CN108193012B - 一种钢铁企业转炉煤气优化控制系统 - Google Patents

Abstract

一种钢铁企业转炉煤气优化控制系统，属于流程工业优化控制技术领域。该系统包括：模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块、在线控制模块四个部分。模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块运行在客户端，在线控制模块运行在服务器端。模型仿真模块建立煤气柜、加压机、阀门、管网等设备的数学模型并进行仿真，仿真结果给优化模型及求解；优化模型及求解模块建立加压机的启停及转速模型、阀门开关及开度模型、煤气柜柜容与压力模型、发电机能源消耗模型、管网模型等设备的优化数学模型，优化模型及求解模块的结果需要模型仿真模块的验证；离线指导模块，利用优化模型及求解模块验证通过的优化结果给出设备运行方案。优点在于，解决多转炉煤气柜、多用户、多加压机、不同压力等级的转炉煤气供应问题。

Description

一种钢铁企业转炉煤气优化控制系统

技术领域

本发明属于流程工业优化控制技术领域，特别是涉及一种钢铁企业转炉煤气优化控制系统。

背景技术

转炉煤气由钢铁生产过程中转炉炼钢工序产生，作为钢铁企业重要的二次能源，转炉煤气作为中等热值的煤气，在钢铁企业生产过程中有独特的作用：

(1)替代焦炉煤气或天然气用于炼钢烘烤。目前，在炼钢车间配合蓄热式烘烤装置的应用，转炉煤气可用于钢包烘烤；与焦炉煤气混合可用于中间包烘烤。

(2)用于活性石灰生产。和焦炉煤气、高炉煤气比较,转炉煤气热值适中非常适合气烧石灰窑的生产，并且基本不含S,是生产炼钢用低硫石灰的优质燃料。

(3)满足其它工序需求。富裕的煤气，转炉煤气可以送入全厂管网，综合利用。如发电、轧钢加热炉、炼铁热风炉等的需要。

(4)用于化工生产。转炉煤气含CO较高,是一种优质的化工原料。

目前，钢铁企业转炉煤气系统存在的主要问题是：(1)气柜多且柜容不均衡，由于受到管损、大用户距离影响，气柜的加压机出口压力不同(即向管网送气的难易程度不同)，容易出现某个气柜柜容很高，而另一个气柜柜容很低的情况；(2)气柜的加压机维修频繁，维修成本高，劳动强度大；(3)不合理的出口压力造成能源浪费，风机提高出口压力，压力能被管路消耗造成风机的电能浪费，同时对风机本身也是一种伤害，易使风机产生振动，缩短风机使用周期；(4)进混合煤气管网入口压力低，转炉煤气输送不过去，高炉换炉时高炉煤气压力上升，在混合煤气管网入口处将转炉煤气顶住，使转炉煤气送不进发电。

与转炉煤气控制有关的研究多集中在回收控制装置方面，没有对转炉煤气管网及用户进行系统全面的研究，也没有提出对整个系统的优化控制。例如，2012年8月15日公开的马鞍山伏斯特自控技术有限公司申请的实用新型专利《转炉煤气回收优化控制装置》(CN202380016U)是一种转炉煤气回收优化控制装置，包括检测控制设备和系统及控制软件组成，2017年9月19日公开的北京凯德中天科技发展有限公司申请的实用新型专利《OG法转炉煤气回收及风机节能优化控制系统》(CN206502834U)是针对OG法转炉煤气回收、风机变速节能技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢铁企业转炉煤气优化控制系统，解决多转炉煤气柜、多用户、多加压机、不同压力等级的转炉煤气供应问题。该系统实现了易于交互和理解的优化控制，从而帮助企业平衡转炉煤气管网压力，提高控制系统的反应速度，减少制氧设备调节频率，提高转炉煤气效益，降低转炉煤气输送能耗，提高生产稳定性。

