钢铁园区能量流-物质流耦合系统协同调度方法和装置与流程

本技术涉及多种能源形式的运行和控制，尤其涉及钢铁园区能量流-物质流耦合系统协同调度方法和装置。

背景技术：

1、“双碳”背景下，用能成本高、能源利用效率低下、碳排放量大已成为制约大部分钢铁企业盈利能力和可持续发展水平的关键因素，降本增效、节能减排已成为钢铁企业转型发展的必然选择。

2、钢铁园区主要由生产系统与能源系统组成，其中生产系统的物质流表现为铁及铁元素的动态运动和转化，包括高炉、转炉和电炉等冶炼工序；能源系统中能量流的主体为电力、副产煤气与焦炭，三者共同构成复杂的能源体系。针对钢铁园区的运行优化，现有研究者主要从物质流优化和能量流优化两个方面进行研究，以实现减碳增效。

3、然而，现有研究仅关注钢铁冶炼过程中单一生产工序的物质流优化，忽略了不同工序间的耦合与匹配关系。钢铁的实际生产过程中，各个工序在生产时序与物料调度方面是紧密耦合的。此外，现有研究忽略了冶炼过程中物质流和能量流的耦合关系。

技术实现思路

1、本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本技术的第一个目的在于提出一种钢铁园区能量流-物质流耦合系统协同调度方法，解决了现有方法仅关注钢铁冶炼过程中单一生产工序的物质流优化、忽略了冶炼过程中物质流和能量流的耦合关系，造成系统调度未达到最佳的技术问题，实现了在对钢铁园区进行物质流优化的同时，充分挖掘物质流与煤气、电力等能量流互补互济、协同调控的潜力，助力钢铁行业绿色转型。

3、本技术的第二个目的在于提出一种钢铁园区能量流-物质流耦合系统协同调度装置。

4、为达上述目的，本技术第一方面实施例提出了一种钢铁园区能量流-物质流耦合系统协同调度方法，包括：建立钢铁园区能量流-物质流耦合系统协同调度的目标函数；确定生产系统与能源系统的约束条件；根据目标函数与约束条件，基于调度模式对钢铁园区能量流-物质流耦合系统进行协同调度，其中，协同调度的过程包括：通过调度中心下发指令；基于约束条件和下发的指令，对目标函数进行求解，得到调度方案；基于调度方案对生产系统和能源系统进行协调，通过生产系统对生产内容进行调度，将煤气产量输入到能源系统中，通过能源系统对煤气的分配进行调度，并为生产系统提供功率支撑。

5、本技术实施例的钢铁园区能量流-物质流耦合系统协同调度方法，通过分析园区高炉、转炉和电炉等工序的时序特性与物料关系，建立了面向生产系统的物质流模型。考虑各生产工序能耗特性、煤气产耗情况，建立了计及煤气调度的能量流-物质流耦合模型。基于上述模型，以系统运行成本最小化和最低碳排为目标，对钢铁园区能量流-物质流进行协同优化调度，得到高炉、转炉和电炉等生产设备的最优生产策略以及电力、煤气和焦炭等能源的最佳调度结果。可实现物质流与煤气、电力等能量流互补互济、协同调控的潜力，助力钢铁行业绿色转型。

6、可选地，在本技术的一个实施例中，目标函数表示为：

7、

8、

9、

10、

11、

12、

13、其中，生产系统成本包括高炉生产成本cbf、转炉生产成本cbof和电炉成本cef，能源系统成本包括自备电厂发电成本cgen、煤气系统放散成本cdp、钢化联产成本ccp和购电成本cgrid，表示碳排放成本，cp＝[cbf,cbof,cef]t，λbf、λbof、λef分别为高炉入料的单价矩阵、转炉入料的单价矩阵以及电炉入料的单价矩阵，mbf、mbof、mef分别表示高炉原料用量矩阵、转炉原料用量矩阵、电炉原料用量矩阵，ce＝[cgen,cdp,ccp,cgrid]t，λgen为自备电厂发电成本系数，t表示调度周期，ptgen表示t时段自备电厂发电功率，δt表示单位调度时段，wgas表示煤气集合，λgdp为煤气g放散塔放散单位体积煤气所对应的惩罚系数，fg,tdp为t时段煤气g的放散量，分别为生产单位甲醇所需的成本及带来的收益，为t时段生产甲醇量，分别为t时段系统购电电价和售电电价，分别为t时段系统的购电功率和售电功率，et、分别为碳排放总量和单位碳排放成本，sb、scs分别为系统中燃料和含碳溶剂种类以及固碳产品种类，mi为物料的消耗量，efi为二氧化碳排放因子，me为系统的购电量，efe为电力的二氧化碳排放因子，ie表示碳排放强度，wef表示电炉集合，分别为电炉i在t时段的钢水产量、转炉i在t时段的钢水产量。

