CN104991531A - 一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于钢铁企业能源调度技术领域，提供了一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法，包括：用煤气介质管网信息集、煤气公辅设备信息集和热力设备信息集描述钢铁企业的煤气系统网络拓扑结构；建立与煤气公辅设备和热力设备对应的单元数学模型；确定煤气混合站设备子集中各个煤气混合站设备的入口煤气流量变量；初始化转炉煤气和加压转炉煤气的相关变量；对当前煤气介质的富余量进行分配；以煤气介质网络拓扑结构上可调度煤气公辅设备的自由变量初始化为主线，通过对副产煤气系统中的全部变量进行随机分配、约束检验、关联检查和调整修正等处理过程，在无需复杂迭代搜索计算的前提下快速得到自然满足所有约束条件的可行解。

Description

一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法

技术领域

本发明属于钢铁企业能源调度技术领域，尤其涉及一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法。

背景技术

钢铁工业是国民经济的基础性支柱产业，同时又是资源、能源密集型产业。能源消耗是决定钢铁工业生产成本和利润的重要因素，也是影响环境负荷的主要原因。一方面，钢铁企业生产流程长，工序、设备繁多，各工序间相互衔接，且每种工序、设备都与多种能源介质关联；另一方面，钢铁企业需要用到的能源种类超过20种，这些能源介质不仅各自存在产耗、储存、缓冲和输配等多种形态，而且相互之间有着复杂的转换、替代等关联关系，这都使得整个钢铁企业能源系统网络结构紧密耦合、错综复杂。因此，对钢铁企业能源系统的研究具有理论和现实两方面的重要意义。

副产煤气是钢铁企业最重要的能源介质之一。对钢铁企业副产煤气系统实施优化调度，是要在满足能源产耗需求和安全生产的大前提下，优化能源消耗结构，充分利用二次能源，减少副产煤气放散，提高能源综合利用效率，最终实现能源成本的最小化目标。

然而，对于钢铁企业副产煤气系统优化调度问题而言，其中存在着大量的线性和非线性、等式和不等式约束条件，如各种煤气产耗、储存、缓冲、输配和转换等单元设备需满足工艺约束，每种煤气介质自身还需满足动态平衡约束等。对这种复杂的强约束问题，如果没有一个好的约束处理机制作为支撑，在求解计算过程中，出现违反约束的不可行解的概率是非常大的，可以说，此时获得一个可行解的难度将不亚于搜索到全局最优解的难度。可行解难以获取的窘境不仅会降低副产煤气系统优化调度问题求解计算的速度和效率，将大量的计算时间和资源消耗在可行解的搜索任务上，还可能导致求解过程不收敛，无法输出可行/最优的调度方案，严重影响煤气调度与生产计划的实施。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法，以解决现有技术确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解过程复杂的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，用煤气介质管网信息集、煤气公辅设备信息集和热力设备信息集描述钢铁企业的煤气系统网络拓扑结构；

所述煤气介质管网信息集中包括不同品种的煤气介质、不同压力等级的同一品种煤气介质和按混合前煤气介质的不同区分的一种或多种混合煤气介质；

步骤2，根据煤气公辅设备和热力设备的能耗情况确立其输入/输出变量集，结合工艺模型和约束条件，建立与所述煤气公辅设备和所述热力设备对应的单元数学模型；

步骤3，判断所述煤气介质管网信息集中存在所述混合煤气介质时，根据煤气供需预测结果，确定煤气混合站设备子集中各个煤气混合站设备的入口煤气流量变量；

步骤4，判断所述煤气介质管网信息集中区分转炉煤气和加压转炉煤气时，初始化所述转炉煤气的相关变量，包括：转炉煤气的发生量和转炉煤气柜的吞吐变量；初始化加压转炉煤气的相关变量，包括：加压转炉煤气的需求量、加压转炉煤气的发生量、转炉煤气加压站子集中各个设备的加压前煤气流量和加压后煤气流量、煤气混合站的加压转炉煤气消耗量及加压转炉煤气的富余量、热力设备集中的全烧煤气锅炉子集和燃煤掺烧煤气锅炉子集中各个设备的加压转炉煤气消耗量；

步骤5，判断当前煤气介质为高炉煤气或焦炉煤气，以及不区分是否加压的转炉煤气时，初始化所述当前煤气介质的相关变量，包括：所述当前煤气介质的发生量和需求量、所述当前煤气介质管网上煤气柜的吞吐变量；进一步判断所述煤气介质管网信息集中存在所述当前煤气介质的加压煤气介质时，将生成所述当前煤气介质的加压煤气的加压站设备按照出口压力等级的不同归类后随机分配加压前煤气流量和加压后煤气流量；否则，计算所述当前煤气介质的富余量并将所述富余量分配给所述热力设备集中的全烧煤气锅炉子集和燃煤掺烧煤气锅炉子集中各个设备的所述当前煤气介质消耗量；判断已经遍历所有的副产煤气介质时，执行步骤6；

步骤6，输出钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解，结束。

本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的第一优选实施例中：所述步骤1中建立的所述煤气介质管网信息集Φ、所述煤气公辅设备信息集Θ和所述热力设备信息集Ω为：

Φ＝{BFG,COG,LDG,MpBFG,LpCOG,MpCOG,HpCOG,pLDG,MGAS,L}；

Θ＝{HLD,PRE,MIX,EMI,L}；

Ω＝{GBO,CBO,L}；

其中，BFG、COG、LDG分别为高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气介质，MpBFG为中压高炉煤气，LpCOG、MpCOG、HpCOG分别为低压、中压和高压焦炉煤气介质，pLDG为加压转炉煤气介质，MGAS为混合煤气介质；HLD、PRE、MIX、EMI、GBO、CBO分别为煤气柜、煤气加压站、煤气混合站、煤气放散塔、全烧煤气锅炉和燃煤掺烧煤气锅炉设备子集。

本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的第二优选实施例中：所述步骤2中建立的所述单元数学模型中的信息包括：所述煤气公辅设备的煤气消耗量和产生量所述热力设备的煤气消耗量其中：i为煤气介质管网的序号，j、m分别为煤气公辅设备和热力设备的序号，t为调度周期序号。

本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的第三优选实施例中：所述步骤3中判断所述煤气介质管网信息集Φ中不存在混合煤气介质MGAS时，执行步骤4；

