CN105814504A - 能量供需运用指导装置以及炼钢厂内的能量供需运用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能量供需运用指导装置及炼钢厂内的能量供需运用方法。模型计算部(16)利用由作业风险参数收集部(15)收集的作业风险参数而执行气体、蒸气以及电力的供需运用的最优化计算。由此，能够执行在能够允许的作业风险下使作业成本最小化的气体、蒸气以及电力的供需运用。

Description

能量供需运用指导装置以及炼钢厂内的能量供需运用方法
技术领域
本发明涉及对炼钢厂内的气体、蒸气以及电力的供需运用作业进行支援的能量供需运用指导装置以及炼钢厂内的能量供需运用方法。
背景技术
通常，在炼钢厂，对作为副产物而从高炉产生的高炉气体(B气体)、从炼焦炉产生的炼焦气体(C气体)以及从LD转炉产生的转炉气体(LD气体)直接或作为混合气体(M气体)而在炼钢厂内进行再利用。此处，当在气体超过贮存该气体的贮气器(gasholder)的量级(level)而出现剩余的状况下运用时，必须使剩余气体向大气中扩散，从而造成损失。另一方面，在气体需求量大于气体供给量而导致气体不足的形势下，对炼钢厂的作业产生影响，从而同样造成损失。因此，在炼钢厂，需要根据气体的供需量而适当地运用气体。
另外，在炼钢厂，还需要与气体同样地适当地运用蒸气，特别是应当避免蒸气不足。通常，蒸气能够通过从LD气体的余热锅炉、BTG(Boilersteam-TurbineGenerator：锅炉汽轮发电机)、CDQ(CokeDryQuenchingsystem：干熄焦系统)等的自厂发电用的汽轮机实施抽气(从涡轮的中途取出蒸气)而获得。然而，在实施抽气的情况下，自厂的发电量降低，为了满足炼钢厂所需的电量而使得购买的电量增加，从而导致电力成本增加。
另外，在尽管实施抽气但也能预料到蒸气不足的情况下，进行将涡轮解列而直接获得蒸气的涡轮分流(turbinebypass)。在该涡轮分流中，蒸气未被输送至涡轮，因此自厂的发电量为零，从而与实施抽气时相比，电力成本进一步增加。然而，在未实施涡轮分流的情况下，为了应对蒸气不足，需要从其他同行那里购买蒸气，从而花费蒸气成本。这样，由于蒸气成本与电力成本存在权衡取舍(trade-off)的关系，因此要求在蒸气及电力的运用过程中进行适当的判断。
如上，在炼钢厂，要求以低成本运用气体、蒸气以及电力。从这样的背景出发，提出了使炼钢厂或各种供给能量的工厂的运用在成本方面最优化的技术。具体而言，在专利文献1、2以及非专利文献1中记载了如下技术：作为线性混合整数规划问题或非线性混合整数规划问题而使工厂与其作业成本公式化，并利用各种最优化方法而使工厂的运用在成本方面最优化。
专利文献1：日本特开2006-85236号公报
专利文献2：日本特开2004-171548号公报
非专利文献1：“混合系统的预测控制以及对其过程控制的应用，系统/控制/信息(ハイブリッドシステムの予測制御とそのプロセス制御への適用”、システム/制御/情報)、Vol.46、No.3、pp.110-119、2002
在专利文献1、2以及非专利文献1所记载的技术中，将工厂负荷、设备输入输出特性以及燃料价格变动等的不确定因素视为随机因素，将其期望值、方差代入目标函数，由此考虑不确定要素而使工厂的运用费用最小化。另一方面，特别是站在负责炼钢厂的能量运用的操作人员的立场，需要以使作业成本最小化的运用为目标，并且还需要实施避免由气体不足、蒸气不足所造成的作业风险的运用。