本发明的系统包括：模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块、在线控制模块四个部分。模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块运行在客户端，在线控制模块运行在服务器端。模型仿真模块建立煤气柜、加压机、阀门、管网等设备的数学模型并进行仿真，仿真结果给优化模型及求解；优化模型及求解模块建立加压机的启停及转速模型、阀门开关及开度模型、煤气柜柜容与压力模型、发电机能源消耗模型、管网模型等设备的优化数学模型，优化模型及求解模块的结果需要模型仿真模块的验证；离线指导模块，利用优化模型及求解模块验证通过的优化结果给出设备运行方案。在线控制模块包括：数据采集和远程控制，数据采集把采集到的数据发送给模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块，远程控制利用离线指导模块的方案给设备下发控制指令；在线控制模块采集煤气柜、加压机、阀门、发电机等设备信息，模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块向在线控制模块请求数据，在线控制模块接收离线指导模块的方案并下发控制指令到煤气柜、加压机、阀门、发电机等设备，装在客户端的模块与装在服务器端的模块通过webapi方式通讯。

首先，模型仿真模块利用仿真工具建立包括：煤气柜、加压机、阀门、管网等设备的数学模型，利用实际数据对数学模型进行验证；利用柜容变化方向(增减)、柜容变化速度、柜容变化加速度能够预判转炉煤气系统的变化趋势，当变化超出调整限时对加压机的转速进行调整。对转炉煤气管网模型进行水力学计算，计算出用户侧的流量和压力；生产系统不允许进行试验，必须先在仿真模型上对优化控制算法进行验证，仿真模型是非常关键的一步，也是与用户进行交互的重要手段；

然后，优化模型及求解模块建立设备优化数学模型，设备优化数学模型包括：加压机的启停及转速模型、阀门开关及开度模型、煤气柜柜容与压力模型、发电机能源消耗模型、管网模型；设备优化数学模型的约束包括：管网压力范围、加压机出口压力范围、阀门开度、柜容上下限；目标函数：转炉煤气发电效益-转炉煤气加压耗电成本-维修成本，综合效益最大；采用ILOG优化求解工具进行求解，并与模型仿真模块进行集成，设置数据接口，具备与现场自动化系统对接的条件，此时可以到现场进行方案交流；

其次，离线指导模块，经过现场同意，接上自动化信号，对现场人员进行操作指导，验证系统的有效性；

最后，在线控制模块，经过离线运行考核后，各项结果满足预期指标后，切换到在线自动优化控制模式；并实时采集煤气柜、加压机、阀门、管网等设备信息。

本发明进行转炉煤气优化控制的步骤如下：

第一步，模型仿真模块建立包括：煤气柜、加压机、阀门、管网的模型，使用实际数据对仿真模型进行验证；

第二步，优化模型及求解模块建立包括：煤气柜柜容与压力模型、加压机的启停及转速模型、阀门开关及开度模型、发电机能源消耗模型、管网模型等的优化模型，采用ILOG优化求解工具进行求解；

第三步，离线指导模块，根据优化结果对现场人员进行操作指导，验证系统的有效性；

第四步，在线控制模块，实时采集设备数据，对离线运行考核后，满足预期指标后，下发控制指令到煤气柜、加压机、阀门。

本发明将复杂的转炉煤气系统控制问题转化为管网模型、优化模型问题，提供了易用仿真工具、最优方案求解工具；将操作、调度人员从微观数据中解放出来，不断积累各种运行场景下的最佳实践及最佳控制参数，提高系统的反应速度；同时，将操作、调度人员的工作从事故应急式调度转变为主动的可预见的仿真调度，降低运行成本，减少设备调整频率，提高生产稳定性。

优点在于，将复杂的转炉煤气系统控制问题转化为管网模型、优化模型问题，易于交互，便于操作、调度人员积累最佳实践及最佳控制参数，提高系统的反应速度，减少设备调整频率，提高生产稳定性，降低运行成本。

