基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法
【专利摘要】一种基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法，其特征在于它包括实时数据采集、数据预处理、铁区物质流与能量流混合控制、优化调度及生产控制；其优越性在于统一数据的量纲，对数据进行分类存储；基于混杂Petri网理论建立铁区的物质流和能量流混合的模型，通过按能级匹配原则对副产能源合理有效地利用来优化铁区的物质流和能量流混合的模型，建立优化的调度方案，把优化数据反馈给生产控制中去控制生产。
【专利说明】基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法
(—)【技术领域】:
[0001]本发明属于铁的冶金【技术领域】，特别涉及一种基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法。
(二)【背景技术】:
[0002]我国钢铁工业发展迅猛，钢铁产量连年雄据世界首位，钢铁企业在支撑我国经济社会高速发展的同时，也面临巨大的资源能源压力和环境问题，节能减排任务日益繁重。钢铁生产系统是一个时变非线性强耦合的多装备、多过程、多工序的复杂流程工业系统，而解决铁区能源系统建模问题是其中的关键环节，能够破解能源消耗机理、优化能源调度策略，进而提出切实可行的节能减排技术措施。
[0003]铁区能耗约占钢铁企业总能耗的70%，因此，铁区节能是钢铁工业节能的重中之重。2013年我国大中型钢铁企业吨钢综合能耗为592千克标煤/吨，约占钢铁企业各种炉窑的能量消耗中的15%?35%的废气余热未得到充分利用，是造成钢铁企业能耗高的一个主要原因。在余能余热利用方面，发达国家的余能余热的回收率已达到92%以上，其企业能耗费用仅占产品成本的14%左右。我国大多数钢铁企业的余能余热回收率则低于50%，能耗费用占成本的30%以上。加强钢铁企业中对余能余热的回收利用对于钢铁企业的节能降耗和提闻钢铁工业的整体效益具有重大意义。
[0004]因此，针对钢铁企业生产的工艺流程、一次能源的投入和余气余热余能的分配转换关系建立模型，层次化地描述钢铁企业铁区能流物流的能耗过程，为进一步分析和优化铁区的能耗情况奠定了基础，也为铁区能源调度提供了支持，对提高余能余热资源回收率、减少钢厂能耗具有重要的意义。
(三)
【发明内容】
:
[0005]本发明的目的在于提供一种基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法，它可以克服现有技术的不足，是一种可以解决钢铁企业能源系统混合控制难的物质流与能量流混合模型的方法。
[0006]本发明的技术方案:一种基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法，其特征在于它包括实时数据采集、数据预处理、铁区物质流与能量流混合控制、优化调度及生产控制；具体包括以下步骤:
[0007](I)实时数据采集:通过实时数据采集系统上预留的管理自动化接口，应用自动化控制系统采集铁区焦化工序、烧结工序和炼铁工序中的燃料与能源介质的投入、物质与余热余能余气的产出和余热余能的能量转化的数据；
[0008](2)数据预处理:对步骤(I)中实时数据采集系统采集的数据进行筛查，将故障数据筛除，进而计算出所采集数据中各种能源每月的平均消耗量和平均回收量，以及原材料的平均消耗量和平均每月产量，并把这些数据转换成统一成吨标煤的单位量纲，然后把数据分别存储到焦化工序、烧结工序和炼铁工序所对应的数据库中；
[0009](3)铁区物质流与能量流混合控制:首先，通过步骤(I)及步骤(2)，进一步明确焦化工序、烧结工序和炼铁工序的能源物质投入量与产出量之间的关系以及产出量中的二次能源的转换利用及对一次投入的影响；
[0010]在产出量中的二次能源转换利用中采用按能级匹配的原则进行有效利用，提高二次能源利用率；通过对二次能源的利用与一次能源投入量进行协调配合，不断调整一次能源投入量，达到优化、节能的目的；
[0011](4)基于混杂Petri网的铁区物流能流的控制:将步骤(2)中处理的数据作为模型中连接弧上的权函数值，将应用simulink/stateflow实现的模型中的Petri网库所与stateflow中的状态对应,将Petri网中的变迁与stateflow中的迁移连线对应,将Petri网中的变迁的发生规则与stateflow中迁移的迁移关系式对应，stateflow中的变迁对应焦化工序、烧结工序和炼铁工序和能源转换的状态的entry动作；根据铁区物质流与能量流的混杂Petri网模型权函数的赋值,建立Petri网中的优化控制stateflow模型,从而实现对铁区物流能流的控制；
