（控制理论与控制工程专业论文）钢铁企业电力系统能源仿真模型研究.pdf

r 嬲 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。 作者签名：鲻 日 期：兰21 1 垂捐p 日 f 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的 规定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅，可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 摘要 摘要 钢铁工业是高耗能行业。电力系统是钢铁企业能源系统的重要组成部分，钢 铁生产过程中产生了大量的二次能源如高、焦、转煤气，以及一些废气、废液、 废渣的显热，这些能量占有很大的比重，如何将这些能源的回收利用情况反映出 来，对于钢铁生产企业搞好能源管理工作，特别是对电力系统能源仿真，避免不 必要的电力浪费，提高电力利用效率，具有非常重要的意义。 本文主要对钢铁企业电力系统能源仿真相关的研究，首先以物料平衡和能量 平衡为理论基础，分别建立电力仿真系统的数学模型，并对各个模块的流程做介 绍。然后进行钢铁企业电力系统能源仿真，并对其结果进行分析，最后本文对仿 真结果进行优化。本文的主要工作包括： 1 根据钢铁企业生产流程的不同，将电的产生单元和消耗单元按照功能结构相 似性原理进行模块分类，分为电力主生产工序消耗单元、余热余能回收发电 模块、自发电模块，分别对各个模块建立数学模型。 2 介绍了整个钢厂能源仿真，包括物流仿真、能源调控系统、能效分析这三个 部分，着重介绍了能源调控系统，对电力系统能源仿真使用流程图进行描述， 详细的介绍其工作原理，组成结构，关联情况，影响因素等。 “3 对能源仿真系统进行线性优化，建立能源电力仿真系统的优化模型，简单介 绍单纯形算法的理论，并用单纯形法对仿真结果进行优化。 4 实现钢铁电力系统能源仿真软件，根据国内某钢铁企业的实际生产数据，进 行电力系统相关的仿真，模拟各种工况下的生产数据，最后对仿真结果做分 析。 关键词：钢铁；电；能源仿真；仿真模型 a b s t r a c t a b s t r a c t i r o na n ds t e e li n d u s t r yi sah i g he n e r g y - c o n s u m i n gi n d u s t r y e l e c t r i c p o w e r s y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ee n e r g ys y s t e mo fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s t h e p r o d u c t i o no fi r o na n ds t e e lp r o d u c e sal a r g ea m o u n to fs e c o n d a r ye n e r g y , s u c ha s b f g , c o gl d g , a sw e l la st h es e n s i b l eh e a to fe m i s s i o n s ，w a s t ew a t e ra n dw a s t e r e s i d u e ，w h i c ha c c o u n tf o ral a r g ep r o p o r t i o no ft h ee n e r g y t h ep r o d u c t i o ns t a t u s s i m u l a t i o nc a l lr e f l e c tt h eu t i l i z a t i o no ft h er e c o v e r ye l e c t r i ce n e r g ys o u r c e s ，w h i c h c a nb eu s e dt oi m p r o v ee l e c t r i ce n e r g ye f f i c i e n c ya n de n e r g ym a n a g e m e n to ft h ei r o n a n ds t e e lp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e s i nt h i sp a p e r , r e l a t e dr e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n em a i n l yo