一种基于能量多级传递模型的钢铁企业能源流动分析方法与流程

本发明属于能源优化以及能源流动分析技术领域，涉及钢铁企业能源流动分析，尤其是一种基于能量多级传递模型的钢铁企业能源流动分析方法。

背景技术：

随着全球能源危机的加剧，节能已成为人类社会发展必须面对的问题。我国的能源情况并不乐观，一方面能源储量不足，人均资源量非常有限；另一方面能源消耗大，能源利用效率低下。随着我国经济增长，重工业尤其是高耗能产业经历了快速发展。工业是我国最大的终端能源消费部门，而钢铁产业作为工业中的重要产业，其能耗问题已成为我国能耗结构中的一个重要组成部分，为了有效提升钢铁企业的能源利用效率，钢铁企业内部的能量流动分析成为了备受关注的重要问题。

目前在钢铁企业能源流动分析方面的研究缺乏从能量输入和能量利用的整个能量流动过程出发的能源流动分析。因此，迫切需要对钢铁企业的内部能源流动进行深入研究。

经检索，未发现与本发明相同或相似的已公开的专利文献。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于能量多级传递模型的钢铁企业能源流动分析方法，该方法能够从能源输入、能源转换、能源输出三个角度出发，对钢铁企业内部的能量流动现状进行分析，从而掌握钢铁企业内部能量利用方式。本发明能够为钢铁企业能源的全局优化利用提供支撑，有利于提升钢铁企业能源优化水平，促进钢铁企业的节能减排和可持续发展。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于能量多级传递模型的钢铁企业能源流动分析方法，包括以下步骤：

步骤1、建立包括能量输入和能量利用的整个能量流动过程的钢铁企业能量多级传递模型；

步骤2、基于步骤1所述的钢铁企业能量多级传递模型，建立包括能量输入、能量消耗和能量输出的钢铁企业能量流动网络，并通过对钢铁企业能量消耗过程中能量转换过程的能量流进行分析，建立钢铁企业的能量流动模型，进而对钢铁企业内部能源流动进行分析。

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

(1)根据能量守恒定律，建立钢铁企业能量多级传递模型的能量流动公式如下：

E_I＝E_C+E_L

上式中，E_I表示能量输入，E_C表示能量消耗，E_L表示能量损耗；

(2)建立钢铁企业能量多级传递模型的能量输入公式可表示为：

E_I＝E_P+E_F

上式中，E_P表示电能输入，E_F表示化石能源输入；

(3)建立钢铁企业能量多级传递模型的能量消耗公式可表示为：

上式中，E_i(i＝1,2,...,n)表示工业用户各终端负荷的能量消耗；

(4)建立钢铁企业能量多级传递模型的能量损耗公式可表示为：

E_L＝E_pl+E_fl

上式中，E_pl表示电能网络损耗，E_fl表示化石能源输送损耗；

其中，电能网络损耗主要包括电能传输过程中的线路损耗和变压器损耗；

①线路损耗是指电能流经导线时以热能形式散发的功率损失，计算公式如下：

上式中，P、Q分别为流经路线的有功功率和无功功率；U为路线上与P、Q同一点测得的电压；R为线路的电阻，与导线的截面、导线的材料和线路的长度有关；

②变压器损耗是指电能流经变压器时以热能形式散发的功率损耗，计算公式如下：

ΔP_T＝P_Fe+P_cu＝P₀+β²P_k

上式中，P_Fe为铁损，P_cu为铜损，P₀为空载损耗，P_K为额定负载损耗，β为平均负载系数；

其中，化石能源输送损耗是化石能源在传递过程中的损耗，是钢铁企业用能统计期内损耗的化石能源实物量按规定的计算方法和单位分别折算成标准煤后的总量，其计算公式如下：

上式中，n表示化石能源品种数，e_i表示能量传递过程中第i种化石能源的损耗实物量，p_i表示第i种化石能源的折算系数，按能量的当量值或能源等价值折算。

而且，所述步骤2的钢铁企业能量输入包括电能输入和化石能源输入；能量输出包括产品和副产品；能量消耗过程中能量转换过程的能量流由能量转换单元、能量转换工序和能量转换网络构成；其中，能量转换网络由若干个能量转换工序组成，每个能量转换工序又由若干个能量转换单元组成。

