一種基于隨機(jī)預(yù)測(cè)模型的鋼鐵企業(yè)多能源優(yōu)化調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鋼鐵企業(yè)能源調(diào)度領(lǐng)域，尤其涉及一種基于隨機(jī)預(yù)測(cè)模型的鋼鐵企業(yè) 多能源優(yōu)化調(diào)度方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼鐵號(hào)稱工業(yè)的糧食，鋼鐵工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。能源消耗是決 定鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)成本和利潤(rùn)的重要因素，我國(guó)鋼鐵企業(yè)的能源成本約占鋼鐵生產(chǎn)成本的 1/3,能源利用率低，既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境，加大了生產(chǎn)成本。
[0003] 鋼鐵行業(yè)是高能耗行業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)總能耗中占較大的比重，在我國(guó)，該比例約 為10%。能源消耗結(jié)構(gòu)中，煤炭占主體，電力其次。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、能源 價(jià)格不斷上漲和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，在鋼鐵企業(yè)提高能源利用效率，節(jié)約資源，不但可以 降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提供企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，也有利于可持續(xù)發(fā)展、保護(hù) 環(huán)境和減少碳的排放量，已成為發(fā)展鋼鐵工業(yè)的重要任務(wù)之一。
[0004] 鋼鐵企業(yè)能耗的影響因素有許多，比如企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備的工藝水平，企業(yè)的產(chǎn)品結(jié) 構(gòu)組成，企業(yè)能源調(diào)度方法的合理性等。鋼鐵企業(yè)節(jié)能的主要方法有：1)采用耗能少的先 進(jìn)設(shè)備，提高工藝水平，降低各工序的能耗；2)調(diào)整企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使得各種產(chǎn)品（不 同產(chǎn)品耗能量不同）搭配得當(dāng)；3)提高能源管理水平，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各個(gè)工序能源需求趨勢(shì)， 進(jìn)行合理的調(diào)度配置。為了使有限能源得到更加安全、高效、合理的利用，與其他的節(jié)能方 法相比，提高能源的配置水平，促進(jìn)能源的優(yōu)化調(diào)度是非常有效的途徑。
[0005] 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)在鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)研究工作中取得了許多成果。但 研究成果在能源平衡、調(diào)度方面主要集中在煤氣或蒸汽等單一能源介質(zhì)系統(tǒng)中，綜合考慮 多種能源介質(zhì)的耦合關(guān)系并實(shí)施優(yōu)化調(diào)度成果還不多見，特別是在考慮多種能源介質(zhì)的同 時(shí)，還考慮預(yù)測(cè)模型具有隨機(jī)性的，更是少之又少。即使有考慮到隨機(jī)性的文章，也都是高 屋建瓴，以高度概括的方式為鋼鐵企業(yè)指明研究方向，只停留在理論層面，對(duì)具體實(shí)踐指導(dǎo) 不明確。
[0006] 鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中伴隨大量電力、氧氣、煤氣等能源介質(zhì)的消耗。能源配置問(wèn)題解決 的是在考慮一次能源和二次能源以及能源轉(zhuǎn)換的條件下如何對(duì)給定的展望期范圍內(nèi)的能 源介質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化分配，實(shí)現(xiàn)最小化總能源耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于隨機(jī)預(yù)測(cè)模型的鋼鐵企業(yè)多能源優(yōu) 化調(diào)度方法。
[0008] -種基于隨機(jī)預(yù)測(cè)模型的鋼鐵企業(yè)多能源優(yōu)化調(diào)度方法包括：
