CN102799951A - 能源的优化分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能源的优化分配方法，包括以下步骤：(A1)获得分配给各能源消耗体的能源量及相应能源消耗体的输出值的历史数据；(A2)根据历史数据建立各能源消耗体的输出值和对应于该输出值的单位输出值的能源消耗量间关系的模型：y_i＝f(x_i)；x_i为第i台能源消耗体的输出值，y_i为对应第i台能源消耗体的单位输出值消耗的能源量：i_min≥2；(A3)利用模型得出每台能源消耗体的最佳经济运行点；(A4)建立优化模型，用于优化所述各台能源消耗体的能源供应量，使得在总的能源供应量固定的情况下，各台能源消耗体的总的输出值最大：(A5)根据优化模型计算出优化后的供应各能源消耗体的能源量。本发明具有同样能源供应量的情况下各能源消耗体总的输出值最大等优点。

Description

能源的优化分配方法

技术领域

本发明涉及能源的优化，特别涉及当总的能源供应量固定时的能源的优化分配方法。

背景技术

钢铁生产过程中消耗的一次能源有40％左右转变为副产煤气，其中，焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气分别为46％、45％、9％。随着能源形势日趋严峻，节能在可持续能源战略中的地位更显得重要和迫切。如何合理利用这部分煤气的剩余部分，并通过有效的措施使其发挥最大的作用，降低钢铁联合企业综合能耗并创造最大的经济效益、环境效益和社会效益，成为钢铁工业节能工作者亟待解决的问题。钢铁生产过程中产生的副产煤气资源首先满足钢铁制造流程中主要生产工序(如炼铁、炼钢和轧钢等工序)使用，剩余部分供自备电站生产蒸汽或电力。由于煤气产生和消耗的不断波动，导致自备电站中锅炉负荷也频繁变动，如果不及时准确调整其煤气分配会导致大量能源没有被充分利用，大多数自备电站根据人工经验进行调整会造成资源严重浪费。

半个世纪前，由M.J.P.Seinberg和E.E.George、H.W.Page等人提出，并由L.K.Kirchmayer等完善的燃料消耗等微增率原理是负荷优化分配的第一个重要突破。但这种分配方案只是考虑了蒸汽负荷在多个汽轮机间的优化分配，未考虑副产煤气的典型特点和燃烧特性，也未考虑炉机协调运行优化等。

发明内容

为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种能源的优化分配方法，该方法实现了总的能源供应量固定情况下各能源消耗体的输出值最大。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种能源的优化分配方法，所述分配方法包括以下步骤：

(A1)获得分配给各能源消耗体的能源量及相应能源消耗体的输出值的历史数据；

(A2)根据所述历史数据建立各能源消耗体的输出值和对应于该输出值的单位输出值的能源消耗量间关系的模型：

y_i＝f(x_i)

x_i为第i台能源消耗体的输出值，y_i为对应第i台能源消耗体的单位输出值消耗的能源量；i_min≥2

(A3)利用所述模型得出每台能源消耗体的最佳经济运行点；

(A4)建立优化模型，所述优化模型用于优化所述各台能源消耗体的能源供应量，使得在总的能源供应量固定的情况下，所述各台能源消耗体的总的输出值最大：

(A5)根据所述优化模型计算出优化后的供应各能源消耗体的能源量。

根据上述的优化分配方法，优选地，所述优化模型为：

$\max M^{**}=\underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i+\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-y)+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\λ}}_{1i}(x_{\mathrm{inin}}-x_{i\max }+{\mathrm{\ξ}}_{1i})+{\mathrm{\λ}}_{2i}(-x_{\mathrm{inin}}+x_{i\max }+{\mathrm{\ξ}}_{2i})]$

j＝0，1，…，n-1

$M^{*}=\underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i+\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-y)$

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂M^{*}}{\∂x_i}=0,i=\mathrm{1,2},...,n\\ \frac{{\∂M}^{*}}{\∂\mathrm{\λ}}=0\end{array}\right.$

y_i＝f(x_i)(i＝1，2，…，n)

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{x}_i=y(i=\mathrm{1,2}...n)$

$\max \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\≥\max \underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i$ (j＝0，1…，n为能源消耗体的停用数)