nt h es i m u l a t i o no ft h e s t e e le n t e r p r i s e se n e r g yp o w e r s y s t e m f i r s t l y , t a k i n gt h em a t e r i a lb a l a n c ea n de n e r g y b a l a n c ea st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e sam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h e p o w e rs i m u l a t i o ns y s t e m ，a n di n t r o d u c e st h ep r o c e s so fe a c hm o d u l e s e c o n d l y , t h i s p a p e rc a r r i e so nt h es i m u l a t i o no fe n e r g yp o w e rs y s t e mo fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s ， a n dt h e na n a l y z e st h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n f i n a l l y , t h i sp a p e ro p t i m i z e st h e r e s u l t so f t h es i m u l a t i o n m a i ns u b j e c t si n c l u d e ： 1 a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n tp r o c e s s e so fs t e e lp r o d u c t i o n ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f f u n c t i o n a ls t r u c t u r es i m i l a r i t y , t h eu n i tc e l la n dm o d u l ec a t e g o r i e sa led i v i d e di n t o t h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h em a i np r o d u c t i o np r o c e s su n i t s ，w a s t eh e a tr e c o v e r y p o w e rg e n e r a t i o nm o d u l e ，a n ds e l fe l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o nm o d u l ew i t h m a t h e m a t i c a lm o d e l sb e i n ge s t a b l i s h e df o re a c hm o d u l e 2 t h es t e e l e n e r g ys i m u l a t i o n ，i n c l u d i n gl o g i s t i c ss i m u l a t i o n ，e n e r g yc o n t r o l s y s t e m s ，a n de n e r g ye f f i c i e n c ya n a l y s i sh a sb e e ni n t r o d u c e d t h i sp a p e rm a i n l y f o c u s e so ne n e r g yc o n t r o ls y s t e m s ，u s e sf l o wc h a a st od e s c r i b et h es i m u l a t i o no f t h ep o w e rs y s t e m ，i n t r o d u c e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no fi t sw o r k i n gp r i n c i p l e s ， c o m p o s i t i o n ，r e l e v a n c e ，i m p a c tf a c t o r s ，a n ds oo n 3 c a r r yo nt h el i n e a ro p t i m i z a t i o nf o rt h ee n e r g ys i m u l a t i o ns y s t e m ，a n de s t a b l i s h i i a b s t r a c t t h ee n e r g y o p t i m i z a t i o nm o d e lf o rp o w e rs i m u l a t i o ns y s t e m b r i e f l yi n t r o d u c et h e t h e o r yo ft h es i m p l e xa l g o r i t h m ，a n dt h e nu s et h es i m p l e xa l g o r i t h mt oo p t i m i z e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s 4 r e a l i z et h ee n e r g yp o w e rs i m u l a t i o ns o r w a r eo fi r o na n ds t e e le l e c t r i cs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lp r o d u c t i o nd a t ao fad o m e s t i ci r o na n ds t e e le n t e r p r i s e ， t h i sp a p e rs i m u l a t e st h ep r o d u c t i o nd a t au n d e rv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s ， s i m u l a t e st h er e l a t i o no fp o w e rs y s t e m ，a n da n a l y z e st h ef i n a lr e s u l t so ft h e s i m u l a t i o na tt h ee n d k e y w o r d s ：s t e e l ；e l e c t r i c ；s i m u l a t i o no fe n e r g y ；s i m u l a t i o nm o d e l i l l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 钢铁电力系统能源仿真综述2 1 2 1 能源仿真相关概念h 2 1 2 2钢铁企业节能发电设备介绍2 1 2 3 能源仿真的研究情况4 1 3 主要研究内容5 1 4 论文构成6 第2 章钢铁电力系统数学模型8 2 1 引言8 2 2 主生产j ：序电力系统模型9 2 2 1 主生产工序简介9 2 2 2 常见几种生产工序用电情况介绍1 0 2 2 3 主生产工序模型1 2 2 3 余热余能同收电力系统模刑1 3 2 3 1 余热余能回收发电设备介绍1 3 2 3 2 余热余能回收发电模型1 3 2 4 白发电系统模型1 6 2 4 1c c p p ) 陕型1 6 2 4 2c h p 发电模型1 7 2 5 小结1 9 第3 章钢铁企业电力系统能源仿真2 0 3 1 引言2 0 3 2 钢厂能源仿真系统简介2 0 3 2 1 钢厂能源仿真系统结构介绍2 0 3 2 2 能源调控系统介绍2 1 3 2 3 电力能源仿真系统介绍2 3 3 3 电力需求计算仿真2 4 3 3 1 电力需求仿真工作原理2 4 3 3 2 电力需求仿真流程2 6 3 4 余热余能同收电力系统仿真2 6 3 4 1 余能余热仿真工作原理一2 6 3 4 2 余能余热仿真流程2 8 3 5 一白发电系统仿真2 9 3 5 1c c p p 工作原理2 9 3 5 2c c p p 仿真流程3 0 3 5 3c h p 工作原理一31 i v 目录 3 5 2c h p 仿真流程3 2 3 6 小结3 4 第4 章钢铁企业电力系统优化3 5 4 。1 建模求解算法综述3 5 4 2 优化问题的数学建模3 6 4 2 1 变量定义3 6 4 2 2 目标函数3 8 4 2 3 约束条件3 8 4 3 优化模犁求解4 0 4 3 1 单纯形法原理4 0 4 3 2 单纯形法求解优化模型4 1 4 3 3 优化结果4 3 4 4 ，j 、结z 珥 第5 章实验结果与分析4 5 5 1 实验参数4 5 5 2 实验结果4 6 5 3 实验分析4 8 第6 章总结与展望5 0 6 1 本论文综述5 0 6 2 总结与展望5 0 参考文献5 2 附录1 5 5 附录2 5 6 致谢6 0 v 第l 章绪论 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 近年来，随着社会的不断发展，人们对节能减排方面需求更加迫切，这需要 国内的高耗能企业，特别是钢铁企业在节能减排上做更多的努力。