高炉CO₂排放智能优化控制系统的制作方法

专利名称：高炉CO₂排放智能优化控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于高炉节能减排控制技术领域。特别涉及一种高炉CO2排放智能优化控制系统。
背景技术：
钢铁企业是对温室气体排放控制影响最大的产业，其温室气体排放主要以CO2排放为主。我国钢铁工业的碳排放中，95%以上的碳排放都来自于能源消耗。利用节能减排技术降低CO2排放，最可行也最有效的减排措施是降低工序能耗。高炉炼铁工序作为钢铁生产工序中能耗最高的工序，其能耗比重占全部能耗的50%以上，因此实现钢铁企业温室气体减排的关键在于高炉炼铁工序的节能减排。目前，高炉炼铁实际生产过程中，能耗程度大大高于其设计能耗，其主要原因在于高炉控制系统的控制只局限于维持生产的正常运行，而 没有发挥出优化控制的作用。高炉CO2排放涉及的因素比较多，并且没有合理的数学模型，因此在实际生产中也很少把CO2排放指标直接作为控制变量结合在控制方案中。中国专利局2003年公布的《智能控制高炉冶炼的系统》(CN02137569. O)、《一种利用智能控制系统控制高炉冶炼的方法》(CN02137568. I)，可以看出目前高炉的优化控制主要是针对能耗、产量和产品质量进行的多目标优化，通过对不同的优化目标建立优化模型，利用计算机进行优化求解并帮助加强高炉的运行管理与控制，实现生产过程中的低耗、高产和优质。但是这些技术文件都没有从优化CO2排放的角度建立高炉生产过程CO2排放优化模型，也就无法实现高炉生产过程的CO2排放的控制。目前研究高炉CO2排放的计算方法主要有两类，一类是基于高炉生产过程中碳素平衡，利用高炉的碳素输入量减去固定碳含量来计算高炉产生的CO2排放量，这种计算方式在计算过程中没有考虑固定C损失、高炉煤气回收利用的因素以及产品碳折扣，因此结果偏高。一类是通过计算高炉生产过程中能量消耗，利用高炉能量消耗转化为标准煤消耗，然后利用单位标准煤燃烧的CO2量来计算整体高炉生产过程的CO2排放量，在实际生产过程中，不同钢厂能源结构不同，并且二次能源利用率也不相同，这样导致高炉吨铁的能耗与CO2排放存在变化不一致的情况，因此计算结果并不能真实反映CO2排放。这些计算方式实际上脱离了高炉实际生产过程，因此无法实现高炉CO2排放的优化。目前针对高炉生产过程CO2排放的优化建模，主要采取的是过程集成方法。文献[C.Wang，M.larsson, C. Ryman, et. A model on CO2 emission reduction in integrated steelmakingby optimization methods , Int. J. Energy Res. 2008; 32:1092-1106]和文献[张綺，姚影辉，蔡九菊，沈峰满.高炉炼铁过程多目标优化模型的研究及应用.东北大学学报(自然科学版) Vol. 32，No. 2，2011]均提到了采用过程集成的方法实现高炉生产过程CO2排放的优化，通过模型的优化求解，可以得出高炉生产过程中最小CO2排放时的最优化原料组成和产品质量。由于这些文献在建立CO2排放优化的模型中，只考虑了输入、输出物质和能量对CO2排放的影响，因此优化结果只是理想的生产原料组成和生产产品参数，无法对高炉生产过程的控制系统提供CO2排放优化控制参考。因此要想实现高炉CO2排放的准确计算和优化控制，必须要结合高炉生产工艺，考虑影响高炉炼铁生产过程CO2排放的各种影响参数，建立高炉生产过程CO2排放优化模型，针对CO2排放最小的优化求解，给出高炉生产过程的优化控制参数。