而且，所述步骤2的钢铁企业的能量转换单元的能量流动模型为：能量转换单元能量流由五部分组成，分别是：外部能量、前一单元转换后的能量、能量损失、回收自用、能源产品和副产品输出；

设任一能量转换工序第i个能量转换单元能量流组成部分分别为：外部能量E_inⁱ、前一单元转换后的能量E_v^i-1、能量损失E_lossⁱ、回收自用E_reⁱ、能源产品和副产品输出E_outⁱ，则可以得到如下所示的第i个能量转换单元的能量流动模型：

E_inⁱ+E_v^i-1+E_reⁱ＝E_lossⁱ+E_outⁱ。

而且，所述步骤2的钢铁企业的能量转换工序的能量流动模型为：能量转换工序是由多个能量转换单元组成的，能量转换工序能量流由五部分组成，分别是：外部能量、前一工序转换后的能量E_v^j-1、能量损失、回收自用E_re^j、能源产品和副产品输出E_out^j；

设第j个能量转换工序共m_j个能量转换单元，则基于所述第i个能量转换单元的能量流动模型，可以得到如下第j个能量转换工序的能量流动模型：

而且，所述步骤2的钢铁企业的能量转换网络的能量流动模型为：能量转换网络由多个能量转换工序组成，能量转换网络能量流由四部分组成，分别是：外部能量、能量损失、回收自用E_re、能源产品和副产品输出E_out；

设能量流动网络有l个工序，基于所述第j个能量转换工序的能量流动模型，可以得到如下能量转换网络的能量流动模型：

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明提供一种适用于钢铁企业的能源流动分析方法，该方法能够从能源输入、能源转换、能源输出三个角度出发，对钢铁企业内部的能量流动现状进行分析，从而掌握钢铁企业内部能量利用方式。本发明能够为钢铁企业能源的全局优化利用提供支撑，有利于提升钢铁企业能源优化水平，促进钢铁企业的节能减排和可持续发展。

2、本发明通过对钢铁企业的内部能源流动进行深入研究，并基于涵盖整个能量流动过程的能量多级传递模型，提出一种新的钢铁企业能源流动分析方法，从而为钢铁企业的能源利用效率提升和能源优化管理提供理论基础。构建基于能量多级传递模型的钢铁企业能源流动分析方法，是亟待解决的实际问题，具有良好的理论价值和应用价值。

附图说明

图1是本发明的钢铁企业能量多级传递模型示意图；

图2是本发明的钢铁企业能量流动网络示意图；

图3是本发明的钢铁企业能量转换单元能量流动图；

图4是本发明的钢铁企业能量转换工序能量流动图；

图5是本发明的钢铁企业能量转换网络能量流动图；

图6是本发明的具体实施例的焦炉能量转换单元的能量流动图；

图7是本发明的具体实施例的焦化能量转换工序的能量流动图；

图8是本发明的具体实施例的能量转换网络分析中煤在钢铁企业内部的转换过程及中间产品比例示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种基于能量多级传递模型的钢铁企业能源流动分析方法，包括以下步骤：

步骤1、建立包括能量输入和能量利用的整个能量流动过程的钢铁企业能量多级传递模型，如图1所示；

钢铁企业能量多级传递模型包括能量输入和能量利用，钢铁企业能量输入包括电能输入和化石能源输入，能量利用又分为能量消耗和能量损耗。

能量利用为钢铁企业内能源通过梯级利用及部分损耗进行的能量流动；能量消耗为钢铁企业通过能源转换单元、能源转换工序和能源转换网络所消耗的能量；能量损耗主要是指能源在梯级利用过程中的损耗，包括电能网络损耗和化石能源输送损耗。

