CN105654193A - 一种钢铁企业氧气优化调度系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种钢铁企业氧气优化调度系统及方法，属于钢铁企业信息化技术领域。包括：设备工况类型定义模块、工况氧气特性管理模块、工况组合工具模块、最优方案求解模块、调度方案保存与回放模块等五个模块,五个模块均运行在调度计算机上，上述五个模块涉及的工况类型数据、工况氧气特性数据、调度方案数据等均保存在关系数据库软件中，所书的关系数据库软件运行在服务器上，调度计算机与服务器之间通过局域网连接。优点在于，解决多种复杂工况组合下的氧气精细化调度问题，提供易于交互的氧气调度系统，从而帮助氧气调度人员提高调度水平和反应速度，降低氧气成本，减少制氧设备调节频率，提高生产稳定性。

Description

一种钢铁企业氧气优化调度系统及方法

技术领域

本发明属于钢铁企业信息化技术领域，特别是涉及一种钢铁企业氧气优化调度系统及方法。

背景技术

氧气系统是钢铁企业不可或缺的组成部分，它的主要任务是在钢铁生产过程中向高炉炼铁、转炉炼钢提供氧气、氮气、氩气，向后续的连轧、连铸工艺过程提供保护性氮气、氩气。作为钢铁厂的二次能源，生产这些技术气体需要消耗大量的能源，氧气系统电耗占钢铁企业总能耗的比例非常高，以首钢京唐为例，氧气系统的电耗占钢铁企业总电耗的16％左右。

氧气放散是在钢铁生产过程中，氧气供大于求，从而导致管网压力上升，为了防止安全阀起跳而通过自动或人工操作将多余的氧气放空进入大气，降低管网压力，保证管网安全。目前，大多数钢铁企业的氧气放散率在2％-10％，个别甚至高达18％，这就造成了很大的能源浪费。以某年钢产量为1000万吨的钢铁企业为例，氧气放散为10％，因放散引起的损失约为2.7万吨标煤，直接经济损失1000多万元人民币。

氧气系统同时生产氧气、氮气、氩气等产品，它们都是重要的工业气体。其中，气态产品主要用于钢铁生产，通过管网输送；而液态产品保存在液体储槽中备用或外卖。液态氧、氮、氩是市场上大量需求的产品，随着市场价格的波动，其利润也不断变化；相对而言，供内部钢铁生产是主要目的，价格较为稳定。

氧气系统的运行规律与设备、原材料和产品种类等密切相关，是各种工况下设备产、用氧规律的叠加。这里的工况指设备一段时间内的一种工作状态，例如运行、故障、停机等，不同工况下的产、用氧规律不同。氧气调度人员的职责是，在满足生产需要的前提下使氧气使用成本尽可能低，这就要求调度人员制定氧气调配方案以适应各种工况变化，多台转炉同时、集中使用会造成管网压力迅速下降，不仅影响使用还会影响系统安全。

企业目前的氧气计划和调度仍是以满足生产需要为主的敞口供应模式，氧气放散率高、成本偏高、系统不稳定；现在的调度基本是电话联系，不能解决多种复杂工况组合下的氧气精细化调度问题；计划也是按统计值给出的一个总数，没能细化到设备生产节奏等时间过程中。

与调度有关的研究多集中在生产调度方面。例如，中国专利局2008年11月12日公开的合肥工业大学申请的专利《基于实时工况的变权式随机调度方法》(CN101303597)是针对生产调度不确定问题影响下的重调度问题，2006年5月24日公开的上海宝信软件股份有限公司申请的专利《炼钢连铸生产工艺中的出钢计划排程方法》(CN1775416)是针对间歇炼钢适应连续铸钢的生产排程问题。也有针对单一设备的能源调度，如2011年4月20日公布的上海宝信软件股份有限公司申请的专利《基于热平衡的热轧加热炉能源调度方法》(CN102021312)。另有一些利用数学规划方法将调度问题归结为最优化问题的研究，因其只适用于某些特定工况组合，且与调度人员的可交互性差，没有体现综合效益，不能解决本发明所针对的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提出了一种钢铁企业氧气优化调度系统及方法，基于综合效益分析的氧气系统优化调度方法。解决多种复杂工况组合下的氧气精细化调度问题，提供易于交互的氧气调度系统，从而帮助氧气调度人员提高调度水平和反应速度，降低氧气成本，减少制氧设备调节频率，提高生产稳定性。

