CN101739610A - 一种造纸厂热电联产能量系统优化系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种造纸厂热电联产能量系统优化系统及其工作方法，该系统由数据采集系统、实时数据库、关系数据库、物料流模拟模型库、能流模拟模型库、能流优化模型库和人机交互界面相互连接组成；该系统通过数据采集系统采集能耗的关键数据存入关系数据库，由物料流模拟模型库、能流模拟模型库和能流优化模型库调用关系数据库中的数据进行优化，优化结果存入关系数据库中，由SCADA、DCS等现场控制系统调用自动进行系统的优化。利用本发明的系统可实现热电联产能量系统的经济运行，有效节约能源，降低运行成本或提高利润。

Description

一种造纸厂热电联产能量系统优化系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种制浆造纸厂热电联产能量系统优化系统及其工作方法，特别涉及具有大于等于两台锅炉或两套汽轮发电机组的大、中型制浆造纸厂的热电联产能量系统优化系统及其工作方法。

背景技术

造纸业是资源和能源消费型产业，随着我国国民经济的快速发展，造纸产品消费迅速增长，市场需求逐年扩大。造纸工业已被国家发改委列为九大高耗能重点监管行业之一。热电联产系统是制浆造纸企业的重要组成部分，它的安全、稳定运行是企业安全、稳定、长期运行的基础。通常，热电联产系统由多台锅炉和汽轮机组组成，在满足生产用电的条件下，锅炉产汽或汽轮机抽出或排出的蒸汽供工艺过程所需热量。由于产品种类、生产量、生产状况、市场销售和季节性的变化等原因，蒸汽用量和用电量都会随之发生变化。

与大型热电厂和火电厂所采用的单元式机组不同，在造纸企业热电联产系统通常是采用母管制的热力系统。在实际条件下，多数系统在设计时新蒸汽的压力等级均相同，所有的锅炉并联到热力系统母管中。母管制热力系统的最大特点是锅炉、汽轮机彼此独立，即某台锅炉所产生的蒸汽不与相应的汽轮机直接相连，而是和系统中所有同等级的蒸汽一起提供给蒸汽母管，然后再通过管道将蒸汽输送给系统中的各种用汽设备及外界用户。母管制的结构下，锅炉系统和汽轮机系统之间仅仅通过锅炉总产汽量相联系，在锅炉系统总产汽量不变的条件下，下游汽轮机的负荷不会再受到上游某台锅炉负荷的变化的影响，单元式机组汽机与锅炉之间单纯的串联关系消除了，从运行优化的角度考虑，系统的自由度增加了，因而也就增加了热力系统的可操作性。

通常，热电联产系统需向制浆、造纸工艺过程提供动力、电力、热能、蒸汽等能量。由于产品的多元化，因此为了有效利用能源，需要合理利用生产过程中产生的各种压力等级的蒸汽或者供应各种压力等级的蒸汽来满足生产需要。

制浆和造纸生产异常出现都会影响热电联产系统的运行。通常，相对于运行是否经济，热电厂工程师们更关心生产是否正常、稳定。制浆、造纸生产局部改变或是异常的出现，工程师们做出的被动调节通常使热电联产系统处在一个不经济的运行状态。因此，在满足工艺过程加工量、产品方案、气候、季节等因素变化引起的蒸汽和电力需求变化的条件下，如何使系统最经济的运行操作，已成为当务之急。

发明内容

本发明的目的在于克服目前热电联产能量系统人工调节的不科学性，改变目前该系统运行不经济的情况，提供一种适合于具备大于等于两台锅炉或两套汽轮发电机组的大、中型制浆造纸厂的热电联产能量系统优化系统及其工作方法。通过该系统，可实现热电联产能量系统的经济运行和自动调节。