所述步骤3包括：

步骤301，根据煤气供需预测结果，得到所述混合煤气MGAS在第t个调度周期内的需求量

步骤302，所述煤气混合站设备子集MIX中包含的设备数量为N_MIX，对于前(N_MIX-1)个设备的出口煤气流量满足：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{gen}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{gen}}},\mathrm{Max}({\mathrm{lb}}_{x_{i,j}^{\mathrm{gen}}},\mathrm{rand}\left(\mathrm{0,1}\right)*(D_t^{\mathrm{MGAS}}-\underset{k=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{gen}}))),j\∈\left\{\mathrm{MIX}\right\};$

对于最后一个设备的出口煤气流量满足：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{gen}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{gen}}},\mathrm{Max}({\mathrm{lb}}_{x_{i,j}^{\mathrm{gen}}},D_t^{\mathrm{MGAS}}-\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{MIX}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{gen}})),j\∈\left\{\mathrm{MIX}\right\};$

其中，rand(0,1)为取值区间[0,1]内的随机数，Min(,)表示返回两个实数中较小的一个，Max(,)表示返回两个实数中较大的一个，分别为所述煤气混合站混合能力的上、下限；

步骤303，初始化已确定出口煤气流量的所述煤气混合站的入口煤气流量考虑由两种入口煤气介质混合的情况，对于第1种入口煤气，其流量满足：

$x_{i_1,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}(u{b}_{x_{i_1,j}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}({\mathrm{lb}}_{x_{i_1,j}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{rand}\left(\mathrm{0,1}\right)*x_{i,j,t}^{\mathrm{gen}})),j\∈\left\{\mathrm{MIX}\right\}$

而对于第2种入口煤气，其流量满足：

$x_{i_2,j,t}^{\mathrm{sume}}=x_{i,j,t}^{\mathrm{gen}}-x_{i_1,j,t}^{\mathrm{sume}},j\∈\left\{\mathrm{MIX}\right\}$

其中，分别为第1种入口煤气介质流量的上、下限。

本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的第四优选实施例中：所述步骤4中判断所述煤气介质管网信息集中不区分所述转炉煤气和所述加压转炉煤气时，执行所述步骤5；

所述步骤4中，步骤401，初始化所述转炉煤气LDG的相关变量，包括：

步骤40101，根据煤气供需预测结果，得到所述转炉煤气LDG在第t个调度周期内的发生量

步骤40102，随机生成转炉煤气柜的吞吐变量

$x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{rand}(-\mathrm{1,1})*({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}}-{\mathrm{lb}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}}),i=\mathrm{LDG},j\∈\left\{\mathrm{HLD}\right\};$

其中，rand(-1,1)为取值区间[-1,1]内的随机数；

步骤40103，判断所述生成的转炉煤气柜的吞吐变量是否满足：

$\left\{\begin{array}{ccc}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}<G_t^{\mathrm{LDG}},& \mathrm{if}& x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}\&GreaterEqual;0\\ \left|x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}\right|\&le;V_t^{{\mathrm{HLD}}_j},& \mathrm{if}& x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}<0\end{array}\right.,i=\mathrm{LDG},j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\};$

是，执行步骤402，否，执行所述步骤40102；

步骤402，初始化所述加压转炉煤气pLDG的相关变量，包括：

步骤40201，根据煤气供需预测结果，得到所述加压转炉煤气在调度周期t内的需求量

步骤40202，计算第t个调度周期内所述加压转炉煤气pLDG发生量为：

$G_t^{\mathrm{pLDG}}=G_t^{\mathrm{LDG}}-\underset{i=\mathrm{LDG},j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}};$

步骤40203，将得到的所述加压转炉煤气发生量分配给转炉煤气加压站子集中所有设备的加压前煤气流量为：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,G_t^{\mathrm{pLDG}}-\underset{k=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}})),i=\mathrm{LDG},j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\};$

步骤40204，计算所述转炉煤气加压站子集中所有设备的加压后煤气流量为：

$x_{i^{\&prime;},j,t}^{\mathrm{gen}}=x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}},i=\mathrm{LDG},i^{\&prime;}=\mathrm{pLDG},j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\};$

步骤40205，计算所述煤气混合站的加压转炉煤气消耗量计算所述加压转炉煤气的富余量为：

$S_t^{\mathrm{pLDG}}=G_t^{\mathrm{pLDG}}-D_t^{\mathrm{pLDG}}-\underset{i=\mathrm{pLDG},j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}.$

本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的第五优选实施例中：所述步骤5包括：

步骤501，根据煤气供需预测结果，得到所述当前煤气介质GAS_i在调度周期t内的发生量和需求量

步骤502，初始化所述当前煤气介质管网上煤气柜的吞吐变量；

步骤503，判断所述当前煤气介质是否为高炉煤气BFG或焦炉煤气COG，并且所述煤气介质管网信息集Φ中存在同一品种副产煤气的加压煤气介质，是，初始化所有关联的煤气加压站的入口煤气流量i＝GAS_i,j∈{PRE}后，执行步骤504，否，执行步骤504；

步骤504，判断当前煤气介质管网上是否连接了消耗型的所述煤气混合站，是，计算所有所述煤气混合站的当前煤气介质消耗总量执行步骤505，否，执行步骤505；

步骤505，计算所述当前煤气介质的富余量为：

$S_t^{{\mathrm{GAS}}_i}=(G_t^{{\mathrm{GAS}}_i}-D_t^{{\mathrm{GAS}}_i})-\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}-\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}-\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}};$

步骤506，将所述当前煤气介质的富余量分配给所述热力设备集中的全烧煤气锅炉子集GBO和燃煤掺烧煤气锅炉子集CBO；

步骤507，判断是否已经遍历所有的副产煤气介质，是则转至所述步骤6，否则跳转至所述步骤501。

本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的第六优选实施例中：所述步骤502包括：

步骤50201，随机生成所述当前煤气介质煤气柜的吞吐变量i＝GAS_i,j∈{HLD}，满足：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{rand}(-\mathrm{1,1})*({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}}-{\mathrm{lb}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}}),i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\};$

其中，rand(-1,1)为取值区间[-1,1]内的随机数；

步骤50202，判断所述生成的当前煤气介质煤气柜的吞吐变量是否满足：

$\left\{\begin{array}{ccc}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}<G_t^{{\mathrm{GAS}}_i},& \mathrm{if}& x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}\&GreaterEqual;0\\ \left|x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}\right|\&le;V_t^{{\mathrm{HLD}}_j},& \mathrm{if}& x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}<0\end{array}\right.,i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\};$

