CN102609882A - 一种基于管网计算的蒸汽管网混合调度系统 - Google Patents

Abstract

一种基于管网计算的蒸汽管网混合调度系统，属于蒸汽管网混合调度技术领域。系统包括关系数据库服务器，实时数据库服务器，应用服务器，工程师站。关系数据库服务器与工程师站和应用服务器相连，应用服务器除与关系数据库服务器相连外，还与实时数据库和工程师站相连，保持三者之间数据交换。应用模块包括关系数据库，数据采集模块，数据结果显示模块，管网模型计算模块和管网调度模块。其中数据结果显示模块部署在工程师站，管网模型计算模块和调度模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库。优点在于：更切合企业生产实际需要；在调度模型基础上，通过管网模型计算和调度方案互相验证，实现调度策略的精确性和实时性。

Description

一种基于管网计算的蒸汽管网混合调度系统

技术领域

本发明属于蒸汽管网混合调度技术领域，特别是提供一种基于管网模型计算的蒸汽管网混合调度系统，进而实现优化、高效的管网调度。

背景技术

在钢铁企业里，蒸汽系统时具有大时滞、大惯性、非线性、多变量耦合、变参数等特点的复杂对象，具体表现在多分散用户、多汽源、多压力等级(高、中、低压)、多工况变化(季节、生产方案)，面对复杂运行状况，管理人员大多数还是采用“因应式”的调度管理方式，依靠多年来生产所积累的经验指挥系统运行，时常发生放空、降质使用等情况，造成极大的浪费。这样必然导致调度的盲目性和管网运行的低效。

调度是在一定约束条件下，为特定对象设计流程，并指定各任务在流程的顺序和时间安排的过程。蒸汽系统调度的目标是，在给定生产计划、检修计划、系统当前状态的前提下，基于已知管网工况仿真计算，确定满足生产蒸汽需求的最佳分配方案。显然，该问题可描述成数学规划的形式：将调度目标表示成目标函数，把保证生产安全、设备安全和蒸汽稳定供给的众多条件作为约束条件。按照调度算法所依据的机理，调度方法可分为两类：基于模型的调度和基于规则的调度。基于模型的调度方法通常将具体的问题表示成带有约束条件的数学模型，对模型运用一定的调度算法，根据特定目标，寻求有效的求解策略。如数学规划方法、分支定界法、消去法等。该类方法通常能够得到问题的最优解，其缺点在于，随着调度问题规模的扩大，调度问题的求解复杂度成指数增长，难度急剧增加。基于规则的调度根据一定的调度规则或策略来确定调度方案，从而避免了大量的复杂计算，效率高，实时性好。如启发式算法。基于规则的调度的一个明显问题是，这种方法不能保证解的最优性，通常只能提供一定程度的次优可行解，缺乏对整体性能的有效把握。将两种调度方法相结合，取长补短，是有效解决调度问题的方向。

本发明将建立一种优化高效的蒸汽管网混合调度算法，实现蒸汽管网运行的优化高效调度，实现蒸汽按质用能、梯级利用的使用规则，满足企业生产要求，提高生产效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于管网模型计算的蒸汽管网混合调度系统，实现优化高效的蒸汽管网混合调度算法，提高蒸汽调度效率。在企业中用户和汽源点分散广，管线较长，蒸汽在通过管线输送后到达用户时的压力和温度变化很大；又由于工艺加工量、产品方案、气候、季节等因素变化会引起各工艺过程蒸汽的需求周期性变化，从而导致管网中各管道的蒸汽流量频繁的变化；管网运行一段时间以后，管道自身的参数也会发生变化，因此到达用户的蒸汽参数有时会变化很大，以至于产生的蒸汽输送到目的地后不能满足用户的要求，使得工艺过程用能质量下降、能耗增加、用能不合理。简单地通过增加产汽参数虽然可以解决这些问题，但是盲目的提高产汽参数会导致能量的浪费。这样粗放的调度显然偏离了企业的实际运行情况，只能是简化条件下的最优解，在工程中实施有一定的难度。建立基于管网仿真计算的调度方案，对调度方案进行调整和验证，实现管网调度方案的最优解。分别对蒸汽系统建立数学规划模型和企业规则库模型，以启发式规则调度为主，通过数学规划方法根据情况在备选规则间进行选择，从而达到最优的控制效果。首先建立蒸汽系统的数学规划模型，考虑产汽设备的启动和停运、维修、折旧、燃料费用等因素，按一段时间内有P个操作周期的运行优化问题，以全周期内总费用为目标函数，总费用为各个操作周期的燃料费用、给水费用、设备折旧维护费用以及锅炉、汽轮机的启停费用之和，建立目标函数。企业规则库模型以企业调度规则为知识库建立调度模型。