然而，在专利文献1、2以及非专利文献1所记载的技术中，目标函数、工厂模型中并未包含控制作业风险的参数。因此，根据专利文献1、2以及非专利文献1所记载的技术，无法得到考虑了作业风险的解或指导输出。通常，作业风险与作业成本存在权衡取舍的关系。若能够通过对表示作业风险的参数进行设定并在能够允许的作业风险下使作业成本最小化，则能够得到可靠性较高的解或指导输出。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够执行在能够允许的作业风险下使作业成本最小化的能量的供需运用的能量供需运用指导装置以及炼钢厂内的能量供需运用方法。
本发明所涉及的能量供需运用指导装置利用工厂模型与成本模型，其中，该工厂模型描述了炼钢厂内的气体及蒸气的供需平衡、利用上述气体及上述蒸气进行发电的发电设备以及贮存上述气体的贮气器的输入输出特性、以及上述炼钢厂的电力需求量与来自上述发电设备及电力公司的电力供给量的电力供需平衡，该成本模型描述了上述炼钢厂的作业成本，由此执行上述炼钢厂的气体、蒸气以及电力的供需运用的最优化计算，并将最优化计算结果作为指导输出值而输出，该能量供需运用指导装置的特征在于，具备：最新数据收集部，其获取上述工厂模型中所包含的变量的最新值；工厂运转预定计划收集部，其收集与上述炼钢厂及上述发电设备的运转计划相关的信息；模型参数收集部，其收集上述工厂模型及上述成本模型的设定值；供需预测部，其利用上述最新数据收集部、上述工厂运转预定计划收集部以及上述模型参数收集部所收集的信息来进行上述炼钢厂的气体、蒸气以及电力的供需预测；作业风险参数收集部，其收集对上述指导输出值的作业风险进行调整的作业风险参数；模型计算部，其利用上述供需预测部的供需预测结果、上述模型参数收集的上述工厂模型及上述成本模型的设定值、以及上述作业风险参数收集部收集的作业风险参数来执行气体、蒸气以及电力的供需运用的最优化计算；以及指导部，其将上述模型计算部的最优化计算的结果作为指导输出值而输出。
在上述发明的基础上，本发明所涉及的能量供需运用指导装置的特征在于，上述作业风险参数中至少包含气体不足风险参数以及蒸气不足风险参数，上述气体不足风险参数表示气体在上述炼钢厂中不足的风险，上述蒸气不足风险参数表示蒸气在上述炼钢厂中不足的风险。
本发明所涉及的炼钢厂内的能量供需运用方法的特征在于，基于从本发明所涉及的能量供需运用指导装置输出的指导输出值，将气体的供给目的地分成贮气器以及需求目的地，并且将蒸气的供给目的地分成需求目的地。
本发明所涉及的炼钢厂内的能量供需运用方法的特征在于，基于从本发明所涉及的能量供需运用指导装置输出的指导输出值，以使得贮气器的量级不低于防备气体不足风险的量级的方式运用气体。
本发明所涉及的炼钢厂内的能量供需运用方法的特征在于，基于从本发明所涉及的能量供需运用指导装置输出的指导输出值，进行防备蒸气不足的涡轮分流的设定。
根据本发明所涉及的能量供需运用指导装置以及炼钢厂内的能量供需运用方法，能够执行在能够允许的作业风险下使作业成本最小化的能量的供需运用。
附图说明
图1是示出作为本发明的一实施方式的能量供需运用指导装置的结构的框图。
图2是用于对气体不足风险参数进行说明的图。
图3是用于对涡轮分流进行说明的图。
图4是示出在使炼钢厂的气体、蒸气、电力的供需运用最优化的最优化计算中设定了气体不足风险参数的情况下、与未设定气体不足风险参数的情况下的贮气器量级的时间变化的图。