是，执行步骤50203，否，执行所述步骤50201；

步骤50203，计算所述当前介质所有煤气柜的吞吐量之和为

本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的第七优选实施例中：所述步骤503中初始化所有关联的煤气加压站的入口煤气流量的过程包括：

步骤50301，将生成所述当前煤气介质的加压煤气的煤气加压站设备按照出口压力等级的不同归类；

步骤50302，根据煤气供需预测结果，得到所述当前加压煤气介质GAS_i′在调度周期t内的需求量

步骤50303，确定当前加压煤气介质管网上的所有煤气加压站设备的加压前煤气流量为：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}({0,D}_t^{{\mathrm{GAS}}_{i^{\&prime;}}}-\underset{k=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}})),i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\};$

步骤50304，计算所述当前加压煤气介质管网上的所有煤气加压站设备的加压后煤气流量为：

$x_{i^{\&prime;},j,t}^{\mathrm{gen}}=x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}},i={\mathrm{GAS}}_i,i^{\&prime;}={\mathrm{GAS}}_{i^{\&prime;}},j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\};$

步骤50305，判断是否遍历所述当前煤气GAS_i的所有不同压力等级的加压煤气介质，是，执行步骤50306，否，执行所述步骤50302；

步骤50306，计算所述当前煤气介质所有加压站设备的煤气消耗量之和

本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的第八优选实施例中：所述步骤506包括：

步骤50601，将所述当前煤气介质管网上的全烧煤气锅炉和燃煤掺烧煤气锅炉设备归类；

步骤50602，计算全烧煤气锅炉的当前煤气介质消耗变量的上限之和UB_i,m为：

${\mathrm{UB}}_{i,m}=\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}};$

其中，为锅炉m的煤气介质i的消耗变量上限；

步骤50603，判断所述富余量与UB_i,m的大小关系，若大于等于UB_i,m，执行步骤50604，否，执行步骤50605；

步骤50604，确定所述全烧煤气锅炉的入口煤气流量为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}={\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}},i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\};$

燃煤掺烧煤气锅炉的入口煤气流量为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,S_t^{{\mathrm{GAS}}_i}-\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}}-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}})),i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{CBO}\right\};$

执行所述步骤507；

步骤50605，所述燃煤掺烧煤气锅炉的入口煤气流量为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}=0,i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{CBO}\right\};$

所述当前煤气介质管网上的所述全烧煤气锅炉设备子集GBO中包含的设备数量为对于前个设备，其入口煤气流量为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,\mathrm{rand}\left(\mathrm{0,1}\right)*(S_t^{{\mathrm{GAS}}_i}-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}}))),i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\};$

对于最后一个设备则为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,S_t^{{\mathrm{GAS}}_i}-\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{GBO}}^{{\mathrm{GAS}}_i}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}})),i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\};$

执行步骤所述507。

本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的第九优选实施例中：所述步骤6中输出可行解之前还包括：检查生成的所述钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解是否满足所述煤气公辅设备集和所述热力设备集中所有设备的工艺约束条件，不满足则进行调整，直至所有工艺约束均满足时为止。

本发明实施例提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的有益效果包括：

1、本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法，以煤气介质网络拓扑结构上可调度煤气公辅设备的自由变量初始化为主线，按副产煤气发生、缓存、加压、混合/转换、输配和消耗的产耗工艺流程循序推进，通过对副产煤气系统中的全部变量进行随机分配、约束检验、关联检查和调整修正等处理过程，在无需复杂迭代搜索计算的前提下快速得到自然满足所有约束条件的可行解，解决了钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解搜索的技术难题。

2、所提出的方法充分考虑了钢铁企业煤气系统的工艺实际，涵盖了高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气3种副产煤气介质，以及各煤气介质的存储、加压、混合/转换和放散等全部工艺处理过程，因而与实际工艺系统是完全对应的。

3、所提出的方法将与同一副产煤气的不同压力等级的煤气介质相关的自由变量关联起来完成初始化分配，这是对单一介质自由变量独立进行初始化方法的完善和补充，也进一步降低了生成的煤气系统优化调度方案为不可行解的可能性。

4、所提出的方法用启发式流程将副产煤气系统中因煤气介质的存储、加压和混合/转换等处理过程而紧密耦合在一起的多个变量进行了解耦，这样，保证了多个变量之间的独立性，避免了对单个变量进行调整修正而殃及其它所有变量，甚至使可行解退化为不可行解的可能性。

5、应用该设计方法生成的可行解具有较好的多样性特征，这为钢铁企业副产煤气系统优化调度问题中后续的最优解求解计算提供良好的初始条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的煤气混合站设备相关变量的初始化流程图；

图3是本发明实施例提供的区分转炉煤气和加压转炉煤气时，两种转炉煤气相关产耗变量的初始化流程图；

图4是本发明实施例提供的高炉煤气、焦炉煤气和不区分压力等级时的转炉煤气等三种副产煤气相关产耗变量的初始化流程图。

图5是本发明实施例提供的将煤气剩余量分配给热力设备的流程图。

图6是本发明实施例提供的钢铁企业能源系统网络拓扑结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1所示为本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的流程图，所述方法包括以下步骤：

步骤1，用煤气介质管网信息集、煤气公辅设备信息集和热力设备信息集描述钢铁企业的煤气系统网络拓扑结构；其中，煤气介质管网信息集中包括不同品种的煤气介质、不同压力等级的同一品种煤气介质和按混合前煤气介质的不同区分的一种或多种混合煤气介质。

步骤2，根据煤气公辅设备和热力设备的能耗情况确立其输入/输出变量集，结合工艺模型和约束条件，建立与煤气公辅设备和热力设备对应的单元数学模型。

步骤3，判断煤气介质管网信息集中存在混合煤气介质时，根据煤气供需预测结果，确定煤气混合站设备子集中各个煤气混合站设备的入口煤气流量变量。

步骤4，判断煤气介质管网信息集中区分转炉煤气和加压转炉煤气时，初始化转炉煤气的相关变量，包括：转炉煤气的发生量和转炉煤气柜的吞吐变量；初始化加压转炉煤气的相关变量，包括：加压转炉煤气的需求量、加压转炉煤气的发生量、转炉煤气加压站子集中各个设备的加压前煤气流量和加压后煤气流量、煤气混合站的加压转炉煤气消耗量及加压转炉煤气的富余量、热力设备集中的全烧煤气锅炉子集和燃煤掺烧煤气锅炉子集中各个设备的加压转炉煤气消耗量。