本发明硬件系统包括关系数据库服务器，实时数据库服务器，应用服务器，工程师站。关系数据库服务器与工程师站和应用服务器相连，应用服务器除与关系数据库服务器相连外，还与实时数据库和工程师站相连，保持三者之间数据交换。应用模块包括关系数据库，数据采集模块，数据结果显示模块，管网模型计算模块和管网调度模块。其中数据结果显示模块部署在工程师站，管网模型计算模块和调度模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库。

关系数据库是显示模块与模型计算模块、调度模块之间的数据通讯媒介。模型计算程序与调度模块程序将计算结果写入关系数据库，显示模块再从关系数据库中读出并予以显示。

关系数据库：存储用于模型计算、调度、数据显示的数据。包括管点信息，管段信息，模型计算结果，调度方案结果等信息。

数据采集模块：由实时数据库和现场采集仪表以及传输网络组成；现场采集仪表将信息实时传入实时数据库中，并有数据采集模块根据要求相管网耦合计算模型提供数据。

数据结果显示模块：数据接口部分，为模型计算提供数据输入功能，包括读取数据文件，直接读取GIS信息功能；计算结果的显示对模型计算结果实现多种方式显示，包括图表显示和图形显示；

管网模型计算模块：包括1、建立多气源管网拓扑模型结构，并对管网结构进行合理适当的串联、并联简化，便于模型计算；2、基于IF97公式，水力学热力学定律，以及基尔霍夫定律建立蒸汽管网水力热力耦合计算模型；3、通过牛顿-拉夫逊法求解管网水力热力模型，通过压降计算公式，将节点流量连续方程组表示为以管段压降为未知量的方程组；之后，利用环路压降能量方程，将方程中的管段压降表示为管段始段、末段压力的差值，得到关于节点压力的非线性方程组；利用泰勒公式将方程组线性化，并对其求解，得到独立节点压力的修正量。采用同样流程，可得到独立节点温度的修正量。随后迭代求解独立节点压力、温度，管段压降、温降，管段流量和参考节点流量，直到满足精度要求。

管网调度模块：

1、蒸汽管网数学规划、企业规则混合调度模型

(1)建立数学规划目标函数

考虑一段时间内有P个操作周期的运行优化问题，以全周期内总费用为目标函数，总费用为各个操作周期的燃料费用、给水费用、设备折旧维护费用以及锅炉、汽轮机的启停费用之和。目标函数为：

$\min C=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{CFF}}_n\×Y_{\mathrm{nt}}+\underset{t}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FF}}_{\mathrm{nit}}\×C_{\mathrm{fi}}+{\mathrm{CWF}}_{\mathrm{nt}}\×C_{\mathrm{cw}}+$

$C_n\×{\mathrm{ZO}}_{\mathrm{nt}})+\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{C}_P\×{\mathrm{PF}}_t+\underset{t}{\mathrm{\Σ}}\underset{r}{\mathrm{\Σ}}{C}_{\mathrm{sr}}\×{\mathrm{SF}}_{\mathrm{rt}}$

其中：CEF_n设备n的维护折旧费用；Y_nt周期t设备n是否运行；FF_nit周期t单元设备n的燃料i的用量；C_fi燃料i的单价；CWF_nt周期t单元设备n的给水或冷却水流量；C_cw水单价；C_n设备n单次启动费用；ZO_nt周期t单元设备n是否存在启停费用；C_P外购电单价；PF_t周期t外购电量；C_sr外购r等级蒸汽单价；SF_rt周期t外购r等级蒸汽量。同时考虑约束条件，包括：单元设备n的物料平衡方程，单元设备n的能量平衡方程，设备能力约束，周期t满足蒸汽和电力的需求约束，设备单台启停约束，周期t锅炉燃料的约束。

(2)建立企业规则调度知识库

通常钢铁企业蒸汽管网系统调度总体规则是：

(a)依据生产计划，做好蒸汽的产耗平衡调度；

(b)当出现非计划性的变动，蒸汽调度首先要保证设备和管网的安全，然后考虑蒸汽产耗的重新匹配；当在某些情况，蒸汽调度无法支撑所有生产环节的完全运行，需要按照优先顺序，对产、耗环节进行动态调整；

(c)在保证安全生产的前提下，兼顾效益最大化；

蒸汽供应来源有三个即：锅炉产汽，汽轮机抽汽，余热供汽；其中余热供汽没有生产成本，也就是说成本费用最低，因此应优先使用余热蒸汽。余热蒸汽不够时，根据成本最低原则选择合适汽源。

