CN110991092A - 一种余能一体化利用计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种余能一体化利用计算方法及系统,属于自动化技术领域。该方法为:通过钢厂的实际情况建立蒸汽管网模型,管网模型中的参数包括:蒸汽源和用户位置、管道直径、管道长度、保温材料、管道连接关系等;通过生产数据计算出各种余能回收利用装置的发电效率曲线;计算确认余热发电机组外供蒸汽流量范围、设备稳定工况等参数作为约束条件;根据生产情况计算管网上各汽源参数和蒸汽用户需求;计算对应工况下各管段的冷凝损失,并求和得到整体管网冷凝损失;通过计算给出一个优化的余热回收利用机组蒸汽供应分配方案,使得在满足管网上所有蒸汽用户需求的前提上,使余能回收利用装置的发电量最大,从而节约企业能源成本。
Description
技术领域
本发明属于自动化技术领域,涉及一种余能一体化利用计算方法及系统。
背景技术
钢铁企业的许多工序中都有对应的余能回收利用装置,在余能回收的过程中会产生大量较高温度和压力的蒸汽,例如烧结余热回收利用装置(BSP)、炼钢转炉余热回收利用装置(LSP)、焦化干熄焦炉余热回收利用装置(CDQ)。这些蒸汽可以用于发电也可以供入钢厂蒸汽管网作为生产用蒸汽,对这些余能回收产生的蒸汽进行优化利用可以有效降低企业能源成本。但在实际生产过程中,各种余能回收产生的蒸汽用于发电的效率都不同;钢铁企业中的蒸汽管网通常是一个多汽源、多用户的复杂管网,且蒸汽的长距离输送往往也伴随着大量的冷凝损失,这也导致多汽源和多用户之间不同的蒸汽供应方案会带来不同的蒸汽输送效率。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种余能一体化利用计算方法及系统,将钢铁企业中的多种余热回收利用装置的发电效率,以及蒸汽输送进入管网伴随的输送效率一体化计算考虑,利用计算的方法得出一个余能一体化优化利用的方法,并形成系统。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种余能一体化利用计算方法,该方法包括以下步骤:
通过钢厂蒸汽管网的物理参数:管段连接关系、管段长度、管道直径、保温材料类型及厚度,构建管网数字模型,用于计算蒸汽输送损耗;
根据钢厂中各余能发电站运行的实际数据,计算汽机发电效率;
依据实际的蒸汽用户情况和设备特点构建优化条件的约束方程;
设定优化目标和优化约束条件进行优化计算,当达到优化目标时则计算结束,输出优化结果。
可选的,在进行管网内蒸汽输送损耗计算时:
首先读取蒸汽汽源和蒸汽用户工况,作为边界条件;
根据管网的物性参数计算每段管道的压降系数和温降系数;利用节点方程计算得到节点压力和管段流量;根据每个管段的流量进行热力计算;重复上述计算过程,直到蒸汽密度和比热满足精度要求,则完成水力-热力计算;
根据计算结果,判断每个管段是否有蒸汽冷凝损失,如果有,则计算每根管段的冷凝量,最终求和得到整体管网的冷凝损失量。
可选的,在根据发余能发电运行数据计算汽轮机发电效率时:
在计算汽机效率时,需依次计算最低负荷到满负荷各个工况点下的效率,然后拟合成效率特性曲线;
根据不同余能发电机组的实际情况,考虑从主蒸汽管道抽汽时对汽轮发电机组的影响,作为外供蒸汽成本。
可选的,在构建优化模型的约束条件时:
约束条件包含但不限于:余能发电机组负荷调节范围、设备稳定条件、设备调节响应速度、满足用户对蒸汽压力和温度的需求条件等。
可选的,在进行优化计算时,优化目标及原则为:
在满足管网所有蒸汽用户需求的前提下,考虑汽机发电效率和管网输送效率,进行优化调度,使得发电量最大,表达式即为:
Max{∑(发电量-供汽成本)};
可选的,每当所述蒸汽用户需求量发生变化时,都会调用优化算法,将各余能发电机组的供汽量作为变量,利用梯度上升法进行极大值寻找,直到达到迭代次数或找到全局最优,则寻优计算结束。
一种余能一体化利用计算系统,包括:采集模块、处理器、存储器、收发器、通信接口;
所述采集模块、存储器和收发器分别与处理器信号连接;
所述收发器与通信接口信号连接。
可选的,所述系统还包括显示模块;
所述显示模块与处理器信号连接。
可选的,所述存储器为ROM、RAM、磁碟或者光盘。