为实现本发明的目的采用的技术方案：一种造纸厂热电联产能量系统优化系统，其特征是，包括：

用于采集各部门对蒸汽、电能的需求数据并存储到实时数据库中的数据采集系统；

用于存储和传输数据采集系统采集到的数据的实时数据库；

用于存储和传输优化所需数据及优化后结果数据的关系数据库；

用于对关系数据库中存储的生产过程的物料流进行模拟并将模拟结果存储在关系数据库的物料流模拟模型库；

用于将关系数据库中存储的生产过程的能流数据结合物料流模拟模型库的模拟结果进行模拟并将模拟结果存储在关系数据库中的能流模拟模型库；

用于根据能流模拟模型库的模拟结果对生产过程中的能流进行优化并将优化结果反馈到人机交互界面用以显示、监测，同时将优化结果存储到关系数据库，以便现场监控系统提取有关数据对相关设定值进行赋值以优化系统运行的能流优化模型库；

用于生产调度人员与实时数据库、关系数据库和能流优化模型库进行人机交互的人机交互界面；

所述数据采集系统与实时数据库相互连接；实时数据库与关系数据库相互连接；关系数据库分别与能流模拟模型库、物料流模拟模型库和人机交互界面相互连接；关系数据库还与输入设备运行状态数据和排产计划信息的人工输入端口相连接；物料流模拟模型库与能流模拟模型库相连接；能流模拟模型库与能流优化模型库相互连接；能流优化模型库与人机交互界面相互连接；人机交互界面还与实时数据库相互连接。

为了更好地实现本发明，所述数据采集系统包括设置在生产和生活辅助车间的SCADA、PLC和DCS系统及数据采集仪；数据采集仪采集的数据是未安装SCADA、PLC、DCS系统的部分车间对蒸汽、电能的需求数据，该部分数据现场采集后手动输入至实时数据库。

所述能流优化模型库包括：

通过对汽轮机系统建立优化模型并求解得出汽轮机系统能量优化方案的汽轮机系统优化模型库；

通过对锅炉系统建立优化模型并求解得出锅炉系统能量优化方案的锅炉系统优化模型库；

所述汽轮机系统优化模型库的输出连接锅炉系统优化模型库的输入。

所述人机交互界面包括设置在锅炉机组车间的PC机、设置在汽轮机组车间的PC机和造纸厂中心调度室的PC机。

所述实时数据库通过以太网从数据采集系统采集相关数据并存储。

上述的造纸厂热电联产能量系统优化系统的工作方法，其特征是，包括如下步骤：

第一步，由数据采集系统采集各部门对蒸汽、电能的需求信息，存入实时数据库，供关系数据库和人机交互客户端调用，关系数据库根据需求从实时数据库中读取相关数据并存储在关系数据库，订单排产计划和生产维护计划也通过人工输入端口输入并存储在关系数据库中，供能流模拟模型库、物料流模拟模型库和人机交互客户端调用；

第二步，物料流模拟模型库从关系数据库中读取相关的数据进行模拟计算，把计算结果存储到关系数据库中并传输到能流模拟模型库；能流模拟模型库从关系数据库中读取相关的数据，结合物料流模拟模型库的计算结果进行模拟计算，把计算结果存储到关系数据库中并传输到能流优化模型库；能流优化模型库中的汽轮机系统优化模型库读取能流模拟模型库的计算结果，并从关系数据库中读取造纸厂相关设备运行状态及订单排产计划、生产维护计划的相关数据，对汽轮发电机组进行优化运行计算，得到汽轮机系统所需最小耗气量，存储到关系数据库中；能流优化模型库中的锅炉优化模型库根据汽轮机系统优化模型库计算得到的汽轮机系统所需最小耗汽量，从而得到锅炉系统所必须的产汽量，以此作为对锅炉系统的外界约束，结合关系数据库中造纸厂相关设备运行状态及订单排产计划、生产维护计划的相关数据，以耗煤量最小为目标，对锅炉机组进行优化运行计算，将优化结果存储到关系数据库；

第三步，人机交互界面通过以太网从实时数据库和关系数据库中读取相关数据，并显示能流优化模型数据库计算结果、能耗关键指标，同时可安装打印机打印相关信息；同时，SCADA、DCS等现场监控系统从关系数据库获得优化结果，在AUTO模式下对相关设定值进行赋值即可自动实现优化功能。