所述步骤1的具体步骤包括：

(1)根据能量守恒定律，建立钢铁企业能量多级传递模型的能量流动公式如下：

E_I＝E_C+E_L (1)

式(1)中，E_I表示能量输入，E_C表示能量消耗，E_L表示能量损耗；

(2)建立钢铁企业能量多级传递模型的能量输入公式可表示为：

E_I＝E_P+E_F (2)

式(2)中，E_P表示电能输入，E_F表示化石能源输入；

(3)建立钢铁企业能量多级传递模型的能量消耗公式可表示为：

式(3)中，E_i(i＝1,2,...,n)表示工业用户各终端负荷的能量消耗；

(4)建立钢铁企业能量多级传递模型的能量损耗公式可表示为：

E_L＝E_pl+E_fl (4)

式(4)中，E_pl表示电能网络损耗，E_fl表示化石能源输送损耗；

其中，电能网络损耗主要包括电能传输过程中的线路损耗和变压器损耗；

①线路损耗是指电能流经导线时以热能形式散发的功率损失，计算公式如下：

上式中，P、Q分别为流经路线的有功功率和无功功率；U为路线上与P、Q同一点测得的电压；R为线路的电阻，与导线的截面、导线的材料和线路的长度有关；

②变压器损耗是指电能流经变压器时以热能形式散发的功率损耗，计算公式如下：

ΔP_T＝P_Fe+P_cu＝P₀+β²P_k

上式中，P_Fe为铁损，P_cu为铜损，P₀为空载损耗，P_K为额定负载损耗，β为平均负载系数；

其中，化石能源输送损耗是化石能源在传递过程中的损耗，是钢铁企业用能统计期内损耗的化石能源实物量按规定的计算方法和单位分别折算成标准煤后的总量，其计算公式如下：

式(5)中，n表示化石能源品种数，e_i表示能量传递过程中第i种化石能源的损耗实物量，p_i表示第i种化石能源的折算系数，按能量的当量值或能源等价值折算。

步骤2、基于步骤1所述的钢铁企业能量多级传递模型，建立包括能量输入、能量消耗和能量输出的钢铁企业能量流动网络，并通过对钢铁企业能量消耗过程中能量转换过程的能量流进行分析，建立钢铁企业的能量流动模型，进而对钢铁企业内部能源流动进行分析。

基于步骤1所述的钢铁企业能量多级传递模型，建立钢铁企业能量流动网络，包括能量输入、能量消耗和能量输出三个部分，如图2所示。

其中，钢铁企业能量输入包括电能输入和化石能源输入；能量输出包括产品和副产品；能量消耗过程中的能量转换过程则较为复杂，能量转换过程的能量流由能量转换单元、能量转换工序和能量转换网络构成，能量转换网络由若干个能量转换工序组成，而每个能量转换工序又由若干个能量转换单元组成。

下面分别对钢铁企业的能量转换单元、能量转换工序和能量转换网络的能量流进行分析，建立钢铁企业的能量转换单元、能量转换工序和能量转换网络的能量流动模型：

(1)对钢铁企业的能量转换单元的能量流进行分析，建立能量转换单元的能量流动模型；

能量转换单元能量流由5部分组成，如图3所示，分别是：外部能量、前一单元转换后的能量、能量损失、回收自用和能源产品和副产品输出，

设任一能量转换工序第i个能量转换单元能量流组成部分分别为：外部能量E_inⁱ、前一单元转换后的能量E_v^i-1、能量损失E_lossⁱ、回收自用E_reⁱ、能源产品和副产品输出E_outⁱ，则可以得到如下所示的第i个能量转换单元的能量流动模型：

E_inⁱ+E_v^i-1+E_reⁱ＝E_lossⁱ+E_outⁱ (6)

(2)对钢铁企业的能量转换工序的能量流进行分析，建立能量转换工序的能量流动模型；

能量转换工序是由多个能量转换单元组成的，能量转换工序能量流也由5部分组成，如图4所示，分别是：外部能量、前一工序转换后的能量E_v^j-1、能量损失、回收自用E_re^j、能源产品和副产品输出E_out^j。