图5是示出在使炼钢厂的气体、蒸气、电力的供需运用最优化的最优化计算中未设定蒸气不足风险参数的情况下的蒸气供给源的蒸气量的趋势的图。
图6是示出在使炼钢厂的气体、蒸气、电力的供需运用最优化的最优化计算中设定了蒸气不足风险参数的情况下的蒸气供给源的蒸气量的趋势的图。
具体实施方式
以下，参照附图对作为本发明的一实施方式的能量供需运用指导装置以及炼钢厂内的能量供需运用方法进行详细说明。
〔工厂模型及成本模型〕
首先，对作为本发明的一实施方式的能量供需运用指导装置以使得作业成本最小的方式使炼钢厂的气体、蒸气以及电力的供需运用最优化的最优化计算时所使用的工厂模型以及成本模型进行说明。
工厂模型包含：以下表1中示出的利用在炼钢厂内产生的气体及蒸气进行发电的自厂发电设备(BTG、CDQ、TRT等)以及对炼钢厂内产生的气体进行贮存的贮气器的输入输出特性、以及以下表2中示出的描述炼钢厂内的气体(B气体、C气体、LD气体、M气体)和蒸气的供需平衡以及炼钢厂的电力需求量与来自自厂发电设备及电力公司的电力供给量的电力供需平衡的约束条件，作为混合整数规划问题而使该工厂模型公式化。此外，能够根据使抽气量达到最大时的蒸气的过量或不足而进行是否在BTG、CDQ中实施涡轮分流的判断，并能够作为混合整数规划问题而使其公式化。
表1
表2
成本模型由炼钢厂内的电力成本、蒸气成本以及自厂发电成本的总和来表示，如以下表3所示那样使各成本公式化。
表3
电力 购电成本-售电优点
蒸气 外部购买量
自厂发电 自厂发电锅炉供给用的纯水量
〔能量供需运用指导装置的结构〕
接下来，参照图1对作为本发明的一实施方式的能量供需运用指导装置的结构进行说明。
图1是示出作为本发明的一实施方式的能量供需运用指导装置的结构的框图。如图1所示，作为本发明的一实施方式的能量供需运用指导装置具备最新数据收集部11、工厂运转预定计划收集部12、模型参数收集部13、供需预测部14、作业风险参数收集部15、模型计算部16以及指导部17。
最终数据收集部11收集上述的表1及表2中示出的工厂模型中所包含的变量的最新值，并将收集到的最新值向供需预测部14输出。
工厂运转预定计划收集部12收集与炼钢厂的运转计划相关的信息，并将收集到的信息向供需预测部14输出。
模型参数收集部13收集上述的表1及表2中示出的工厂模型以及、上述的表3中示出的成本模型的设定值，并将收集到的设定值向供需预测部14及模型计算部16输出。
供需预测部14利用从最终数据收集部11、工厂运转预定计划收集部12以及模型参数收集部13输出的信息而对评价期间的气体、蒸气以及电力的供需量进行计算，并将与计算出的供需量相关的信息向模型计算部16输出。
作业风险参数收集部15收集对与气体、蒸气以及电力的供需运用相关的指导输出的作业风险进行调整的气体不足风险参数α、以及与蒸气不足风险参数β相关的信息。作业风险参数收集部15将收集到的信息向模型计算部16输出。后文中对气体不足风险参数α及蒸气不足风险参数β进行详细叙述。
模型计算部16利用从模型参数收集部13、供需预测部14以及作业风险参数收集部15输出的信息，并通过分支定界法等最优化方法来执行使炼钢厂的气体、蒸气、电力的供需运用最优化的最优化计算以使得作业成本达到最小，并将所得到的最优解向指导部17输出。
指导部17将从模型计算部16输出的信息作为与炼钢厂的气体、蒸气以及电力的供需运用相关的指导输出而显示输出于操作人员所操作的指导画面。操作人员参考输出至指导画面的信息而执行气体、蒸气以及电力的供需运用作业。
〔气体不足风险参数〕
接下来，参照图2对气体不足风险参数α进行说明。