本发明用工况来表达用氧设备的状态，并记录该工况下氧气消耗的数据，提供可移动甘特图工具定义一段时间内各种设备的工况组合，并根据综合效益最大原则求解出该段时间内最优氧气出力方案，提供工具对方案进行保存和回放。

本发明的氧气调度系统包括：设备工况类型定义模块、工况氧气特性管理模块、工况组合工具模块、最优方案求解模块、调度方案保存与回放模块等五个模块,五个模块均运行在调度计算机上，上述五个模块涉及的工况类型数据、工况氧气特性数据、调度方案数据等均保存在关系数据库软件中，所书的关系数据库软件运行在服务器上，调度计算机与服务器之间通过局域网连接。

(1)设备工况类型定义模块，根据设备类型、规格，以及原材料、产成品的类型、规格不同，定义各种工况，典型的工况如：运行、故障、停机、检修、休风、吹炼等，每种工况由一个名称作为助记符，包含工况持续时间等信息，设备的工况类型可以由调度人员根据实践经验逐渐丰富；

(2)工况氧气特性管理模块，定义设备在某工况下消耗氧气的数量随时间的变化规律，可用典型样本数据或数量-时间函数关系式来表征这一规律，对已发生的工况，可直接从历史数据中抽取该工况时间范围内的氧气数据作为样本；

(3)工况组合工具模块，提供可移动甘特图工具，甘特图的横坐标轴为时间、纵坐标轴为设备，甘特图上每个图块表示设备的一种工况，图块宽度表示工况的持续时间，不同类型的工况通过图块上的颜色和文本进行区分，可以横向拖动图块改变其开始、结束时间，可以从生产排程计划中提取生产设备的工况组合，或者直接从设备工况类型定义模块1中选择设备工况进行组合，调度方案一般表现为对用氧设备工况的设定和对工况时间起点的调整；

(4)最优方案求解模块，伴随工况组合工具模块3的工况组合定义，氧气的消耗速率、各时刻该氧气的消耗的累计值，氧气的数据来自工况能源介质特性管理模块2，调用最优化算法，求解以氧气发生、消耗、存储等设备综合效益最大为目标的制氧机氧气出力的最优方案；

(5)调度方案保存与回放模块，通过设备工况类型定义模块1、工况氧气特性管理模块2、工况组合工具模块3、最优方案求解模块4制定的调度方案可以保存下来，待再次出现相同或类似场景时回放使用，以便调度人员不断积累最佳调度实践，提高调度水平和反应速度。

本发明进行氧气调度的步骤如下：

第一步，在设备工况类型定义模块定义设备工况类型；

第二步，在工况氧气特性管理模块，定义设备在某工况下发生、消耗氧气的种类以及数量随时间的变化规律；

第三步，在工况组合工具模块定义一段时间内设备的工况组合；

第四步，根据第三步得到的氧气消耗数据，计算最佳氧气出力方案；

第五步，对调度方案进行使用和保存。

本发明将复杂的氧气调度问题转化为设备的工况组合问题，提供了易用的工况组合工具、最优方案求解模块；将调度人员从微观能源数据中解放出来，不断积累各种工况场景下的最佳调度实践，提高调度人员水平和反应速度；同时，将调度人员的工作从事故应急式调度转变为主动的成本优化式调度，降低企业能源成本，减少设备调整频率，提高生产稳定性。

优点在于，将复杂的氧气调度问题转化为设备的工况组合问题，易于交互，便于调度人员积累最佳调度实践，提高调度人员水平，减少设备调整频率，降低企业用氧成本。

附图说明

图1为一种基于综合效益分析的氧气系统优化调度系统结构图。其中，设备工况类型定义模块1、工况能源介质特性管理模块2、工况组合工具模块3、最优方案求解模块4、调度方案保存与回放模块5。

