CN111062111A - 一种空分设备自动变负荷目标优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种空分设备自动变负荷目标优化方法。该方法针对当前空分设备自动变负荷过程中变负荷目标无法进行优化的问题,首先建立基于物料平衡的变负荷目标优化模型,在每次装置变负荷之前获取操作人员输入的变负荷目标值,带入变负荷目标优化模型进行优化求解,最终产生最接近变负荷目标的一系列生产被控变量期望值。同时,本方法可以在优化模型结构不变的前提下,根据生产被控变量的实际情况及时修正优化模型参数,以适应不断变化的变负荷生产环境。此方法具有较好的稳定性和实时性,其原理简洁清晰,易于实施。
Description
技术领域
本发明涉及化工、冶金行业空分设备的自动变负荷实时优化研究领域,特别的,涉及一种空分设备自动变负荷目标优化方法。
背景技术
空分设备是冶金、化工、石化、城市市政工程、医疗和航空航天等领域广泛采用的大型装备,与现代工业特别是各种高新技术产业密切相关,其发展规模与技术状况已成为衡量一个国家的工业和科技发展水平的重要标志。近年来随着氧、氮、氩等工业气体的需求急增,对空分装置的需求也越来越大。预计到2019年,我国总的空分装置需求量为1550万~1540万Nm3/h氧当量,平均每年新增需求量为110万~120万Nm3/h氧当量。
然而,在工业生产中,气体需求并不是固定不变的,而是呈现周期性、阶段性、间歇式的特点,这导致空分装置生产负荷需要大幅度的变动,以适应需求的变化。以钢铁企业为例,由于工艺的特殊性(如转炉顶吹、间断用氧、高炉富氧连续使用、煤粉喷吹),其瞬间用氧量很大,且时间不连续;再加上各个转炉大小不同,氧气用量的高峰、低谷的周期也不相同,造成氧气用量需求的不断变化。需求端的这种特性需要空分设备在运行过程中经常进行设备变负荷操作。为了满足空分设备物料和能量的基本平衡,空分设备变负荷过程需要配合调节相关生产变量。在实际生产过程中,操作人员设置的空分设备变负荷目标和此目标下相关生产变量的期望值往往根据人工经验临时决定,并不一定最优。由于计算较为复杂,紧急情况下还会引发误操作。本发明能够利用基于物料、能量平衡建立的空分装置变负荷目标优化模型对操作人员的变负荷目标进行实时优化,计算结果可直接作为生产被控变量期望值输入现场控制器执行,以完成空分设备自动变负荷任务。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种空分设备自动变负荷目标优化方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种空分设备自动变负荷目标优化方法。该方法使用基于物料、能量平衡的变负荷目标优化模型对操作人员输入的变负荷目标进行优化,最终产生最接近变负荷目标的一系列最优生产被控变量期望值。在空分装置变负荷生产过程中,本方法能够在优化模型结构不变的前提下,根据生产被控变量的实际情况及时修正优化模型参数,以适应不断变化的变负荷生产环境。进一步的,该方法具体包括以下步骤:
步骤一:基于物料平衡建立空分装置变负荷目标优化模型。本发明所涉空分装置变负荷目标优化模型的数学表达形式如下:
优化目标:
约束条件:
1.m1*FAIR+m2*FLOX+m3*FGOX+m4*FLIN+m5*FGAN+m6*FLAR+m7*FGAR+m8*FWN2 =0
2.e1*FLOX+e2*FLAR+e3*FTURBINE+e4*FHPAIR=0
3.Low1<FAIR<Up1
4.Low2<FLOX<Up2
5.Low3<FGOX<Up3
6.Low4<FLIN<Up4
7.Low5<FGAN<Up5
8.Low6<FLAR<Up6
9.Low7<FGAR<Up7
10.Low8<FWN2<Up8
11.Low9<FTURBINE<Up9
12.Low10<FHPAIR<Up10