[0009] 步驟1，獲取鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)信息，所述生產(chǎn)信息包括能源介質(zhì)相關(guān)的需求量、生 產(chǎn)工藝約束條件及能源系統(tǒng)拓?fù)鋱D；
[0010] 步驟2,基于能源介質(zhì)相關(guān)的需求量建立鋼鐵企業(yè)在各個(gè)周期內(nèi)的具有隨機(jī)干擾 的需求預(yù)測(cè)模型；
[0011] 步驟3,根據(jù)所述的能源系統(tǒng)拓?fù)鋱D的確定調(diào)度方案，并針對(duì)該調(diào)度方案根據(jù)所述 的生產(chǎn)工藝約束條件和需求預(yù)測(cè)模型建立帶有隨機(jī)參數(shù)的企業(yè)能源介質(zhì)的多周期集成的 隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型J;
[0012] 步驟4,將所述的隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型J轉(zhuǎn)化為優(yōu)化調(diào)度模型J';
[0013] 步驟5,求解優(yōu)化調(diào)度模型J'得到優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，并根據(jù)所述的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果生 成可執(zhí)行的調(diào)度結(jié)果以進(jìn)行多能源調(diào)度。
[0014] 作為優(yōu)選，所述的生產(chǎn)工藝約束條件包括混合站的工藝約束條件、聯(lián)絡(luò)管的物料 平衡約束、鍋爐設(shè)備的工藝約束條件、發(fā)電機(jī)設(shè)備的工藝約束條件和供銷平衡約束條件。
[0015] 本發(fā)明中采用聯(lián)絡(luò)管的物料平衡約束和供銷平衡約束條件即可。為提高優(yōu)化調(diào)度 方法的精度，作為優(yōu)選，所述的混合站的工藝約束條件如下：
荷上限，
[0030] 7^為鍋爐負(fù)荷組負(fù)荷波動(dòng)范圍，
[0031] 〇,〇1，OjGGL，GL為鍋爐集合
[0032] 式（3)為產(chǎn)量約束，煤氣量（此處已將各種煤氣按熱值折算為相應(yīng)高爐煤氣的 量），蒸汽負(fù)荷單位為kg/h，產(chǎn)蒸汽煤氣單耗單位為m3/kg。
[0033] 鍋爐〇1和鍋爐〇 ,分別為同一鍋爐組中的任意兩個(gè)鍋爐。
[0034] 式（4)為鍋爐相鄰周期負(fù)荷均衡，式（5)為鍋爐組負(fù)荷均衡，@
[0035] nB為同一鍋爐相鄰周期間負(fù)荷波動(dòng)范圍，YB為鍋爐負(fù)荷組負(fù)荷波動(dòng)范圍，二者 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)定。
[0036] 所述發(fā)電機(jī)設(shè)備的工藝約束條件如下：
Yt;為發(fā)電機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)范圍；
[0043] q，GFD，F(xiàn)D為發(fā)電機(jī)集合。
[0044] 式（6)為發(fā)電機(jī)產(chǎn)量約束，式（7)為發(fā)電機(jī)相鄰周期負(fù)荷均衡，式⑶為發(fā)電機(jī)組 負(fù)荷均衡，ne和Ye的取值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)定。
[0045] 進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟2中具有隨機(jī)干擾的需求預(yù)測(cè)模型如下：
[0048] 其中，ek為服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)變量，
[0049] dGCYH，CYH為煤氣生產(chǎn)用戶集合，垃表示第k個(gè)周期內(nèi)煤氣生產(chǎn)用戶d的煤 氣i消耗量，fuk表示與煤氣i、生產(chǎn)用戶d和周期k有關(guān)的函數(shù)，由煤氣生產(chǎn)用戶d的歷 史煤氣消耗量建模得到；
[0050] jGGYH，GYH為蒸汽生產(chǎn)用戶集合，表示第k周期內(nèi)蒸汽生產(chǎn)用戶j的蒸汽消 耗量，g_]ik表示與蒸汽生產(chǎn)用戶j和周期k有關(guān)的函數(shù)，由蒸汽生產(chǎn)用戶j的歷史蒸汽消耗 量建模得到。
[0051] 式（9)為煤氣生產(chǎn)用戶需求預(yù)測(cè)，式（10)為蒸汽生產(chǎn)用戶需求預(yù)測(cè)。
[0052] 所述隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型J如下：
[0053]J= min{E(F1+F2-F3-F4+F5)+Var(F1)+Var(F2)+Var(F3)+Var(F4)+Var(F5)} (11)
