（控制理论与控制工程专业论文）基于流程的钢铁企业生产环节能源仿真模型的研究和实现.pdf

原创性声明 i i ii i ii ii i ii ii i ii iiii 17 7 8 5 10 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 作者签名：主i 燮查望 日期：丝! ：厶。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的规 定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅， 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 、一r 、i 作者签名：里_ 塑叠_ 导师签名：釜童岳 日 期：丝乜! lf ? 日期：鲨坐：! ：o 钢铁企业各个生产工序为研究对象，对焦化、烧结、炼铁、炼钢和轧钢工序涉及到的 生产设备的物流生产过程和能源介质的消耗和产生情况进行了分析、抽象，考虑了钢 铁生产流程中各工序的物流和能源约束关系，为各种生产单元建立了统一的生产单元 仿真模型，模型对生产单元的物料平衡和能源产消进行了定义。为使仿真模型能够反 映间歇生产和异动因素的影响，如故障、检修等，本文对单元仿真模型定义了正常生 产、检修、故障、待产等不同的生产状态，对不同生产状态的模型参数分别进行定义， 从而通过仿真过程中给定不同的生产指令，实现系统对不同的设备工况进行仿真。论 文还就模型产消参数的提取及其模型系数的获得进行了探讨。 在单元模型的基础上，研究了钢铁企业生产过程物质的流动关系，对各单元模型 进行连接，采用有向加权图的形式，进一步建立了整个钢铁企业基于物流的生产环节 整个系统的仿真模型。为了计算机仿真实现方便，将有向加权图表示为邻接矩阵。 在建立的仿真模型的基础上，对生产环节能源仿真系统进行了设计和实现。软件 实现过程中，采用了并行仿真计算方式使仿真结果符合现场的连续生产；采用了随机 数的方法使仿真结果能够反映现场物流和能源产消的波动情况。 以2 个长流程钢铁企业为例，对建立的能源仿真模型和实现的仿真系统进行了初 步验证。仿真结果表明建立的能源仿真模型基本可以反映钢铁企业生产过程中各种能 源介质的消耗和产生规律( 误差在1 0 之间) ，能源产消仿真系统能够为各种能源介 质进一步的输配、转换和优化调度提供准确的数据来源。 摘要 关键词 ：流程；钢铁企业；单元模型；物质流仿真；能源仿真 h a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g ys i m u l a t i o no fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s ，a s p a r to fa l la d v a n c e de n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m ，t h a tc a na n a l y z eav a r i e t yo fe n e r g ym e d i u mi ne a c hp r o d u c t i o nu n i t o fe n e r g yu s e ，r e c y c l i n g ，c o n v e r s i o na n do t h e ra s p e c t so ft h ed y n a m i cc h a n g e s a n d e n e r g y s i m u l a t i o no fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s ，p r o v i d et o o l sa n da n a l y t i c a lm e t h o d sf o ro p e r a t i o n s t r a t e g i e sa n do p t i m i z a t i o ni nt h ee n e r g ys y s t e mo fi r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e s ， i s i n c r e a s i n g l yb e c o m i n gap r i m a r ym e t h o da n dt o o lt os t u d ye n e r g ys y s t e m so fi r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e s e n e r g ys i m u l a t i o no fi r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e