其中FLOX为优化液氧流量,FGOX为优化氧气产品流量,FLIN为优化液氮流量,FGAN为优化氮气产品流量,σi表示修正系数,ΔLOX、ΔGOX、ΔLIN、ΔGAN表示上一阶段产品的实际值与计算输出值的偏差,FLOXSP表示操作人员输入的液氧目标流量,FGOXSP表示操作人员输入的氧气目标流量,FLINSP表示操作人员输入的液氮目标流量,FGANSP表示操作人员输入的氮气目标流量。t1、t2、t3、t4表示液氧流量、氧气产品流量、液氮流量和氮气流量的归一化常数。约束条件中,FAIR表示总空气流量,FTURBINE表示膨胀空气流量,FHPAIR表示高压空气流量,FLAR表示液氩流量,FGAR表示粗氩流量,FWN2表示污氮流量,约束条件1为物料平衡方程,反映空分系统物料之间平衡关系,其中mi为相关自变量平衡系数。约束条件2为能量平衡方程,反映空分系统总能量平衡关系,其中ei为相关自变量平衡系数,剩余方程中Lowi表示变量下界约束(该约束需根据设备实际情况确定),Upi表示变量的上界约束(该约束需根据设备实际情况确定)。
步骤二:从现场实时数据库中获取操作人员输入的变负荷目标值。然后将其带入步骤一建立的空分设备变负荷目标优化模型中。
步骤三:调用求解器对步骤二所产生的空分设备变负荷目标优化模型进行实时优化求解。
步骤四:根据步骤三所述的空分设备变负荷目标优化模型计算是否收敛判断求解是否成功。若计算收敛则跳至步骤五。如果计算过程不收敛、求解失败或者求解时间超过优化时间T则跳至步骤七。
步骤五:将空分设备变负荷目标优化计算结果输入现场控制器作为生产被控变量期望值。由现场控制器进行自动变负荷操作。
步骤六:等待操作人员确认工况稳定后,计算本次变负荷各生产被控变量期望值与实际值的偏差,更新目标优化模型后进入步骤七。
步骤七:等待操作人员输入下一次变负荷目标设定值。
本发明的有益效果是:
(1)本发明的空分设备自动变负荷目标优化方法,利用操作人员变负荷目标期望设定值对空分装置变负荷目标优化模型进行优化求解,产生最接近变负荷目标的一系列被控变量期望值。
(2)本发明的空分设备自动变负荷目标优化方法,实现简单,环境依赖性小。同时能够根据实际生产情况及时修正模型参数。
(3)本发明的空分设备自动变负荷目标优化方法,原理简洁清晰,方便于计算机上实现,且灵活性很好,能够更好地满足空分设备变负荷生产的复杂要求。
附图说明
图1为空分设备自动变负荷目标优化方法的示意图。
具体实施方式
通过以下结合附图对本发明较佳的实施方式进行描述,可以进一步理解本发明的目的、 特征和优点,其中图1为空分设备自动变负荷目标优化系统的示意图。以下参照本发明的附 图对本发明作更详细的描述。但是本发明也可以以许多不同形式实施,因此不应认为它局限 于说明书列出的实施例,相反,提供这种实施例是为了说明本发明的完善,以及能向本领域 的技术人员描述本发明的具体实施过程。
图1为空分设备自动变负荷目标优化方法的示意图。如图1所示,该系统包括OPC(OLE for Process Control)Server,一套针对优化问题的专用求解器(GAMS),以及空分设备变 负荷目标优化模型。首先通过OPC Server获取现场生成数据,然后将实时数据带入变负荷目 标优化模型。最后调用GAMS求解器进行优化求解得到一系列最优生产被控变量期望值。最后 将这些最优值通过OPC Server送入现场APC先进控制器作为自动变负荷设定值,进行空分设 备自动变负荷操作。
以江苏某钢厂气体公司二万空分装置为例,采用本发明方法对空分装置的变负荷目标进 行实时优化,包含在计算机系统以下的实行步骤:
步骤一:根据物料、能量平衡关系建立钢厂空分设备变负荷目标优化模型如下:
约束条件:
1.FAIR-0.95*FLOX-0.95*FGOX-0.97*FLIN-0.97*FGAN-FLAR-FGAR-0.87*FWN2=0
2.FGOX-0.98*FLAR-0.51*FTURBINE-0.32*FHPAIR=0
3. 9U98U<FAIR<123960
4. 0<FLOX<1680
5. 17000<FGOX<22000
6. 0<FLIN<1680
7. 34000<F6AN<44000
8. 350<FLAR<400
9. 500<FGAR<750
10. 40000<FWN2<600000
11. 10500<FTURBINE<18000