上述工作方法中，所述第二步中对汽轮发电机组或锅炉机组进行优化运行计算是指采用eTMS程序(注：该程序已获取软件著作权登记，登记号为2009SR09023)对汽轮机系统优化模型或锅炉系统优化模型进行求解。

本发明的工作原理是这样的：数据采集系统，除用于采集各种需要监测的数据将它们存储到实时数据库中外，还从关系数据库获取优化信息在AUTO模式下实现自动优化功能；物料流模拟模型库、能流模拟模型库、能流优化模型库通过调用实时数据库和关系数据库中的数据，进行分析、优化并将相关信息存储在关系数据库中；锅炉机组PC机、汽轮机组PC机、造纸厂中心调度PC机等组成的人机交互界面负责显示、监测优化后的结果及能耗、能效数据并可将相关报表用打印机打出来。数据采集系统，包括用于制浆造纸、热电车间、水处理车间及生产辅助车间、办公，宿舍、食堂等部门的SCADA、PLC、DCS采集系统的数据的采集，还包括利用数据采集仪对其它现场相关数据的采集，其将采集的数据存储到实时数据库中；为进一步处理，实时数据库中部分数据同时存储到关系数据库中，同时将订单排产计划、生产维护计划等信息也存储在关系数据库中；物料流模拟模型库通过与关系数据库的交互，对生产过程的物料流进行模拟并将模拟结果存储在关系数据库中；能流模拟模型库通过与关系数据库的交互，对生产过程的能流进行模拟并将模拟结果存储在关系数据库中；能流优化模型库在能流模拟模型库的基础上，对生产过程中的能流进行优化将将相关信息反馈给人机交互界面，以供显示、监测，同时将优化结果存入关系数据库以便SCADA、DCS等现场监控系统调用；对于那些不需要分析、优化、调度的信息，可以直接通过人机交互界面与历史数据库交互，展示给用户。

能流优化模型是在物料流模型和能流模型的基础上结合汽轮机和锅炉等能量转换设备的运行工况建立的数学规划模型，它在满足工艺生产用能的条件下实现系统耗能的最小化或是在耗能不变的前提下实现利润的最大化，从而提高能效。

物料流模拟模型建立原理如下：

物料流是从原料市场经过原料采购(含辅料和助剂等)、储运(含原料、辅料、助剂、中间产品、产品和副产品等)、加工和产品销售(含副产品)等到产品市场的演变过程。加工过程是整个物料过程的核心部分，包括分离系统、混合系统、反应系统等。在这个过程中，原料总量与产品总量、储运损失量、加工损失量和废物排放量之间符合质量守恒定律，其实质也就是分离、混合、反应过程的结合。

通常，物料在分离和混合过程，设备位置及大小都不随时间变化，如图1所示，它满足：

式中，物质在各处密度ρ是空间位置和时间的函数，m为各设备或过程内的质量源，v_n为在表面上沿法线方向的速度，即速度矢量v在外法线方向单位矢量n上的投影。

按场论中的高斯定理：

可将(1)式的面积分转换为体积分，得

可得微分形式的质量守恒方程或连续性方程为：

针对分离和混合设备，我们将物料分为流进物料(i)、流出物料(j)和源项(l)可得物料平衡方程：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{S^{-}}{\∫}\mathrm{\ρ}{v}_n\mathrm{\δS}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{S^{+}}{\∫}\mathrm{\ρ}{v}_n\mathrm{\δS}=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{M}_l$

上式左端积分代表流进的质量，积分域为S^-(v_n＜0)，积分为负数；而右端的积分代表流出的质量，积分域为S⁺(v_n＞0)，积分为正数。而物料发生化学反应需满足组分质量平衡，即使体系内部没有质量源，但化学反应是反应物减少，对反应物是负的质量源，对产物是正的质量源，所以关于组分k的连续性方程应为：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{S^{-}}{\∫}{\mathrm{\ρ}}_{k,i}{v}_n\mathrm{\δS}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{S^{+}}{\∫}{\mathrm{\ρ}}_{k,j}{v}_n\mathrm{\δS}=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{M}_{k,l}$