si s d i v i d e di n t o e n e r g y p r o d u c t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o ns i m u l a t i o na n ds i m u l a t i o no fe n e r g yc o n v e r s i o n ， t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o n ，i nw h i c ht h ef o r m e ri sb a s ea n dd a t as o u r c e so ft h el a t t e r ； t h el a t t e r , b ys c h e d u l i n gt h ed i s t r i b u t i o no fe n e r g y , a n t i i n f l u e n c et h ef o r m e r t h e r e f o r e ， t h ed e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o ns y s t e mo fc i sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ef o u n d a t i o no fe n e r g y s i m u l a t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r , w ec a r r yo u tr e s e a r c ha n ds y s t e mr e a l i z a t i o no ne n e r g yp r o d u c t i o na n d c o n s u m p t i o np a r t so ft h ei r o na n ds t e e le n t e r p r i s e se n e r g ys i m u l a t i o ns y s t e m f i r s t l y , v a r i o u sp r o d u c t i o nu n i t s ，i n v o l v e di nt h em a t e r i a lf l o wp r o d u c t i o np r o c e s s e sa n de n e r g y c o n s u m p t i o na n dg e n e r a t i o no fm e d i a , c o n d u c t e da na n a l y s i so fa b s t r a c t i o na n de s t a b l i s h e d au n i f i e dp r o d u c t i o nu n i ts i m u l a t i o nm o d e l m a t e r i a l sb a l a n c ea n de n e r g y c o n s u m p t i o na n d g e n e r a t i o na r ed e f i n e di nt h em o d e l t oe n a b l es i m u l a t i o nm o d e l st or e f l e c tt h ei n t c ：n i l i t t a ：l l p r o d u c t i o na n dt r a n s a c t i o nf a c t o r s ，m o d e lp a r a m e t e r sb ed e f i n e di ns t a t u so fd i f f e r e n t b y g i v i n gt h ep r o d u c t i o no fd i f f e r e n ti n s t r u c t i o n so nd i f f e r e n td e v i c e s ，t h es i m u l a t es y s t e m a c h i e v ed y n a m i cs i m u l a t i o no fe n e r g yp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o np a r t s a n dt h em o d e l p a r a m e t e re x t r a c t i o na n dm o d e le x t i n c t i o nc o e f f i c i e n ti sd i s c u s s e d d