(3)企业规则库、数学规划混合调度

蒸汽调度采用将数学规划调度和启发式规则调度相结合，以启发式规则调度为主，通过数学规划方法根据情况在备选规则间进行选择，从而达到最优的控制效果。

当产汽、用汽设施有计划发生变化，预判其变化幅度后，首先适时增(或减)干熄焦发电机组抽汽量，其次根据数学规划求解调整合适锅炉气源的负荷。具体如图2。

2、调度模型-计算模型方案验证

钢铁企业中用户和汽源点分散广，汽管线较长，蒸汽在通过管线输送后到达用户时的压力和温度变化很大；又由于工艺加工量、产品方案、气候、季节等因素变化会引起各工艺过程蒸汽的需求周期性变化，从而导致管网中各管道的蒸汽流量频繁的变化；管网运行一段时间以后，管道自身的参数也会发生变化，因此到达用户的蒸汽参数有时会变化很大，以至于产生的蒸汽输送到目的地后不能满足用户的要求，使得工艺过程用能质量下降、能耗增加、用能不合理。简单地通过增加产汽参数虽然可以解决这些问题，但是盲目的提高产汽参数会导致能量的浪费。这样粗放的调度显然偏离了企业的实际运行情况，只能是简化条件下的最优解，在工程中实施有一定的难度。基于管网仿真计算对调度方案进行调整和验证，可以实现管网调度方案的最优解，其验证步骤如下：

步骤一：在汽源正常产汽参数和用户的蒸汽需求量条件下，不考虑蒸汽通过管网传输过程中的参数变化影响，根据估计的用户参数，求解优化运行的调度模型，得到最优的运行方案；

步骤二：根据步骤一优化求得的汽源产汽量，通过管网仿真计算得到到达各用户的蒸汽参数；

步骤三：是判断到达用户蒸汽参数是否满足需求，如不满足则提高汽源的产汽参数，回到第一步，重新计算；如满足则确定调度方案，结束。

本发明的优点在于：根据数学规划模型和企业规则库模型，建立混合蒸汽调度模型，更加切合企业生产实际需要；在建立调度模型基础上，通过管网模型计算和调度方案互相验证，实现调度策略的精确性和实时性。

附图说明

图1是本发明系统各模块之间关系图。

图2是混合调度算法流程图。

图3是管网计算-调度模型验证过程图。

具体实施方式

本发明硬件系统包括关系数据库服务器，实时数据库服务器，应用服务器，工程师站。关系数据库服务器与工程师站和应用服务器相连，应用服务器除与关系数据库服务器相连外，还与实时数据库和工程师站相连，保持三者之间数据交换。应用模块包括关系数据库，数据采集模块，数据结果显示模块，管网模型计算模块和管网调度模块。其中数据结果显示模块部署在工程师站，管网模型计算模块和调度模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库。

关系数据库是显示模块与模型计算模块、调度模块之间的数据通讯媒介。模型计算程序与调度模块程序将计算结果写入关系数据库，显示模块再从关系数据库中读出并予以显示。

下面结合附图进一步说明。

图1是发明系统各模块之间关系图。本发明系统包括关系数据库，数据采集模块，数据结果显示模块，管网计算模块和管网调度模块。其中数据结果显示模块部署在工程师站，管网模型计算模块和调度模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库。关系数据库是显示模块与模型计算模块、调度模块之间的数据通讯媒介。模型计算与调度模型将计算结果写入关系数据库，显示模块再从关系数据库中读出并予以显示。

图2是混合调度算法流程图。首先当蒸汽需求发生变化之后，优先用干熄焦抽汽，若满足当前需求则退出，不满足则则进入数学规划调度模型，在不同气源点之间进行选择，判断依据是目标函数的适应度，选择费用较低的气源进行生产。

图3是管网计算-调度模型验证过程图。1、在汽源正常产汽参数和用户的蒸汽需求量条件下，不考虑蒸汽通过管网传输过程中的参数变化影响，根据估计的用户参数，求解优化运行的调度模型，得到最优的运行方案；2、根据第1步优化求得的汽源产汽量，通过管网仿真计算得到到达各用户的蒸汽参数；3、是判断到达用户蒸汽参数是否满足需求，如不满足则提高汽源的产汽参数，回到第1步，重新计算；如满足则确定调度方案，结束。

Claims (3)

1.一种基于管网模型计算的蒸汽管网混合调度系统，包括关系数据库服务器，实时数据库服务器，应用服务器，工程师站；关系数据库服务器与工程师站和应用服务器相连，应用服务器除与关系数据库服务器相连外，还与实时数据库和工程师站相连，保持三者之间数据交换；应用模块包括关系数据库，数据采集模块，数据结果显示模块，管网模型计算模块和管网调度模块；数据结果显示模块部署在工程师站，管网模型计算模块和调度模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库；