可选的,所述处理器包括中央处理器、网络处理器、数字信号处理器、专用集成电路、可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件。
本发明的有益效果在于:根据生产情况计算管网上各汽源参数和蒸汽用户需求;计算对应工况下各管段的冷凝损失,并求和得到整体管网冷凝损失;通过计算给出一个优化的余热回收利用机组蒸汽供应分配方案,使得在满足管网上所有蒸汽用户需求的前提上,使余能回收利用装置的发电量最大,从而节约企业能源成本。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作优选的详细描述,其中:
图1为多汽源多用户复杂蒸汽管网示意图;
图2为蒸汽管网计算过程框图;
图3为管段冷凝水量计算流程图;
图4为余能一体利用整体计算流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本发明的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本发明的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
现结合图1所示的某钢厂的蒸汽管网对发明内容进行说明:圆点代表余能发电站(蒸汽汽源),方块代表蒸汽用户,灰色线条代表蒸汽管道。在这样一个多汽源多用户的复杂管网上,为满足用户对蒸汽的需求,需要从不同的余能电站进行供汽,例如当蒸汽用户3需要蒸汽时,可以从距离较近的余能电站A\B\C\D对其供汽,这样由于距离近蒸汽输送冷凝损失较小,但是如果余能电站A\B\C\D的蒸汽发电效率较高,则意味着供汽成本较高,那么就应该从余能电站E\F进行供汽,但在实际生产中,冷凝损失和供汽成本是一个十分复杂且动态变化的问题,通过本发明的余能一体化优化算法及系统,可以同时考虑蒸汽输送冷凝损耗和蒸汽发电效率,给出一个优化的调度方案。
在钢厂的生产过程中,蒸汽用户的需求是在实时变化的,所以需要对蒸汽供应方案进行实时优化。而优化过程中,蒸汽管网非常复杂,在不同的流量和温度下,管网的冷凝损耗是不同的;余能电站的发电设备作为汽源,发电设备需要根据用户需求,在不同负荷工况下供应蒸汽,随着工况的变化发电设备的效率也在变化,这也就导致蒸汽供应成本在不断变化。所以蒸汽的优化调度是一个复杂且实时变化的过程,如果由调度人员进行人工优化决策,难以做到精细化调度,同时也会给调度人员增加工作负荷。
为解决上述问题,本发明提出了一种余能一体化利用计算方法及系统,不仅可以根据蒸汽用户的变化实时计算,而且优化过程可以更加精准。包括以下步骤:
通过数据采集系统将蒸汽管网的物理参数:管段长度、管径、连接方式、粗糙度、保温厚度等存储至数据库中,作为管网物理参数列表,并构建蒸汽管网模型。
进一步地,将余能利用设备的运行参数:主蒸汽温度、压力、流量,发电量、供汽参数等,读取进数据库实时数据列表,用于计算汽机发电效率,即供汽成本,根据每次数据采集对实时数据列表更新。
进一步地,读取管网上蒸汽用户处的温度、压力和流量值,存入实时数据库中,每当用户的蒸汽需求发生改变时,则开始调用优化计算程序,对蒸汽调度进行优化。
进一步地,蒸汽调度优化的具体步骤如下:
先进行蒸汽管网水力-热力计算,计算管网整体冷凝损失之和:通过管网连接关系,计算关联矩阵;根据管网参数计算每段管道的温降系数和压降系数;读取汽源和用户蒸汽工况,作为边界计算条件;用汽源处压力和温度作为蒸汽密度和比热初始条件,利用节点方程法计算得到节点压力和管段流量,作为水力计算结果;根据水力计算结果得到的流量和流向计算得到所有节点温度和管段温降;根据节点温度和压力判断有无冷凝水,若有则计算出冷凝水量;根据计算出来的管段平均温度和压力重新计算蒸汽密度和比热;重复上述计算过程,直到精度满足要求,则计算结束。
这个步骤的主要目的是计算管网整体冷凝水量,冷凝水量越大,则输送损失越大。冷凝水量计算步骤如下:
如果节点温度T0大于节点压力下的饱和温度Tsat,那么这段管道没有冷凝量;
如果节点温度T0小于节点压力下的饱和温度Tsat,那么这段管道有冷凝量,冷凝量计算为:对应压力饱和温度减去节点温度后乘以比热与质量流量,再除以汽化潜热得到冷凝水量。
