专利名称：煤气平衡模型的建立方法
技术领域：
本发明涉及建立一种数学模型，具体涉及一种将运筹学的思路运用到煤 气平衡预测和调度上的模型及其建立方法。
背景技术：
钢铁工业是耗能型工业,其耗能量占我国总能耗的10%左右，在钢铁生产 总成本中，能源成本占据15% 17%。当前，在我国加速经济发展的进程中， 能源生产还难以适应市场对能源的需求，因此，能源价格仍呈上升趋势，这 将给耗能型的钢铁企业带来巨大的市场竞争压力，同时能耗与环境亦有着直 接的关系，节约能源、降低能耗、提高效益将是钢铁工业在激烈的市场竞争 中采取的一项长期战略目标。
目前国内的大型钢铁企业，都已从粗放型的经济转向市场，为了提高能 源监控调度和节能降耗水平，提高能源系统的劳动生产率，完善能源系统安 全管理，改善环境质量，建立具有竞争力的钢铁联合企业，对能源系统进行 集中管控和优化调度是发展的趋势，也是以后冶金企业信息化的发展方向， 通过建立自己的能源平衡调度系统，才能够充分发挥信息化在节能减排中的 作用。
许多钢铁企业的实际经验表明，采用传统的生产方式，劳动生产率较低、 煤气排放量大、能耗大，而且不能对事故进行预测和判断，对事故的原因分 析和判断处理的速度很慢，正常和异常情况时的能源供需的调整和平衡的效果也不明显。
发明内容
针对现目前钢铁生产能源利用率较低，能耗大，煤气排放量大，而且不 能对能源供给提供预案分析的不足，本发明的目的在于公开一种能用数量来 表达能源在生产和消耗过程中的运用、筹划和管理，并能够通过对能源生产 和消耗的预测作出综合合理的调度，达到高效节能、减排的煤气平衡模型的 建立方法。
本发明的技术方案是煤气平衡模型的建立方法，模型的建立步骤如下:
(1) 获取介质网络上每个节点的决策变量^的值，其中n为自然数每 个决策变量都代表了该节点上能源供给、消耗、传输和库存的综合能力，在 每个节点上通过检测装置采集能源供给、消耗、传输和库存的实时数据，将 得到的数据按照国家标准和方法计算得出决策变量^的值；
(2) 将各个节点上得到的决策变量A的值组成向量矩阵(Xp X2，…，JCn)， 计算得出向量矩阵的值，即为决策变量向量，以X表示，由于决策变量;cn的 值是实时变化的，故对应的决策变量向量X的值也是实时变化的，对于每个 确定的向量矩阵都有唯一的决策变量向量X的值与其对应；
(3) 对决策变量向量X的值进行限定和筛选根据每个节点上设备的工
艺参数可以得到对应且唯一的表示能源供给、消耗、传输和库存的最小能力Ln
和最大能力Un，每个节点的Ln和Un的值可分别组成向量矩阵(Lp L2，…，
Ln)和(Up U2，…，Un)，由向量矩阵得到唯一确定的向量L和U的值，限 定L《X《U,对于超出此范围的X的值予以排除；
(4) 设定价值系数Cn，表示节点上各种能源的优先程度和价值，价值系 数Cn由工艺需求确定，在设备安装时通过人工设定，每个节点上的价值系数Cn在设定好后即为确定的值，由每个节点的Cn值组成价值系数向量矩阵(Cp C2， ...， Cn)，由价值系数向量矩阵计算得出唯一对应的价值系数向量C的值;
(5) 设置目标函数为Z，且Z-CX， Z为目标函数向量矩阵(zP z2，…， zn)的值，各节点的目标函数即为z^C^，对目标函数Z实现最大化和最小 化，其公式为
Max Z=CXMin Z=CX， 当目标函数Z取得最大值或最小值时，由公式反推可得到决策变量向量X对
应的最大值或最小值，并得到此状态下分别对应的决策变量^的值，由此确
定此状态时各个节点上能源供给、消耗、传输和库存的量；
(6) 根据各个节点的目标函数^分别绘制煤气平衡曲线图，根据各节点
的煤气平衡曲线图对各节点的能源供给关系进行调整，调整时先根据系统目 标函数Z的曲线图对总库存量进行调整，使其控制在符合标准的范围内，再
根据各节点的目标函数Zn的曲线图分别对波动幅度较大的节点进行调整；每
次调整后再观察各曲线图的变化情况，并以此方法进行反复操作，最终达到 系统能源趋于平衡。
进一步的技术特征，在模型建立过程中采集的数据以及设定的参数值， 均被输入后台的控制系统内，控制系统根据其预置的计算方法对数据进行处 理，并对生产中的能源供给、消耗、传输和库存量进行调整。