钢铁工业是高 能耗行业，在国民经济总能耗中占很大比重。与国际上先进钢铁企业生产水平相 比，我国重点钢铁企业的吨钢能耗比国外先进水平高出l o ，能源消耗结构中， 煤炭占主体，电力次之【4 1 。随着企业生产规模的扩大、能源价格的上涨和市场竞 争加剧，钢铁企业提高能源利用效率己成为其发展的重要手段，传统的能源管理 模式已经不能适应钢铁生产大型化和激烈市场竞争的需要，也不符合国家长期发 展规划的要求。 影响钢铁企业能耗的因素很多，如企业现有设备的工艺水平，企业的生产计 划安排，企业能源的优化方法等。企业的节能方法主要有：1 、调整工艺结构， 优化生产工艺流程；2 、采用高性能节能设备和淘汰落后高耗能设备，降低各个 生产工序的能耗；3 、建立健全的能源管理系统，预测整体能源潮流，合理调度 各种能源介质，优化控制。本文研究如何调整电力与煤气、蒸汽、技术气体等之 间的运行，探讨它们之问的相互关系以及电力回收设备对电力系统的影响。 按流程分，钢铁生产过程可以划分为若干个生产工序子系统；按能源种类钢 铁生产系统可以分为蒸汽系统，燃气系统、电力系统、技术气体系统等【5 】。各子 系统之间相互作用，只有相互协调才能达到能源利用的效益最大化。钢铁流程是 一个连续和离散混合的生产过程，各种能源介质的产生与消耗都是动态的、连续 的过程。 目自订国内外对钢铁企业主生产工序的能量流模型做了很多研究，建立了钢铁 流程物质流和能量流模型，分析了各种工艺制度对钢铁企业能源结构的影响，以 及钢铁企业能源循环利用的潜力。但是许多钢铁企业，生产和管理在很大程度上 都依赖于经验，全流程能耗按钢比进行静态匹配计算，不能反映动态变化【l 】，另 外没有考虑与分介质模型( 管网) 的交互方式，无法直接用于能源动念调控，信 息孤岛与断层现象，制约着管理与生产工艺的进一步优化，存在很大的局限性， 第1 章绪论 必须采用动态的调控来管理；通过建立能源仿真系统，为实现钢铁企业节能降耗， 并以一种动态和连续的研究方法，实时展现生产过程，为生产管理探索了一种有 效途径。 做好能源管理工作，加强能源平衡与优化调度，充分利用一次能源和二次能 源，回收生产环节中余热和余能【8 】，减少能源放散和外购，不仅有利于降低生产 成本，提高企业市场竞争力，增加企业经济效益，也有利于环境保护和可持续发 展，具有很大的潜力和利润空间，对钢铁企业有重大现实意义。 1 2 钢铁电力系统能源仿真综述 1 2 1 能源仿真相关概念 仿真( s i m u l a t i o n ) 就是将研究对象按照研究目的的需求进行抽象或类比处 理形成仿真模型的技术。研究对象可以是物质，能量，以及其他各类具体的或者 抽象的事物，仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程， 以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。最初，仿真技术 主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试 验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些 主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统 等一些非工程系统领域。可以说，现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为 任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和 训练的重要手段。其应用范围在不断扩大，应用效益也同益显著。 能源仿真是在一定约束条件下，为特定能源对象设计工作流程，并将各任务 在流程的顺序和时间安排的过程加以模拟仿真，展现出来的一个过程。 能源仿真的目的是为了给能源管理者提供一个决策支持，在依照实际生产数 据的基础之上，按照能源仿真的算法，仿真出各个能源介质的消耗情况和设备的 运行情况，这样可以帮助能源管理者们做出更准确的决策判断，使得能源的使用 更加科学、高效、经济。 1 2 2 钢铁企业节能发电设备介绍 在钢铁企业罩发电的设备，有的是利用回收过来的余热余能发电；有的是燃 第l 章绪论 烧燃气( 高、焦、转) 或者动力煤来发电。