14、可选地，在本技术的一个实施例中，生产系统的约束条件包括高炉模型、转炉模型、电炉模型，能源系统包括煤气系统和电力系统，能源系统的约束条件包括煤气来源约束、电力平衡约束、其他约束。

15、可选地，在本技术的一个实施例中，高炉模型表示为：

16、

17、

18、

19、

20、其中，表示高炉生产状态变量，分别为高炉i在t时段铁水的产量与三种含铁矿石用量，为三种矿石的资源强度，为入炉含铁矿石种类，wbf表示高炉集合，t表示调度周期，mbf为原料矩阵，mbf表示高炉i在t时段含铁矿石用量、含铁矿石配比以及焦炭等原料用量上、下限；

21、转炉模型表示为：

22、

23、

24、

25、

26、ubof＝pq

27、其中，表示转炉生产状态变量，分别为转炉ii在t时段各种入料用量与出料量，分别为入料种类与出料种类，wbof表示转炉集合，t表示调度周期，mbof为转炉原料用量矩阵，ubof＝[mscrap,tbof,i,mslag,tbof,i,,vbof,i]，代表转炉i在t时段产出废钢量、钢渣量计算关系式以及转炉炉容与金属装入量的关系式，p、q表示计算变量的系数矩阵；

28、电炉模型的表示为：

29、

30、

31、

32、

33、其中，表示电炉生产状态变量，为电炉i在t时段的钢水产量，为产量变化量，mef为电炉原料用量矩阵，mef、为铁水和废钢及生铁用量下、上限，wef表示，t表示调度周期。

34、可选地，在本技术的一个实施例中，煤气来源约束表示为：

35、

36、

37、

38、

39、

40、

41、

42、

43、

44、其中，bbfg为生成一吨铁水产生的高炉煤气量，为高炉i在t时段铁水的产量，为煤气系统在τ时段产生的高炉煤气量，为煤气系统在τ时段产生的转炉煤气体积，为转炉i在t-tbof时段使用铁水量，bldg为转炉煤气生产系数，tbof、分别为转炉生产周期与一炉吹氧时间，c1、c2为铁水和钢水中的含碳量，αco、为生成的炉气中co、co2含量，wgas为煤气集合，fg,tin、fg,tuser、fg,tgen、fg,tcp、fg,tdp为t+1时段煤气g的产生量、生产用户使用量、流入自备电厂量、流入钢化联产环节的量以及放散量，hg,t为煤气g在时段t的煤气柜柜位，hg分别为柜位上限和下限，δh表示煤气柜最大吞吐煤气速率；

45、电力平衡约束表示为：

46、

47、b1+b2≤1

48、其中，分别为t时段自备电厂发电功率、购电功率、光伏出力、风电出力、轧钢功率、煤气柜i消耗功率以及售电功率，分别为高炉、转炉和电炉功率，b1、b2为0-1变量；

49、其他约束表示为：

50、

51、

52、

53、

54、

55、

56、其中，为电炉i的功率，为电炉i在t时段烘炉有功功率，为电炉i冶炼有功功率，电炉i在t时段的有功功率调整变量，分别为功率调整上、下限，表示电炉i在t时段入炉铁水量与烘炉功率的关系系数，为高炉i在t时段铁水的产量，表示功率调整量带来的产量变化量，电炉i的每单位用电调整量引起的产量变化系数。

57、为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种钢铁园区能量流-物质流耦合系统协同调度装置，包括目标函数构建模块、约束条件构建模块、协同调度模块，其中，

58、目标函数构建模块，用于建立钢铁园区能量流-物质流耦合系统协同调度的目标函数；

59、约束条件构建模块，用于确定生产系统与能源系统的约束条件；

60、协同调度模块，用于根据目标函数与约束条件，基于调度模式对钢铁园区能量流-物质流耦合系统进行协同调度，其中，协同调度的过程包括：

61、通过调度中心下发指令；

62、基于约束条件和下发的指令，对目标函数进行求解，得到调度方案；

63、基于调度方案对生产系统和能源系统进行协调，通过生产系统对生产内容进行调度，将煤气产量输入到能源系统中，通过能源系统对煤气的分配进行调度，并为生产系统提供功率支撑。

