鋼鐵工業(yè)多介質(zhì)能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型研究綜述及展望

01研究背景鋼鐵行業(yè)正加速從單體設(shè)備節(jié)能、工序和流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化向系統(tǒng)節(jié)能的轉(zhuǎn)型。近年來，技術(shù)進步使系統(tǒng)能效得以顯著提升。然而，隨著節(jié)能潛力的逐步減小，如何進一步挖掘節(jié)能空間成為了一項重要課題。隨著鋼鐵工業(yè)自動化和信息化水平不斷提升，工序間的聯(lián)動更加緊密，而副產(chǎn)煤氣、蒸汽和電力作為鋼鐵生產(chǎn)的重要能源，隨生產(chǎn)計劃及主工序設(shè)備運行狀態(tài)的頻繁波動，使得能源的轉(zhuǎn)化和使用過程愈發(fā)復(fù)雜，其有效分配對提高鋼鐵企業(yè)的能源效率，實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義?！半p碳”戰(zhàn)略目標(biāo)要求鋼鐵企業(yè)使用光能、風(fēng)能等可再生能源，改變了鋼鐵流程的能源結(jié)構(gòu)。受到這些因素的影響，使以煤氣系統(tǒng)為核心的能源介質(zhì)調(diào)度面臨更大挑戰(zhàn)，進而推動了相關(guān)研究的豐富和多元化發(fā)展。02國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1）單介質(zhì)能源調(diào)度單介質(zhì)能源調(diào)度模型主要圍繞煤氣系統(tǒng)展開，包括了煤氣柜和鍋爐的穩(wěn)定運行。由于煤氣柜的容量有限，為了充分發(fā)揮煤氣柜的緩沖特性，防止煤氣出現(xiàn)暫時的過?；蚨倘?，柜位盡可能保持穩(wěn)定且在安全區(qū)工作；另外，鍋爐開關(guān)燃燒器的操作會對其燃燒控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致鍋爐效率的暫時降低，應(yīng)盡量減少燃燒器的開關(guān)。所以，煤氣柜和鍋爐的穩(wěn)定成為目前研究的熱點。研究者為了量化二者產(chǎn)生的波動，通常設(shè)定懲罰因子，在總成本中收取費用。煤氣柜波動懲罰因子的確定被分為兩類：一是中間柜位產(chǎn)生波動即處以懲罰；二是針對柜位所在區(qū)域設(shè)立多個懲罰因子。但煤氣柜的懲罰因子取決于具體模型，沒有通用的懲罰因子。而對于蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化，研究者主要圍繞考慮設(shè)備的運行特性、能源轉(zhuǎn)換效率和煤氣供需平衡等約束建立模型。2）多介質(zhì)能源調(diào)度鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)是多汽源與多用戶的復(fù)雜系統(tǒng)，具有煤氣供需變化，鍋爐產(chǎn)蒸汽、余熱蒸汽回收和汽輪機抽汽等多種供汽方式和峰谷電價等特性，各種能源間的轉(zhuǎn)化和配比方式呈多樣化。峰谷電價是研究者非常關(guān)注的因素之一，電力部門為了減少總電網(wǎng)負荷波動，維持電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行而提出的一種計價方法，其目的是鼓勵用電終端，特別是大工業(yè)用戶減少用電高峰時段的用電量、提高用電低谷時段的用電量，以達到“削峰填谷”，減少負荷波動的目的。多能源介質(zhì)優(yōu)化調(diào)度的研究主要通過建立不同的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化方法，實現(xiàn)降低成本、提高能源利用效率和穩(wěn)定性、降低碳排放等目標(biāo)。研究者們考慮了購電成本，能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的啟停成本、CO2排放成本、設(shè)備的實際運行情況、燃料費用、外購電費用、外送電收益以及環(huán)境成本等，并采用了MINLP算法、MILP算法以及多目標(biāo)差分進化算法等，以實現(xiàn)更好的優(yōu)化效果。