[0012](5)通过转换开关对焦化工序、烧结工序和炼铁工序和能源转换进行控制，即可动态地反映传统铁区的物质流与能量流的混杂Petri网模型中stateflow模型及优化控制stateflow模型的焦化工序、烧结工序和炼铁工序和能源转换的启停状态；同时可以设定输入输出、初始状态及时间参数；
[0013](6)优化调度:根据步骤(5)中铁区物质流与能量流焦化工序、烧结工序和炼铁工序和能源转换的启停状态结果，改变一次投入的能源量再进行测试，即可得到优化的调度方案；
[0014](7)把步骤(6)得到的优化方案的数据反馈到生产控制中去，从而实现对铁区的生产控制。
[0015]所述步骤(2)中包括对铁区的焦化工序、烧结工序和炼铁工序的产出量中副产煤气再加工后进行分配利用的步骤，即分别把红焦余热及高炉煤气余压的热能和压力能转换成电能进行分配利用。
[0016]所述副产煤气是焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气。
[0017]所述步骤⑴——(7)中的焦化工序中的焦炭干法熄焦(CDQ——Coke DryQuenching干熄焦)采用高温高压锅炉进行发电，红焦率能达到80 %，焦炉煤气显热生产低压蒸汽，进一步提高蒸汽压力并发电，焦炉烟气显热用于对焦化工序投入的洗精煤进行调湿，水分适度下降，可降低焦化工序能耗，提高焦炉生产能力。
[0018]所述步骤(I)—(7)中的烧结工序中烧结矿显热按照能级匹配的原则将来自环冷机的高温热风送往高温高压锅炉生产蒸汽并发电，用中温热风余热点火燃料，烧结烟气余热用于干燥烧结工序的物料预热熔剂。
[0019]所述步骤(I)-(7)中的炼铁工序中高炉煤气余压利用TRT (Blast Furnace Top
Gas Recovery Turbine Unit-高炉煤气余压透平发电装置)装置进行发电，高炉煤气显热生产低压蒸汽，进一步提高蒸汽压力并发电，高炉渣显热采用风淬法发电，高炉冷却水显热采用水淬法发电，高炉烟气显热用于干燥炼铁工序投入的无烟煤。
[0020]所述步骤(3)中焦化工序、烧结工序和炼铁工序的余能余热产生的电能通过步骤
(4)中的混杂Petri网模型网络进行再分配，作为一次能源再次投入到焦化、烧结、炼铁工序中，进而能达到电能的产消平衡。
[0021]所述步骤(4)中的混杂Petri网模型中连接弧权函数的具体参数值是在企业中实际生产I吨铁水的消耗量和回收量，其单位为吨标煤。
[0022]本发明的工作原理:混杂Petri网的定义及建模方法如下，参见图3:
[0023]定义I混杂Petri网是六元组Q =〈P, T, PrePost, m0, h>其中:
[0024]P = (P1, P2, P3,...，PJ是一个有限非空库所的集合；
[0025]T = {T” T2, T3,...，TJ是一个有限非空变迁的集合；
[0026]PHT= Φ,即P和T集合不相交；
[0027]h = P n T — {D，C}，称作混杂函数，表示节点是离散节点(P11和Td)或者是连续节点(Pc 和 Tc)；
[0028]Pre -.PxT^ Tx'orK，是输入连续映射；
[0029]Post:PxT-> '.)?' or^，是输出连续映射；
[0030]m0: P 9?' orK，是初始标识；识+表示正实数，K表示自然数；
[0031]Pre，Post和mQ，N，表示自然数，定义在Pi e Pd时发生H，表示正实数，定义在Pi e Pc时发生。
[0032]Pre和Post函数遵循以下规则:对于库所Pi和变迁T」，若Pi e Pd并且Tj e Tc,则可得到 Pre (Pi, Tj) = Post (Pi, Tj)。
[0033]定义2 由于 Q =〈P, T, PrePost, m。，h> 为混杂 Petri 网，m e ，则在 m 标识下发生的变迁规律如下:
[0034]对t e T,如果P e *t — m(p)≤Post (P, t),那么变迁t在标识m有发生权(m[t> )，在标识m下发生变迁t,产生一个新的标识m’ (m[t > m'),
[0035]
【权利要求】