i r e c t e dw e i g h t e dg r a p hi su s e dt oc o n n e c t i o no fe a c hu n i tm o d e lb a s e do nt h es t u d y o ft h e i r o na n ds t e e lp r o d u c t i o n p r o c e s so fm a t e r i a lf l o w , a n df u r t h e r e s t a b l i s h i n g s i m u l a t i o ns y s t e mo fe n e r g yp r o d u c t i o na n d c o n s u m p t i o nf o re n t i r ei r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e i no r d e rt oa c h i e v et h ec o n v e n i e n c eo fc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h ed i r e c t e d 1 1 1 a b s t r a c t w e i g h t e dg r a p hr e p r e s e n t e db ya d j a c e n c ym a t r i x w ed e s i g na n di m p l e m e n te n e r g ys i m u l a t i o ns y s t e m sb a s e do nt h es i m u l a t i o nm o d e lo f e n e r g yp r o d u c t i o n a n dc o n s u m p t i o n p a r a l l e ls i m u l a t i o n a p p r o a c hi s u s e dt om a k e s i m u l a t i o nr e s u l t si nl i n ew i t ht h ec o n t i n u o u so n s i t ep r o d u c t i o na n du s i n gar a n d o m n u m b e ra p p r o a c ht oa l l o ws i m u l a t i o nr e s u l t sr e f l e c t i n gv o l a t i l i t yo fe n e r g yp r o d u c t i o na n d c o n s u m p t i o n t h ee n e r g ys i m u l a t i o nm o d e la n ds i m u l a t i o ns y s t e mo ft w ol o n gp r o c e s s e si r o na n d s t e e le n t e r p r i s e si se s t a b l i s h e dt oa c h i e v ea p r e l i m i n a r yv a l i d a t i o no ft h ee n e r g ys i m u l a t i o n m o d e la n ds i m u l a t i o ns y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ee n e r g ys i m u l a t i o nm o d e l c a nr e f l e c tt h ev a r i o u se n e r g yc o n s u m p t i o na n dg e n e r a t i o no fm e d i al a w ( m a r g i no fe r r o r 1 0 )a n dp r o v i d ea c c u r a t ed a t as o u r c e sf o rs i m u l a t i o no fe n e r g yc o n v e r s i o n , t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o n k e y w o r d s ：p r o c e s s ；i r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s ；u n i tm o d e l ；m a t e r i a lf l o ws i m u l a t i o n ； e n e r g ys i m u l a t i