利用余热余能发电的设备如高炉煤气 余压透平发电装置( t i 玎) ，干熄焦余热锅炉发电( c d q ) ；利用燃气或者动力煤 的发电设备如燃气一蒸汽联合循环发电( c c p p ) ，热电联产( c h p ) ，下面将简单 介绍下这几个设备的原理及特点。 干熄焦( c o k ed r yq u e n c h i n g 简称c d q ) 是一种将出炉焦炭的显热回收的技 术设备，它将干熄焦工艺中的惰性气体进行冷却所产生的蒸汽在蒸汽锅炉中进行 发电。其优势在于可以减少环境污染，改善焦炭质量，节约煤等特点，因而是目 前在国外较广泛应用的一项节能技术。 高炉煤气余压透平发电装置( 简称t l 玎) 主要分为湿式、干式、干湿两用型。 湿式t r t 用于采用湿法除尘工艺中高炉煤气的能量回收。湿法除尘后的高炉煤气 压力较低，大量喷水损失了大量有用的热能，同时大大增加了煤气中的含水量，不 仅降低了煤气的热值，而且对t r t 等设备也不利。t l 玎与高炉煤气干法除尘技术 相结合是对高炉余压、煤气综合利用的系统集成技术。这种技术结合一方面提高 了t r t 发电效率：另一方面实现了高炉煤气全干法除尘，减少或基本没有新水消 耗和废水排放，煤气含尘量显著降低，高炉采用全干法除尘可有效提高t r t 发电 量。因而t r t 装置由湿式向干式发展是一种趋势。 燃气- 蒸汽联合循环发电( g a s s t e a mc o m b i n e dc y c l ep o w e rp l a n t 简称c c p p ) 。 c c p p 技术先进，发电率高。已接近天然气和柴油为燃料的相近型号的燃气轮机联 合循环发电水平：钢铁厂的c c p p 以燃高炉煤气和焦炉煤气为主，与常规电厂相 比，c c p p 热电转换效率提高近l o 个百分点，为钢厂富余煤气利用提供了良好的途 径。c c p p 技术特点：热效率高，发电效率高。在不外供热时高达4 0 , - - - 4 5 ，而常 规的锅炉蒸汽发电仅为3 5 左右。相同的煤气量，c c p p 要比常规的锅炉蒸汽多发 出7 0 - - 一9 0 的电。c c p p 排烟中c 0 2 排放比常规火力电厂减少4 5 - 5 0 ，没 有s 0 2 、飞灰及狄渣排放，n q 排放很低，目前已达n d , 于2 5 m g k g ，今后有望达 到5 - 一9 m g k g 。目自订我国钢铁企业高炉煤气和焦炉煤气仍有放散。若将这些煤气 都用于c c p p 发电，仅此一项每年约町节约6 0 0 万吨标准煤。 热电联产( 简称c h p ) ，是指在同一电厂中将供热和发电联合在一起。在发 电过程中将一部分热能通过热力管道输送到千家力户，因而同样燃烧同样数量、 同样品质的煤炭，热电厂不仅可以提供电能，还能提供工业生产用的蒸汽和住宅 第1 章绪论 暖气用的热水。热电厂的热效率一般都在4 5 以上，另外热电厂由于锅炉容量大、 除尘效果好、烟囱高、还可实现炉内脱硫除硝，相比于小锅炉、火电厂，其环境 效益和社会效益非常巨大。热电联产是既产电又产热的先进能源利用形式，与热 电分产相比具有很多优点：一是降低能源消耗，二是提高空气质量，三是补充电 源，四是节约城市用地，五是提高供热质量，六是便于综合利用，七是改善城市 形象，八是减少安全事故。热电联产由于具有许多优点，所以世界各国都在大力 发展。 余热锅炉发电，主要是利用燃气轮机烟气余热，通过真空封闭的热管内传热 介质的高温沸腾吸热和低温冷凝放热的工作原理，进行高效热传导，进而加热水 成为高压高温的水蒸汽进入汽轮机做功发电。 1 2 3 能源仿真的研究情况 能源仿真是建立在物料平衡和能量平衡的理论基础之上，两者相结合，以物 质流为前提，以单个生产工序为基础单元，建立单个平衡方程，再从整个生产工 序出发，建立生产流程的平衡方程，并将生产的实际过程按照一定的逻辑关系顺 序，分别进行建模，展示能量产生和消耗的一个动态的过程，这样可以及时客观 的反映生产的过程，获耿生产及时信息，为指导生产过程提供实际参考价值数据。 物料平衡，根据质量守恒定律，对任何一个生产过程，其中原料消耗量应为 产品量与物料损失量之和。即哦= o o + ，通过物料衡算。可知原料转变为 产品以及损失的情况。对整个过程或过程的某一阶段，都同样适用。可对参与过 程的全部物质进行衡算，也可对任何一个组分进行计算。能量平衡，即以某种能 源介质为对象的能量的收入与支出的平衡，消耗与有效利用及损失之间的数量平 衡，即公式巨。= e o 。，+ ，。 文献【2 】，结合仿真目自仃的发展趋势和钢铁企业的特点，探讨了基于h l a 的体系 结构构建能源仿真系统的方案，同时对利用面向对象的建模方法进行了论述。文 献【6 】，对石化生产领域蒸汽动力系统，做了相关优化研究，综合考虑设备启停费 用，建立蒸汽动力系统多周期最优运行的混合整数线性规划模型。