关系数据库是显示模块与模型计算模块、调度模块之间的数据通讯媒介；模型计算程序与调度模块程序将计算结果写入关系数据库，显示模块再从关系数据库中读出并予以显示。

关系数据库：存储用于模型计算、调度、数据显示的数据；包括管点信息，管段信息，模型计算结果，调度方案结果信息。

数据采集模块：由实时数据库和现场采集仪表以及传输网络组成；现场采集仪表将信息实时传入实时数据库中，并有数据采集模块根据要求相管网耦合计算模型提供数据；

数据结果显示模块：数据接口部分，为模型计算提供数据输入功能，包括读取数据文件，直接读取GIS信息功能；计算结果的显示对模型计算结果实现多种方式显示，包括图表显示和图形显示；

管网模型计算模块的功能包括：

建立多气源管网拓扑模型结构，并对管网结构进行合理适当的串联、并联简化，便于模型计算；

基于IF97公式，水力学热力学定律，以及基尔霍夫定律建立蒸汽管网水力热力耦合计算模型；

通过牛顿-拉夫逊法求解管网水力热力模型，通过压降计算公式，将节点流量连续方程组表示为以管段压降为未知量的方程组；之后，利用环路压降能量方程，将方程中的管段压降表示为管段始段、末段压力的差值，得到关于节点压力的非线性方程组；利用泰勒公式将方程组线性化，并对其求解，得到独立节点压力的修正量；采用同样流程，得到独立节点温度的修正量；随后迭代求解独立节点压力、温度，管段压降、温降，管段流量和参考节点流量，直到满足精度要求；

管网调度模块的功能是实现蒸汽管网数学规划、企业规则混合调度模型，计算模型方案验证。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，实现蒸汽管网数学规划、企业规则混合调度模型包括一下步骤：

(1)建立数学规划目标函数

考虑一段时间内有P个操作周期的运行优化问题，以全周期内总费用为目标函数，总费用为各个操作周期的燃料费用、给水费用、设备折旧维护费用以及锅炉、汽轮机的启停费用之和；目标函数为：

$\min C=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{CFF}}_n\×Y_{\mathrm{nt}}+\underset{t}{\mathrm{\Σ}}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FF}}_{\mathrm{nit}}\×C_{\mathrm{fi}}+{\mathrm{CWF}}_{\mathrm{nt}}\×C_{\mathrm{cw}}+$

$C_n\×{\mathrm{ZO}}_{\mathrm{nt}})+\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{C}_P\×{\mathrm{PF}}_t+\underset{t}{\mathrm{\Σ}}\underset{r}{\mathrm{\Σ}}{C}_{\mathrm{sr}}\×{\mathrm{SF}}_{\mathrm{rt}}$

其中：CEF_n设备n的维护折旧费用；Y_nt周期t设备n是否运行；FF_nit周期t单元设备n的燃料i的用量；C_fi燃料i的单价；CWF_nt周期t单元设备n的给水或冷却水流量；C_cw水单价；C_n设备n单次启动费用；ZO_nt周期t单元设备n是否存在启停费用；C_P外购电单价；PF_t周期t外购电量；C_sr外购r等级蒸汽单价；SF_rt周期t外购r等级蒸汽量。同时考虑约束条件，包括：单元设备n的物料平衡方程，单元设备n的能量平衡方程，设备能力约束，周期t满足蒸汽和电力的需求约束，设备单台启停约束，周期t锅炉燃料的约束；

(2)建立企业规则调度知识库

(a)依据生产计划，做好蒸汽的产耗平衡调度；

(b)当出现非计划性的变动，蒸汽调度首先要保证设备和管网的安全，然后考虑蒸汽产耗的重新匹配；当在某些情况，蒸汽调度无法支撑所有生产环节的完全运行，需要按照优先顺序，对产、耗环节进行动态调整；

(c)在保证安全生产的前提下，兼顾效益最大化；

蒸汽供应来源有三个：锅炉产汽，汽轮机抽汽，余热供汽；其中余热供汽没有生产成本，也就是说成本费用最低，因此应优先使用余热蒸汽，余热蒸汽不够时，根据成本最低原则选择合适汽源；

(3)企业规则库、数学规划混合调度

蒸汽调度采用将数学规划调度和启发式规则调度相结合，当产汽、用汽设施有计划发生变化，预判其变化幅度后，首先适时增或减干熄焦发电机组抽汽量，其次根据数学规划求解调整合适锅炉气源的负荷。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的计算模型方案验证包括如下步骤：

(1)在汽源正常产汽参数和用户的蒸汽需求量条件下，不考虑蒸汽通过管网传输过程中的参数变化影响，根据估计的用户参数，求解优化运行的调度模型，得到最优的运行方案；

(2)根据步骤一优化求得的汽源产汽量，通过管网仿真计算得到到达各用户的蒸汽参数；

(3)是判断到达用户蒸汽参数是否满足需求，如不满足则提高汽源的产汽参数，回到步骤(1)，重新计算；如满足则确定调度方案，结束。

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