o n ； 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 钢铁企业上艺流程及所涉及能源介质简介一3 1 3 钢铁企业能源仿真模型的研究现状4 1 4 本文主要的研究工作6 第二章钢铁企业生产环节能源仿真模型的研究一8 2 1 生产环节能源仿真单元模型的建立8 2 1 1 产消单元的划分8 2 1 2 单元模犁结构9 2 1 3 物料及能源产消参数与系数1 l 2 2 生产环节能源仿真系统模型的建立1 3 2 3 系统模犁中流程可调控机制的建立1 5 2 4 生产环节能源仿真模型的计算1 5 2 4 1 计算方式1 6 2 4 2 产消波动1 6 2 4 3 物料、能源约束1 7 2 4 4 计算过程1 7 第三章钢铁企业生产环节能源仿真模型的软件实现1 9 3 1 生产环节能源仿真系统的功能需求1 9 3 2 生产环节能源仿真系统的总体设计2 0 3 2 1 系统的数据流程2 l 3 2 2 仿真计算流程2 1 3 2 3 仿真结果处理一2 4 3 3 生产环节能源仿真系统的数据库设计2 4 3 3 1 基础数据库表设计。2 4 3 4 生产环节能源仿真系统的编程实现2 8 第四章钢铁企业生产环节能源仿真模型的验证与结果分析2 9 4 1 钢铁企业介绍2 9 4 2 具体钢铁企业仿真模型3 0 4 2 1 钢厂单元模型3 0 4 2 2 物料连接矩阵3 4 v 目录 4 2 3 仿真参数说明3 5 4 3 仿真结果分析3 6 第五章结论与展望4 l 5 1 下作总结4 1 5 2 研究展望4 2 参考文献4 4 附录一攻读学位期间发表论文列表4 7 致j 射4 8 v i 第一章绪论 第一章绪论 “十一五”期问国家提出了单位国内生产总值能耗降低2 0 。钢铁、石化等流程 工业的能耗占全国工业能耗的7 0 以上。为实现上述目标，这些高能耗流程工业的节 能减排工作就显得尤为重要和迫切。 我国钢铁行业总耗能约占全国总耗能量的1 4 ，是耗能大户。钢铁生产工艺流程 长，生产工序众多，生产工艺复杂，主要以高温冶炼、加工为主，生产过程兼有离散 和连续性的特点。各工序所使用的大都是大型设备，成本高，操作复杂，作业的连续 性强，对时间和温度要求条件高，工序间要求连接紧密，并且各工序间能源产生与消 耗互相关联。生产过程中又产生出许多新的二次能源。这些二次能源有些重新返回到 生产过程中，有些转化为其他能源介质。 仿真技术是用系统的模型对真实的或设计中的系统进行分析、研究的- - f l 多学科 综合性技术。由于计算机仿真具有经济性、安全性、预测性等诸多的优点，仿真技术 己经成为分析、研究复杂系统的重要工具，在许多领域被广泛和成熟的应用。而钢铁 企业生产过程本身的复杂性、成本要求等，使仿真技术成为分析、研究该复杂系统的 重要工具。因此，研究钢铁行业的能源系统特点，引入计算机仿真等新技术手段，开 发先进的软件支撑系统，对提升流程工业能源管理水平，大幅度降低能耗和物耗，实 现国家“十一五节能减排总体目标具有重要意义。 1 1 研究背景 当前在钢铁工业节能工作中，能源管理系统等系统节能手段实现的节能比例增 加到6 7 ，成为节能降耗主要手段。冶金自动化研究设计院“可循环钢铁制造流程优 化一国家重点工程实验室建设，以及承担的国家8 6 3 计划重点项目“大型联合企业先 进能源管理系统开发与应用”均包括大型钢铁联合企业先进能源管理系统的开发与应 用工作，通过开展大型钢铁联合企业先进能源管理系统的开发，攻克流程工业能源介 质和主要设备在线监测、能源负荷预测、能源供需平衡分析、能源结构和调度优化等 关键技术，开发具有自主知识产权的企业级能效分析平台和能源优化系统软件，实现 第一章绪论 产率、收率、物耗、能耗的能效指标的分析，优化钢铁企业的能源配置和平衡调度， 实现钢铁工业的节能降耗。 钢铁企业能源仿真系统作为先进能源管理系统的一部分，通过钢铁企业能源系统 模拟仿真计算，为钢铁企业能源优化和先进能源管理系统提供重要的研究、分析工具 和手段。而且可以分析各能源介质在能源使用、能源回收和转换输配三个环节动态变 化情况，分析评估各环节的效率和流程综合效率：分析对比各种钢铁制造流程、生产 作业计划、中间缓冲能力和二次能源转换输配方案对能耗和效率的影响，不但为钢铁 企业能源系统的设计方案和运行策略的对比和优化提供定量分析手段，还为钢铁能源 的优化配置与介质动态调控提供支持。 图1 1 基于能源仿真系统的多能源介质动态调控方案图 钢铁企业能源仿真主要分为能源产消仿真与能源转换输配仿真，其中，能源产 消仿真是能源转换输配仿真的基础与数据来源；能源转换输配仿真通过对能源调度分 配，反影响着能源的产消。因此，开发能源产消仿真系统是能源仿真系统的基础与重 要组成部分。 钢铁生产流程是一个复杂的混合流程，是众多工序和设备有机的组合在一起的 一个整体，贯穿着物质流、能量流与信息流。