在系统中设定管线转换系数K， K表示各节点间能源转换的比例，可通 过检测装置信息采集后计算得到;所述煤气平衡调节是通过调节各个节点的K 值实现的。
在系统中还设定技术系数矩阵A和资源限制向量B;技术系数矩阵A为 各节点能源的实际用量占总实际用量的百分比，通过检测装置采集并计算得到；资源限制向量B为能源计划使用量，在生产前根据产量需求设定；将目 标函数最大化和最小化时得到的X的值与A相乘，并分别与B值进行比较， 并通过调节K值，使AX的值趋近于B。
相对于现有技术，本发明具有以下显著优点
1、 用数量来表达能源在生产消耗的整个过程中有关运用、筹划和管理等 方面的问题，采用运筹学的思路建立煤气动态平衡数学模型，根据问题的要 求，通过数学分析与运算，作出综合合理的安排，提高了能源系统的运行管 理效率和劳动生产率。
2、 通过数学模型能够对能源在生产、消耗、传输和库存整个过程中的情 况进行动态分析和预测，并能结合实际需求进行优化和平衡调度，同时在模 型中还考虑了一系列可能对整个过程造成影响的参数，将能源网络的拓扑图 结合能源生产、需求和检修计划，生成消耗系数矩阵和资源限制向量，使预 测的准确性大幅度提高。
3、 通过模型的预测和能源调度，提高了能源的利用率，实现了节能减排， 降低了生产成本，为企业增加了经济效益，同时对环境保护也产生了极大的 促进作用。
附图为本发明的能源网络拓扑图。
图中，x表示各节点的供给、消耗、传输和库存的能源决策变量；L表示 各节点的供给、消耗、传输和库存最小能力；U表示各节点的供给、消耗、 传输和库存最大能力；C表示各节点能源的优先程度和价值；K表示各管线连 接的分配和转换系数。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
本发明的煤气平衡模型的建立方法，是采用运筹学来研究能源生产消耗 的整个过程，通过数量来表达有关能源运用、筹划与管理等方面的问题。 如附图所示，模型的建立步骤如下
(1) 获取介质网络上每个节点的决策变量^的值，其中n为自然数每 个决策变量都代表了该节点上能源供给、消耗、传输和库存的综合能力，在 每个节点上通过检测装置采集能源供给、消耗、传输和库存的实时数据，将 得到的数据按照国家标准和方法计算得出决策变量A的值。
(2) 将各个节点上得到的决策变量Xn的值组成向量矩阵Ocp &，…，xn)，
计算得出向量矩阵的值，即为决策变量向量，以X表示，由于决策变量A的
值是实时变化的，故对应的决策变量向量x的值也是实时变化的，对于每个 确定的向量矩阵都有唯一的决策变量向量x的值与其对应。
(3) 根据决策变量所代表的事物特点，对决策变量向量X的值进行限定 和筛选根据每个节点上设备的工艺参数可以得到对应且唯一的表示能源供 给、消耗、传输和库存的最小能力Ln和最大能力Un， Ln和Un决定了装置设
备的工艺参数，每个节点的L。和Un的值可分别组成向量矩阵(L,, L2，…， Ln)和(Up U2，…，Un)，由向量矩阵得到唯一确定的向量L和U的值，限 定L《X《U，对于超出此范围的X的值予以排除。
如附图所示，在各节点之间的管线上，还分别设置有表示各管线的最小 能力和最大能力值，如Lu, U13， L34， U34等，Lu表示从节点1到节点3之 间管线的最小能力值，1113表示从节点1到节点3之间管线的最大能力值，以此类推。在对煤气平衡进行调节时，需要参考各管线的最大和最小能力值， 即节点之间的能源传输量需控制在各管线的最大和最小能力值之间，否则说 明在生产过程中出现了故障或浪费现象，管线的能源传输量可通过检测装置 得到。
(4) 设定价值系数Cn，表示节点上各种能源的优先程度和价值，价值系 数Cn由工艺需求确定，在设备安装时通过人工设定，每个节点上的价值系数 Cn在设定好后即为确定的值，由每个节点的Cn值组成价值系数向量矩阵(Cp C2， ...， Cn)，由价值系数向量矩阵计算得出唯一对应的价值系数向量C的值。 价值系数Cn在运行时的调度可根据用户对能源的需求量进行调整，需求量越 大，CJ直越大，Cn的值即相当于在整个煤气介质中各节点能源使用的比例分 数。在实际使用过程中，根据生产计划，Q值可采用人工调整。