气体不足风险参数α是指使得炼钢厂中的气体不足的风险实现数值化的参数。具体而言，如图2(a)所示，设定气体不足风险参数α的操作，相当于防备气体不足而追加与贮气器20的量级的硬性下限约束相比具有与气体不足风险参数α相应的富余量的水准的柔性下限约束的操作。
此外，柔性约束不同于硬性约束，虽是不必遵守的约束，但却是若打破约束则判断为最优化计算中的目标函数的值变差而并非优选的约束。因此，通过执行使用了目标函数的最优化计算，如图2(b)所示，还存在贮气器量级低于柔性下限约束的时间段(时间T＝T1～T2)，但被大致保持为硬性下限约束+α以上的水准。
结果，即使在气体需求量急剧增加、或者气体供给量急剧降低的情况下，贮气器量级也不会低于硬性下限约束而造成气体不足。此外，操作人员通过调整气体不足风险参数α的值而调整气体不足风险，从而能够以在运用时被认为适当的贮气器量级的水准来利用指导装置。
〔蒸气不足风险参数〕
接下来，参照图3对蒸气不足风险参数β进行说明。
蒸气不足风险参数β是指使得炼钢厂中的蒸气不足的风险实现数值化的参数。通常，如图3(a)所示，来自锅炉31的蒸气在涡轮32中用于发电，但也能够通过抽气之类的操作而向主管33供给。与此相对，当尽管来自涡轮32的抽气量最大但蒸气也不足时，即，在蒸气需求量大于最大抽气量与蒸气供给量的和的情况下，如图3(b)所示，实施如下涡轮分流：不将来自锅炉31的蒸气向涡轮32供给，通过打开控制阀35而使蒸气经由旁通流路34直接向主管33供给。
然而，由于在进行实施涡轮分流的判断时蒸气已经不足，所以为了避免蒸气不足而需要使涡轮分流的实施条件缓和。因此，在本实施方式中，引入蒸气不足风险参数β(0＜β＜1)，在满足条件式：最大抽气量×β+蒸气供给量＜蒸气需求量的情况下，实施叶轮分流，由此避免蒸气不足。即，使实施涡轮分流的时刻提前。由此，能够抑制为了应对蒸气不足而从其他同行那里购买蒸气的情况。此外，操作人员通过调整蒸气不足风险参数β的值而调整蒸气不足风险，从而能够以在运用时被认为适当的蒸气量的水准来利用指导装置。
根据以上说明明确可知，在作为本发明的一实施方式的能量供需运用指导装置中，模型计算部16利用由作业风险参数收集部15收集的作业风险参数而执行气体、蒸气以及电力的供需运用的最优化计算，因此能够执行在能够允许的作业风险下使作业成本最小化的气体、蒸气以及电力的供需运用。
实施例
图4是示出在使炼钢厂的气体、蒸气、电力的供需运用最优化的最优化计算中设定了气体不足风险参数α的情况下、与未设定气体不足风险参数α的情况下的贮气器量级的时间变化的图。此外，在图4所示的例子中，将气体不足风险参数α的值设为(硬性约束上限－硬性约束下限)/2×0.7而实施了最优化计算。
如图4所示，在未设定气体不足风险参数α而实施最优化计算的情况下，在18点、19点以及24点，贮气器量级跌破400GJ，贮气器量级下降至担心气体不足的水准。与此相对，在设定了气体不足风险参数α而实施最优化计算的情况下，贮气器量级在所有时刻均保持在400GJ以上，从而形成为气体不足风险较低的状态。
图5及图6分别示出在使炼钢厂的气体、蒸气、电力的供需运用最优化的最优化计算中未设定蒸气不足风险参数β的情况下、与设定了蒸气不足风险参数β的情况下的蒸气供给源的蒸气量的趋势的图。
如图5所示，当在最优化计算中未设定蒸气不足风险参数β时，即使是蒸气负荷较高的时刻(例如8点)，也通过抽气与购买来应对蒸气需求。实际上，若进行这样的运用，则在蒸气负荷进一步增高的情况下，蒸气的供需平衡破裂，从而对炼钢厂的作业产生影响，因此作业风险变高。与此相对，如图6所示，当在最优化计算中设定了蒸气不足风险参数β时，在蒸气负荷较高的时刻(例如8点)，通过实施涡轮分流而抽出大量的蒸气，由此避免蒸气不足风险。