其中，铁素物质流是一类多因子流，是 被加工生产的主体，能量流是制造加工过程中驱动力，推动物质流的流动和转变，物 质流和能量流既独立又相互联系、彼此制约。所以，钢铁企业能源产消仿真必须以物 第一章绪论 质流仿真为基础，物料生产单元为主体，钢铁生产流程为主线。本文以整个钢铁企业 为对象，以物质流仿真为基础，从产生物料的炼铁、炼钢、轧钢等多个工序下的生产 单元入手，涉及到电、煤气、氧氮氩、蒸汽、水等多种能源介质，充分考虑了钢铁生 产流程中各生产单元和工序之间的物料与能源约束关系，建立了基于流程的钢铁企业 生产环节能源产消仿真模型，该能源仿真模型包含着流程调控机制，可反映间歇生产 和异动因素的影响，分析不同生产组织方式对能量流影响及主要特征。 图1 2 钢铁企业能源仿真结构图 1 2 钢铁企业工艺流程及所涉及能源介质简介 现代钢铁生产过程是将铁矿石在高炉内冶炼成生铁，用铁水炼成钢，再将钢水铸 成钢锭或连铸坯，经s l n 等塑性变形方法加工成各种用途的钢材。一个现代化的钢铁 联合企业，一般有以下生产环节组成：原料处理、炼铁、炼钢、轧钢、能源供应、交 通运输等，是一个复杂而庞大的生产体系，其生产工艺流程如图i - 3 所示。 能源即能量流是上述制造加工过程中驱动力，推动着物质流的流动和转变，物质 流和能量流既独立又相互联系、彼此制约。钢铁生产所用能源分为一次能源与二次能 源。所谓一次能源是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源， 它包括：原煤、原油、天然气等等。二次能源是指由一次能源经过加工转换以 后得到的能源，例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、氢气和焦炭等等。钢 铁企业能源构成中一次能源主要以煤为主，约占7 0 左右，主要用来炼焦和自备电厂 发电、蒸汽机车烧煤、烧工业锅炉及部分窑炉，少部分制成粉煤用于高炉喷吹及烧结 3 第一章绪论 生产。二次能源主要以电，煤气为主。在钢铁生产过程中能获得大量的煤气，如高炉 炼铁可产生高炉煤气，转炉炼钢可获得转炉煤气，烧焦可得焦炉煤气等，是钢铁企业 内部的重要气体燃料。此外，产品、荒煤气、废渣和有压流体等所带的余能余热也 经回收进入钢铁企业的能源系统，也属二次能源，也是钢铁企业内部的能源来源之一。 物料生产一般流程： ： f 一一一一一一一一一一一一一一一_ - - - _ - 一一一- 一一一一一一一一一一_ 一- 一一一一一一一一- - 一一一一- 一一1 j 黔高炉卜 预转 精连加轧 厂瓦习”， 处 卜 热 l ”i ，l 理炉炼铸 ； 炉钢 直接还原 ii 二二二二二主要二二二二二 i 生产中所涉及的能源介质：煤、电、蒸汽、煤气、天然气、石油等i 图卜3 钢铁企业一般生产工艺流程图 1 3 钢铁企业能源仿真模型的研究现状 生产流程( 也可称为制造流程，或简称为流程) 特指在工业生产条件下由不同工序 和不同装备所组成的制造过程的整体集成系统，具有整体性、复杂结构、复杂现象等 特点，一般都包括有多尺度现象、多尺度过程，其中多数问题都属于复杂系统的范畴， 钢铁冶金流程更是如此f l 】。仿真技术是用系统的模型对真实的或设计中的系统进行分 析、研究的一门多学科综合性技术由于诸多的优点，仿真技术己经成为分析、研究 复杂系统的重要工具，在许多领域被广泛和成熟的应用【2 】( 3 1 。以钢铁冶金流程为基础， 以仿真技术为手段，为当前研究钢铁冶金领域问题的新思路。 在钢铁企业能源仿真方面。从8 0 年代时仿真技术就被广泛的应用国内外有很 多的研究成果出现。国外方面，新日铁在1 9 7 9 年开发了钢铁企业能源仿真系统，该 系统通过历史数据统计分析建立囊括整个工厂的能源产消设备的1 9 个模型，并通过 质量流量联合为能源系统的仿真模型，从而为能源调度，能源平衡，生产计划提供支 持h 1 。加拿大多法斯科钢铁公司提出了一个能监控与模拟物料与能源流动的能源仿真 第一章绪论 模型，该模型以焦化、炼铁、炼钢和热轧四大主工序为对象，按每月为时间粒度，由 历史数据得到各产消模型，模型按每月计划可计算得出物料与能源产消量，进而得到 能耗与c 0 2 排放量，为节能减排提供帮助，其所建立的模型除了时间粒度较大外，简 单通用，有很好的参考作用”1 。伊朗德黑兰大学也建立了相似的模型，并用于能源平 衡的仿真，并取得了较好的结果1 。印度的塔塔钢铁厂提出了n p u s m 模型，其核心是 给出产消单元不同状态下的不同产消方程，进而建立各产消单元的动态模型 7 】。国内 钢铁冶金类高校和科研院所进来也进行了一些研究，并取得了不少成果。冶金自动化 研究设计院李文兵、纪扬等人以单元产品所耗煤气量为基本统计单位，建立了主要煤 气产消单元的动态模型，并以仿真粒度为一分钟进行了仿真，得到了很好的结果 s j 。 东北大学陈光等人应用层次建模建立了氧气的动态平衡模型。文中充分考虑了钢铁企 业的结构特性，分层次进行建模，也有很好的仿真效果m 嗍。 