[0054] 且滿足所述的生產(chǎn)工藝約束條件和需求預(yù)測(cè)模型，其中：
[0055] F1=E kE 0E JXli0ikP1) (12)
[0056] Xi,。，表不第k周期內(nèi)鍋爐〇的煤氣i的消耗量，p;表不煤氣i價(jià)格；
[0057] F2=E kE；(FijkPi) (13)
[0058]Fiik表不第k周期內(nèi)煤氣i的放散量，
[0062]Gqik表示第k周期內(nèi)發(fā)電機(jī)q的蒸汽消耗量，Pf表示第k周期的電價(jià)，#為蒸汽單 價(jià)，#為發(fā)電機(jī)q的發(fā)電蒸汽單耗；
[0063] Fs= ￡.1:6'〕
[0064]Ulik表示第k周期內(nèi)煤氣i的生產(chǎn)量，表示第k周期內(nèi)煤氣i的單位生產(chǎn)成本。
[0065] 所述步驟4中基于多項(xiàng)式混沌展開原理將所述的隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型J轉(zhuǎn)化為優(yōu)化 調(diào)度模型J'。得到的化調(diào)度模型J'如下：
[0070]其中〈?，? >定義為A(Ehg(E))=J"fjh(e)g(e)fEde，n為e的取值空 間，1為e的概率密度函數(shù)，
[0071] 為Hermite多項(xiàng)式混純的基函數(shù)，可查表得到，_< 0/(S), 0y(￡〇 >=< 且當(dāng)i辛j時(shí) 8u= 〇,當(dāng)i=j時(shí) 8u=I;
[0072] ~，"，叉"，"，^，"，以女:，今上fc.，gq，lik分別為UiikjXii0ikjFw 多項(xiàng)式混沌展開第1項(xiàng)的系數(shù)，1 = 〇, 1，2…P，P為正實(shí)數(shù)。
[0073] P為正實(shí)數(shù)，由人為選定，P越大，精度越高，但計(jì)算花費(fèi)越大。
[0074] 由于原目標(biāo)函數(shù)和條件約束中含有隨機(jī)變量，是沒有辦法對(duì)其直接進(jìn)行優(yōu)化求解 的，需要利用Hermite多項(xiàng)式混沌展開的思想對(duì)其進(jìn)行變換。這樣，經(jīng)過(guò)變換后的優(yōu)化問(wèn)題 在計(jì)算求解時(shí)就是一個(gè)不含隨機(jī)變量的確定性問(wèn)題。
[0075] 所述步驟5中根據(jù)所述的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果生成可執(zhí)行的調(diào)度結(jié)果方法如下：
[0082] 由于！h(t)已從優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題中解出，易知W(t)即為上式的解。解方程求出W⑴后，則可將W⑴的值用于生產(chǎn)調(diào)度指導(dǎo)。這里W⑴等價(jià)于U1,k，X1Ak,F1,k，Glik這 些決策變量。
[0083] 未作特殊說(shuō)明，本發(fā)明中：
[0084] 煤氣量的單位為m3/hr，煤氣的生產(chǎn)量單位為m3/hr，煤氣消耗量的單位為m3/hr， 煤氣放散量的單位為m3/hr，煤氣價(jià)格的單位為Y/m3,煤氣生產(chǎn)用戶的單位生產(chǎn)效益的單位 為Y/m3,煤氣的單位生產(chǎn)成本的單位為Y/m3;
[0085] 蒸汽量的單位為kg/hr，蒸汽消耗量，單位為kg/hr，蒸汽單價(jià)的單位為Y/kg，蒸 汽生產(chǎn)用戶j的單位生產(chǎn)效益，單位為Y/t;
[0086] 發(fā)電負(fù)荷的單位為kWh/hr，發(fā)電單耗的單位為kg/kWh，電價(jià)的單位為Y/kWh，發(fā) 電蒸汽單耗為的單位為kWh/kg，
[0087] 熱值的單位為kcal/m3。
[0088] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明適用于鋼鐵企業(yè)的能源調(diào)度技術(shù)，該方法考慮了在調(diào)度 過(guò)程中，預(yù)測(cè)模型具有隨機(jī)性的情況，將這種預(yù)測(cè)的隨機(jī)性考慮到整個(gè)調(diào)度優(yōu)化過(guò)程中，建 立能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型，并通過(guò)混沌多項(xiàng)式展開的方法，將帶有隨機(jī)變量的優(yōu)化問(wèn)題 轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定量的優(yōu)化問(wèn)題，使得原優(yōu)化問(wèn)題能夠求解，實(shí)現(xiàn)了能源的利用最合理化，且最大 限度得提高了鋼鐵企業(yè)的利潤(rùn)。
【附圖說(shuō)明】
[0089] 圖1為本實(shí)施例的煤氣蒸汽平衡調(diào)