图2为工况组合工具示意图。

图3为一种基于设备工况组合的氧气调度方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于综合效益分析的氧气系统优化调度方法和的系统技术方案是，包括设备工况类型定义模块1、工况氧气特性管理模块2、工况组合工具模块3、最优方案求解模块4、调度方案保存与回放模块5等五个模块，模块之间的关系：设备工况类型定义模块1分别输出设备工况给工况氧气特性管理模块2、工况组合工具模块3；工况组合工具模块3输出工况氧气特性给最优方案求解模块4；最优方案求解模块4输出最优方案给调度方案保存与回放模块5进行使用和保存。

如图2所示，本发明的工况组合工具采用可移动的甘特图，甘特图的横坐标轴为时间、纵坐标轴为设备，甘特图上每个图块表示设备的一种工况，图块宽度表示工况的持续时间，不同类型的工况通过图块上的颜色和文本进行区分，可以横向拖动图块改变其开始、结束时间。

如图3所示，实施本发明的步骤包括：第一步，在设备工况类型定义模块，根据设备类型、规格，以及原材料、产成品的类型、规格不同，定义各种工况以覆盖设备的所有状态；第二步，在工况氧气特性管理模块，定义设备在某工况下发生、消耗氧气的数量随时间的变化规律；第三步，在工况组合工具模块，利用如图2的甘特图定义设备的工况组合，可以从生产排程计划中导入生产设备的工况组合，或者直接从设备工况类型定义模块中选择设备工况进行组合；第四步，系统根据第三步的工况组合自动生成氧气消耗数据，利用氧气发生、消耗、存储设备的运行及调整成本约束，以综合效益最大为目标，求解最优出力方案；第五步，对最优的调度方案进行保存和查看。

调度人员遇到相同或类似的场景时，可以打开已保存的调度方案，参考方案进行调度。

Claims (2)

1.一种钢铁企业氧气优化调度系统，其特征在于，包括：设备工况类型定义模块、工况氧气特性管理模块、工况组合工具模块、最优方案求解模块、调度方案保存与回放模块等五个模块,五个模块均运行在调度计算机上，上述五个模块涉及的工况类型数据、工况氧气特性数据、调度方案数据等均保存在关系数据库软件中，所书的关系数据库软件运行在服务器上，调度计算机与服务器之间通过局域网连接；

设备工况类型定义模块，根据设备类型、规格，以及原材料、产成品的类型、规格不同，定义各种工况，典型的工况如：运行、故障、停机、检修、休风、吹炼等，每种工况由一个名称作为助记符，包含工况持续时间信息；

工况氧气特性管理模块，定义设备在某工况下消耗氧气的数量随时间的变化规律，用典型样本数据或数量-时间函数关系式来表征这一规律，对已发生的工况，直接从历史数据中抽取该工况时间范围内的氧气数据作为样本；

工况组合工具模块，提供可移动甘特图工具，甘特图的横坐标轴为时间、纵坐标轴为设备，甘特图上每个图块表示设备的一种工况，图块宽度表示工况的持续时间，不同类型的工况通过图块上的颜色和文本进行区分，横向拖动图块改变其开始、结束时间，从生产排程计划中提取生产设备的工况组合，或者直接从设备工况类型定义模块中选择设备工况进行组合，调度方案一般表现为对用氧设备工况的设定和对工况时间起点的调整；

最优方案求解模块，伴随工况组合工具模块的工况组合定义，氧气的消耗速率、各时刻该氧气的消耗的累计值，氧气的数据来自工况能源介质特性管理模块，调用最优化算法，求解以氧气发生、消耗、存储等设备综合效益最大为目标的制氧机氧气出力的最优方案；

调度方案保存与回放模块，通过设备工况类型定义模块、工况氧气特性管理模块、工况组合工具模块、最优方案求解模块制定的调度方案保存下来，待再次出现相同或类似场景时回放使用。

2.一种采用权利要求1所述系统的钢铁企业氧气优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在设备工况类型定义模块定义设备工况类型；

第二步，在工况氧气特性管理模块，定义设备在某工况下发生、消耗氧气的种类以及数量随时间的变化规律；

第三步，在工况组合工具模块定义一段时间内设备的工况组合；

第四步，根据第三步得到的氧气消耗数据，计算最佳氧气出力方案；

第五步，对调度方案进行使用和保存。