物流仿真是能源产消仿真的基础，可一部分上述文献所述的能源仿真模型大多 从产消终端片面地提取能源流量信息而简化或忽略了物料信息，没有分析钢铁企业物 流与能流的互相影响，从而也就不能精确、实时地反应整个钢铁企业能源的产消状况。 国内东北大学通过分析钢铁企业的物流与能流，得到了产消单元的物流模型，并得出 了物流对能流有显著影响的结果1u 2 1 【1 3 j 。冶金自动化研究设计院的李文兵、纪扬提 出了钢铁企业能源仿真时必须以物质流仿真为基础观点，并就能源仿真的系统结构设 计，所使用的技术等提出了建议1 4 】【i5 1 。北京科技大学的一些学者也就以物质流仿真 做出了尝试，得到了很多成果m l0 7 1 【幅1 。北京科技大学的王佳基于物质流建立了炼钢 一连铸的物流仿真系统，并提出了基于时间步的仿真计算方式北京科技大学的张锦 给出了钢铁企业物流仿真中各产消模型所用的主要参数。重庆大学的梁学栋与西林钢 铁集团公司的卢远华也给出了与北京科技大学相似的物质流仿真系统u 9 lt 枷。 文献m t 2 2 j 【2 3 】1 2 4 1 给出了能源仿真在企业能源管理系统中的应用，对能源仿真系统 提出了功能需求，对模型的建立有很好的参考作用。书籍1 【2 6 1 对最后模型的软件实 现提供了参考作用。 5 第一章绪论 综上所述，在钢铁企业能源仿真方面，大多割裂了物质流与能源流的仿真，不是 侧重于能源流的仿真，就是侧重于物质流的仿真，基于物质流仿真的能源流仿真还没 有很好的建立。本课题以整个钢铁企业为对象，以物质流仿真为基础，物料生产单元 为主体，钢铁生产流程为主线，对钢铁企业生产环节的能源仿真作出尝试。 1 4 本文主要的研究工作 根据查阅的资料与课题需求，本课题以建立钢铁企业能源仿真系统中的生产工序 能源产消部分为目标。课题按以下方案进行：首先，对钢铁企业各生产工序中的生产 设备的物流生产情况和能源介质的消耗和产出情况进行分析、研究，建立各个产消设 备在不同生产状态下的生产单元物料和能源产消模型；其次，依照钢铁生产的f e 质 子流向把各产消设备直接( 静态) 连接在一起，并考虑了各生产单元和工序之间的物料 与能源约束关系，建立了整个钢铁企业的能源仿真模型；再次，使该系统模型动态仿 真时可反映间歇生产与一些常见的异常工况；然后，以该模型为基础，用软件实现了 仿真系统；最后，对2 个实际的钢厂建立仿真模型，进行仿真计算，并就仿真结果数 据进行分析，对模型进行验证。 因此本课题主要内容包括： 单元模型的建立 按钢铁企业的工艺流程，分工序确定钢铁企业需要建模的设备单元个数，充分考 虑各设备单元在现实生产中的异常工况与间歇生产，按设备单元的不同生产状态建立 设备单元的物料与能源的输入一输出模型，并根据工艺以及当前研究状况，建立设备 单元的稳态定性或定量模型，由稳态模型得到单元设备的动态定性或定量模型。这些 单元模型应具有通用性，对单元设备的具体型号、特有参数具有很弱依赖性。 系统模型的建立 对于已建好的单元模型，依照钢铁生产的工艺流程，以f e 质子流向为有向加权 图边的指向，以单元模型之闯的距离为有向加权图的边的权重，把整个系统用有向加 权图连接在一起，以图像化的方式对整个钢铁企业的生产与能源系统进行展现，并对 上下游单元模型的输入输出参数进行匹配。 可调流程( 动态系统) 的实现 第一章绪论 对于钢铁企业，由于产品的不同，要组织不同的工艺流程进行生产。所以在钢铁 企业的系统模型中，如何使流程根据要生产的产品规格可调控流程，流程调控时是由 生产开始组织时根据产品需要直接组建当前的工艺流程，还是对不同产品，组建整个 系统模型，通过设置系统中单元设备的不同状态得到生产的流程，这都是本文需要研 究的内容。对于单元设备的调控，通过按时问设置或外部事件驱动来改变其的生产状 态。 基于模型的仿真系统的实现 对于已建立好的系统模型，用合适的软件语言进行实现，其中包括数据库的选择， 软件平台的选择，依据系统模型的需求，得到整个系统的设计，包括数据库的设计， 系统功能模块的设计等，并根据系统的运行方式，得到整个系统的计算流程图。 对实际工厂建模、仿真计算，对模型进行验证 选取2 个实际的工厂，依据现场生产状况，按本文所述方法依次进行单元设备的 提取与建模，单元设备连接等工作建立2 个工厂的能源模型，并进行仿真计算，计算 结果与现场数据进行对比分析。 本文就上述几个方面展开的研究进行阐述，内容和结构如下： 第一章综述钢铁企业能源仿真的研究背景与国内外的相关研究成果。 第二章介绍了钢铁企业生产环节能源仿真的数学模型。 第三章论述了钢铁企业生产环节能源仿真模型的功能简介及软件设计。主要介绍 了软件的基本功能、软件的结构组成和核心技术以及软件的工作流程。 第四章根据所选取具有代表性的两钢铁厂实际情况，建立并运行模型，对得到数 据进行分析。 第五章分别从研究角度和应用角度，对钢铁企业生产环节能源仿真模型的前景做 了总结和展望，提出了进一步研究的建议。 