步骤5，判断当前煤气介质为高炉煤气或焦炉煤气，以及不区分是否加压的转炉煤气时，初始化当前煤气介质的相关变量，包括：当前煤气介质的发生量和需求量、当前煤气介质管网上煤气柜的吞吐变量；进一步判断煤气介质管网信息集中存在当前煤气介质的加压煤气介质时，将生成当前煤气介质的加压煤气的加压站设备按照出口压力等级的不同归类后随机分配加压前煤气流量和加压后煤气流量；否则，计算当前煤气介质的富余量并将该富余量分配给热力设备集中的全烧煤气锅炉子集和燃煤掺烧煤气锅炉子集中各个设备的当前煤气介质消耗量；判断已经遍历所有的副产煤气介质时，执行步骤6。

步骤6，输出钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解，结束。

本发明实施例提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法，以煤气介质网络拓扑结构上可调度煤气公辅设备的自由变量初始化为主线，按副产煤气发生、缓存、加压、混合/转换、输配和消耗的产耗工艺流程循序推进，通过对副产煤气系统中的全部变量进行随机分配、约束检验、关联检查和调整修正等处理过程，在无需复杂迭代搜索计算的前提下快速得到自然满足所有约束条件的可行解，解决了钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解搜索的技术难题。

进一步的，步骤1中建立的煤气介质管网信息集Φ、煤气公辅设备信息集Θ和热力设备信息集Ω具体可以为：

Φ＝{BFG,COG,LDG,MpBFG,LpCOG,MpCOG,HpCOG,pLDG,MGAS,L}；

Θ＝{HLD,PRE,MIX,EMI,L}；

Ω＝{GBO,CBO,L}。

其中，BFG、COG、LDG分别为高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气介质，MpBFG为中压高炉煤气，LpCOG、MpCOG、HpCOG分别为低压、中压和高压焦炉煤气介质，pLDG为加压转炉煤气介质，MGAS为混合煤气介质；HLD、PRE、MIX、EMI、GBO、CBO分别为煤气柜、煤气加压站、煤气混合站、煤气放散塔、全烧煤气锅炉和燃煤掺烧煤气锅炉设备子集。

步骤2中建立的单元数学模型中的信息包括：煤气公辅设备的煤气消耗量和产生量热力设备的煤气消耗量其中：i为煤气介质管网的序号，j、m分别为煤气公辅设备和热力设备的序号，t为调度周期序号。

步骤3中判断煤气介质管网信息集Φ中不存在混合煤气介质MGAS时，执行步骤4。

根据煤气供需预测结果，将混合煤气需求量分配给生产该混合煤气的设备子集MIX中的煤气混合站，即确定各煤气混合站的出口煤气流量分配方法为在选中设备的混合能力范围内进行随机分配，该分配过程的流程图如图2所示，由图2可知，该过程包括：

步骤301，根据煤气供需预测结果，得到混合煤气MGAS在第t个调度周期内的需求量

步骤302，煤气混合站设备子集MIX中包含的设备数量为N_MIX，对于前(N_MIX-1)个设备的出口煤气流量满足：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{gen}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{gen}}},\mathrm{Max}({\mathrm{lb}}_{x_{i,j}^{\mathrm{gen}}},\mathrm{rand}\left(\mathrm{0,1}\right)*(D_t^{\mathrm{MGAS}}-\underset{k=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{gen}}))),j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\};$

对于最后一个设备的出口煤气流量满足：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{gen}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{gen}}},\mathrm{Max}({\mathrm{lb}}_{x_{i,j}^{\mathrm{gen}}},D_t^{\mathrm{MGAS}}-\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{MIX}}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{gen}})),j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\};$

其中，rand(0,1)为取值区间[0,1]内的随机数，Min(,)表示返回两个实数中较小的一个，Max(,)表示返回两个实数中较大的一个，分别为煤气混合站混合能力的上、下限。

步骤303，初始化已确定出口煤气流量的煤气混合站的入口煤气流量考虑由两种入口煤气介质混合的情况，对于第1种入口煤气，其流量满足：

$x_{i_1,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}(u{b}_{x_{i_1,j}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}({\mathrm{lb}}_{x_{i_1,j}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{rand}\left(\mathrm{0,1}\right)*x_{i,j,t}^{\mathrm{gen}})),j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\}$

而对于第2种入口煤气，其流量满足：

$x_{i_2,j,t}^{\mathrm{sume}}=x_{i,j,t}^{\mathrm{gen}}-x_{i_1,j,t}^{\mathrm{sume}},j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\}$

其中，分别为第1种入口煤气介质流量的上、下限。

步骤4中判断煤气介质管网信息集中不区分转炉煤气和加压转炉煤气时，执行步骤5。

步骤4中初始化转炉煤气LDG和加压转炉煤气pLDG的流程图如图3所示，由图3可知，步骤4中，步骤401，初始化转炉煤气LDG的相关变量的过程包括：

步骤40101，根据煤气供需预测结果，得到转炉煤气LDG在第t个调度周期内的发生量

步骤40102，随机生成转炉煤气柜的吞吐变量

$x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{rand}(-\mathrm{1,1})*({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}}-{\mathrm{lb}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}}),i=\mathrm{LDG},j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\};$

其中，rand(-1,1)为取值区间[-1,1]内的随机数。

步骤40103，判断生成的转炉煤气柜的吞吐变量是否满足：

$\left\{\begin{array}{ccc}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}<G_t^{\mathrm{LDG}},& \mathrm{if}& x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}\&GreaterEqual;0\\ \left|x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}\right|\&le;V_t^{{\mathrm{HLD}}_j},& \mathrm{if}& x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}<0\end{array}\right.,i=\mathrm{LDG},j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\};$

是，执行步骤402，否，执行步骤40102。

校验步骤40102中生成的转炉煤气柜吞吐量的合理性，若大于等于0，对应转炉煤气柜吸纳煤气，则必须小于转炉煤气的发生量；若小于0，对应转炉煤气柜吐出煤气，则其绝对值必须小于上一调度周期末煤气柜的剩余容量若上述条件满足，则转下一步，否则跳转至步骤40102重新初始化转炉煤气柜吞吐量。

