分析模型与热经济学分析模型。 自九十年代开始系统技术的发展逐步从系统分析转向系统综合18。 其从单纯分析方法向 整体优化综合的发展过度是举足轻重的，为进行复杂能量系统的全局优化奠定了坚实基础， 运用方法一般都是在热力学分析的基础上进行系统经济优化。 国外学者 Grossmann19等将全局系统划分为三个子系统： 过程系统、 热回收网络和公用 工程， 并详细表述了其间的相互影响关系。 过程系统所需要加热和冷却的工艺物流在热回收 网络子系统中完成；过程系统所需要的动力、电力、热负荷及工艺蒸汽等公用工程量必须由 公用工程子系统提供；热回收网络除工艺物流本身换热外，也需要冷、热公用工程支持， 它 们既相互影响又相互制约。 国内华南理工大学的华贲 20教授从能量在全局系统中发挥的不同功能入手，提了“三 环节”结构模型和基于火 用经济学“三环节”方法21。他认为能量在整个工艺过程中的消耗 能量系统优化研究及基于钢管生产应用 4 和降质是在这三个环节中逐步发生的，三个环节之间存在着密切的联系和相互制约。而“三 环节” 方法不仅归纳了各种复杂能量结构的用能本质， 更建立了严格的计算方法和通用模型。 1. 1. 1. 1.3 3 3 3 本文主要研究内容本文主要研究内容 本文主要研究在一定物料流程前提下，以系统能量流演化过程为主线，分析单元设备、 局部子系统、全局系统三层次相互间影响制约关系，并对各子系统的优化目标协同调优； 重 点权衡产品工艺要求、 参数选择和单元能耗三方面因素以获得逼近全局最优的目标； 最后对 改进系统进行经济性评价， 并综合考虑改造初投资、 运行费用、 维护费用和使用年限等因素， 进而获得改造方案理论净收益和简单回收期。 本文从故障诊断、 优化改造和系统评价三方面 建立一套以无缝钢管生产为实例的能量系统分析和优化方案。 主要工作和研究内容包括以下 五部分： 1）在查阅大量文献的基础上，研究分析能量系统优化的原则和方法，以“分配得当、 温度对口、去繁从简、梯级利用”为原则，建立了能量系统四环节协同优化策略。但子系统 相互间耦合影响比较严重， 仅依靠简单元设备局部优化很难达到系统经济性全局最优。 怎样 降低局部优化时各系统子环节间的耦合程度， 同时更合理有效的划分系统， 以逐步逼近全局 最优解是本文研究的一个重点。 2） 本文针对系统存在的问题， 以能量分析和火 用分析法为基础建立了“三角”结构模型， 为全局系统优化提供了更加清晰合理的脉络。其避免能量利用层级顺序发生的片面结构思 想， 简单明了的展示了能量子系统间的并行耦合关系， 并在兼顾全局的前提下更侧重于能源 供入端和消耗端的研究分析。 3）在实地调研联诚钢管厂区现状基础上，以各系统主要单元设备的热平衡和火 用平衡为 优化突破口， 诊断厂区能源利用效率低且能耗量大的问题根源。 在系统各环节现状分析的基 础上运用“三角”结构模型对其作全局协调优化处理，并根据系统优化的各项原则要求提出 可行性改进方案与措施。 4）对于钢管厂重要生产工艺的合理建模与计算是该实验项目优化研究的重要环节，以 加热炉钢坯加热为重点单元综合评价模型， 在保证生产质量与工艺要求的前提下， 其目标函 数的构建选取是改造优化精度高低的关键。本文从钢坯加热工艺准确性、炉窑单耗、钢管成 材率和机械物理性能等方面综合加权考虑，并以 MATLAB 软件对其编程求解来获得符合生 产目标的最佳工艺制度。 5） 本文综合考虑能耗和经济两大因素建立模糊数学综合评价法， 合理选择各权重因素， 并对提出的厂区系统能效解决方案进行综合效益最优评价选择。 河北工业大学硕士学位论文 5 第二章第二章能量系统优化理论研究能量系统优化理论研究 能量系统优化技术运用系统工程的方法对全局能量系统进行模拟、分析、优化和评价。 