再依次将每个管段的冷凝水量求和得到整体管网的冷凝水量,冷凝水量越大,则输送损失越大,冷凝水量计算公式如下:
如果节点温度T0大于节点压力下的饱和温度Tsat,那么这段管道没有冷凝量;
如果节点温度T0小于节点压力下的饱和温度Tsat,那么这段管道有冷凝量,冷凝量计算为:
式中Qcon为冷凝水量,Qsteam为管道中蒸汽流量,Cp为对应压力下蒸汽的比热,hl为蒸汽汽化潜热,再依次将每个管段的冷凝水量求和得到整体管网的冷凝水量
整个管网水力-热力计算过程的框图如图2所示。
计算管网冷凝水量计算的具体计算流程如图3所示。
进一步地,根据余能发电设备的运行参数,计算出设备发电效率,也即为供汽成本。在实际运行中,汽机主蒸汽压力和温度远大于管网供汽温度和压力,所以要先进行减温减压后才能进入蒸汽管网,在计算过程中要同时考虑减温减压器带来的影响,通过质量与能量守恒可计算得到供汽蒸汽与主蒸汽之间的转化关系:主蒸汽流量乘以主蒸汽焓值加上减温水流量乘以减温水焓值即等于供热蒸汽流量乘以供热蒸汽焓值;求得的主蒸汽流量与供热蒸汽流量之间比值即为主、供蒸汽流量转化率,所述计算公式如下:
其中Q供汽为供入蒸汽管网的蒸汽流量,Q主汽为进入减温减压器的主蒸汽流量,Q减温为减温减压水流量,h主汽、h减温和h供汽分别为主蒸汽、减温减压水和供入管网蒸汽的焓值,q为供入蒸汽管网的蒸汽流量与主蒸汽流量之间的转换率。
根据发电汽轮机的运行参数:入口蒸汽量和发电量可以计算出汽轮发电机的单位重量蒸汽的发电量耗率,也即是将蒸汽供入管网的成本,其计算公式如下:
通过上述两个公式,可以将蒸汽管网中的冷凝损失与发电设备供汽成本联系在一起,有利于优化过程的计算,
根据发电汽轮机的运行参数:入口蒸汽量和发电量可以计算出汽轮发电机的单位重量蒸汽的发电量耗率,也即是将蒸汽供入管网的成本。
通过上述两个参数,可以将蒸汽管网中的冷凝损失与发电设备供汽成本联系在一起,有利于优化过程的计算,则优化目标函数变为:
Max{∑(发电量-供汽流量*主供蒸汽转化率*电量转化成本)}
进一步地,每当蒸汽用户需求发生改变,则会依次尝试改变不同余能发电设备的供汽量,找到让目标函数{∑(发电量-供汽流量*主供蒸汽转化率*电量转化成本)}增大的梯度方向,并沿着该方向梯度前进,直到满足条件后结束循环,整个计算过程流程如图4所示。
在图4中提到的约束条件包括:余能机组供汽调节范围、设备稳定工况、调节响应速度、蒸汽用户需求等,需要在满足这些约束条件的前提下,分别对余能设备供气量进行调节,使得整体发电量达到最大。
为完成上述的发明功能,需要配套对应的硬件设备并形成一套计算系统,包括:
采集模块,分别采集蒸汽管网中所有边界节点的流体状态的实时状态数据,以及用于表示管段结构和流体管物理性质的物理参数数据;
数据处理模块,用于到采集的数据进行数据处理,
输出模块,用于输出数据处理结果;
可选的,还包括:
显示模块,用于将所有蒸汽用户点和余能发电设备实时工况显示,并将余能一体化利用的决策方案以及优化后的总体发电量实时显示。
数据列表模块,所述数据列表模块包括:
实时数据列表,用于存储实时状态数据;
物理参数列表,用于存储物理参数数据;
结果数据列表,用于存储所有蒸汽用户的需求、蒸汽管网凝结水损失量、各发电设备工况等;
通过显示模块将所有蒸汽用户处的流量、压力和温度需求,发电设备的发电量、供汽量进行图像显示,并将每个发电设备到蒸汽用户点的蒸汽优化调度进行显示,根据显示结果对蒸汽系统实时监控。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于:该程序被处理器执行时实现上述中任一项所述方法。
本发明还提供一种电子终端,其特征在于,包括:处理器及存储器;
所述存储器用于存储计算机程序,所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序,以使所述终端执行如上述中任一项所述方法。
本实施例中的计算机可读存储介质,本领域普通技术人员可以理解:实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时,执行包括上述各方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本实施例提供的电子终端,包括处理器、存储器、收发器和通信接口,存储器和通信接口与处理器和收发器连接并完成相互间的通信,存储器用于存储计算机程序,通信接口用于进行通信,处理器和收发器用于运行计算机程序,使电子终端执行如上方法的各个步骤。