7 第二章钢铁企业生产环节能源仿真模型的研究 第二章钢铁企业生产环节能源仿真模型的研究 本章对钢铁企业生产环节能源产消部分进行建模，从钢铁企业各个生产工序开 始，对焦化、烧结、炼铁、炼钢和轧钢工序涉及到的生产设备的物流生产过程情况进 行了分析、抽象，建立单元设备的物流模型，并由物流的模型延伸得到单元设备的能 源产消模型，考虑了钢铁生产流程中各工序的物流和能源约束关系，为各种生产单元 建立了统一的生产单元仿真模型。为使单元仿真模型能够反映间歇生产和异动状况， 如故障、检修等，本文对单元仿真模型定义了正常生产、检修、故障、待产等不同的 生产状态，对不同的生产状态的模型参数进行定义，并就模型产消参数的提取及其模 型系数的获得进行了探讨。然后根据f e 质子流向和上下游工序之间的参数匹配把各 单元设备模型连接起来，形成系统能源产消的“静态模型。然后加入流程调控机制， 使该能源模型按照调控“动态”运行，最后给出了模型进行仿真计算的过程。 2 1 生产环节能源仿真单元模型的建立 单元模型以物料与能源产消单元为建模对象，用来描述产消单元的能源与物料产 消情况。单元产消模型是能源仿真模型的基本单位，是能源仿真模型调控的主要对象。 单元模型的建立主要涉及三个方面：首先就是单元的划分。钢铁生产工艺流程长，工 序众多，各工序下又有众多的生产设备，是一个生产设备就是一个单元，还是按工序 划分，一个工序代表一个单元，或是一工序下的几个设备联立为一个单元等，单元的 划分是单元模型建立的前提。其次对已划分的各单元是否可用统一的输入输出模型， 还是按照工序等分组建立单元模型，还是对每个单元根据其具体情况，建立各自的 模型：最后是单元模型参数与系数的获得，单元模型有多少输入输出参数，及怎么求 解各个模型的系数。 2 i 1 产消单元的期分 产消单元按生产设备划分是最好的划分方式，即一个生产设备是一个单元。可上 文已经提到，钢铁企业工艺流程长，工序多，各工序下又有众多的生产设备，在系统 8 第二章钢铁企业生产环节能源仿真模型的研究 模型中，每一个生产设备都作为一个模型单元设备，势必会造成工作量过大。若全部 按照车间或工序划分，又会使仿真粒度过大，能源仿真调控能力减弱。 因此，本文中采用可变的单元划分方式。对于不同的钢铁企业，仿真单元不唯一 确定，而是由用户根据生产结构、工艺流程和调控问题的具体目标与需求来确定，可 以为某一设备，或某一类型的多个设备的组合。对于整个工厂能源仿真模型来说，仿 真单元模型也可能是分厂、车间、某道工序或某个具体设备。 2 1 2 单元模型结构 在实际钢铁生产流程中，含铁物料的流动情况十分复杂，任何一个工序下的物料 产消设备的消耗与产生的物料都不完全相同，可是作为钢铁制造流程中的一个环节， 其一般都具有以下特点： 其消耗一般是上游工序的产品，而产品一般是下游工序的原料，即都有乘上 启下的物料输入输出。 伴随着物料的产消，绝大部分生产设备都消耗多种能源介质并产生多种能源 介质。 在生产过程中，当上游工序供应原料不足时，从外界或库存加入原料给当前 生产设备。同理，在某些情况下，该生产设备的产品部分可能存入库存或外卖。 对于该生产设备的不合格产品或废品，又作为原料返回上游工序或本道工序。 同样高设备也接受下游设备的一些返回不合格产品或废品做为其原料。 对于已划分的物料产消单元，建立通用的单元模型输出输入结构可使系统具有易 扩展性，使编程实现的方便快捷。根据以上产消单元设备的共同点与不同点，根据单 元设备的物流平衡与能源产消情况，并参考东大的物料单元模型，建立统一的单元设 备物料产消模型如图2 一l 所示，其中物料输入与输出如图中的 所示，能 源参照物料的产消方式，其输入与输出如所示。 第二章钢铁企业生产环。l “at 匕。源仿真模型的研究 来自上道工序的物料m 1 ，送往下道工序的物料m f ， 从外界或库存加入的物料m 0外卖或存储于库存的物料 从下游工序返回的物料叫，生产的物料返回到上游工序 满足生产需耗费的各能源介质生产时产生的各能源介质 注：以上量均指列向量；工序m ，1 1 指第n l ，1 1 道工序，设备( i j ) 指第i 道工序下的第j 个设备 图2 - 1 工序下设备单元的物流与能源约束图 单元设备物料平衡 在一时间段内，基于单元设备铁元素平衡，得到如下的物料平衡方程： i t 一- ，l + i 4 f + j 蟛，i 。i m , ，ji + i = ，l + i 彰：! l ( 2 1 ) 其中，必- l ，m i ，j 获得下面单独列出，m i , * ，m 3 由初始物料设置、库存增减事 件和仿真计算中的需求与富余量共同决定。依照经验数据，返工产品一般与正常 成品成正比例关系，因此得m ；：! ，与m ：，： 峨- k m ， 单元设备能源产消 互，( 洎产既+ 弓- l ，m - i ，+ 吒朋己+ ，彬，+ d ( 2 2 ) 局，产产+ 气，鸠，+ 幸肘0 + 彤g i 7 1 + e o ，j ( 2 3 ) 其中，m 哪，蚝，蟛m i ，蚝，嵋同上，代表压力或其他 l o 第二章钢铁企业生产环节能源仿真模型的研究 形式的一些能源，分别代表消耗与产生的能源量，其获得下面单独列出。