其在一定的物料和工艺流程方案基础下， 侧重于子系统间的耦合权衡与能量综合利用。 单项 优化措施是系统优化技术的基石， 但通常各环节及其设备都是彼此关联的， 若改进系统的某 一部分势必会影响到系统的其它部分，即有牵一发而动全身之势。头痛医头，脚痛治脚的方 法只会事倍功半，而系统全局优化策略遵从“分配得当、温度对口、去繁从简、梯级利用” 的原则，并考虑几年后新扩建装备与现有设施的能量集成，可最大限度提高总体能效。 2 2 2 2. . . .1 1 1 1 能量系统综合优化概论能量系统综合优化概论 2 2. .1 1.1.1 能量系统优化的定义和本质能量系统优化的定义和本质 能量系统承担着生产过程中物流的加热和冷却、 加热用蒸汽和动力供应等任务， 对生产 中能源的消耗起着举足轻重的作用。全局能量系统通常指生产过程中与能量的利用、转换、 回收、输送等环节相关设备单元所组成的整体系统，它包括动力、换热网络、冷却、蒸汽、 加热等公用工程子系统 22。 一个完整的优化问题一般可描述为：在一定的（物理、经济和环境等）约束和限度条件 下，采用哪种系统结构（或配置） ，采取哪种单元的运行策略和设计特性，可以使整个系统 达到一定目标的全局最优。此问题揭示了能量系统优化的三个方面：设计（或改造分析） 、 运行优化和综合。而本文研究的重点和难点在于如何考虑系统内部物流、能流、信息流衔接 与耦合集成，并针对该系统结构的优化分析和计算。 能量系统优化技术以物流变化为基础， 能流演化为主线， 在一定工艺条件下实现流程合 理有效组合，以及系统内部子环节耦合匹配的权衡。在正常生产的情况下，权衡投资与能耗 的关系以实现产品生产费用最小的目标函数，并加权考虑系统的柔性、操作性、设备安全稳 定和环保等因素。以热力学第一定律为基础的火 用分析作第一层次优化，在此基础上引入的 热经济学分析作为第二层次优化，全局系统中各环节耦合因素的综合分析作为第三层次优 化。 全局能量系统优化技术必然包含单项节能措施的优化技术, 但它主要研究能量系统全 局优化的共性规律， 以及能量的综合利用和系统间耦合关系。 包括如何在单元优化的基础上 实现系统总体优化， 对于重点耗能关键设备和工艺也做了着重分析， 但并不泛论各单项措施 的内容和优化方法。 能量系统优化研究及基于钢管生产应用 6 2 2. .1 1. .2 2 能量系统优化的应用原则能量系统优化的应用原则 每个系统都是由许多彼此相互依赖和制约的环节有机联系在一起的。 它在不停的变化运 动和与外界相互交流中体现其自己特定功能， 如要改进系统的某一部分必然就会影响到系统 的其它部分。能量系统主要包括以下四项原则：整体性原则是系统方法的出发点，综合性原 则是其基本特征，优化原则是其工作核心，效益原则是其最终目标，详细见图 2.1 所示。 系统的整体性原则可表述为 “整体大于部分之和” ， 若干环节单元按照一定方式联系起 来形成的系统， 会产生出整体具有而其单元子环节或简单加和却没有表现出的特性。 也从侧 面表述了优化的协同策略， 及许多的子单元结合在一起会发生整体质的变化。 不同的关联方 式会产生相异的整体特征，若把系统整体分解为它的组成部分则这些特性就不复存在了。 例 如单个物质分子无所谓压力和温度， 而当大量分子聚集在一起成为系统时， 就表现出可以用 压力和温度来表示的整体特性。 系统的综合性原则可以从空间和时间两部分考虑 23。 在空间上全局能量优化要求包括生 产装置、辅助单元、公用工程等环节的综合集成，以便更好实现 “分配得当、温度对口、 去繁从简、梯级利用”的能源利用原则。