步骤402，初始化加压转炉煤气pLDG的相关变量，包括：

步骤40201，根据煤气供需预测结果，得到加压转炉煤气在调度周期t内的需求量

步骤40202，计算第t个调度周期内加压转炉煤气pLDG发生量为：

$G_t^{\mathrm{pLDG}}=G_t^{\mathrm{LDG}}-\underset{i=\mathrm{LDG},j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}};$

计算转炉煤气发生量和所有煤气柜吞吐量之差，作为在调度周期t内加压转炉煤气pLDG发生量

步骤40203，将得到的加压转炉煤气发生量分配给转炉煤气加压站子集中所有设备的加压前煤气流量为：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,G_t^{\mathrm{pLDG}}-\underset{k=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}})),i=\mathrm{LDG},j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\};$

采用“用足”选中加压站设备加压能力的方法分配。

步骤40204，计算转炉煤气加压站子集中所有设备的加压后煤气流量为：

$x_{i^{\&prime;},j,t}^{\mathrm{gen}}=x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}},i=\mathrm{LDG},i^{\&prime;}=\mathrm{pLDG},j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\}.$

步骤40205，计算煤气混合站的加压转炉煤气消耗量然后计算加压转炉煤气的富余量为：

$S_t^{\mathrm{pLDG}}=G_t^{\mathrm{pLDG}}-D_t^{\mathrm{pLDG}}-\underset{i=\mathrm{pLDG},j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}};$

其中，为步骤40104中得到的加压转炉煤气的发生量。

步骤5，初始化煤气介质管网信息集Φ中高炉煤气BFG、焦炉煤气COG和不区分是否加压时的转炉煤气LDG介质的相关产、耗变量，将隐含同步完成各种加压高炉煤气MpBFG和焦炉煤气(LpCOG,MpCOG,HpCOG)介质的相关产、耗变量的初始化，具体的流程图如图4所示，由图4可知，该过程包含：

步骤501，根据煤气供需预测结果，得到当前煤气介质GAS_i在调度周期t内的发生量和需求量

步骤502，初始化当前煤气介质管网上煤气柜的吞吐变量，具体包含：

步骤50201，随机生成当前煤气介质煤气柜的吞吐变量i＝GAS_i,j∈{HLD}，满足：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{rand}(-\mathrm{1,1})*({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}}-{\mathrm{lb}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}}),i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\};$

其中，rand(-1,1)为取值区间[-1,1]内的随机数。

步骤50202，判断生成的当前煤气介质煤气柜的吞吐变量是否满足：

$\left\{\begin{array}{ccc}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}<G_t^{{\mathrm{GAS}}_i},& \mathrm{if}& x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}\&GreaterEqual;0\\ \left|x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}\right|\&le;V_t^{{\mathrm{HLD}}_j},& \mathrm{if}& x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}<0\end{array}\right.,i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\};$

是，执行步骤50203，否，执行步骤50201。

校验步骤50201中生成的当前介质煤气柜吞吐量的合理性，如果条件满足，则转下一步，否则跳转至步骤50201重新初始化转炉煤气柜吞吐量。

步骤50203，计算当前介质所有煤气柜的吞吐量之和为

步骤503，判断当前煤气介质是否为高炉煤气BFG或焦炉煤气COG，并且煤气介质管网信息集Φ中存在同一品种副产煤气的加压煤气介质，是，初始化所有关联的煤气加压站的入口煤气流量i＝GAS_i,j∈{PRE}后，执行步骤504，否，执行步骤504。

初始化所有关联的煤气加压站的入口煤气流量的过程包括：

步骤50301，将生成当前煤气介质的加压煤气的加压站设备按照出口压力等级的不同归类。

步骤50302，根据煤气供需预测结果，得到当前加压煤气介质GAS_i′在调度周期t内的需求量

步骤50303，当前加压煤气介质管网上的所有煤气加压站设备的加压前煤气流量为：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}({0,D}_t^{{\mathrm{GAS}}_{i^{\&prime;}}}-\underset{k=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}})),i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\};$

将步骤50302中得到的加压煤气介质需求量分配给当前加压煤气介质管网上的所有煤气加压站设备(步骤50301中已归类)的加压前煤气流量采用“用足”选中加压站设备加压能力的方法分配。

步骤50304，计算当前加压煤气介质管网上的所有煤气加压站设备的加压后煤气流量为：

$x_{i^{\&prime;},j,t}^{\mathrm{gen}}=x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}},i={\mathrm{GAS}}_i,i^{\&prime;}={\mathrm{GAS}}_{i^{\&prime;}},j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\}$

步骤50305，判断是否遍历当前煤气GAS_i的所有不同压力等级的加压煤气介质，是，执行步骤50306，否，执行步骤50302。

步骤50306，计算当前煤气介质所有加压站设备的煤气消耗量之和

步骤504，判断当前煤气介质管网上是否连接了消耗型的煤气混合站，是，计算所有混合站的当前煤气介质消耗总量执行步骤505，否，执行步骤505。

步骤505，计算当前煤气介质的富余量为：

$S_t^{{\mathrm{GAS}}_i}=(G_t^{{\mathrm{GAS}}_i}-D_t^{{\mathrm{GAS}}_i})-\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}-\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}-\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}.$

步骤506，将当前煤气介质的富余量分配给热力设备集中的全烧煤气锅炉子集GBO和燃煤掺烧煤气锅炉子集CBO，其流程图如图5所示，由图5可知，该过程具体包含：

步骤50601，将当前煤气介质管网上的全烧煤气锅炉和燃煤掺烧煤气锅炉设备归类。

步骤50602，计算全烧煤气锅炉的当前煤气介质消耗变量的上限之和UB_i,m为：

${\mathrm{UB}}_{i,m}=\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}};$

其中，为锅炉m的煤气介质i的消耗变量上限。

步骤50603，判断富余量与UB_i,m的大小关系，若大于等于UB_i,m，执行步骤50604，否，执行步骤50605。

步骤50604，全烧煤气锅炉的入口煤气流量为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}={\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}},i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\};$

燃煤掺烧煤气锅炉的入口煤气流量为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,S_t^{{\mathrm{GAS}}_i}-\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}}-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}})),i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{CBO}\right\}.$

富余量大于等于UB_i,m时，当前煤气介质大量富余，所有全烧煤气锅炉均以最大能力消耗煤气，剩余的煤气由燃煤掺烧煤气锅炉消耗，采用“用足”选中锅炉设备煤气消耗能力的方法分配，两类锅炉的煤气消耗量初始化完成后，跳转至步骤507；