与 物料相关的能源转化系数e 由物料的密度，体积，温度等算出。 2 1 3 物料及能源产消参数与系数 上节已经说过，任何一个工序下的单元设备的物料和能源的消耗与产生都不完全 相同，根据钢铁生产过程中单元设备的实际情况，我们把本文对单元仿真模型定义了 正常生产、检修、故障、待产等不同的生产状态，并分别获得单元模型各状态下的物 料与能源产消参数与系数，主要就是为求出上节提到的鸩l ，m i ，进行 探讨。钢铁生产过程中一直都伴随着复杂的物理和化学变化，所以单元模型的物料与 能源产消参数非常复杂，对于任一生产任务，影响其物料与能源产消量的因素可能包 括产品的产量、种类、规格型号，能源系统当前状况，气温气压等生产现场的环境因 素，以及操作人员因素等等。这些因素作为模型的因变量，相互之间大多又存在相关 性。我们主要考虑物料及能源的产消参数，即是单元设备在生产时消耗那些物料与能 源，又产生哪些物料与能源。本文中产消参数主要有两个来源，其一为单元设备已有 的经验模型或机理模型，其所设涉及的参数直接作为本文的产消参数；其二为用统计 分析软件对生产历史数据进行回归分析，并找到对其产出有显著性影响的因素，也作 为单元模型的产消参数。 。 虽然钢铁行业生产数据较多，可在同一生产状况下，数据较为接近，所以同一生 产状况下的样本数量相对不足。而且单元设备的输入之间联系较为紧密，大多存在着 相关性，所以对于物料与能源产消系数，用偏最小二乘回归拟合得到。偏最小二乘方 法由w o l d 和a l b n a 于1 9 8 3 年提出田】，是一种多元统计数据分析方法，在化工领域、 市场分析、资源分析、工程建模以及金融等众多领域有着广泛应用。其主要优点是通 过对数据信息进行分解和筛选，提取了对因变量解释性最强的综合变量，使得在自变 量相关、样本数量较少等情况下，也能获得较高精度的模型【2 i 】。 物料系数的获得 对于已有的定性与定量因素，采用偏最小二乘法建模可得： 第二章钢铁企业生产环节能源仿真模型的研究 m ，( 订o ) ) = q x l ( t ) + c 2 x 2 ( t ) + + 巳吒o ) = b l y l ( f ) + b 2 y 2 ( f ) + + b 。y 。( f )( 2 4 ) 其中： ( f ) - 单元设备物料i 的消耗量； c f 单元设备物料i 的消耗量的系数； y i ( f ) 一单元设备物料i 的产生量； b ，单元设备物料i 的产生量的系数； a ( t ) 单元设备物料的生产任务； m i 何( f ) ) 单元设备物料消耗与生产任务( 物料产生量) 的函数关系。 其中： 必- l ( 0 2 q 五( f ) c 2 x 2 ( t ) 巳屯( f ) 巳o ) ，m j 、j 婶 历( f ) b l y l ( f ) b 2 y 2 ( f ) b m y 。( f ) 能源系数的获得 单元设备的能源产消系数也主要由物料得出，故可得模型： ( 2 5 ) 丘( 石( f ) ) = p i o ) + p 2 屯( f ) + + p 。吒( f ) = q 。咒( f ) + q 2 咒( f ) + + q 。虼( f )( 2 6 ) 其中： x i ( t ) 单元设备能源i 的消耗量； 露单元设备能源i 的消耗量的系数： 只( ，) 一一单元设备能源i 的消耗量； 吼单元设备能源i 的消耗量的系数； i ( f ) 单元设备能源的生产任务； 1 2 第二章钢铁企业生产环节能源仿真模型的研究 e j ( f f ( t ) ) 单元设备能源消耗与生产任务( 物料产生量) 的函数关系。 其中： 毛( t ) 2 6 l 五( f ) 1 9 2 x 2 ( t ) 包屯p ) bx ( t ) ，( t ) 2 q l y l ( t ) q 2 y 2 ( f ) q s y 3 ( f ) q m y 。( f ) ( 2 7 ) 对于求得的必- l ，m “，再结合物料与能源平衡方程，从而得到单 元设备的模型。 2 2 生产环节能源仿真系统模型的建立 有向加权图是描述物流的重要工具。对于已建好的单元模型，依照钢铁生产的工 艺流程，以单元设备为节点，以f e 质子流向为有向加权图边的指向，以单元模型之 间的距离为有向加权图的边的权重，把整个系统用有向加权图连接在一起，形成系统 模型，以图像化的方式对整个钢铁企业的生产与能源系统进行展现，并对上下游单元 模型的输入输出参数进行匹配。 工序之间的物流情况如图2 2 所示，前道工序的产品往往是后道工序的原料。一 道工序输出多种物流，一部分是供给本企业以外的物流和返回给本道工序或上游工序 的返回物流，另一部分是供给下道工序的物流，称之为工序主要输出物流，其流量称 为工序的主流量，用m 表示，第i + l