$\max \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\≤\max \underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i$ (j＝0，1…，n为能源消耗体的停用数)

x_imin＜x_i＜x_imax(i＝1，2…n)

y_imin≤y≤y_imax(i＝1，2…n)

λ_1i≥0，λ_2i≥0(i＝1，2…n)

当n台能源消耗体的能源供应量固定时，优化分配能源后使各台能源消耗体的总输出值最大；y为能源总量；x_imin为第i台能源消耗体运行的最低输出值，x_imax为i台能源消耗体运行的最高输出值，y_min为能源最低进量，y_max为能源最高进量，λ、λ_1i、λ_2i为拉格朗日乘子，ζ_1i、ζ_2i为引入的松弛变量。

根据上述的优化分配方法，优选地，所述优化分配方法进一步包括以下步骤：

(B1)比较当能源分别分配给n、n、n-1、n-2…2台能源消耗体时的总输出值，并取其中的总输出值最大值对应的各能源消耗体的能源供应量为优化结果。

根据上述的优化分配方法，优选地，所述能源是可燃气或电力或热能。

根据上述的优化分配方法，优选地，所述能源是冶金企业的剩余煤气。

根据上述的优化分配方法，优选地，所述模型y_i＝f(x_i)为：y_i＝ax_i ²+bx_i+c，a，b，c为模型参数。

根据上述的优化分配方法，优选地，所述能源消耗体是锅炉或耗电设备或热能设备。

根据上述的优化分配方法，优选地，所述输出值为能源消耗体的负荷值。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明是从优化分配能源出发，相同能源消耗情况下各能源消耗体输出值总和最大为目的，为企业能源如剩余煤气的合理有效利用提供参考。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例1的能源的优化分配方法的流程图；

图2是根据本发明实施例2的三台锅炉调整前后的总负荷对比示意图；

图3是根据本发明实施例2的1#锅炉调整前后的煤气分配量的对比示意图；

图4是根据本发明实施例2的1#锅炉调整前后的负荷值的对比示意图；

图5是根据本发明实施例2的2#锅炉调整前后的煤气分配量的对比示意图；

图6是根据本发明实施例2的2#锅炉调整前后的负荷值的对比示意图；

图7是根据本发明实施例2的3#锅炉调整前后的煤气分配量的对比示意图；

图8是根据本发明实施例2的4#锅炉调整前后的负荷值的对比示意图。

具体实施方式

图1-8和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1示意性地给出了本发明实施例的供应锅炉的可燃气的优化分配方法的流程图，如图1所示，所述优化分配方法包括以下步骤：

(A1)获得分配给各能源消耗体的能源量及相应能源消耗体的输出值的历史数据；

优选地，所述可燃气是可燃气或电力或热能，进一步地，所述可燃气是冶金企业的剩余煤气，此时，所述能源消耗体是企业自备电站的锅炉，还可以是电力设备或热能设备；

(A2)根据所述历史数据建立各能源消耗体的输出值和对应于该输出值的单位输出值的能源消耗量间关系的模型：

y_i＝f(x_i)

x_i为第i台能源消耗体的输出值，y_i为对应第i台能源消耗体的单位输出值消耗的能源量；i_min≥2；

优选地，所述模型y_i＝f(x_i)为：

a，b，c为模型参数；当然还可以通过拟合方式拟合出所述模型，如利用高斯拟合、洛伦兹拟合等，这些拟合方式都是本领域的现有技术；

(A3)利用所述模型得出每台能源消耗体的最佳经济运行点；

(A4)建立优化模型，所述优化模型用于优化所述各台能源消耗体的能源供应量，使得在总的能源供应量固定的情况下，所述各台能源消耗体的总的输出值最大：

(A5)根据所述优化模型计算出优化后的供应各能源消耗体的能源量。

$\max M^{**}=\underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i+\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-y)+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\λ}}_{1i}(x_{\mathrm{inin}}-x_{i\max }+{\mathrm{\ξ}}_{1i})+{\mathrm{\λ}}_{2i}(-x_{\mathrm{inin}}+x_{i\max }+{\mathrm{\ξ}}_{2i})]$

j＝0，1，…，n-1

$M^{*}=\underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i+\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-y)$