发明内容
本发明的目的在于提供一种高炉CO2排放智能优化控制系统，采用先进测量技术、现场总线技术、过程集成方法和智能控制技术。首先根据钢铁工业高炉炼铁工序的工作特点，研究高炉过程中能量流、物质流以及工艺参数与CO2排放的关系。采用先进测量技术，获取相关控制工艺参数和原燃料参数、产品质量参数、排放源数据，并对数据进行归一化。利用过程集成方法，分析CO2减排目标函数及其边界条件，实现以减排为控制目标的钢铁企业CO2排放动态建模。通过钢铁企业CO2排放优化模型可以计算高炉生产工序CO2排放并生成排放报告。同时根据CO2排放量最小为最优控制目标函数，对模型进行优化求解，获取系统节能减排的最优控制参数设定值，实现CO2减排的智能优化控制。同时在优化过程中实时获取高炉吨铁CO2排放报告。 本发明提出的是针对CO2排放为优化目标的高炉生产过程优化控制系统，与目前的高炉智能控制系统和高炉冶炼专家系统不同之处在于将CO2排放作为目标函数进行优化，将CO2排放指标作为控制变量来实现生产过程优化控制。其次建立的计算高炉CO2排放方法采取的是高炉碳素平衡，但是与目前传统计算碳素平衡方法不同的是在计算过程中考虑了碳损失、高炉煤气回收以及产品碳折扣，同时也利用了高炉生产过程C02排放实际监测数据。本专利建立的高炉CO2排放优化模型，采取的建模方法与文献[C. Wang, M.larsson, C. Ryman, et. A model on CO2 emission reduction in integrated steelmakingby optimization methods , Int. J. Energy Res. 2008; 32:1092-1106]和文献[张琉，姚形辉，蔡九菊，沈峰满.高炉炼铁过程多目标优化模型的研究及应用.东北大学学报(自然科学版).Vol. 32，No. 2，2011]相同，都釆用过程集成建模方法，但与这些文献不同之处在于本专利将高炉生产过程中的控制工艺参数对CO2排放的影响因素加入模型之中，因此能够提供高炉实际生产过程中CO2排放优化控制工艺参数最优值。本发明包括高炉CO2排放优化计算机I、上料控制系统2、高炉本体控制系统3、热风炉控制系统4、高炉鼓风控制系统5、喷煤控制系统6、基础自动化控制系统7、高炉生产过程8、生产数据采集系统9、CO2排放报表系统10、数据库11。高炉CO2排放优化计算机I和数据库11相连，构成高炉CO2排放优化平台；生产数据采集系统9分别与高炉生产过程8、基础自动化控制系统7、上料控制系统2、高炉本体控制系统3、热风炉控制系统4、高炉鼓风控制系统5、喷煤控制系统6相连，实时采集高炉炼铁过程数据，并通过网络将数据传入数据库11 ;高炉CO2排放优化计算机I通过网络分别与上料控制系统2、高炉本体控制系统3、热风炉控制系统4、高炉鼓风控制系统5、喷煤控制系统6相连接，上料控制系统2、高炉本体控制系统3、热风炉控制系统4、高炉鼓风控制系统5、喷煤控制系统6共同与基础自动化控制系统7相连构成高炉CO2排放优化控制系统，控制高炉生产过程；高炉CO2排放优化计算机I还与CO2排放报表系统10相连，作为高炉CO2排放评估平台。所述的高炉CO2排放优化计算机I中设立有为高炉CO2排放控制系统提供指导的高炉CO2排放优化软件模块，实现高炉生产过程CO2排放的优化，并提供最优化CO2排放时的高炉CO2排放控制系统的控制参数。所述的高炉CO2排放优化软件模块包括生产数据接收和存储模块12、目标函数参数系数计算模块13、约束条件计算模块14、C02排放优化问题求解模块15、参数输出模块16。