如上就建立了物料流的模拟模型，对该模型用eTMS程序进行求解即可得到对物料流的模拟结果。

能流模拟模型的建立原理如下：

能量是依附在物料上经过分离、混合、反应等过程来实现转换与传输、利用、回收等过程，为了更加准确的反应各工艺过程能效和能耗，我们应用热力学第一定律和第二定律进行了能流的建模。

如图2所示的工艺过程能量平衡示意图，对一个工艺过程，流动体系在从t1到t2的时间内从释放到环境的热量Q与体系对外界做的功W之和必定等于体系总能量的增加，即能量守恒：

Q+W＝ΔH＝H₁-H₂

上式的微分形式为：

dH＝dQ+dW

入方物流总焓H₁＝∑H_i，出方物流总焓H₂＝∑H_i，体系与外界交换的热量Q＝Q_e-Q_i，功W＝W_e-W_i；整理得：

∑(H_i-H₀)+Q_i+W_i＝∑(H_e-H₀)+Q_e+W_e

由热力学第二定律可推导出

(Ex)的计算式为：

E_X＝(H-H₀)-T₀(S-S₀)

其微分形式为：

δE_X＝dH-T₀dS

对任何流动工艺过程体系，流入方的总熵恒等于或小于流出方的总熵，可得：

$\mathrm{\Σ}(S_i-S_0)+\frac{Q_i}{T_i}\≤\mathrm{\Σ}(S_e-S_0)+\frac{Q_e}{T_e}$

与能量平衡方程联立可得：

$\mathrm{\Σ}(H_i-H_0)-T_0\mathrm{\Σ}(S_i-S_0)+Q_i-T_0\frac{Q_i}{T_i}+W_i\≥$

$\mathrm{\Σ}(H_e-H_0)-T_0\mathrm{\Σ}(S_e-S_0)+Q_e-T_0\frac{Q_e}{T_e}+W_e$

式中：∑[(H_i-H₀)-T₀(S_i-S₀)]＝∑(E_XM)_i为进入体系的全部物流的

之和，下表M表示物流；为供入体系的全部热量中所含有的

，下标H表示热量；W_i＝(E_XW)_i为供入体系的功相应的

，下标W表示功。出方各项按此归纳可得：

∑(E_XM)_i+(E_XH)_i+(E_XW)_i≥∑(E_XM)_e+(E_XH)_e+(E_XW)_e

以D_k表示实际过程的损耗，即可得

平衡方程：

∑(E_XM)_i+(E_XH)_i+(E_XW)_i＝∑(E_XM)_e+(E_XH)_e+(E_XW)_e+D_K

如上就可建立能流模拟模型，对该模型用eTMS程序进行求解即可得到对能流模拟的结果。

优化模型建模的步骤如下：

第一步，根据关系数据库获取制浆、造纸、辅助车间、办公等对蒸汽、电能的需求等相关信息确定所述能量转换环节优化问题的初始规模；

第二步，建立基于热电联产模式能量系统优化的非线性规划模型；

第三步，对上述优化模型结合制浆、造纸生产的实际情况进行求解，得到一个最优的目标值和运行方案；

其中，第二步中的优化的数学模型通常可以表示为：

min F(x)

s.t.p(x)≥0

其中，F(x)称为目标函数，它可以是总费用支出等经济上的目标，可以是燃料消耗等技术上的目标，也可以是污染排放量等环境上的目标。在优化运行问题中，由于系统的结构不发生变化，因而在总费用支出中很多费用如固定投资费用等是不变的，它并不随着运行方案的变化而变化，因而当忽略由运行变化引起的其他费用变化时，总费用支出是随着燃料消耗量的变化而单调变化的，燃料消耗量最低的目标可以反映总费用支出的情况。p(x)为约束函数，它集中反映了外界对系统的要求以及系统内部各种物理量之间的联系等。