据此能够确认：通过考虑气体不足风险参数α及蒸气不足风险参数β而执行能量供需运用的最优化计算，能够执行在能够允许的作业风险下使作业成本最小化的能量的供需运用。
以上对应用由本发明的发明人们完成的发明的实施方式进行了说明，但本发明并未被本实施方式所涉及的构成本发明所公开的一部分的描述及附图限定。即，基于本实施方式而由本领域技术人员等完成的其他实施方式、实施例以及运用技术等全部都包含于本发明的范畴内。
工业上的可利用性
根据本发明，能够提供一种能够执行在能够允许的作业风险下使作业成本最小化的能量的供需运用的能量供需运用指导装置及炼钢厂内的能量供需运用方法。
附图标记说明
11…最新数据收集部；12…工厂运转预定计划收集部；13…模型参数收集部；14…供需预测部；15…作业风险参数收集部；16…模型计算部；17…指导部；20…贮气器；31…锅炉；32…涡轮；33…主管。

Claims (5)

1.一种能量供需运用指导装置，其利用工厂模型与成本模型，其中，该工厂模型描述了炼钢厂内的气体及蒸气的供需平衡、利用所述气体及所述蒸气进行发电的发电设备以及贮存所述气体的贮气器的输入输出特性、以及所述炼钢厂的电力需求量与来自所述发电设备及电力公司的电力供给量的电力供需平衡，该成本模型描述了所述炼钢厂的作业成本，由此执行所述炼钢厂的气体、蒸气以及电力的供需运用的最优化计算，并将最优化计算结果作为指导输出值而输出，
所述能量供需运用指导装置的特征在于，具备：
最新数据收集部，其获取所述工厂模型中所包含的变量的最新值；
工厂运转预定计划收集部，其收集与所述炼钢厂及所述发电设备的运转计划相关的信息；
模型参数收集部，其收集所述工厂模型及所述成本模型的设定值；
供需预测部，其利用所述最新数据收集部、所述工厂运转预定计划收集部以及所述模型参数收集部所收集的信息来进行所述炼钢厂的气体、蒸气以及电力的供需预测；
作业风险参数收集部，其收集对所述指导输出值的作业风险进行调整的作业风险参数；
模型计算部，其利用所述供需预测部的供需预测结果、所述模型参数收集的所述工厂模型及所述成本模型的设定值、以及所述作业风险参数收集部收集的作业风险参数来执行气体、蒸气以及电力的供需运用的最优化计算；以及
指导部，其将所述模型计算部的最优化计算的结果作为指导输出值而输出。
2.根据权利要求1所述的能量供需运用指导装置，其特征在于，
所述作业风险参数中至少包含气体不足风险参数以及蒸气不足风险参数，所述气体不足风险参数表示气体在所述炼钢厂中不足的风险，所述蒸气不足风险参数表示蒸气在所述炼钢厂中不足的风险。
3.一种炼钢厂内的能量供需运用方法，其特征在于，
基于从权利要求1或2所述的能量供需运用指导装置输出的指导输出值，将气体的供给目的地分成贮气器以及需求目的地，并且将蒸气的供给目的地分成需求目的地。
4.一种炼钢厂内的能量供需运用方法，其特征在于，
基于从权利要求1或2所述的能量供需运用指导装置输出的指导输出值，以使得贮气器的量级不低于防备气体不足风险的量级的方式运用气体。
5.一种炼钢厂内的能量供需运用方法，其特征在于，
基于从权利要求1或2所述的能量供需运用指导装置输出的指导输出值，进行防备蒸气不足的涡轮分流的设定。
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