文献【1 1 1 ，对复 杂系统仿真模型的有效求解涉及到如何组织这些方程并分配以合适的算法问题。 首先将方程的有效组织( 计算策略) 和具体的积分算法概念区分开来，之后着重探 讨了两种现存的面向方程的面向模块的计算策略的应用特点及优缺点，并提出了 第1 章绪论 组合顺序的计算策略的方案。最后通过电站锅炉系统仿真模型求解实例进一步说 明了应用组合顺序计算策略对复杂系统的高精度仿真的优越性。文献【l2 1 ，针对 钢铁企业能源动态平衡和优化调度问题，提出了以能源系统数学模型为基础、建 立能源调度问题的数学规划描述、对钢铁企业能源相关单元进行分类，为各类单 元模型确定统一建模方法。以管网和单元模型为基础，将调度问题描述为数学规 划的形式。通过目标函数转化，将最终问题转化为线性数学规划。文献【1 9 】，采 用系统分析法，对钢铁企业的生产工艺流程进行充分的调查和研究，根据能量平 衡原理推导了企业能源平衡公式：同时考虑物流对企业能耗的影响，运用e o p o 分析法和“基准能流图 概念建立了物流平衡方程。根据神经网络原理，运用b p 算法建立了能源预测模型，通过数值计算软件m a t a l b 对历史能耗数据的处理，有 效地预测未来若干月的能耗数据。根据钢铁企业的基本能源优化模型和钢厂生产 系统的实际情况建立了钢厂能源优化模型，分析在企业净能耗最小的情况下，各 种能源介质的消耗量和发生量以及各单元的实物产量，给出合理的生产方案。 目前研究电力能源系统仿真模型的，主要集中在普通电力行业，与本文研究 的不同之处在于研究的重点为电网负荷的仿真，而本文着重研究的是在已知工况 条件下，对发电设备的发电量进行模拟。上述文献对能源系统仿真的研究考虑的 角度不同，理论基础也有不同，在实现能源仿真的同时，也存在一些问题，例如 能源介质划分还不够细化，一些能源介质还未考虑进来，如氧、氮、氩等技术性 气体，仿真单元未能体现出一些设备的个性的东西，例如c c p p 与c h p 它们存在 共性的同时也存在自身的特点。 1 3 主要研究内容 按照发电原理的不同，将其分为余热余能发电和自发电，余热余能发电是利 用换热或者能量转换形式，将余热余能转换成电能，而自发电则是通过回收的二 次能源如高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气，以及外购的燃料如动力煤的形式来发 电，弥补电力需求缺陷，本文将这两个模块分开末考虑，根据能量和物质平衡原 理来建立它们各自的数学模型。 建立完钢铁电力系统能源仿真数学模型之后，将每一个模块的工作原理通过 流程图描述，反映各个模块的逻辑结构，具体实现过程，清楚的了解各个模块的 气 第1 章绪论 组成原理。 对能源仿真系统进行线性优化，建立能源电力仿真系统的优化模型，简单介 绍单纯形算法的理论，并用单纯形法对仿真结果进行优化。 最后进行仿真结果的分析，通过对不同工况仿真结果的对比分析，总结出分 析结论，并提出进一步研究的构想。 1 4 论文构成 rr j j 本文以当前钢铁行业能源使用情况为背景，根据国内能源仿真研究工作情 况，展开介绍了钢铁企业的能源仿真系统的构成，重点介绍了钢铁企业电力能源 仿真系统，作为钢铁企业能源仿真系统中的一个组成模块，它与整体系统既具有 十分紧密的联系，又具有自己的特点，通过建立数学模型，对实际生产过程进行 一系列的仿真，对实际生产过程具有一定的指导意义。本文还就系统仿真进行一 些优化方面的研究，目的是使得系统能够更加实用，提升企业竞争力。 论文的结构如下： 第一章是绪论部分，主要对钢铁企业电力系统能源仿真进行了一些综述，介 绍了一些能源仿真方面相关的概念，同时还介绍了一些本文研究中涉及到的一些 发电设备，综述中提到了一些前人在研究能源仿真相关问题所采取的方法思路以 及解决办法。 第二章则具体的描述建立了钢铁企业电力系统的数学模型。首先介绍了各个 工序的生产流程，主要生产工序的用电情况介绍，建立了主工序电的数学模型， 然后简要地介绍了一些回收设备的工作原理，根据物理热力学定律和做功定义， 以及工艺和回收设备的一些参数，建立了余热余能回收设备计算方程，再依据热 量转换模型，计算由热量转换成的电量，最后介绍了自发电模型，主要是c c p p 发电模型和c h p 发电模型，依据能量守恒原理，将二次能源如高炉、焦炉、转炉 煤气，以及一次能源动力煤全部转换成热鼍来计算，建立自发电环节的能量平衡 方程，进而可以计算自发电环节发电设备的发电量。 第三章为钢铁电力系统能源仿真的流程介绍。首先介绍了钢厂能源仿真结 构，它的组成包括物流仿真、能源调控系统、能效分析，其次单独介绍了能源调 控系统的组成子系统，包括煤气子系统、技术气体子系统、蒸汽子系统、电子系 第1 章绪论 统，然后重点详细介绍电力仿真子系统，同样也是分模块，按照功能或者性质相 似性，将电力仿真子系统分为电力需求计算仿真、余热余能回收电力系统仿真、 自发电系统仿真几个部分，将每个部分的工作原理，具体工作的流程图做了详细 的介绍，并用流程图来展示其过程。 