64、可选地，在本技术的一个实施例中，目标函数表示为：

65、

66、

67、

68、

69、

70、

71、其中，生产系统成本包括高炉生产成本cbf、转炉生产成本cbof和电炉成本cef，能源系统成本包括自备电厂发电成本cgen、煤气系统放散成本cdp、钢化联产成本ccp和购电成本cgrid，表示碳排放成本，cp＝[cbf,cbof,cef]t，λbf、λbof、λef分别为高炉入料的单价矩阵、转炉入料的单价矩阵以及电炉入料的单价矩阵，mbf、mbof、mef分别表示高炉原料用量矩阵、转炉原料用量矩阵、电炉原料用量矩阵，ce＝[cgen,cdp,ccp,cgrid]t，λgen为自备电厂发电成本系数，t表示调度周期，ptgen表示t时段自备电厂发电功率，δt表示单位调度时段，wgas表示煤气集合，λgdp为煤气g放散塔放散单位体积煤气所对应的惩罚系数，fg,tdp为t时段煤气g的放散量，分别为生产单位甲醇所需的成本及带来的收益，为t时段生产甲醇量，分别为t时段系统购电电价和售电电价，分别为t时段系统的购电功率和售电功率，et、分别为碳排放总量和单位碳排放成本，sb、scs分别为系统中燃料和含碳溶剂种类以及固碳产品种类，mi为物料的消耗量，efi为二氧化碳排放因子，me为系统的购电量，efe为电力的二氧化碳排放因子，ie表示碳排放强度，wef表示电炉集合，分别为电炉i在t时段的钢水产量、转炉i在t时段的钢水产量。

72、可选地，在本技术的一个实施例中，生产系统的约束条件包括高炉模型、转炉模型、电炉模型，能源系统包括煤气系统和电力系统，能源系统的约束条件包括煤气来源约束、电力平衡约束、其他约束。

73、可选地，在本技术的一个实施例中，高炉模型表示为：

74、

75、

76、

77、

78、其中，表示高炉生产状态变量，分别为高炉i在t时段铁水的产量与三种含铁矿石用量，为三种矿石的资源强度，为入炉含铁矿石种类，wbf表示高炉集合，t表示调度周期，mbf为原料矩阵，mbf表示高炉i在t时段含铁矿石用量、含铁矿石配比以及焦炭等原料用量上、下限；

79、转炉模型表示为：

80、

81、

82、

83、

84、ubof＝pq

85、其中，表示转炉生产状态变量，分别为转炉ii在t时段各种入料用量与出料量，分别为入料种类与出料种类，wbof表示转炉集合，t表示调度周期，mbof为转炉原料用量矩阵，ubof＝[mscrap,tbof,i,mslag,tbof,i,,vbof,i]，代表转炉i在t时段产出废钢量、钢渣量计算关系式以及转炉炉容与金属装入量的关系式，p、q表示计算变量的系数矩阵；

86、电炉模型的表示为：

87、

88、

89、

90、

91、其中，表示电炉生产状态变量，为电炉i在t时段的钢水产量，为产量变化量，mef为电炉原料用量矩阵，mef、为铁水和废钢及生铁用量下、上限，wef表示，t表示调度周期。

92、可选地，在本技术的一个实施例中，煤气来源约束表示为：

93、

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95、

96、

97、

98、

99、

100、

101、

102、其中，bbfg为生成一吨铁水产生的高炉煤气量，为高炉i在t时段铁水的产量，为煤气系统在τ时段产生的高炉煤气量，为煤气系统在τ时段产生的转炉煤气体积，为转炉i在t-tbof时段使用铁水量，bldg为转炉煤气生产系数，tbof、分别为转炉生产周期与一炉吹氧时间，c1、c2为铁水和钢水中的含碳量，αco、为生成的炉气中co、co2含量，wgas为煤气集合，fg,tin、fg,tuser、fg,tgen、fg,tcp、fg,tdp为t+1时段煤气g的产生量、生产用户使用量、流入自备电厂量、流入钢化联产环节的量以及放散量，hg,t为煤气g在时段t的煤气柜柜位，hg分别为柜位上限和下限，δh表示煤气柜最大吞吐煤气速率；

103、电力平衡约束表示为：

104、

105、其中，分别为t时段自备电厂发电功率、购电功率、光伏出力、风电出力、轧钢功率、煤气柜i消耗功率以及售电功率，分别为高炉、转炉和电炉功率，b1、b2为0-1变量；

106、其他约束表示为：

107、

108、

109、

110、

111、

112、

113、其中，为电炉i的功率，为电炉i在t时段烘炉有功功率，为电炉i冶炼有功功率，电炉i在t时段的有功功率调整变量，分别为功率调整上、下限，表示电炉i在t时段入炉铁水量与烘炉功率的关系系数，为高炉i在t时段铁水的产量，表示，电炉i的每单位用电调整量引起的产量变化系数。

114、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。