鋼鐵工業(yè)能源系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)耦合緊密，產(chǎn)品種類、設(shè)備狀態(tài)和工藝路徑等的不同造成能源介質(zhì)產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化、分配和需求的不同，如高爐煤氣回收時，會出現(xiàn)正常生產(chǎn)、休風(fēng)和減風(fēng)等工況，使能源平衡關(guān)系、優(yōu)化約束邊界條件發(fā)生變化，影響優(yōu)化效果。因此，需將鋼鐵生產(chǎn)過程和能源調(diào)度結(jié)合，以達到節(jié)能降耗，減少成本等目的。3）不確定性能源調(diào)度由于鋼鐵生產(chǎn)操作處于動態(tài)變化之中，而在確定性條件下的優(yōu)化調(diào)度存在違反約束條件的風(fēng)險，因此，許多研究者致力于能源系統(tǒng)不確定性的描述和算法的研究。煤氣系統(tǒng)的不確定性包括煤氣生產(chǎn)、儲存、輸送和使用，如熱風(fēng)爐換爐操作，轉(zhuǎn)爐煤氣間歇性發(fā)生；煤氣儲存和輸送過程中需要經(jīng)過復(fù)雜的管網(wǎng)和煤氣柜等中間設(shè)備；用戶的需求不斷變化等。蒸汽系統(tǒng)中在工藝過程操作溫度、壓力和流量實時變化。忽略能源調(diào)度中的不確定性將導(dǎo)致鋼鐵流程能源損失增加，經(jīng)濟效益降低。面對這些不確定性，解決方法主要包括隨機優(yōu)化和魯棒優(yōu)化兩類。隨機優(yōu)化方法通過概率分布來描述不確定性因素，尋求在一定置信水平下最優(yōu)的調(diào)度策略，而魯棒優(yōu)化方法則側(cè)重于尋找在不確定性因素影響下，系統(tǒng)性能指標(biāo)仍然保持良好的調(diào)度策略。03發(fā)展趨勢展望可再生能源如太陽能和風(fēng)能等使用是鋼鐵發(fā)展的必然方向。建設(shè)光伏電站可以就近實現(xiàn)能源高效利用，降低環(huán)境污染；風(fēng)電對地域與環(huán)境有較高要求，已有多家鋼鐵公司建成或計劃建設(shè)海上風(fēng)電或陣地式風(fēng)電基地。然而，風(fēng)光發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電機組相比具有明顯的間歇性和波動性，較難實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定供能。鋼鐵企業(yè)引入可再生能源發(fā)電后，會造成關(guān)口波動和自發(fā)電比例變化，給企業(yè)用能安全性和經(jīng)濟性帶來一定的影響。鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有的熱電聯(lián)產(chǎn)機組、煤氣發(fā)電機組、儲能裝置、電熱泵等分布式能源技術(shù)得到了快速發(fā)展，使煤氣-蒸汽-電力三者之間的能量耦合和信息交互更加復(fù)雜，電力調(diào)度變得變得越來越重要，因此，鋼鐵企業(yè)多能流綜合能源系統(tǒng)的核心也有從煤氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至電力系統(tǒng)的趨勢，鑒于此，必須尋求新的能源管理技術(shù)。工業(yè)微電網(wǎng)技術(shù)可以整合不同的能源和儲存系統(tǒng)，通過優(yōu)化建模、控制和調(diào)度使燃料網(wǎng)、電網(wǎng)和熱網(wǎng)之間以更高水平相互作用，降低間歇性分布式電源給配電網(wǎng)帶來的不利影響，提高供電可靠性和電能質(zhì)量，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟、可靠、安全和協(xié)調(diào)運行，是未來電網(wǎng)發(fā)展的發(fā)展趨勢。鋼鐵企業(yè)利用煤氣系統(tǒng)可調(diào)節(jié)性強的優(yōu)勢，配合煤氣柜、電化學(xué)儲能、空分儲能等儲能系統(tǒng)和余熱余壓自發(fā)電機組