与大型热电厂所采用的单元式机组不同，在造纸企业中通常是采用母管制的热力系统。母管制热力系统的最大特点是锅炉、汽轮机彼此独立，即某台锅炉所产生的蒸汽不与相应的汽轮机直接相连，而是和系统中所有同等级的蒸汽一起提供给蒸汽母管，然后再通过管道将蒸汽输送给系统中的各种用汽设备及外界用户。母管制的结构下，锅炉系统和汽轮机系统之间仅仅通过锅炉总产汽量相联系在锅炉系统总产汽量不变的条件下，下游汽轮机的负荷不会再受到上游某台锅炉负荷的变化的影响。从运行优化的角度考虑，系统的自由度增加了，因而也就增加了热力系统的可操作性。在策略上将运行优化问题视为两个相互串联的独立子系统的优化运行问题，即锅炉系统和汽轮机系统的优化运行。

汽轮机系统的优化运行

由于各种汽轮机的特性均呈现出线性的特征，这里我们不考虑在优化运行中设备的启/停问题，因而所研究问题可简化为线性规划问题，据此可以采用相应的模型，即

min F(X)＝CX

s.t.G(X)＜B

x_i≥0

式中：X为连续变量，C＝[c₁，c₂，.....，c_n]是费用系数向量，对于汽轮机我们的目标函数是总耗汽量最小，这里C为单位向量。G为约束函数系数矩阵，B是资源向量。

(1)目标函数

对汽轮机系统进行优化调度的目的在于保证汽轮机系统总耗汽量最小，因而目标函数可以表示为

$\min S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Si}+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Di}$

式中，S为总的蒸汽需求量，t/h；

为n台汽轮机进汽量之和，t/h；

为m台减温减压阀进汽量之和，t/h。目标就是在满足总供电和供热需求的情况下，使总的蒸汽需求量最小。

(2)约束函数

约束函数反映了实际运行条件下外界对系统的要求以及系统内部各个物理量之间的联系，这些约束大致包含以下几种：

(a)发电量约束

该约束保证热力系统的供电量满足用户的需求，即

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_i=P$

(b)外供蒸汽约束

各个压力等级的母管中在确定的外供蒸汽负荷下要满足蒸汽流量的进出平衡，即

$\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}{\left(S_{\mathrm{in}}\right)}_{j-}\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}{\left(S_{\mathrm{out}}\right)}_j=S_{\mathrm{load}}$

(c)设备模型约束

即各个汽轮机在实际运行条件下的特性，它反映出汽轮机在进汽量、排汽量和功率之间的关系。以二次调节抽汽式汽轮机为例，其特性方程如下所示。

S_in＝a₀+a₁N_i+a₂S₁+a₃S₂

对于一次调节抽汽式汽轮机、抽汽背压式汽轮机、背压式汽轮机以及凝汽式汽轮机，上述相应的回归系数为零，这样就构成了汽轮机系统优化调度中设备模型的约束。

(d)调节抽汽式汽轮机纯凝汽工况约束

即上面所介绍工况图中汽轮机运行区域的下边界。根据其物理意义，它表示在运行区域内任何一点都要满足S_i≥0的要求。

(e)低压缸最小进汽量的约束

在抽汽调节式汽轮机中，如果调节抽汽所占的份额很高，则流过低压缸的蒸汽流量也会相应有所降低。因为当低压缸蒸汽流量过低时，由于摩擦鼓风损失等产生的热量会使低压缸的温度上升很多，甚至超过所允许的程度。因此低压机组必须保持一个最小流量使蒸汽对低压机组起到冷却作用，因此在优化运行计算中必须增加该约束。该约束采用如下的形式：

S_in-S_1i-S_2i-∑S_ij＞(S_COND)_min

其中，S_ij表示汽轮机各段用于加热回热器的抽汽量总和，这些抽汽量一般不直接测量，需要通过平衡计算获得。

(f)最大进汽量约束

在实际运行中，规定汽轮机的进汽量不能超过设计时所提出的最大进汽量要求，即

$S_{\mathrm{in}}\≤S_{{\mathrm{in}}_{\max }}$

(g)最大发电功率限制

在实际运行中，汽轮机可以在超过额定功率条件下运行，这时称汽轮机处于过载工况。为了安全起见，在运行优化过程中必须严格规定汽轮机的最大发电功率，以保证优化运行方案在实际中的可行性。在本例中，最大发电功率取为机组的额定功率，相应的约束可以写为：