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂M^{*}}{\∂x_i}=0,i=\mathrm{1,2},...,n\\ \frac{{\∂M}^{*}}{\∂\mathrm{\λ}}=0\end{array}\right.$

y_i＝f(x_i)(i＝1，2，…，n)

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{x}_i=y(i=\mathrm{1,2}...n)$

$\max \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\≥\max \underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i$ (j＝0，1…，n为能源消耗体的停用数)

$\max \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\≤\max \underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i$ (j＝0，1…，n为能源消耗体的停用数)

x_min＜x_i＜x_imax (i＝1，2…n )

y_imin≤y≤y_imax(i＝1，2…n)

λ_1i≥0，λ_2i≥0(i＝1，2…n)

当n台能源消耗体的能源供应量固定时，优化分配能源后使各台能源消耗体的总输出值最大；y为能源总量；x_imin为第i台能源消耗体运行的最低输出值，x_imax为i台能源消耗体运行的最高输出值，y_min为能源最低进量，y_max为能源最高进量，λ、λ_1i、λ_2i为拉格朗日乘子，ζ_1i、ζ_2i为引入的松弛变量(上述乘子和变量怎么确定)。

根据上述的优化分配方法，优选地，所述优化分配方法进一步包括以下步骤：

(B1)比较当能源分别分配给n、n、n-1、n-2…2台能源消耗体时的总输出值，并取其中的总输出值最大值对应的各能源消耗体的能源供应量为优化结果。

根据本发明实施例1达到的益处在于：通过各台能源消耗体消耗能源实际数据的采集，对采集的数据建立模型，求解得到每台能源消耗体最佳经济运行点，然后建立优化模型，编写程序优化分配能源。确立了一种能源优化分配的方法，利用该方法可以使能源合理有效的分配给各能源消耗体。

实施例2：

根据本发明实施例1的优化分配方法在钢铁企业中的应用例。在该应用例中，能源消耗体为某钢铁企业自备电站的3台锅炉：1^#锅炉120t/h，2^#锅炉120t/h，3^#锅炉220/h，所述企业的剩余煤气作为能源气，全部供给自备电站锅炉。

本应用例的可燃气的优化分配方法具体为：

(A1)利用自备电站数据库，调出自备电站锅炉消耗的剩余煤气量与锅炉负荷的历史数据；

(A2)利用以上数据建立锅炉负荷和在此负荷情况下单位负荷消耗的煤气量模型：

1#锅炉：y＝0.009x²-1.834x+219.5

2#锅炉： $y=0.027x_2^2-5.400x_2+389.4$

3#锅炉： $y=0.004x_3^2-1.573x_3+247.8$

(A3)根据上述模型求出每台锅炉的最佳经济运行点；

1#锅炉最佳经济运行点(101.89，125.97)

2#锅炉最佳经济运行点(100.00，119.40)

3#锅炉最佳经济运行点(196.63，93.15)

(A4)建立优化模型。

$\max M^{**}=\underset{i=j+1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i+\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-y)+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\λ}}_{1i}(x_{\mathrm{inin}}-x_{i\max }+{\mathrm{\ξ}}_{1i})+{\mathrm{\λ}}_{2i}(-x_{\mathrm{inin}}+x_{i\max }+{\mathrm{\ξ}}_{2i})]$

j＝0，1，2

$M^{*}=\underset{i=j+1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i+\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-y)j=\mathrm{0,1,2}$

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂M^{*}}{\∂x_i}=0,i=\mathrm{1,2,3}\\ \frac{\∂M^{*}}{\∂\mathrm{\λ}}=0\end{array}\right.$

$y_1=0.009x_1^2-1.834x_1+219.5$

$y_2=0.027x_2^2-5.400x_2+389.4$

$y_3=0.004x_3^2-1.573x_3+247.8$

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{x}_i=y,i=\mathrm{1,2,3}$

$\max \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\≥\max \underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i$ (j＝0，1，2为锅炉停用数)

$\max \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\≤\max \underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i$ (j＝0，1，2为锅炉停用数)