在时间上全局能量优化不仅要考虑当前设施的能量 优化匹配问题，还必须考虑几年后新、扩建项目的装备与原有设施的能量集成，以及正常运 行时随着市场和其它因素的变化。 通过模拟优化相应的运行参数和完善管理措施来实现能量 优化， 例如从我国一些炼油企业能耗数据分析中发现某些企业装置能耗虽然不高但总能耗却 较高，这都反映出储运和其他辅助系统环节能耗较高，综合利用效率低下的弊端。 图 2.1 系统用能原则简图 Fig.2.1 the diagram of the principle of systemic energy 能量系统能量系统 整体原则 综合原则 优化原则 效益原则 整体大于部分之和 空间：分配得当、温度对口、去繁从简、梯级利用 时间：考虑几年后新扩建装备与现有设施的能量集成 系统结沟最优 单元效率最优 运行工况最优 能耗和投资费用之间的最佳平衡，以达全周期效益最大 河北工业大学硕士学位论文 7 系统的优化原则是改变现有困境和应对以后可能出现问题的核心工作。 寻求系统结构最 优主要探求工艺用能的优化和系统各单元环节间的最优布局。 单元效率的最优涉及用能单元 设备的强化和排弃能的最小化， 系统节能的效果往往受制于独立设备的节能水平。 而对于一 些常用单元设备，通常可以采用不同的方法降低其过程阻力以提高用能效率；因此，运行工 况的寻优不仅仅是在寻求一组决策变量的优化值， 而更是在寻找一个优化轨迹来实现安全高 效的生产。 系统的效益原则是能量系统优化追求的最终目标,它不应是简单随意的 “最低能耗”、 “最大产量” 、 “最少投资”等目标，而应考虑提高能源效率必须在能耗费用和投资费用之间 取得平衡，以获得全周期内的最大经济效益，能耗投资平衡见图 2.2 投资费用投资费用 操作费用操作费用 总费用总费用 用能效率用能效率 费费 用用 图 2.2 能耗投资平衡图 Fig 2.2 the diagram of dynamic investment balance 2.1.3 能量系统优化的方法步骤2.1.3 能量系统优化的方法步骤 传统意义上的优化方法多用于最初的设计阶段 24， 基本步骤为先设计一个较为详细的系 统框架， 再对其进行质量平衡和能量平衡的计算， 然后通过经济分析估算投资总额和产品成 本等经济性指标，其中最后一步包括对原系统结构的试验调优与成本再核算的多次反复修 改。 基本思想是把一个决策变量的价值或性能参数归纳为某一测度标准比如代价函数， 然后 反复的在可能的备选方案中进行选择， 选取的目标函数是使决策变量的性能不断提高以获得 一个全局最优状态。具体步骤如下图 2.3 所示： 能量系统优化研究及基于钢管生产应用 8 图 2.3 系统优化方法步骤 Fig 2.3 the methods and approach of system optimization 综上方法步骤不难发现也许机理模型的建立有所不同， 得到的结果也不尽相同， 但它们 基本都遵循相同的规律。即先建立数学模型，再加载边界条件，然后通过有限差分或其它优 化算法求解方程，最后考虑其它各因素综合调优以获得全局最优目标函数。 2.22.22.22.2 全局能量系统递进式协同优化策略全局能量系统递进式协同优化策略 能量系统全局的优化并不是几个子系统独立优化结果的简单叠加, 而需着重考虑其相 互间的影响和制约关系， 同时进行全局能量系统和子系统级两个层次的优化进程， 并通过对 各子系统优化结果的协同调优，以实现逐渐逼近全局优化的目标。 2.2.12.2.1 能量工艺利用系统优化能量工艺利用系统优化 在我国的高耗能工业企业，关键工艺流程和相关重点设备的能耗占总能耗的绝大部分。 