1.一种基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法，其特征在于它包括实时数据采集、数据预处理、铁区物质流与能量流混合控制、优化调度及生产控制；具体包括以下步骤: (1)实时数据采集:通过实时数据采集系统上预留的管理自动化接口，应用自动化控制系统采集铁区焦化工序、烧结工序和炼铁工序中的燃料与能源介质的投入、物质与余热余能余气的产出和余热余能的能量转化的数据； (2)数据预处理:对步骤(I)中实时数据采集系统采集的数据进行筛查，将故障数据筛除，进而计算出所采集数据中各种能源每月的平均消耗量和平均回收量，以及原材料的平均消耗量和平均每月产量，并把这些数据转换成统一成吨标煤的单位量纲，然后把数据分别存储到焦化工序、烧结工序和炼铁工序所对应的数据库中； (3)铁区物质流与能量流混合控制:首先，通过步骤(I)及步骤(2)，进一步明确焦化工序、烧结工序和炼铁工序的能源物质投入量与产出量之间的关系以及产出量中的二次能源的转换利用及对一次投入的影响； 在产出量中的二次能源转换利用中采用按能级匹配的原则进行有效利用，提高二次能源利用率；通过对二次能源的利用与一次能源投入量进行协调配合，不断调整一次能源投入量，达到优化、节能的目的； (4)基于混杂Petri网的铁区物流能流的控制:将步骤(2)中处理的数据作为模型中连接弧上的权函数值，将应用simulink/stateflow实现的模型中的Petri网库与stateflow中的状态对应,将Petri网中的变迁与stateflow中的迁移连线对应,将Petri网中的变迁的发生规则与stateflow中迁移的迁移关系式对应，stateflow中的变迁对应焦化工序、烧结工序和炼铁工序和能源转换的状态的entry动作；根据铁区物质流与能量流的混杂Petri网模型权函数的赋值,建立Petri网中的优化控制stateflow模型,从而实现对铁区物流能流的控制； (5)通过转换开关对焦化工序、烧结工序和炼铁工序和能源转换进行控制，即可动态地反映传统铁区的物质流与能量流的混杂Petri网模型中stateflow模型及优化控制stateflow模型的焦化工序、烧结工序和炼铁工序和能源转换的启停状态；同时可以设定输入输出、初始状态及时间参数； (6)优化调度:根据步骤(5)中铁区物质流与能量流焦化工序、烧结工序和炼铁工序和能源转换的启停状态结果，改变一次投入的能源量再进行测试，即可得到优化的调度方案； (7)把步骤(6)得到的优化方案的数据反馈到生产控制中去，从而实现对铁区的生产控制。
2.根据权利要求1所述一种基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法，其特征在于所述步骤(2)中包括对铁区的焦化工序、烧结工序和炼铁工序的产出量中副产煤气再加工后进行分配利用的步骤，即分别把红焦余热及高炉煤气余压的热能和压力能转换成电能进行分配利用。
3.根据权利要求2所述一种基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法，其特征在于所述副产煤气是焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气。
4.根据权利要求1所述一种基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法，其特征在于所述步骤(I)——(7)中的焦化工序中的焦炭干法熄焦采用高温高压锅炉进行发电，能提高红焦率，焦炉煤气显热生产低压蒸汽，进一步提高蒸汽压力并发电，焦炉烟气显热用于对焦化工序投入的洗精煤进行调湿，水分适度下降，可降低焦化工序能耗，提高焦炉生产能力。
5.根据权利要求1所述一种基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法，其特征在于所述步骤(I)——(7)中的烧结工序中烧结矿显热按照能级匹配的原则将来自环冷机的高温热风送往高温高压锅炉生产蒸汽并发电，用中温热风余热点火燃料，烧结烟气余热用于干燥烧结工序的物料预热熔剂。
6.根据权利要求1所述一种基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法，其特征在于所述步骤(I)——(7)中的炼铁工序中高炉煤气余压利用TRT装置进行发电，高炉煤气显热生产低压蒸汽，进一步提高蒸汽压力并发电，高炉渣显热采用风淬法发电，高炉冷却水显热采用水淬法发电，高炉烟气显热用于干燥炼铁工序投入的无烟煤。
7.根据权利要求1所述一种基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法，其特征在于所述步骤(3)中焦化工序、烧结工序和炼铁工序的余能余热产生的电能通过步骤(4)中的混杂Petri网模型网络进行再分配，作为一次能源再次投入到焦化、烧结、炼铁工序中，进而能达到电能的产消平衡。
8.根据权利要求1所述一种基于Petri网的铁区物质流与能量流的混合控制方法，其特征在于所述步骤(4)中的混杂Petri网模型中连接弧权函数的具体参数值是在企业中实际生产I吨铁水的消耗量和回收量，其单位为吨标煤。
【文档编号】G05B19/418GK104199397SQ201410397346
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】王红君, 高琨, 赵辉 申请人:天津理工大学