(5) 设置目标函数为Z，且Z《X， Z为目标函数向量矩阵(Zp Z2,…，
zn)的值，各节点的目标函数即为^=0^，按照问题的不同，对目标函数z
实现最大化和最小化，其公式为
MaxZ=CX MinZ=CX，
当目标函数Z取得最大值或最小值时，由公式反推可得到决策变量向量X对
应的最大值或最小值，并得到此状态下分别对应的决策变量4的值，由此确 定此状态时各个节点上能源供给、消耗、传输和库存的量。
(6) 根据各个节点的目标函数^分别绘制煤气平衡曲线图，根据节点的
煤气平衡曲线图对各节点的能源供给关系进行调整。调整时先根据系统目标 函数Z的曲线图对总库存量进行调整，使其控制在符合标准的范围内，再根 据各节点的目标函数^的曲线图分别对波动幅度较大的节点进行调整；每次 调整后再观察各曲线图的变化情况，并以此方法进行反复操作，最终达到系统能源趋于平衡，实现资源优化。
在模型建立过程中采集的数据以及设定的参数值，均被输入后台的控制 系统内，控制系统根据其预置的计算方法对数据进行处理，并对生产中的能 源供给、消耗、传输和库存量进行调整。
对本发明的进一步优化，在系统中设定管线转换系数K， K表示各节点 间能源转换的比例，每个节点之间的管线转换系数K代表了从一个节点到另 一个节点之间能源转换的比例，如20%、 50%、 80%等，可通过检测装置信息 采集后计算得到；控制系统根据煤气平衡曲线图调节各个节点的K值，达到 能源供给、消耗、传输和库存的优化，从而提高能源的利用率，节约生产成 本。
在系统中还设定了技术系数矩阵A和资源限制向量B;技术系数矩阵A 为各节点能源的实际用量占总实际用量的百分比，通过检测装置采集并计算 得到；资源限制向量B为能源计划使用量，在生产前根据产量需求设定；将 目标函数最大化和最小化时得到的X的值与A相乘，再分别与B值进行比较。 当AX^B时，表明能耗过大，需要改进工艺水平；当AXSB时，表明能源过 剩，可根据需求向其他节点转移能源。通过调节各节点的K值，使AX的值 趋近于B，从而达到系统的煤气平衡。
在煤气平衡模型中，根据工况情况进行分类，可分为高炉休风；焦炉 烧焦炉煤气加热；轧钢厂检修(停产)；同步检修(一台高炉， 一个炼钢，一 条轧线)；发电机停机等，然后从每个类型选一种进行优化平衡预测和调度。 如在高炉休风时，可以计算出高炉、焦煤煤气余量和煤气差额，因而可以根 据模型指明什么对象可以调整，调整量是多少，然后通过调度进行及时调整。 进行能源调度后，煤气放散率减少非常明显。本发明的节能经济指标
以重钢为例，总高煤气产量为794kmVh，采用煤气平衡模型预测和调度 后高炉煤气放散量减少4.5%，如果每年按300天计算，煤气平衡调度的贡献 率按40%计算，每年节约减少的煤气量为
794 X 0.045 X 300 X 24 X 0.4=102902.4 km3/h
折算成标准煤为
102卯2.4 X 0.1207/1000" 12.4 k吨。
重钢总焦煤气产量为63 kms/h，采用煤气平衡模型预测和调度后焦炉煤气 放散量减少3.5%，如果每年按300天计算，煤气平衡调度的贡献率按40%计 算，每年节约减少的煤气量为
63 X 0.035 X 300 X 24 X 0.4=6350.4 km3/h
折算成标准煤为
6350.4*0.5429層0"3.4 k吨。 减排指标S02按0.018吨/吨标准煤折算，C02按0.6吨碳/吨标准煤折算， S02的减排量为
0.018X (12400+3300) =282.6吨
(302的减排量为
0.6X (12400+3300) =9420吨。
本发明的煤气平衡模型根据问题的要求，通过数学的分析与运算，能够 作出综合合理的预测，通过预测对生产进行调度，能够达到较经济、有效地 使用能源的目的。
权利要求