其特征在于生产数据接收和存储模块12和目标函数参数系数计算模块13、约束条件计算模块14连接；目标函数参数系数计算模块13、约束条件计算模块14共同与CO2排放优化问题求解模块15相连，CO2排放优化问题求解模块15与参数输出模块16相连。生产数据接收和存储模块12负责接收来自数据库11中高炉炼铁生产过程中的各种参数数据，对数据进行预处理和归一化，目标函数参数系数计算模块13和约束条件计算模块14根据经过预处理的数据，计算得出参数系数和约束条件，CO2排放优化问题求解模块15求解由参数、参数系数和约束条件构成的目标函数和约束条件方程，得到以CO2排放最小为最优化的参数优化值，并通过参数输出模块16输出。其高炉CO2排放优化软件模块建立的高炉CO2排放优化模型，需要对影响CO2排放 的原燃料参数、操作参数、产品质量参数等数据，进行归一化，并计算参数对CO2排放影响系数，建立高炉CO2排放优化模型。该模型主要功能包括,通过实时获取高炉生产过程数据和控制参数数据，计算CO2排放，建立CO2排放最小的优化目标，以生产物质能量平衡和工艺为约束条件，求解最优化数值解，为控制系统提供实时最优设定值。 建立CO2排放优化模型公式如下
minECiXi
i式中X表示所选影响高炉生产过程中CO2排放的影响因素变量，包括原燃料参数、控制工艺参数、产品质量参数、其他参数，Xi表示第i个变量；C表示高炉生产过程中影响CO2的变量的影响因子，Ci表示变量Xi的影响因子。针对典型高炉炼铁工序，原燃料参数选为烧结矿用量X1、球团矿用量X2、生矿I (天然矿)用量X3、生矿2 (混合矿)用量X4、焦炭用量X5、喷煤量X6、焦炉煤气消耗量X7、高炉煤气消耗量X8 ;控制工艺参数选为鼓风参数(风量X9、风温Xltl、风湿xn、富氧率x12)、炉洛碱度X13、装料水分X14、煤气中CO2含量X15 ;产品质量参数高炉煤气发生量X16、炉洛量X17、粉尘量X18、生铁含Fe量X19、生铁含C量x2(l、生铁含Si量X21、生铁含Mn量X22、生铁含P量X23、生铁含S量X24 ;其他参数高炉煤气回收量x25、CO2排放捕集量x26。其中各参数变量的CO2排放影响因子表现为原料CO2排放影响因子=原料含C量X44/12 ;燃料CO2排放影响因子=(副产煤气中除CO2外各含碳组分)X44X 10/22. 4 ;生铁CO2排放影响因子=生铁含C量X UX44/12 ;粉尘CO2排放影响因子=粉尘含C量X44/12 ；C02捕集量排放影响因子=-I ;其余参数的CO2排放影响因子为固定值，根据高炉生产物料、热平衡以及实际生产数据推出。目标函数的约束条件为—
i式中Auj表示第j个约束条件时Xi的系数，为目标的约束值。约束条件可分为平衡约束和工艺约束，具体约束条件为平衡约束包括(渣量平衡、高炉煤气发生量、高炉热平衡、元素(Fe、C、S、P)平衡、物料平衡);工艺约束包括(炉渣碱度约束、炉渣MgO含量约束、生铁(C、Si )含量约束、炉渣量约束、喷出煤粉量约束、炉顶温度约束)。
所述的高炉CO2排放优化控制系统是利用高炉CO2排放优化计算机I提供的最优化操作参数，针对高炉CO2排放建立相应的控制系统上料控制系统2、高炉本体控制系统
3、热风炉控制系统4、高炉鼓风控制系统5、喷煤控制系统6。高炉CO2排放优化控制系统对应的基础自动化控制包括装料顺序控制、批重/配比/负荷/碱度控制、焦炭水分补正控制，料线控制、鼓风量控制、风温控制、风压控制、富氧控制、蒸汽加湿控制、喷煤量控制、喷煤速率控制、压力控制。所述的CO2排放报表系统10主要为高炉实际生产提供实时CO2排放数据以及相应的优化评估。