能量利用环节涉及从物料到产品的一系列变化， 是产品质量高低的决定性环节。 它重点分析 各单元工艺总用能的合理性和对全局能量系统的影响因素， 优化目标在朝产品物流升值的方 向完成物耗、能耗和总投资费用最小的最佳权衡匹配。 能量利用环节能源耗量大、 能量形式多且工艺流程复杂多样， 但其不变的本质为能耗或 火 用损耗都是过程进行的推动力。在此环节中，能量推动着各个单元组件过程进行反应、加 工等各种操作来完成从原料到产品的转化。用工艺能耗和火 用效率来综合反映利用环节的整 体用能水平，主要受工艺方法参数、单元设备优化设计和流程组合三方面影响。核心工艺装 置的用能状况是全局节能改进的基础， 其在很大程度上决定了能量转换环节中如蒸汽动力系 统的运行状况和出力参数等因素， 也影响能量回收环节中换热网络的重新热匹配以及低温热 回收方法。 优化方法首先综合考虑工艺流程的优化组合， 从系统总流程出发探讨生产用能的 合理性。其次对工艺方法及参数进行优选，可借助相应流程模拟软件也可自己编程，并对提 出的各项改进措施做出各输出参数变化的预测和分析调优。 然后再着手其中单元设备的选取 河北工业大学硕士学位论文 9 和控制，应避免过分追求装置操作独立性。对相同工艺单元采取联合的生产方式，并将原先 分置于各个装置的同类工艺单元联合起来实现规模化， 有条件也可实施装置热联合， 它打破 了用能自成体系的局面，取长补短、相互协调具有显著的节能效果。最后估算具体实施措施 的投资费用与经济效果，并通过热经济学等方法来分析评价措施的可行性。 2 2. .2.22.2 能量转换系统优化能量转换系统优化 现阶段大多企业把节能降耗的精力都放在这些能源转换设备上， 其主要由各种加热设备 和热工转换设备等组成，如将燃煤中的化学火 用转化蒸汽热火 用的锅炉等。作为燃料和其它形 式能源的消耗者， 转换环节不但是回收环节能量回收的驱动者， 也是工艺利用环节中产品稳 定生产加工的保证者， 同时它也直接影响资源的消耗和企业资金的消费， 在整个能量系统中 占有很重要的地位。 能量转换主要包括能量种类的转换，如热能转电能、电流变光能等。本文在此重点研究 从实物燃料到各种化学能或热能转化过程的系统转换效率。 通过各种炉和热机等物质载体把 外界供给的一次能源转换成一定形式、数量和品位的二次能量提供给工艺物流和用能体系， 用能量转换效率和火 用转换效率来评价该环节的节能效果。在能量的转换过程中其数量虽然 保持不变，但是有效能（或火 用）的数量却逐步减少，即能量品质不断降低，而正是这种“损 耗性”直接导致各种能量形式之间的不等价。如加热炉热能利用的系统匹配，锅炉和汽轮机 的逐级利用，燃气轮机的热电联产等能量转换系统的综合利用方法都可获得很好的节能效 果。 能量转换子系统主要涉及不同火 用流的有效转换，因此可在给定初值条件下独立进行转 换环节工艺流程和参数的优化，以获得到最小的有效输出火 用单价。优化方法一般采用数学 规划法、试探法、人工智能等方法，而对于多级能量转换和回收子单元相耦合的复杂系统则 应综合考虑设备单元、子系统和全局三层因素。优化后的有效输出火 用值或火 用价在新的边界 条件下再次调整优化，如此迭代直至整个能量转换系统逼近综合效益最优目标。 2 2. .2.32.3 能量回收系统优化能量回收系统优化 能量的回收环节主要涉及换热网络，同时也包括能量升级、功回收和物流循环等，其对 全局系统优化很重要但却不是决定性的。 目前国内的余热回收技术在冶金等行业发展较为成 熟，并广泛应用于转炉余热锅炉系统、加热炉汽化冷却等系统。但是这些节能技术仅仅表现 在“余热回收” ，只是着眼于局部简单的废热回收和单个设备(如转炉或加热炉)的节能，并 不深入全局考虑整个系统匹配热回收。 