钢铁工业多介质能源系统优化调度模型研究综述及展望

01研究背景钢铁行业正加速从单体设备节能、工序和流程结构优化向系统节能的转型。近年来，技术进步使系统能效得以显著提升。然而，随着节能潜力的逐步减小，如何进一步挖掘节能空间成为了一项重要课题。随着钢铁工业自动化和信息化水平不断提升，工序间的联动更加紧密，而副产煤气、蒸汽和电力作为钢铁生产的重要能源，随生产计划及主工序设备运行状态的频繁波动，使得能源的转化和使用过程愈发复杂，其有效分配对提高钢铁企业的能源效率，实现钢铁工业的可持续发展具有深远意义。“双碳”战略目标要求钢铁企业使用光能、风能等可再生能源，改变了钢铁流程的能源结构。受到这些因素的影响，使以煤气系统为核心的能源介质调度面临更大挑战，进而推动了相关研究的丰富和多元化发展。02国内外研究现状1）单介质能源调度单介质能源调度模型主要围绕煤气系统展开，包括了煤气柜和锅炉的稳定运行。由于煤气柜的容量有限，为了充分发挥煤气柜的缓冲特性，防止煤气出现暂时的过剩或短缺，柜位尽可能保持稳定且在安全区工作；另外，锅炉开关燃烧器的操作会对其燃烧控制系统产生干扰，导致锅炉效率的暂时降低，应尽量减少燃烧器的开关。所以，煤气柜和锅炉的稳定成为目前研究的热点。研究者为了量化二者产生的波动，通常设定惩罚因子，在总成本中收取费用。煤气柜波动惩罚因子的确定被分为两类：一是中间柜位产生波动即处以惩罚；二是针对柜位所在区域设立多个惩罚因子。但煤气柜的惩罚因子取决于具体模型，没有通用的惩罚因子。而对于蒸汽系统优化，研究者主要围绕考虑设备的运行特性、能源转换效率和煤气供需平衡等约束建立模型。2）多介质能源调度钢铁企业能源系统是多汽源与多用户的复杂系统，具有煤气供需变化，锅炉产蒸汽、余热蒸汽回收和汽轮机抽汽等多种供汽方式和峰谷电价等特性，各种能源间的转化和配比方式呈多样化。峰谷电价是研究者非常关注的因素之一，电力部门为了减少总电网负荷波动，维持电网安全经济运行而提出的一种计价方法，其目的是鼓励用电终端，特别是大工业用户减少用电高峰时段的用电量、提高用电低谷时段的用电量，以达到“削峰填谷”，减少负荷波动的目的。多能源介质优化调度的研究主要通过建立不同的数学模型和优化方法，实现降低成本、提高能源利用效率和稳定性、降低碳排放等目标。研究者们考虑了购电成本，能量转换设备的启停成本、CO2排放成本、设备的实际运行情况、燃料费用、外购电费用、外送电收益以及环境成本等，并采用了MINLP算法、MILP算法以及多目标差分进化算法等，以实现更好的优化效果。钢铁工业能源系统与生产系统耦合紧密，产品种类、设备状态和工艺路径等的不同造成能源介质产生、转化、分配和需求的不同，如高炉煤气回收时，会出现正常生产、休风和减风等工况，使能源平衡关系、优化约束边界条件发生变化，影响优化效果。因此，需将钢铁生产过程和能源调度结合，以达到节能降耗，减少成本等目的。3）不确定性能源调度由于钢铁生产操作处于动态变化之中，而在确定性条件下的优化调度存在违反约束条件的风险，因此，许多研究者致力于能源系统不确定性的描述和算法的研究。煤气系统的不确定性包括煤气生产、储存、输送和使用，如热风炉换炉操作，转炉煤气间歇性发生；煤气储存和输送过程中需要经过复杂的管网和煤气柜等中间设备；用户的需求不断变化等。蒸汽系统中在工艺过程操作温度、压力和流量实时变化。忽略能源调度中的不确定性将导致钢铁流程能源损失增加，经济效益降低。面对这些不确定性，解决方法主要包括随机优化和鲁棒优化两类。随机优化方法通过概率分布来描述不确定性因素，寻求在一定置信水平下最优的调度策略，而鲁棒优化方法则侧重于寻找在不确定性因素影响下，系统性能指标仍然保持良好的调度策略。03发展趋势展望可再生能源如太阳能和风能等使用是钢铁发展的必然方向。建设光伏电站可以就近实现能源高效利用，降低环境污染；风电对地域与环境有较高要求，已有多家钢铁公司建成或计划建设海上风电或阵地式风电基地。然而，风光发电与传统发电机组相比具有明显的间歇性和波动性，较难实现连续稳定供能。钢铁企业引入可再生能源发电后，会造成关口波动和自发电比例变化，给企业用能安全性和经济性带来一定的影响。钢铁企业现有的热电联产机组、煤气发电机组、储能装置、电热泵等分布式能源技术得到了快速发展，使煤气-蒸汽-电力三者之间的能量耦合和信息交互更加复杂，电力调度变得变得越来越重要，因此，钢铁企业多能流综合能源系统的核心也有从煤气系统转移至电力系统的趋势，鉴于此，必须寻求新的能源管理技术。工业微电网技术可以整合不同的能源和储存系统，通过优化建模、控制和调度使燃料网、电网和热网之间以更高水平相互作用，降低间歇性分布式电源给配电网带来的不利影响，提高供电可靠性和电能质量，实现电力系统的经济、可靠、安全和协调运行，是未来电网发展的发展趋势。钢铁企业利用煤气系统可调节性强的优势，配合煤气柜、电化学储能、空分储能等储能系统和余热余压自发电机组