附图说明

图1为本发明的优化控制流程示意图。

图2为模型仿真示意图。

图3为优化模型示意图。

具体实施方式

本发明的系统包括：模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块、在线控制模块四个部分。模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块运行在客户端，在线控制模块运行在服务器端。模型仿真模块建立煤气柜、加压机、阀门、管网等设备的数学模型并进行仿真，仿真结果给优化模型及求解；优化模型及求解模块建立加压机的启停及转速模型、阀门开关及开度模型、煤气柜柜容与压力模型、发电机能源消耗模型、管网模型等设备的优化数学模型，优化模型及求解模块的结果需要模型仿真模块的验证；离线指导模块，利用优化模型及求解模块验证通过的优化结果给出设备运行方案。在线控制模块包括：数据采集和远程控制，数据采集把采集到的数据发送给模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块，远程控制利用离线指导模块的方案给设备下发控制指令；在线控制模块采集煤气柜、加压机、阀门、发电机等设备信息，模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块向在线控制模块请求数据，在线控制模块接收离线指导模块的方案并下发控制指令到煤气柜、加压机、阀门、发电机等设备，装在客户端的模块与装在服务器端的模块通过webapi方式通讯。

如图1所示，本发明一种钢铁企业转炉煤气优化控制系统是，包括：模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块、在线运行模块等四个部分，它们之间的关系：模型仿真模块分别输出煤气柜位、加压机转速、阀门开度、官网流量压力给优化模型及求解模块；优化模型及求解模块输出优化方案给模型仿真、离线指导模块；离线指导模块的结果给在线运行模块。模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块部署在客户端，在线运行模块部署在服务器端，客户端与服务器端通过webapi方式通讯。

如图2所示，本发明的模型仿真模块，利用炼钢生产排程与实时数据，结合煤气柜位及压力模型、加压机启停及转速模型、阀门开关及开度模型、管网流量及压力模型，建立转炉煤气系统仿真模型，并针对不同场景的数据进行仿真，找出系统存在的问题及导致问题出现的原因。

如图3所示，本发明的优化模型及求解模块，利用炼钢生产排程与实时数据，建立由加压机启停以转速模型、煤气柜柜容及压力模型、阀门开关及开度模型、发电机能源消耗模型、管网模型等组成的优化模型，模型的目标函数是：转炉煤气发电效益(考虑峰平谷时段)-转炉煤气加压耗电成本-维修成本，综合效益最大；模型的约束包括：管网压力范围、加压机出口压力范围、阀门开度、柜容上下限，以及转炉煤气发生、消耗、存储设备的运行及调整成本；模型采用ILOG优化求解工具进行求解，得到优化结果包括：加压机出口压力、阀门开度、发电机转炉煤气消耗量、管网各节点压力和流量等，并与模型仿真进行集成，利用模型仿真对优化结果进行验证。

以某钢厂为例，有两座8万m³转炉煤气柜，其中1#8万柜有3台煤气加压机，两用一备；2#8万柜有3台煤气加压机，两用一备；有一座3#12万m³煤气柜，有4台煤气加压机，三用一备。转炉煤气均已联网，主要用户包括石灰、转炉连铸及烤包、发电、高炉、加热炉等。

上优化控制系统前，10台加压机年平均维修量120台次，平均每1.5个月就要维修一次。

第一步，建立某钢厂转炉煤气系统仿真数学模型，包括：3座煤气柜、10台加压机、20个阀门、3中不同管径的管网、14个用户；利用某一天的转炉生产排程和设备实时数据，对转炉煤气系统进行仿真计算，得到各个节点的压力、流量，与实际数据对比，验证仿真模型的正确性；

第二步，建立优化数学模型，包括：3座煤气柜、10台加压机、20个阀门、3中不同管径的管网、14个用户，模型的目标函数应该是转炉煤气加压耗电成本+维修成本-发电效益最小，其中发电效益应该考虑峰平谷时段；对优化模型进行求解，得到优化结果。

第三步，离线指导分析，根据第二步的优化结果对现场人员进行操作指导，对比优化前后的效果，验证系统的有效性，直接对控制对象加压机或阀门进行操作，同时用仿真模型进行验证，保证用优化结果进行的调节控制与仿真模型运行一致。