步骤50605，燃煤掺烧煤气锅炉的入口煤气流量为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}=0,i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{CBO}\right\};$

当前煤气介质管网上的全烧煤气锅炉设备子集GBO中包含的设备数量为对于前个设备，其入口煤气流量为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,\mathrm{rand}\left(\mathrm{0,1}\right)*(S_t^{{\mathrm{GAS}}_i}-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}}))),i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\};$

而对于最后一个设备则为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,S_t^{{\mathrm{GAS}}_i}-\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{GBO}}^{{\mathrm{GAS}}_i}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}})),i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\}.$

富余量小于UB_i,m时，当前煤气介质的富余量小于全烧煤气锅炉的消耗能力，按照既定的逻辑，所有的燃煤掺烧煤气锅炉均不消耗煤气，其入口煤气流量满足而煤气富余量将分配给全烧煤气锅炉，采用在选中锅炉设备的煤气消耗能力范围内“随机分配”的方法分配，执行步骤507。

步骤507，判断是否已经遍历所有的副产煤气介质，是则转至步骤6，否则跳转至步骤501。

优选地，步骤6中输出可行解之前还可以包括：检查按照上述方式生成的钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解是否满足煤气公辅设备集和热力设备集中所有设备的工艺约束条件，不满足则进行调整，直至所有工艺约束均满足时为止。

实施例一

本发明提供的实施例一为本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法的具体应用实施例。以新疆克州赣鑫钢铁200万t项目为本发明实施例的研究案例，图6为该钢铁企业能源系统网络拓扑结构示意图，针对其副产煤气系统优化调度问题的可行解进行搜索。煤气系统中包含高炉煤气和转炉煤气2种副产煤气介质，以及高转混合煤气，另外，由于转炉煤气均需加压后使用，所以将转炉煤气和加压转炉煤气视为2种不同的介质。蒸汽系统中包含中压蒸汽和低压蒸汽2种品质等级的蒸汽，温度/压力等物理参数分别为：3.82MPa/450℃、0.9MPa/饱和温度。除此之外，还包含其它的能源介质管网，一并见表1所示。

表1能源介质管网表

煤气系统中可调度的煤气公辅设备包含：1#高炉煤气柜、1#转炉煤气柜、1#转炉煤气加压站、1#高转煤混合站、2#高转煤混合站和1#高炉煤气放散塔等，热力设备包含：1#全烧高炉煤气锅炉、2#全烧高炉煤气锅炉、3#燃煤掺烧煤气锅炉、1#凝汽式汽轮机、2#凝汽式汽轮机和1#减温减压装置等。各设备参数和工艺约束条件见表2～8。

表2煤气柜设备参数和工艺约束条件

表3煤气加压站设备参数和工艺约束条件

表4煤气混合站设备参数和工艺约束条件

表5煤气放散塔设备参数和工艺约束条件

表6锅炉设备参数和工艺约束条件

表7汽轮机设备参数和工艺约束条件

表8减温减压装置设备参数和工艺约束条件

以2015-2-1000:00～00:59时间段内为调度时段，调度周期设为1h，共分为1个周期。几种主要能源介质在调度时段内的预测结果如下表所示。

表9主要能源介质在调度时段内的预测结果

针对上述研究案例，调用本发明提供的一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法，搜索在指定调度时段内的可行解。为了验证本发明的有效性，下面将把随机生成的初始调度方案与应用本发明所提方法得到的可行解进行比对，验证后者得到可行解的难易程度。

按照本发明提出的方法，确定煤气介质管网信息集Φ、煤气公辅设备信息集Θ、热力设备信息集Ω，如下：

Φ＝{高炉煤气，转炉煤气，加压转炉煤气，高转混合煤气}

Θ＝{1#高炉煤气柜、1#转炉煤气柜、1#转炉煤气加压站、

1#高转煤混合站、2#高转煤混合站和1#高炉煤气放散塔}

Ω＝{1#全烧高炉煤气锅炉、2#全烧高炉煤气锅炉、3#燃煤掺烧煤气锅炉}

按单元设备能源产耗情况建立的输入/输出变量集如下表所示。

表10输入/输出变量集

表11列出了30组随机生成的初始调度方案，表中仅列出了自由变量的初始化结果，其他如z₁等非自由变量无需随机生成，由关联的自由变量计算得到，表中用“-”表示。表中自由变量x₁、x₂出现的负数表示煤气柜向外吐出煤气，相反，正数则表示其吸纳煤气。可以很容易验算得知，随机生成的初始调度方案很难满足单元设备的个体工艺约束，要满足能源介质的整体平衡约束更是几乎不可能出现的小概率事件。经检验可知，所有随机生成的初始调度方案均为不可行解。

表11 30组随机生成的初始调度方案

表12列出了调用本发明提出的方法生成的初始调度方案。表中非自由变量x₁₁为0表示对应的方案中高炉煤气的放散量为0，即无放散。在序号为1、2、11、12等少数几个方案中，非自由变量y₃为50，表明3#燃煤锅炉以最小负荷运行，以满足主生产工序对中压蒸汽的需求。经检验可知，所有方案均为可行解。

表12调用本发明提出的方法生成的30组初始调度方案

表11和表12中分别列出的30组自由变量集仅仅是一个示例，实际上，作者进行了多次对比试验，结果表明，随机生成的初始调度方案全部为不可行解，而应用本发明提出的方法生成的初始调度方案则均为可行解。

综上所述，本发明公开的方法较好的解决了所面临的技术难题，提出了一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法，以煤气介质网络拓扑结构上可调度煤气公辅设备的自由变量初始化为主线，按副产煤气发生、缓存、加压、混合/转换、输配和消耗的产耗工艺流程循序推进，通过对副产煤气系统中的全部变量进行随机分配、约束检验、关联检查和调整修正等处理过程，在无需复杂迭代搜索计算的前提下快速得到自然满足所有约束条件的可行解。

本领域普通技术人员还可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，包括ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种确定钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，用煤气介质管网信息集、煤气公辅设备信息集和热力设备信息集描述钢铁企业的煤气系统网络拓扑结构；