N_i＝N_imax

(h)抽汽量约束

为了保证汽轮机正常的工作，汽轮机的一次抽汽量和二次抽汽量不允许超过规定的数值，因此优化调度中据此增加抽汽量约束。

S_1i≤(S_1i)_max

S_2i≤(S_2i)_max

(i)变量约束

它规定了优化运行计算中变量的取值范围，如

S_1i≥0；S_2i≥0；N_i≥0

到此为止，汽轮机系统优化计算的模型已经建立起来。

锅炉系统的优化运行

由于各种锅炉的特性均呈现出非线性的特征，这里我们不考虑在优化运行中设备的启/停问题，因而所研究问题可简化为非线性规划问题，当汽轮机系统优化运行完成之后，可以获得汽轮机系统所需最小耗汽量，从而可以得到锅炉系统所必须的产汽量，以此作为对锅炉系统的外界约束。

(1)目标函数

锅炉系统优化调度的目标是在满足产汽量的条件下保证系统总燃料消耗量最小，即min B＝∑Bi

(2)约束函数

锅炉系统的约束函数较简单，它包括如下的约束条件：

(a)锅炉特性约束：

它反映了各台锅炉的燃料消耗随着蒸发量的变化关系，即

B＝f(S_i)

$B_i=a_0{y}_i+a_1{S}_i+a_2{S}_i^2+......+a_n{S}_i^n$

(b)蒸汽负荷约束：

它反映了汽轮机系统对锅炉系统产汽量的要求，即

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i=S_o$

上式中S_o即为锅炉系统的总产汽量。

(c)锅炉蒸发量约束

它反映各台锅炉所允许的运行范围，其约束为：

(S_i)_min≤S_i≤(S_i)_max

此外，还包括变量约束等。据此，可以建立锅炉系统的优化计算模型。

先根据汽轮机系统优化模型计算得到的汽轮机系统所需最小耗汽量，从而得到锅炉系统所必须的产汽量，以此作为对锅炉系统的外界约束，再用锅炉系统优化模型进行计算，利用eTMS程序求解即得能量系统的优化调度方案。

将上述优化调度方案存储到关系数据库，同时显示在人机交互界面，SCADA、DCS等现场监控系统从关系数据库获得优化结果，在AUTO模式下对相关设定值进行赋值即可自动实现系统运行的最优化。

本发明相对于现有技术的主要优点和效果是：本发明应用“三环节”理论对造纸厂整个能量系统进行建模，建立整个能量流与物料流的模拟模型。过程能量系统“三环节”分析方法是以全局优化为目标的过程系统能量综合优化方法，它建立在对过程系统能量结构的深入理解和描述以及按照这种能量结构所进行的热力学分析和热经济学分析的基础上。该法由模型化和流程模拟技术支持，可以与任何单元或子系统的优化技术(如数学规划法、试探法、人工智能等)配合使用。

“三环节”模型认为能量在整个工艺过程中的降质，是在三个不同功能环节中逐步发生的，根据发生演变的过程划分为能量转换环节、能量利用环节和能量回收环节。“三环节”能量结构模型概括了复杂过程系统的能量结构和共性规律，给出了严格定量的能流结构模型定义，建立了严格的能流模型和

(Yong)流模型，适合过程能量系统的全局优化。

“三环节”模型把整个工艺过程中的用能过程划分为具有不同功能的三个环节，即能量的转换和传输环节、能量的工艺利用环节和能量的回收环节。能量在整个工艺过程中的消耗和贬值是在不同功能的三个环节中逐步发生的。三个环节之间相互联结、相互制约。