1、煤气平衡模型的建立方法，其特征在于，模型的建立步骤如下(1)获取介质网络上每个节点的决策变量xn的值，其中n为自然数每个决策变量都代表了该节点上能源供给、消耗、传输和库存的综合能力，在每个节点上通过检测装置采集能源供给、消耗、传输和库存的实时数据，将得到的数据按照国家标准和方法计算得出决策变量xn的值；(2)将各个节点上得到的决策变量xn的值组成向量矩阵(x1，x2，...，xn)，计算得出向量矩阵的值，即为决策变量向量，以X表示，由于决策变量xn的值是实时变化的，故对应的决策变量向量X的值也是实时变化的，对于每个确定的向量矩阵都有唯一的决策变量向量X的值与其对应；(3)对决策变量向量X的值进行限定和筛选根据每个节点上设备的工艺参数可以得到对应且唯一的表示能源供给、消耗、传输和库存的最小能力Ln和最大能力Un，每个节点的Ln和Un的值可分别组成向量矩阵(L1，L2，...，Ln)和(U1，U2，...，Un)，由向量矩阵得到唯一确定的向量L和U的值，限定L≤X≤U，对于超出此范围的X的值予以排除；(4)设定价值系数Cn，表示节点上各种能源的优先程度和价值，价值系数Cn由工艺需求确定，在设备安装时通过人工设定，每个节点上的价值系数Cn在设定好后即为确定的值，由每个节点的Cn值组成价值系数向量矩阵(C1，C2，...，Cn)，由价值系数向量矩阵计算得出唯一对应的价值系数向量C的值；(5)设置目标函数为Z，且Z＝CX，Z为目标函数向量矩阵(z1，z2，...，zn)的值，各节点的目标函数即为zn＝Cnxn，对目标函数Z实现最大化和最小化，其公式为Max Z＝CX Min Z＝CX，当目标函数Z取得最大值或最小值时，由公式反推可得到决策变量向量X对应的最大值或最小值，并得到此状态下分别对应的决策变量xn的值，由此确定此状态时各个节点上能源供给、消耗、传输和库存的量；(6)根据各个节点的目标函数zn分别绘制煤气平衡曲线图，根据各节点的煤气平衡曲线图对各节点的能源供给关系进行调整，调整时先根据系统目标函数Z的曲线图对总库存量进行调整，使其控制在符合标准的范围内，再根据各节点的目标函数zn的曲线图分别对波动幅度较大的节点进行调整；每次调整后再观察各曲线图的变化情况，并以此方法进行反复操作，最终达到系统能源趋于平衡。
2、 根据权利要求1所述的煤气平衡模型的建立方法，其特征在于，在模 型建立过程中釆集的数据以及设定的参数值，均被输入后台的控制系统内， 控制系统根据其预置的计算方法对数据进行处理，并对生产中的能源供给、 消耗、传输和库存量进行调整。
3、 根据权利要求1所述的煤气平衡模型的建立方法，其特征在于，设定 管线转换系数K， K表示各节点间能源转换的比例，可通过检测装置信息采 集后计算得到；所述煤气平衡调节是通过调节各个节点的K值实现的。
4、 根据权利要求1或3所述的煤气平衡模型的建立方法，其特征在于， 设定技术系数矩阵A和资源限制向量B;技术系数矩阵A为各节点能源的实 际用量占总实际用量的百分比，通过检测装置采集并计算得到；资源限制向 量B为能源计划使用量，在生产前根据产量需求设定；将目标函数最大化和 最小化时得到的X的值与A相乘，再分别与B值进行比较，并通过调节K值， 使AX的值趋近于B。
全文摘要
本发明的煤气平衡模型的建立方法，其步骤如下(1)获取介质网络上每个节点的决策变量x<sub>n</sub>的值；(2)将各个节点上得到的决策变量x<sub>n</sub>的值组成向量矩阵并计算得出向量矩阵的值X；(3)对决策变量向量X的值进行限定和筛选；(4)设定价值系数C<sub>n</sub>，计算价值系数向量C的值；(5)设置目标函数Z，对目标函数Z实现最大化和最小化；(6)根据各个节点的目标函数z<sub>n</sub>分别绘制煤气平衡曲线图并对煤气进行调整。本发明用数量来表达能源在生产和消耗过程中的运用、筹划和管理，通过对能源生产和消耗的预测作出综合合理的调度，达到高效节能、减排的目的。
文档编号G06Q50/00GK101604420SQ20091010433
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者杰 宋, 浩 张, 俨 邓 申请人:重庆钢铁(集团)有限责任公司