所述煤气介质管网信息集中包括不同品种的煤气介质、不同压力等级的同一品种煤气介质和按混合前煤气介质的不同区分的一种或多种混合煤气介质；

步骤2，根据煤气公辅设备和热力设备的能耗情况确立其输入/输出变量集，结合工艺模型和约束条件，建立与所述煤气公辅设备和所述热力设备对应的单元数学模型；

步骤3，判断所述煤气介质管网信息集中存在所述混合煤气介质时，根据煤气供需预测结果，确定煤气混合站设备子集中各个煤气混合站设备的入口煤气流量变量；

步骤4，判断所述煤气介质管网信息集中区分转炉煤气和加压转炉煤气时，初始化所述转炉煤气的相关变量，包括：转炉煤气的发生量和转炉煤气柜的吞吐变量；初始化加压转炉煤气的相关变量，包括：加压转炉煤气的需求量、加压转炉煤气的发生量、转炉煤气加压站子集中各个设备的加压前煤气流量和加压后煤气流量、煤气混合站的加压转炉煤气消耗量及加压转炉煤气的富余量、热力设备集中的全烧煤气锅炉子集和燃煤掺烧煤气锅炉子集中各个设备的加压转炉煤气消耗量；

步骤5，判断当前煤气介质为高炉煤气或焦炉煤气，以及不区分是否加压的转炉煤气时，初始化所述当前煤气介质的相关变量，包括：所述当前煤气介质的发生量和需求量、所述当前煤气介质管网上煤气柜的吞吐变量；进一步判断所述煤气介质管网信息集中存在所述当前煤气介质的加压煤气介质时，将生成所述当前煤气介质的加压煤气的加压站设备按照出口压力等级的不同归类后随机分配加压前煤气流量和加压后煤气流量；否则，计算所述当前煤气介质的富余量并将所述富余量分配给所述热力设备集中的全烧煤气锅炉子集和燃煤掺烧煤气锅炉子集中各个设备的所述当前煤气介质消耗量；判断已经遍历所有的副产煤气介质时，执行步骤6；

步骤6，输出钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解，结束。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中建立的所述煤气介质管网信息集Φ、所述煤气公辅设备信息集Θ和所述热力设备信息集Ω为：

Φ＝{BFG,COG,LDG,MpBFG,LpCOG,MpCOG,HpCOG,pLDG,MGAS,L}；

Θ＝{HLD,PRE,MIX,EMI,L}；

Ω＝{GBO,CBO,L}；

其中，BFG、COG、LDG分别为高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气介质，MpBFG为中压高炉煤气，LpCOG、MpCOG、HpCOG分别为低压、中压和高压焦炉煤气介质，pLDG为加压转炉煤气介质，MGAS为混合煤气介质；HLD、PRE、MIX、EMI、GBO、CBO分别为煤气柜、煤气加压站、煤气混合站、煤气放散塔、全烧煤气锅炉和燃煤掺烧煤气锅炉设备子集。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中建立的所述单元数学模型中的信息包括：所述煤气公辅设备的煤气消耗量和产生量所述热力设备的煤气消耗量其中：i为煤气介质管网的序号，j、m分别为煤气公辅设备和热力设备的序号，t为调度周期序号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3中判断所述煤气介质管网信息集Φ中不存在混合煤气介质MGAS时，执行步骤4；

所述步骤3包括：

步骤301，根据煤气供需预测结果，得到所述混合煤气MGAS在第t个调度周期内的需求量

步骤302，所述煤气混合站设备子集MIX中包含的设备数量为N_MIX，对于前(N_MIX-1)个设备的出口煤气流量满足：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{gen}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{gen}}},\mathrm{Max}({\mathrm{lb}}_{x_{i,j}^{\mathrm{gen}}},\mathrm{rand}\left(\mathrm{0,1}\right)*(D_t^{\mathrm{MGAS}}-\underset{k=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{gen}}))),j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\};$

对于最后一个设备的出口煤气流量满足：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{gen}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{gen}}},\mathrm{Max}({\mathrm{lb}}_{x_{i,j}^{\mathrm{gen}}},D_t^{\mathrm{MGAS}}-\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{MIX}}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{gen}})),j=\left\{\mathrm{MIX}\right\};$

其中，rand(0,1)为取值区间[0,1]内的随机数，Min(,)表示返回两个实数中较小的一个，Max(,)表示返回两个实数中较大的一个，分别为所述煤气混合站混合能力的上、下限；

步骤303，初始化已确定出口煤气流量的所述煤气混合站的入口煤气流量考虑由两种入口煤气介质混合的情况，对于第1种入口煤气，其流量满足：

$x_{i_1,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i_1,j}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}({\mathrm{lb}}_{x_{i_1,j}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{rand}\left(\mathrm{0,1}\right)*x_{i,j,t}^{\mathrm{gen}})),j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\}$

而对于第2种入口煤气，其流量满足：

$x_{i_2,j,t}^{\mathrm{sume}}=x_{i,j,t}^{\mathrm{gen}}-x_{i_1,j,t}^{\mathrm{sume}},j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\}$

其中，分别为第1种入口煤气介质流量的上、下限。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤4中判断所述煤气介质管网信息集中不区分所述转炉煤气和所述加压转炉煤气时，执行所述步骤5；

所述步骤4中，步骤401，初始化所述转炉煤气LDG的相关变量，包括：

步骤40101，根据煤气供需预测结果，得到所述转炉煤气LDG在第t个调度周期内的发生量

步骤40102，随机生成转炉煤气柜的吞吐变量

$x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{rand}(-\mathrm{1,1})*({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}}-{\mathrm{lb}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}}),i=\mathrm{LDG},j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\};$

其中，rand(-1,1)为取值区间[-1,1]内的随机数；

步骤40103，判断所述生成的转炉煤气柜的吞吐变量是否满足：

$\left\{\begin{array}{ccc}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}<G_t^{\mathrm{LDG}},& \mathrm{if}& x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}\&GreaterEqual;0\\ \left|x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}\right|\&le;V_t^{{\mathrm{HLD}}_j},& \mathrm{if}& x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}<0\end{array}\right.,i=\mathrm{LDG},j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\};$

是，执行步骤402，否，执行所述步骤40102；

步骤402，初始化所述加压转炉煤气pLDG的相关变量，包括：

步骤40201，根据煤气供需预测结果，得到所述加压转炉煤气在调度周期t内的需求量 $D_t^{\mathrm{pLDG}};$

步骤40202，计算第t个调度周期内所述加压转炉煤气pLDG发生量为：

$G_t^{\mathrm{pLDG}}=G_t^{\mathrm{LDG}}-\underset{i=\mathrm{LDG},j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}};$