0＜x₁＜130

0＜x₂＜130

0＜x₃＜230

3000≤y₁≤20000

3000≤y₂≤20000

12000≤y₃≤25000

λ_1i≥0，λ_2i≥0，i＝1，2，3

(A5)根据步骤(A4)中的优化模型计算出优化结果，具体如图3-8所示。

如图1中所示，调整后三台锅炉的总负荷明显大于优化前总负荷的值，相同剩余煤气量的情况下经过优化处理，负荷总量一周增加为6902.71495t。如图3-8所示，三台锅炉调整前后煤气量与负荷量的变化情况。从曲线位置可以看出优化调整前后各台锅炉的煤气分配、负荷值变化情况以及与最佳煤气消耗及负荷值的位置关系：非常接近于每台锅炉的最佳运行负荷，最优分配结果与没有优化分配结果相比较，负荷平均增加为41.08758899t/h，每年按330天计算可知相同剩余煤气的情况下每年可多产生蒸汽约325413.7t，其节能潜力巨大，得出本发明运用的分配方法能有效的利用剩余煤气资源，使资源更加合理有效的得到利用。

Claims (8)

1.一种能源的优化分配方法，所述分配方法包括以下步骤：

(A1)获得分配给各能源消耗体的能源量及相应能源消耗体的输出值的历史数据；

(A2)根据所述历史数据建立各能源消耗体的输出值和对应于该输出值的单位输出值的能源消耗量间关系的模型：

y_i＝f(x_i)

x_i为第i台能源消耗体的输出值，y_i为对应第i台能源消耗体的单位输出值消耗的能源量；i_min≥2

(A3)利用所述模型得出每台能源消耗体的最佳经济运行点；

(A4)建立优化模型，所述优化模型用于优化所述各台能源消耗体的能源供应量，使得在总的能源供应量固定的情况下，所述各台能源消耗体的总的输出值最大：

(A5)根据所述优化模型计算出优化后的供应各能源消耗体的能源量。

2.根据权利要求1所述的优化分配方法，其特征在于：所述优化模型为：

$\max M^{**}=\underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i+\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-y)+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\λ}}_{1i}(x_{\mathrm{inin}}-x_{i\max }+{\mathrm{\ξ}}_{1i})+{\mathrm{\λ}}_{2i}(-x_{\mathrm{inin}}+x_{i\max }+{\mathrm{\ξ}}_{2i})]$

j＝0，1，…，n-1

$M^{*}=\underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i+\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-y)$

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂M^{*}}{\∂x_i}=0,i=\mathrm{1,2},...,n\\ \frac{{\∂M}^{*}}{\∂\mathrm{\λ}}=0\end{array}\right.$

y_i＝f(x_i)(i＝1，2，…，n)

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{x}_i=y(i=\mathrm{1,2}...n)$

$\max \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\≥\max \underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i$ (j＝0，1…，n为能源消耗体的停用数)

$\max \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\≤\max \underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i$ (j＝0，1…，n为能源消耗体的停用数)

x_imin＜x_i＜x_imax(i＝1，2…n)

y_imin≤y ≤y_imax(i＝1，2…n)

λ_1i≥0，λ_2i≥0(i＝1，2…n)

当n台能源消耗体的能源供应量固定时，优化分配能源后使各台能源消耗体的总输出值最大；y为能源总量；x_imin为第i台能源消耗体运行的最低输出值，x_imax为i台能源消耗体运行的最高输出值，y_min为能源最低进量，y_max为能源最高进量，λ、λ_1i、λ_2i为拉格朗日乘子，ζ_1i、ζ_2i为引入的松弛变量。

3.根据权利要求1所述的优化分配方法，其特征在于：所述优化分配方法进一步包括以下步骤：

(B1)比较当能源分别分配给n、n、n-1、n-2…2台能源消耗体时的总输出值，并取其中的总输出值最大值对应的各能源消耗体的能源供应量为优化结果。

4.根据权利要求1或2或3所述的优化分配方法，其特征在于：所述能源是可燃气或电力或热能。

5.根据权利要求4所述的优化分配方法，其特征在于：所述能源是冶金企业的剩余煤气。

6.根据权利要求1或2或3所述的优化分配方法，其特征在于：所述模型y_i＝f(x_i)为：a，b，c为模型参数。

7.根据权利要求1或2或3所述的优化分配方法，其特征在于：所述能源消耗体是锅炉或耗电设备或热能设备。

8.根据权利要求1或2或3所述的优化分配方法，其特征在于：所述输出值为能源消耗体的负荷值。

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