图I是高炉CO2排放智能优化控制系统组成示意图，图中高炉CO2排放优化计算机
I、上料控制系统2、高炉本体控制系统3、热风炉控制系统4、高炉鼓风控制系统5、喷煤控制系统6、基础自动化控制系统7、高炉生产过程8、生产数据采集系统9、C02排放报表系统10、数据库11。图2是高炉CO2排放优化软件模块示意图。图中生产数据接收和存储模块12、目标函数参数计算模块13、约束条件计算模块14、C02排放优化问题求解模块15、参数输出模块16。
具体实施例方式本发明的一种高炉CO2排放智能优化控制系统，由高炉CO2排放优化计算机I、上料控制系统2、高炉本体控制系统3、热风炉控制系统4、高炉鼓风控制系统5、喷煤控制系统6、基础自动化控制系统7、高炉生产过程8、生产数据采集系统9、C02排放报表系统10、数据库11组成；其特征在于高炉CO2排放优化计算机I和数据库11，构成高炉CO2减排优化平台；生产数据采集系统9与高炉生产过程8、基础自动化控制系统7、上料控制系统2、高炉本体控制系统3、热风炉控制系统4、高炉鼓风控制系统5、喷煤控制系统相连6，实时采集高炉炼铁过程信息和参数信息，并通过网络传入数据库；高炉CO2排放优化计算机I通过网络连接上料控制系统2、高炉本体控制系统3、热风炉控制系统4、高炉鼓风控制系统5、喷煤控制系统6，各控制系统与基础自动化控制系统7相连构成高炉CO2排放优化控制系统，控制高炉生产过程8 ;高炉CO2排放优化计算机I还与CO2排放报表系统10相连，作为高炉CO2排放评估平台。生产数据采集系统9装备于高炉控制系统、高炉本体中，获取高炉炼铁生产过程中的控制系统工艺参数、原燃料参数和产品质量参数，并将采集的参数数据发送至数据库
II。高炉CO2排放优化计算机I从数据库11中提取所需的参数信息，具体参数类型由高炉CO2排放优化计算机I设立的高炉CO2排放优化软件模块所确定。高炉CO2排放优化控制系统建立的高炉CO2排放优化模型，如下所示
min 'CO2排放优化目标函数厂'
其中X表示所选影响高炉生产过程中CO2排放的影响因素变量，包括原燃料参数、控制工艺参数、产品质量参数、其他参数，Xi表示第i个变量；C表示高炉生产过程中影响CO2的变量的影响因子，Ci表示变量Xi的影响因子。针对典型高炉炼铁工序，原燃料参数选为烧结矿用量X1、球团矿用量X2、生矿I (天然矿)用量X3、生矿2 (混合矿)用量X4、焦炭用量X5、喷煤量X6、焦炉煤气消耗量X7、高炉煤气消耗量X8 ;控制工艺参数选为鼓风参数(风量X9、风温Xltl、风湿xn、富氧率x12)、炉洛碱度X13、装料水分X14、煤气中CO2含量X15 ;产品质量参数高炉煤气发生量X16、炉洛量X17、粉尘量X18、生铁含Fe量X19、生铁含C量x2(l、生铁含Si量X21、生铁含Mn量X22、生铁含P量X23、生铁含S量X24 ;其他参数高炉煤气回收量x25、CO2排放捕集量x26。其中各参数变量的CO2排放影响因子表现为原料CO2排放影响因子=原料含C量X44/12 ;燃料CO2排放影响因子=(副产煤气中除CO2外各含碳组分)X44X 10/22. 4 ;生铁CO2排放影响因子=含C量X UX44/12 ;粉尘CO2排放影响因子=粉尘含C量X44/12 ;C02捕集量排放影响因子=一 I ;其余参数的CO2排放影响因子为固定值，根据高炉生产物料、热平衡以及实际生产数据推出。

目标函数的约束条件为
权利要求