步骤40203，将得到的所述加压转炉煤气发生量分配给转炉煤气加压站子集中所有设备的加压前煤气流量为：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,G_t^{\mathrm{pLDG}}-\underset{k=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}})),i=\mathrm{LDG},j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\};$

步骤40204，计算所述转炉煤气加压站子集中所有设备的加压后煤气流量为：

$x_{i^{\&prime;},j,t}^{\mathrm{gen}}=x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}},i=\mathrm{LDG},i^{\&prime;}=\mathrm{pLDG},j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\};$

步骤40205，计算所述煤气混合站的加压转炉煤气消耗量计算所述加压转炉煤气的富余量为：

$S_t^{\mathrm{pLDG}}=G_t^{\mathrm{pLDG}}-D_t^{\mathrm{pLDG}}-\underset{i=\mathrm{pLDG},j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}.$

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤5包括：

步骤501，根据煤气供需预测结果，得到所述当前煤气介质GAS_i在调度周期t内的发生量和需求量

步骤502，初始化所述当前煤气介质管网上煤气柜的吞吐变量；

步骤503，判断所述当前煤气介质是否为高炉煤气BFG或焦炉煤气COG，并且所述煤气介质管网信息集Φ中存在同一品种副产煤气的加压煤气介质，是，初始化所有关联的煤气加压站的入口煤气流量后，执行步骤504，否，执行步骤504；

步骤504，判断当前煤气介质管网上是否连接了消耗型的所述煤气混合站，是，计算所有所述煤气混合站的当前煤气介质消耗总量执行步骤505，否，执行步骤505；

步骤505，计算所述当前煤气介质的富余量为：

$S_t^{{\mathrm{GAS}}_i}=(G_t^{{\mathrm{GAS}}_i}-D_t^{{\mathrm{GAS}}_i})-\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}-\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}-\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{MIX}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}};$

步骤506，将所述当前煤气介质的富余量分配给所述热力设备集中的全烧煤气锅炉子集GBO和燃煤掺烧煤气锅炉子集CBO；

步骤507，判断是否已经遍历所有的副产煤气介质，是则转至所述步骤6，否则跳转至所述步骤501。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤502包括：

步骤50201，随机生成所述当前煤气介质煤气柜的吞吐变量满足：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{rand}(-\mathrm{1,1})*({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}}-{\mathrm{lb}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}}),i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\};$

其中，rand(-1,1)为取值区间[-1,1]内的随机数；

步骤50202，判断所述生成的当前煤气介质煤气柜的吞吐变量是否满足：

$\left\{\begin{array}{ccc}{x}_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}<G_t^{{\mathrm{GAS}}_i},& \mathrm{if}& x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}\&GreaterEqual;0\\ \left|x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}\right|\&le;V_t^{{\mathrm{HLD}}_j},& \mathrm{if}& x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}<0\end{array}\right.,i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{HLD}\right\};$

是，执行步骤50203，否，执行所述步骤50201；

步骤50203，计算所述当前介质所有煤气柜的吞吐量之和为

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤503中初始化所有关联的煤气加压站的入口煤气流量的过程包括：

步骤50301，将生成所述当前煤气介质的加压煤气的煤气加压站设备按照出口压力等级的不同归类；

步骤50302，根据煤气供需预测结果，得到所述当前加压煤气介质GAS_i′在调度周期t内的需求量

步骤50303，确定当前加压煤气介质管网上的所有煤气加压站设备的加压前煤气流量为：

$x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,j}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,D_t^{{\mathrm{GAS}}_{i^{\&prime;}}}-\underset{k=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}})),i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\};$

步骤50304，计算所述当前加压煤气介质管网上的所有煤气加压站设备的加压后煤气流量为：

$x_{i^{\&prime;},j,t}^{\mathrm{gen}}=x_{i,j,t}^{\mathrm{sume}},i={\mathrm{GAS}}_i,i^{\&prime;}={\mathrm{GAS}}_{i^{\&prime;}},j\&Element;\left\{\mathrm{PRE}\right\};$

步骤50305，判断是否遍历所述当前煤气GAS_i的所有不同压力等级的加压煤气介质，是，执行步骤50306，否，执行所述步骤50302；

步骤50306，计算所述当前煤气介质所有加压站设备的煤气消耗量之和

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤506包括：

步骤50601，将所述当前煤气介质管网上的全烧煤气锅炉和燃煤掺烧煤气锅炉设备归类；

步骤50602，计算全烧煤气锅炉的当前煤气介质消耗变量的上限之和UB_i,m为：

${\mathrm{UB}}_{i,m}=\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}};$

其中，为锅炉m的煤气介质i的消耗变量上限；

步骤50603，判断所述富余量与UB_i,m的大小关系，若大于等于UB_i,m，执行步骤50604，否，执行步骤50605；

步骤50604，确定所述全烧煤气锅炉的入口煤气流量为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}={\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}},i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\};$

燃煤掺烧煤气锅炉的入口煤气流量为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,S_t^{{\mathrm{GAS}}_i}-\underset{i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}}-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}})),i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{CBO}\right\};$

执行所述步骤507；

步骤50605，所述燃煤掺烧煤气锅炉的入口煤气流量为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}=0,i={\mathrm{GAS}}_i,m\&Element;\left\{\mathrm{CBO}\right\};$

所述当前煤气介质管网上的所述全烧煤气锅炉设备子集GBO中包含的设备数量为对于前个设备，其入口煤气流量为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,\mathrm{rand}\left(\mathrm{0,1}\right)*(S_t^{{\mathrm{GAS}}_i}-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}}))),i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\};$

对于最后一个设备则为：

$x_{i,m,t}^{\mathrm{sume}}=\mathrm{Min}({\mathrm{ub}}_{x_{i,m}^{\mathrm{sume}}},\mathrm{Max}(0,S_t^{{\mathrm{GAS}}_i}-\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{GBO}}^{{\mathrm{GAS}}_i}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{i,k,t}^{\mathrm{sume}})),i={\mathrm{GAS}}_i,j\&Element;\left\{\mathrm{GBO}\right\};$

执行步骤所述507。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6中输出可行解之前还包括：检查生成的所述钢铁企业副产煤气系统优化调度可行解是否满足所述煤气公辅设备集和所述热力设备集中所有设备的工艺约束条件，不满足则进行调整，直至所有工艺约束均满足时为止。