在本实施例中,存储器可能包含随机存取存储器(Random Access Memory,简称RAM),也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory),例如至少一个磁盘存储器。
上述的处理器可以是通用处理器,包括中央处理器(Central Processing Unit,简称CPU)、网络处理器(Network Processor,简称NP)等;还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing,简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit,简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种余能一体化利用计算方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
通过钢厂蒸汽管网的物理参数:管段连接关系、管段长度、管道直径、保温材料类型及厚度,构建管网数字模型,用于计算蒸汽输送损耗;
根据钢厂中各余能发电站运行的实际数据,计算汽机发电效率;
依据实际的蒸汽用户情况和设备特点构建优化条件的约束方程;
设定优化目标和优化约束条件进行优化计算,当达到优化目标时则计算结束,输出优化结果。
2.根据权利要求1所述的一种余能一体化利用计算方法,其特征在于:在进行管网内蒸汽输送损耗计算时:
首先读取蒸汽汽源和蒸汽用户工况,作为边界条件;
根据管网的物性参数计算每段管道的压降系数和温降系数;利用节点方程计算得到节点压力和管段流量;根据每个管段的流量进行热力计算;重复上述计算过程,直到蒸汽密度和比热满足精度要求,则完成水力-热力计算;
根据计算结果,判断每个管段是否有蒸汽冷凝损失,如果有,则计算每根管段的冷凝量,最终求和得到整体管网的冷凝损失量。
3.根据权利要求1所述的一种余能一体化利用计算方法,其特征在于:在根据发余能发电运行数据计算汽轮机发电效率时:
在计算汽机效率时,需依次计算最低负荷到满负荷各个工况点下的发电效率,然后拟合成效率特性曲线;
根据不同余能发电机组的实际情况,考虑从主蒸汽管道抽汽时对汽轮发电机组的影响,作为外供蒸汽成本。
4.根据权利要求1所述的一种余能一体化利用计算方法,其特征在于:在构建优化模型的约束条件时:
约束条件包含但不限于:余能发电机组负荷调节范围、设备稳定条件、设备调节响应速度、满足用户对蒸汽压力和温度的需求条件等。
5.根据权利要求1所述的一种余能一体化利用计算方法,其特征在于:在进行优化计算时,优化目标及原则为:
在满足管网所有蒸汽用户需求的前提下,考虑汽机发电效率和管网输送效率,进行优化调度,使得发电量最大,表达式即为:
Max{∑(发电量-供汽成本)}。
6.根据权利要求1所述的一种余能一体化利用计算方法,其特征在于:每当所述蒸汽用户需求量发生变化时,都会调用优化算法,将各余能发电机组的供汽量作为变量,利用梯度上升法进行极大值寻找,直到达到迭代次数或找到全局最优,则寻优计算结束。
7.一种余能一体化利用计算系统,其特征在于:包括:采集模块、处理器、存储器、收发器、通信接口;
所述采集模块、存储器和收发器分别与处理器信号连接;
所述收发器与通信接口信号连接。
8.根据权利要求7所述的一种余能一体化利用计算系统,其特征在于:所述系统还包括显示模块;
所述显示模块与处理器信号连接。
9.根据权利要求7所述的一种余能一体化利用计算系统,其特征在于:所述存储器为ROM、RAM、磁碟或者光盘。
10.根据权利要求7所述的一种余能一体化利用计算系统,其特征在于:所述处理器包括中央处理器、网络处理器、数字信号处理器、专用集成电路、可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件。
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