造纸企业能量系统是典型的过程能量系统，适合用“三环节”方法来对其能量系统进行分析和全局优化。本发明在“三环节”模拟模型的基础上将数学规划方法结合能流模拟模型对造纸企业能量系统进行建模使运行得到优化，降低运行成本，是造纸企业节能降耗、提高效益的重要途径。在满足工艺过程加工量、产品方案、气候、季节等因素变化引起的蒸汽和电力需求变化的条件下，计算出最佳的运行操作方案，能实现系统运行总费用最低或利润最大化。

附图说明

图1是物料流模拟模型中的工艺过程的物料平衡图；

图2是能流模拟模型中的工艺过程能量平衡示意图；

图3是本发明的系统的简要结构方框图；

图4是本发明的系统的结构方框图；

图5是本发明的系统的工作流程图；

图6是本发明的系统的实物连接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

利用本发明的系统对某热电联产模式的造纸企业的能量系统进行运行优化，该企业能量转换环节包含4台流化床锅炉，4台抽凝式汽轮机和若干减温减压设备，母管式热力系统。工作方法如下：

第一步，如图3、5所示，从制浆造纸生产线、热电车间、水处理车间、办公宿舍、食堂等生产、生活辅助车间的SCADA、PLC、DCS及数据采集仪上采集各个部门的能耗相关数据。获取的数据存入实时数据库，供关系数据库和人机交互界面调用。关系数据库从实时数据库读取并存储当前的能耗相关数据，并根据人工输入端口输入的订单排产计划、生产维护计划预测所需能量并存储相关数据，供模拟模型库、优化模型库和客户端调用。

第二步，物料流模拟模型库从关系数据库中读取相关的数据进行模拟计算，把计算结果存储到关系数据库中并传输到能流模拟模型库；能流模拟模型库从关系数据库中读取相关的数据，结合物料流模拟模型库的计算结果进行模拟计算，把计算结果存储到关系数据库中并传输到能流优化模型库；能流优化模型库中的汽轮机系统优化模型库读取能流模拟模型库的计算结果，并从关系数据库中读取造纸厂相关设备运行状态及订单排产计划、生产维护计划的相关数据，对汽轮发电机组进行优化运行计算，得到汽轮机系统所需最小耗气量，存储到关系数据库中；能流优化模型库中的锅炉优化模型库根据汽轮机系统优化模型库计算得到的汽轮机系统所需最小耗汽量，从而得到锅炉系统所必须的产汽量，以此作为对锅炉系统的外界约束，结合关系数据库中造纸厂相关设备运行状态及订单排产计划、生产维护计划的相关数据，对锅炉机组进行优化运行计算，以该能量系统运行的所需的耗煤量最小为目标函数，然后，调用eTMS程序求解，将优化结果存储到关系数据库；

表1汽轮机优化前后对比

表2锅炉优化前后对比

第三步，人机交互界面通过以太网从实时数据库和关系数据库中读取相关数据，并显示能流优化模型数据库计算结果、能耗、能效关键指标；现场监控系统(SCADA、DCS等)从关系数据库获取优化信息在AUTO模式下对相关设定指经行赋值实现自动优化功能，优化结果如表1、表2所示；同时可安装打印机打印相关信息。

通过上述优化，汽轮机系统在满足造纸工艺过程对蒸汽和电能需求的前提条件下，优化前实际运行需蒸汽971.34t/h，优化后为895.87t/h，比实际运行少了75.47t/h。而锅炉系统的耗煤量由原来的154.72t/h变成了138.74t/h，比实际运行减少了15.98t/h。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种造纸厂热电联产能量系统优化系统，其特征是，包括：