第四章为钢铁企业电力系统优化。在考虑到经济成本，使得外购资源尽量的 少，放散和浪费少，效率高等诸多经济要求的驱使下，为满足这方面的要求，需 要进行优化，同时又需要兼顾安全生产的要求，满足正常的生产，需要约束条件， 通过建立优化模型，通过单纯形法，求解出能够满足这些需求的解。 第五章介绍了实验结果与分析。将仿真的数据通过一些不同情况下的对比， 得出优化结论，最终为满足实际生产奠定了理论基础。 ， 最后一章为总结与展望。对本文的工作进行了总结，并提出了新的研究突破 点和改进的方向。 第2 章钢铁电力系统数学模型 2 1 引言 第2 章钢铁电力系统数学模型 在大型的钢铁企业生产过程中，需要用到煤炭、电和天然气等多种能源介 质，同时会产生多种二次能源，如副产煤气( 高，焦，转) 、蒸汽和电等。这其 中，煤气子系统、技术气体子系统、蒸汽子系统、电力子系统之间的交互最为紧 密、关联度比较大。在本文中，将结合煤气、技术气体、蒸汽和电四大类能源介 质，重点考虑钢铁企业电力系统与其他三个子系统之间的交互情况，并着重就电 力子系统做相关调控和仿真方面的研究。 首先，将介绍电力子系统的特点、可调控性及调控过程中需要考虑的问题。 电力是钢铁企业比较重要的能源，它在钢铁能源消耗结构中占2 0 。在一 些电机设备如( 驱动、鼓风机、压缩机等) 、过程加热及其他工艺工程中，都需 要电力资源。 电力的来源来自两方面：自发电和外购电。自发电在钢铁企业生产过程中 扮演着重要的角色，它实现了钢铁企业二次能源的真币回收利用，在钢铁企业里， 发电设备分为两类，一类为余热或者余能的回收发电，如c d q 干熄焦余热发电、 t r t 高炉炉顶余压发电、余热锅炉发电等；另一类为利用一次能源如动力煤( 目 前很多钢铁企业主要依靠动力煤进行发电) 以及二次能源如高炉煤气、焦炉煤气、 转炉煤气束发电，这类设备如蒸汽一电联合循环发电机组( c c p p ) 、热电联产发电 ( c h p ) ，前者使用高炉煤气和焦炉煤气，后者使用高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤 气和煤。在本文中，为了区别这两类，第一类我们称为余热余能回收发电设备， 第二类为自发电设备，大规模的使用这些二次能源回收发电设备，可以大大节约 生产成本，减少环境污染。外购电是自发电的补充，为了既满足电力需求，又尽 量减少电量消耗，钢铁企业9 1 ：| 买电力一般采用电力需求侧管理的方式，即企业自 身负责用电管理，严格遵照朋电合同，确保总用电量和动态负荷均在约定的负荷 范围内。超出合同负荷将以惩罚价计算，【礼时也会影响企业的用电信誉。 电力调控的目的为尽量使用回收余热余能束发电满足工序生产对电的需 求，在对工序仍然无法满足电力需求的情况下，使用自发电设备，利用回收的二 第2 章钢铁电力系统数学模型 次能源发电，满足生产需求，如仍未满足电的需求下，外购电，确保正常生产。 在确保能源稳定供应和安全的正常生产的前提下，优化能源消耗的结构，充分利 用二次能源，可有效提高能源综合利用效率。对于减少煤气、蒸汽的放散浪费， 稳定整体电力负荷的相对稳定都具有现实意义。 钢铁企业中工序、设备繁多，各工序间相互连接，而且每道工序都有多种 能源介质介入，使得能源系统结构错综复杂。因此，需要各个单元的能源模型， 还需要根据生产工序的流程，设备自身的参数约束，生产工序中对电的需求等， 建立整个能源系统结构的数学模型。 2 2 主生产工序电力系统模型 2 2 1 主生产工序简介 在一般性的钢铁生产企业罩，主生产工序主要可分为焦化、石灰窑、烧结、 球团、高炉、喷煤、细粉、铁水预处理、转炉、钢包精炼、r h 精炼、c a s 精炼、 连铸、加热炉、热轧、冷轧、热处理、钢管等，流程首先从原料场开始，将原料 如煤送往球团工序和烧结工序，再将球团、烧结和焦化的产品送入到高炉里进行 炼铁工序，出来的铁水装入铁水罐车送往转炉进行炼钢，然后将钢水送到l f 、 r h 和c a s 精炼炉精炼，精炼后送往连铸工序，最后经过加热炉加热，进行热轧， 制成热轧板或经过冷连轧工序制成冷轧板等。其工业流程图如图2 1 。 第2 章钢铁电力系统数学模型 典型钢铁工业流程图 图2 1 典型钢铁上业流程图 2 2 2 常见几种生产工序用电情况介绍 ( 1 ) 焦化工序用电情况 焦化工序消耗的能量约占钢铁企业总能耗的7 8 ，焦化工序将原料场的 煤经过炼焦过程变为焦炭，同时产生副产品焦炉煤气，焦化工序是整个生产过程 中污染比较大的一个工序，能量容易流失，为了提高能源的利用效率，通常会加 入余热回收设备，如干熄焦余热发电机( 简称c d q ) ；焦化过程中，焦化工序 耗电，主要是来源于配煤车间罩的各贮煤、粉碎、配煤及除尘的耗电；炼焦车间 旱的炼焦、熄焦、筛运焦、装煤除尘、出焦除尘和筛运焦除尘耗电；回收车间罩 的冷凝鼓风、氨回收、苯回收、脱硫、脱氰、脱萘等工序和酚氰污水处理的耗电。 ( 2 ) 烧结工序用电情况 烧结工序将铁矿粉、溶剂( 石英、云屑、生石灰) 、燃料( 焦粉、煤粉) 、 工业副产品( 炉灰、杂料等) 加入水以后进行配料，经过多次混合，布料、铺料， 最后点火，烧结成块。烧结工序耗电的环节主要为从烧结生产系统的熔剂、燃料 破碎丌始，原料运输、工艺过程的混料、烧结机、环冷机、烧结矿破碎、筛分到 成品烧结矿皮带机进入炼铁厂为止及烧结脱硫，各种动力提供设备所消耗的电。 第2 章钢铁电力系统数学模型 ( 3 ) 炼铁工序用电情况 炼铁工序将原料场里的块矿，焦炉里烧制的焦炭，烧结工序制成的烧结矿， 球团工序产生的球团矿混合在一起进入高炉料仓经高炉高温冶炼出铁水和渣铁， 以及副产品高炉煤气，由于高炉内温度比较高，炉顶将产生很大气压，具有大量 的余压能量，通过t r t 发电，可以将余压能转换成电能，提高能源的利用率。 炼铁工序所消耗的电主要来自高炉工艺生产系统里原燃料供给、高炉本体、热风 炉、煤粉喷吹系统、渣铁处理、煤气系统等各种提供动力设备所消耗的电。 ( 4 ) 转炉工序用电情况 转炉工序是将石灰氧气，铁水、合金料、废钢等加入转炉内，利用化学反 应产生的热量为自身反应提供维持反应所需要的温度，一般2 0 分钟为一炉次， 转炉炼出合格的钢水，产生渣和转炉煤气副产品。其耗电主要是转炉生产系统里 的铁水预处理、倒罐站、转炉本体、渣处理系统、钢包烘烤、煤气回收与处理系 统等所消耗的电能。 ( 5 ) 电炉工序用电情况 电炉将石灰石、白云石及铁合金与废钢、氧气一起进入电炉经加热，化学 反应生产合格钢水以及渣，其电的消耗电炉生产系统的废钢预热和处理、原料的 烘烤和干燥及供给、电炉本体、渣处理、钢包烘烤等环节所消耗的电能。 ( 6 ) 精炼工序用电情况 精炼工序常用的有l f 精炼、c a s 精炼、r h 精炼等，将钢水中颗粒物，含 硫等杂质进一步粉碎，去除，使得钢水的成分更纯，精炼工序的耗电是从钢水进 入精炼工位开始，经过精炼炉的真空系统、除尘器、精炼、钢水精炼完成出精炼 工位进入铸区为止精炼各个生产系统消耗的电能。 ( 7 ) 连铸工序用电情况 连铸工序将钢水送入浇铸系统进行浇铸、然后冷却、切割的一个过程，其 电能的消耗主要是连铸主生产系统的中间包烘烤系统、浇铸系统、切割系统、铸 坯冷却系统等生产系统所消耗的电。 ( 8 ) 热轧工序用电情况 热轧工序是将铸坯送到加热炉进行加热，然后进行粗轧，再进行精轧，最 后冷却，这其中加热炉内产生的烟气可以余热回收发电，其消耗的电主要为热轧 第2 章钢铁电力系统数学模型 主生产系统从铸坯进入热轧工序直至热轧成品进入下一道工序或出厂的全过程 等消耗的电。 2 2 3 主生产工序模型 图2 2 主生产上序模型 在不考虑余热回收的情况下，我们将主生产工序电力系统抽象为纯粹由电 网组成的系统，将每一个生产工序i 描述为对应的单元模型，这样主生产工序电 力系统网络结构抽象的表示为由电网和单元模型组成的一个序列。图2 2 为主生 产工序单元的模型，图2 3 为主生产工序的拓扑图。 l 。 1一r1f 一 r 1 r i 焦化t i n g i i 烧结： ：球团j。r 高炉 热处理j ! 钢管； i 一一一。f 一一一j 。 。!i 一一 j r t- ! 一一一j 一- 一 丫 7 - 一l 一一 ，一】 土一l ：序耗电量- ( 1 ：序i 耗电啭) i 一一一 一一 一o 图2 3 主生产工序流程图 计算生产工序在时刻t 的电净需求( 各个生产工序所需要的电量由物质流仿 真计算得出) ，生产工序电净需求方程： d ( t ) = x i ( f ) + x 2 ( f ) + b o ) + ( f ) + ) ( 5 ( f ) + o ) ( 2 1 ) 式中d ( f ) 为主生产工序在时刻t 的电净需求( k w h ) ，x t ( f ) ( f ) 为各个主 生产工序( 焦化，石灰窑，烧结，球团，高炉，喷煤，细粉，铁水预处理，转炉， 钢包精炼，r h 精炼，c a s 精炼，连铸，加热炉，热轧，冷轧，热处理，钢管等) 在时刻t 电的净需求量( k w h ) 。 2 3 余热余能回收电力系统模型 2 3 1 余热余能回收发电设备介绍 ( 1 ) 余热回收设备介绍 目前可供余热回收设备很多，主要有：干熄焦余热发电、炼钢余热发电和烧 结余热发电等等【4 3 】，它们均是以蒸汽为动力，推动汽轮机做功，实现发电过程。 下面简单介绍这3 个常用的余热回收发电设备： 干法熄焦是