设第j个能量转换工序共m_j个能量转换单元，则基于式(6)，可以得到如下第j个能量转换工序的能量流动模型：

(3)对钢铁企业的能量转换网络的能量流进行分析，建立能量转换网络的能量流动模型；

能量转换网络由多个能量转换工序组成，能量转换网络能量流由4部分组成，如图5所示，分别是：外部能量、能量损失、回收自用E_re、能源产品和副产品输出E_out。

设能量流动网络有l个工序，基于式(7)，可以得到如下能量转换网络的能量流动模型：

本实施例中，以某钢铁企业为例，根据本发明的一种基于能量多级传递模型的钢铁企业能源流动分析方法，分析其能源流动的能量流。该钢铁企业始建于建国初期，是国内布局较为完善、资源优势较为明显的钢铁企业。

钢铁企业的能量流由能量转换单元、能量转换工序和能量转换网络构成，具体来说，能量转换网络由若干个能量转换工序组成，而一个能量转换工序又由若干个能量转换单元组成。

本实例重点分析煤这一能源介质在钢铁企业中的能量流动过程。具体来说，煤在该钢铁企业内部的转换需经过焦化、炼铁和炼钢等主要工序，能源最终以钢和二氧化碳的形式输出。

(1)能量转换单元分析

以焦炉单元为例，如图6所示，分析该钢铁企业焦炉这一能量转换单元的能量流动。

结合能量转换单元的能量流动模型(公式6)，由于焦炉单元是第一个转换单元，因此不存在前一单元转换后的能量。该钢铁企业焦炉转换单元能量流由4部分组成，分别是：外部能量输入(煤100％)、能量损失(显热10.42％)、能源产品和副产品输出(产品输出69.83％、焦炉煤气副产品输出19.75％)、自收自用(22.4％)。

(2)能量转换工序分析

以焦化工序为例，如图7所示，分析该钢铁企业焦化这一转换工序的能量流动。

结合能量转换工序的能量流动模型(公式7)，由于焦化工序是第一个转换单元，因此不存在前一工序转换后的能量。该钢铁企业焦炉转换工序能量流由4部分组成，分别是：外部能量输入(煤100％)、能量损失(显热10.42％+69.83％*29.41％＝30.96％)、能源产品和副产品输出(产品输出69.83％*70.59％＝49.29％、焦炉煤气副产品19.75％)、自收自用(22.4％)。

(3)能量转换网络分析

分析煤在焦化、炼铁和炼钢等工序之间流动的能量转换网络。煤在钢铁企业内部的转换过程及中间产品比例如图8所示。

由图8可知，钢铁生产即钢铁企业能量流动是一个复杂的过程，对于输入的煤，需经过焦化、炼铁和炼钢等工序，能量流动过程产生副产煤气(焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气)和炉渣等余热余能，最终转变为钢，同时会排放二氧化碳。

内部能量流动过程具体为：首先是焦炉焦化工序，输入的煤经过焦炉焦化后形成冶金焦(69.83％)、焦炉煤气(19.75％)、显热和副产(10.42％)；其中，冶金焦主要用于高炉炼铁工序，焦炉煤气主要用于热轧、开坯、板材、冷轧、烧结以及外售等，同时冶金焦和焦炉煤气也有部分回收自用。其次是高炉炼铁工序，主要原料是冶金焦，经过高炉工序后形成的主要副产品是少量铁水、高炉煤气(40.47％)以及铁、渣及其他；其中少量铁水可用于电炉工序，高炉煤气可用于热轧、开坯、板材、冷轧、烧结，同时也有部分高炉煤气回收至焦炉工序，铁、渣及其他可用于转炉工序。继而是转炉炼钢工序，流入的能量为焦炉煤气(1.6％)、电力及燃料、铁渣及其他，流出的能量为转炉煤气，主要用作燃料。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。