用于采集各部门对蒸汽、电能的需求数据并存储到实时数据库中的数据采集系统；

用于存储和传输数据采集系统采集到的数据的实时数据库；

用于存储和传输优化所需数据及优化后结果数据的关系数据库；

用于对关系数据库中存储的生产过程的物料流进行模拟并将模拟结果存储在关系数据库的物料流模拟模型库；

用于将关系数据库中存储的生产过程的能流数据结合物料流模拟模型库的模拟结果进行模拟并将模拟结果存储在关系数据库中的能流模拟模型库；

用于根据能流模拟模型库的模拟结果对生产过程中的能流进行优化并将相关信息反馈到人机交互界面用以显示、监测和提供调度提示的能流优化模型库；

用于生产调度人员与实时数据库、关系数据库和能流优化模型库进行人机交互的人机交互界面；

所述数据采集系统与实时数据库相互连接；实时数据库与关系数据库相互连接；关系数据库分别与能流模拟模型库、物料流模拟模型库和人机交互界面相互连接；关系数据库还与输入设备运行状态数据和排产计划信息的人工输入端口相连接；物料流模拟模型库与能流模拟模型库相连接；能流模拟模型库与能流优化模型库相互连接；能流优化模型库与人机交互界面相互连接；人机交互界面还与实时数据库相互连接。

2.根据权利要求1所述的造纸厂热电联产能量系统优化系统，其特征是，所述数据采集系统包括设置在生产和生活辅助车间的SCADA、PLC和DCS系统及数据采集仪。

3.根据权利要求1所述的造纸厂热电联产能量系统优化系统，其特征是，所述能流优化模型库包括：

通过对汽轮机系统建立优化模型并求解得出汽轮机系统能量优化方案的汽轮机系统优化模型库；

通过对锅炉系统建立优化模型并求解得出锅炉系统能量优化方案的锅炉系统优化模型库；

所述汽轮机系统优化模型库的输出连接锅炉系统优化模型库的输入。

4.根据权利要求1所述的造纸厂热电联产能量系统优化系统，其特征是，所述人机交互界面包括设置在锅炉机组车间的PC机、设置在汽轮机组车间的PC机和造纸厂中心调度室的PC机。

5.根据权利要求1所述的造纸厂热电联产能量系统优化系统，其特征是，所述实时数据库通过以太网从数据采集系统采集相关数据并存储。

6.一种权利要求1至5所述的造纸厂热电联产能量系统优化系统的工作方法，其特征是，包括如下步骤：

第一步，由数据采集系统采集各部门对蒸汽、电能的需求信息，存入实时数据库，供关系数据库和人机交互客户端调用，关系数据库根据需求从实时数据库中读取相关数据并存储在关系数据库，订单排产计划和生产维护计划也通过人工输入端口输入并存储在关系数据库中，供能流模拟模型库、物料流模拟模型库和人机交互客户端调用；

第二步，物料流模拟模型库从关系数据库中读取相关的数据进行模拟计算，把计算结果存储到关系数据库中并传输到能流模拟模型库；能流模拟模型库从关系数据库中读取相关的数据，结合物料流模拟模型库的计算结果进行模拟计算，把计算结果存储到关系数据库中并传输到能流优化模型库；能流优化模型库中的汽轮机系统优化模型库读取能流模拟模型库的计算结果，并从关系数据库中读取造纸厂相关设备运行状态及订单排产计划、生产维护计划的相关数据，对汽轮发电机组进行优化运行计算，得到汽轮机系统所需最小耗气量，存储到关系数据库中；能流优化模型库中的锅炉优化模型库根据汽轮机系统优化模型库计算得到的汽轮机系统所需最小耗汽量，从而得到锅炉系统所必须的产汽量，以此作为对锅炉系统的外界约束，结合关系数据库中造纸厂相关设备运行状态及订单排产计划、生产维护计划的相关数据，以耗煤量最小为目标对锅炉机组进行优化运行计算，将优化结果存储到关系数据库；

第三步，人机交互界面通过以太网从实时数据库和关系数据库中读取相关数据，并显示能流优化模型数据库计算结果、能耗、能效关键指标；现场监控系统SCADA和DCS从关系数据库获取优化信息在AUTO模式下对相关设定值进行赋值即可实现系统的自动优化运行；同时可安装打印机打印相关信息。

7.根据权利要求6所述的造纸厂热电联产能量系统优化系统的工作方法，其特征是，所述第二步中对汽轮发电机组或锅炉机组进行优化运行计算是指，采用eTMS程序对汽轮机系统优化模型或锅炉系统优化模型进行求解。

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