能量回收环节基本由换热过程构成， 而回收的能量不仅要注重量的多少， 更要注重其质 的高低。以能量回收效率和火 用回收效率作为基准，火 用单价作为回收热量的经济性评价指标 着重于热回收初始网络的合成，并在此基础上采用火 用分析与火 用经济学分析法对各单元和不 同温位物流的能量利用情况进行分析, 以确定最佳的换热网络设计。 优化策略是在物料流程 的相应部位设置各种换热和冷却设备， 并以最小的回收驱动能为代价来获得最大的回收循环 能量系统优化研究及基于钢管生产应用 10 能。 能量回收环节的优化是在一定的产品输出能和转换损失能的前提下进行的， 是能量转换 和利用环节不可避免损失的补救。 虽然回收的循环能也可减少相应供入能量， 但从全局节能 角度来看， 能量回收系统的宗旨在于抓住能量转换和利用这两个能耗源头， 以尽量减少回收 工艺过程火 用损。具体方法如热能利用的大系统匹配，因为在大系统内更易于实现热源和热 阱的“温度对口” ，可使热媒水流量减小或温升增快；热能回收网络的优化合成和强化传热 技术的应用； 低温余热回收利用， 可通过大范围匹配充分利用全厂低温位热源, 尽可能实现 能量的梯级利用。 2 2. .2.42.4 能量输送系统优化能量输送系统优化 据统计我国风机耗电占全国发电量 10，而泵的耗电占发电量 25且运行效率普遍偏 低。 这些输送设备的合理选型与组合对全局能量系统优化有着不可忽视的地位。 企业能源输 送分配可分为两大类：一类是管道输送的能源与耗能工质，例如燃料油、天然气和水等； 另 一类是输配电线路。输送环节优化节能还应考虑输送管网的保温维护和电线电缆的输送损 失，考虑到它的属性为其他主要工艺及设备的辅助依托，故不对其单独详加研究。 能量输送系统是整个系统的循环血脉，主要包括能量如方向、大小、速度、位置等性能 的变化。 其不仅存在于单一的系统环节， 而是贯穿始终辅助着其它三个系统环节物料的周转 和生产加工。考虑到其所需能基本为电火 用而不同于其他环节的物理火 用，因此为便于对同类 物质能量的平衡计算，本文在对能量结构图和火 用结构图分析时单独考虑，并用传输效率作 为评价指标。 输送环节影响其他子系统的正常运行， 而其它三个环节的工艺调整和负荷变化 等因素又反馈于此环节设备，如此反复调整就实现了全局最佳工况。就全局能量系统而言， 此环节独立性最高， 且受自身设备性能的影响较大。 应首先掌握系统的水力特性和流量随时 间的变化规律并合理选用与其相匹配的参数， 然后再提高机泵等设备的本身运行性能。 其中 泵与风机损失主要包括容积损失、机械损失、水力损失，而在应用中也应考虑影响全局系统 最佳工况运行的各种因素，例如泵与风机的选型不当，管路系统设计不当，扬程和流量经常 变化等原因。 优化措施可以从额定负荷与需要适应度出发并考虑采用变频法流量调节、 富裕 系数的选择、电动机与泵和风机的合理匹配并以减小泵与风机内部损失等方面。 以泵的优化为例，泵的火 用损失主要是由泵轴在带动电动机时因机械摩擦造成的火 用损失 和泵本身存在的各种不可逆过程(如叶轮和流体之间的作用)造成的火 用损失两部分组成，而 其散热火 用损失可忽略不计。泵的转速 n 与流量 Q、压头 H、功率 P 的关系式 2-1 如下： 1111 3 0000 nQHP nQHP = （2-1） 易知当转速（n）下降 10%，流量（Q）下降 10%，压力（H）下降 19%，功率（P）下 降 27.1%。因耗功率与转速的三次方成正比,这是最有效的节电措施。因此可采用变频调速 装置调节其转速来改变流量，尽量避免采用会增加节流火 用损失或增大电耗的调节阀门及其 工作方式。 