1.一种高炉CO2排放智能优化控制系统，包括高炉CO2排放优化计算机(I)、上料控制系统(2)、高炉本体控制系统(3)、热风炉控制系统(4)、高炉鼓风控制系统(5)、喷煤控制系统(6 )、基础自动化控制系统(7 )、高炉生产过程(8 )、生产数据采集系统(9 )、CO2排放报表系统(10)、数据库(11);其特征在于，高炉CO2排放优化计算机(I)和数据库(11)相连，构成高炉CO2减排优化平台；生产数据采集系统(9)分别与高炉生产过程(8)、基础自动化控制系统(7)、上料控制系统(2)、高炉本体控制系统(3)、热风炉控制系统(4)、高炉鼓风控制系统(5)、喷煤控制系统(6)相连，实时采集高炉炼铁过程数据，并通过网络将数据传入数据库(11);高炉CO2排放优化计算机(I)通过网络分别与上料控制系统(2)、高炉本体控制系统(3)、热风炉控制系统(4)、高炉鼓风控制系统(5)、喷煤控制系统(6)相连接，上料控制系统(2)、高炉本体控制系统(3)、热风炉控制系统(4)、高炉鼓风控制系统(5)、喷煤控制系统(6)共同与基础自动化控制系统(7)相连构成高炉CO2排放优化控制系统，控制高炉生产过程；高炉CO2排放优化计算机(I)还与CO2排放报表系统(10)相连，作为高炉CO2排放评估平台； 高炉CO2排放优化计算机(I)中设立有为高炉CO2排放控制系统提供指导的高炉CO2排放优化软件模块。
2.根据权利要求I所述的高炉CO2排放智能优化控制系统，其特征在于，所述的CO2排放优化软件模块包括生产数据接收和存储模块(12)、目标函数参数系数计算模块(13)、约束条件计算模块(14)、CO2排放优化问题求解模块(15)、参数输出模块(16);生产数据接收和存储模块(12)和目标函数参数系数计算模块(13)、约束条件参数计算模块(14)连接；目标函数参数系数计算模块(13)、约束条件计算模块(14)共同与CO2排放优化问题求解模块(15)相连、CO2排放优化问题求解模块(15)与参数输出模块(16)相连；生产数据接收和存储模块(12)负责接收来自数据库(11)中高炉炼铁生产过程中的各种参数数据，并对数据进行预处理和归一化，目标函数参数系数计算模块(13)和约束条件计算模块(14)根据经过预处理的数据，计算得出参数系数和约束条件，CO2排放优化问题求解模块(15)求解由参数、参数系数和约束条件构成的目标函数和约束条件方程，得到以CO2排放最小为最优化的参数优化值，并通过参数输出模块(16)输出。
全文摘要
一种高炉CO2排放智能优化控制系统，属于高炉节能减排控制技术领域。高炉CO2排放优化计算机、上料控制系统、高炉本体控制系统、热风炉控制系统、高炉鼓风控制系统、喷煤控制系统、基础自动化控制系统、高炉生产过程、生产数据采集系统、CO2排放报表系统、数据库。高炉CO2排放优化计算机和数据库相连，构成高炉CO2排放优化平台。上料控制系统、高炉本体控制系统、热风炉控制系统、高炉鼓风控制系统、喷煤控制系统共同与基础自动化控制系统相连构成高炉CO2排放优化控制系统；高炉CO2排放优化计算机还与CO2排放报表系统相连，作为高炉CO2排放评估平台。CO2减排优化计算机获取数据库中高炉生产实时数据，计算求解CO2减排优化模型，达到CO2减排优化。
文档编号C21B5/00GK102703626SQ201210204448
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月16日 优先权日2012年6月16日
发明者于立业, 吴少波, 孙彦广, 张云贵, 李潘, 杨小军 申请人:冶金自动化研究设计院