第四步，最终目标是直接控制加压机和阀门的控制系统，只需要设定几种工作模式(高柜位、低柜位、正常)，然后完全有优化系统进行控制。

本发明在该钢厂进行了实际应用。通过分步实施和验证，到最后直接进行闭环控制，10台加压机年平均维修量从120台次下降到40台次，效果明显。

本发明的钢铁企业转炉煤气优化控制系统对多气源、多用户、用户压力等级要求不一致的情况，通过仿真、优化得到最优控制策略，并通过实时控制使得设备运行平稳、故障率降低、总体效益明显。

Claims (1)

1.一种钢铁企业转炉煤气优化控制系统，其特征在于，包括：模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块、在线控制模块；模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块运行在客户端，在线控制模块运行在服务器端；模型仿真模块建立煤气柜、加压机、阀门、管网设备的数学模型并进行仿真，仿真结果给优化模型及求解模块；优化模型及求解模块建立加压机的启停及转速模型、阀门开关及开度模型、煤气柜柜容与压力模型、发电机能源消耗模型、管网模型设备的优化数学模型，优化模型及求解模块的结果需要模型仿真模块的验证；离线指导模块，利用优化模型及求解模块验证通过的优化结果给出设备运行方案；

在线控制模块包括：数据采集和远程控制，数据采集把采集到的数据发送给模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块，远程控制利用离线指导模块的方案给设备下发控制指令；在线控制模块采集煤气柜、加压机、阀门、发电机设备信息；模型仿真模块、优化模型及求解模块、离线指导模块向在线控制模块请求数据，在线控制模块接收离线指导模块的方案并下发控制指令到煤气柜、加压机、阀门、发电机设备，装在客户端的模块与装在服务器端的模块通过webapi方式通讯；

模型仿真模块利用仿真工具建立包括：煤气柜、加压机、阀门、管网设备的数学模型，利用实际数据对数学模型进行验证；利用柜容变化方向增减、柜容变化速度、柜容变化加速度能够预判转炉煤气系统的变化趋势，当变化超出调整限时对加压机的转速进行调整；对转炉煤气管网模型进行水力学计算，计算出用户侧的流量和压力；生产系统不允许进行试验，必须先在仿真模型上对优化控制算法进行验证，仿真模型是与用户进行交互的重要手段；

优化模型及求解模块建立设备优化数学模型，设备优化数学模型包括：加压机的启停及转速模型、阀门开关及开度模型、煤气柜柜容与压力模型、发电机能源消耗模型、管网模型；设备优化数学模型的约束包括：管网压力范围、加压机出口压力范围、阀门开度、柜容上下限；目标函数：转炉煤气发电效益-转炉煤气加压耗电成本-维修成本，综合效益最大；采用ILOG优化求解工具进行求解，并与模型仿真模块进行集成，设置数据接口，具备与现场自动化系统对接的条件，此时可以到现场进行方案交流；

离线指导模块，经过现场同意，接上自动化信号，对现场人员进行操作指导，验证系统的有效性；

最后，在线控制模块，经过离线运行考核后，各项结果满足预期指标后，切换到在线自动优化控制模式；并实时采集煤气柜、加压机、阀门、管网设备信息；

转炉煤气优化控制的步骤如下：

第一步，模型仿真模块建立包括：煤气柜、加压机、阀门、管网的模型，使用实际数据对仿真模型进行验证；

第二步，优化模型及求解模块建立包括：煤气柜柜容与压力模型、加压机的启停及转速模型、阀门开关及开度模型、发电机能源消耗模型、管网模型的优化模型，采用ILOG优化求解工具进行求解；

第三步，离线指导模块根据优化结果对现场人员进行操作指导，验证系统的有效性；

第四步，在线控制模块实时采集设备数据，对离线运行考核后，满足预期指标后，下发控制指令到煤气柜、加压机、阀门。