河北工业大学硕士学位论文 11 2.2.5 全局系统协同优化策略2.2.5 全局系统协同优化策略 全局系统按能量的不同功能和特征可划分为四个子系统, 而每个子系统中的单元组件 往往具有共同的调优方法和规律。 然而任一独立子系统的优化都是在其它三个系统的功能和 特征相对处于静态时的优化， 在协同优化时应着重于能量利用和转换环节， 这两个环节是生 产的核心工艺环节也是物料和燃料的最大消耗者,在能量体系中占主导地位，而能量输送环 节与回收环节则起相应的辅助作用， 此理论可称为协同权衡优化策略 25。 在优化策略中应以 “分配得当、温度对口、去繁从简、梯级利用”为原则，并综合考虑几年后新扩建装备与现 有设施的能量集成与升级，这样才能为全局系统综合优化提供可靠前提。 全局能量系统递进式协同优化流程如图 2.5 所示，首先以机理公式或经验方法给出协调 变量初值、 约束条件以及最大利润率目标函数； 然后采用模糊数学建立相应的物理模型和热 (火 用)经济学模型，采取火 用分析法指明系统的改进方向，并尽可能按优化目标结合工程和经 济约束条件提出改进措施； 随后在子系统独立优化的前提下， 以能量转换和利用系统为优先 考虑实施系统,再进行回收和输送环节的优化，得到环节局部最优变量，子系统的优化方法 可采用如试探法、 数学规划法等； 再次将四个子系统的优化措施同全局能量协调优化策略结 合分析进行系统内部结构调优， 得到能耗最小的全局变量最优值； 最后采用综合模糊经济理 论或火 用经济学方法对其进行经济可行性分析计算，寻求组元和系统改进措施最佳的投资利 润率(收益/代价)以改善全局的经济效益，最终得到费用函数最小的全局最优变量，若结果 不收敛则数次迭代以渐近能量系统全局最优值。 更新系统自变量 否 是 能量转换环节优化 能量输送环节优化 能量回收环节优化 物理 模型 热经济 学模型 系统层级协调优化 优化局部变量 优化全局变量 迭代收敛 能量利用环节优化 完成 独立变量、 目标函数选 取择 图 2.5 系统递进式协同优化流程图 Fig.2.5Flow sheet of progressive and collaborative optimization system 能量系统优化研究及基于钢管生产应用 12 2.32.32.32.3 本章小结本章小结 本章简要介绍了能量系统整体优化方案，并明确了能量系统优化的定义、本质、原则以 及方法步骤等基本知识， 其核心是在一定的物料和工艺流程方案基础下， 侧重于子系统间相 互耦合关系的分析与能量的综合利用。 全局系统递进式协同优化策略是本文的方向标。 本章提出在子系统合理划分和独立优化 的基础上深入分析全局能量协调关系， 对系统内部结构综合调优， 以实现全局经济最优的节 能目标。 河北工业大学硕士学位论文 13 第三章第三章能量系统优化方法研究能量系统优化方法研究 3 3 3 3.1 .1 .1 .1 故障诊断法故障诊断法 3.1.13.1.1 故障诊断理论故障诊断理论 故障一般由组件效率变化引起， 可定义为与系统生产过程相关的监视参数或计算参数的 偏离程度，而某些单元组件效率的变化也直接影响全局性能 26。推理故障诊断通常以一组 故障征兆或其组成关系为研究对象，步骤一般包括故障监测、故障诊断、故障识别和故障消 除与反馈四部分。 某些复杂的能量系统内部各单元设备相互耦合影响较大， 当某单元内部发生故障时可能 诱导与它相连接的其它单元设备内部也发生不可逆变化，所以在诊断前区分好“内在故障” 和“诱导故障”是至关重要的。那些由于系统内部单元耦合相交而引起其它单元设备效率发 生变化（如汽轮机效率降低） ，但其自身并没有发生任何实质性故障（如表面腐蚀和结垢或