12. 20250<FHPAIR<30450
其中:其中FLOX为优化液氧流量,FGOX为优化氧气产品流量,FLIN为优化液氮流量,FGAN为优化氮气产品流量,FLOXSP表示操作人员输入的液氧目标流量,FGOXSP表示操作人员输入的氧气目标流量,FLINSP表示操作人员输入的液氮目标流量,FGANSP表示操作人员输入的氮气目标流量。ΔLOX、ΔGOX、ΔLIN、ΔGAN表示上一阶段产品的实际值与计算输出值的偏差,FAIR表示总空气流量, FTURBINE表示膨胀空气流量,FHPAIR表示高压空气流量,FWN2表示污氮流量,FLAR表示液氩流量,FGAR表示粗氩流量。
步骤二:系统获取操作人员输入的变负荷目标,将其带入步骤一建立的空分设备变负荷目标优化模型中。
步骤三:调用求解器对步骤二所产生的空分设备变负荷目标优化模型进行实时优化求解。若计算收敛则跳至步骤四。如果计算过程不收敛、求解失败或者求解时间超过六十秒则跳至步骤六。
步骤四:将空分设备变负荷目标优化计算结果输出到现场OPC服务器中作为变负荷生产被控变量期望值。
步骤五:等待操作人员确认工况稳定后,计算本阶段输出变量与实际值的偏差,更新目标优化模型后进入步骤六。
步骤六:等待操作人员输入下一次变负荷目标值。
如上所述,本发明也可以以许多不同形式实施,因此不应认为它局限于说明书列出的实施例。本发明采用的方法原理简洁清晰,方便于计算机上实现,且灵活性很好,能够很好的满足空分设备实时优化快速性、安全性等要求。
Claims (2)
1.一种空分设备自动变负荷目标优化方法,其特征在于,1.该方法使用基于物料、能量平衡的变负荷目标优化模型对操作人员输入的变负荷目标进行优化,最终产生最接近变负荷目标的一系列生产被控变量的最优期望值;2.在空分装置变负荷生产过程中,本方法能够在优化模型结构不变的前提下,根据生产被控变量的实际情况及时修正优化模型参数,以适应不断变化的变负荷生产环境。
2.根据权利要求1所述的一种空分设备自动变负荷目标优化方法,其特征在于,该方法具体包括以下关键步骤:
步骤一:基于物料平衡建立空分装置变负荷目标优化模型。本发明所涉空分装置变负荷目标优化模型的数学表达形式如下:
优化目标:
约束条件:
1.m1*FAIR+m2*FLOX+m3*FGOX+m4*FLIN+m5*FGAN+m6*FLAR+m7*FGAR+m8*FWN2=0
2.e1*FLOX+e2*FLAR+e3*FTURBINE+e4*FHPAIR=0
3.Low1<FAIR<Up1
4.Low2<FLOX<Up2
5.Low3<FGOX<Up3
6.Low4<FLIN<Up4
7.Low5<FGAN<Up5
8.Low6<FLAR<Up6
9.Low7<FGAR<Up7
10.Low8<FWN2<Up8
11.Low9<FTURBINE<Up9
12.Low10<FHPAIR<Up10
其中FLOX为优化液氧流量,FGOX为优化氧气产品流量,FLIN为优化液氮流量,FGAN为优化氮气产品流量,σi表示修正系数,ΔLOX、ΔGOX、ΔLIN、ΔGAN表示上一阶段产品的实际值与计算输出值的偏差,FLOXSP表示操作人员输入的液氧目标流量,FGOXSP表示操作人员输入的氧气目标流量,FLINSP表示操作人员输入的液氮目标流量,FGANSP表示操作人员输入的氮气目标流量。t1、t2、t3、t4表示液氧流量、氧气产品流量、液氮流量和氮气流量的归一化常数。约束条件中,FAIR表示总空气流量,FTURBINE表示膨胀空气流量,FHPAIR表示高压空气流量,FLAR表示液氩流量,FGAR表示粗氩流量,FWN2表示污氮流量,约束条件1为物料平衡方程,反映空分系统物料之间平衡关系,其中mi为相关自变量平衡系数。约束条件2为能量平衡方程,反映空分系统总能量平衡关系,其中ei为相关自变量平衡系数,剩余方程中Lowi表示变量下界约束(该约束需根据设备实际情况确定),Upi表示变量的上界约束(该约束需根据设备实际情况确定)。
步骤二:从现场实时数据库中获取操作人员输入的变负荷目标值。然后将其带入步骤一建立的空分设备变负荷目标优化模型中。
步骤三:调用求解器对步骤二所产生的空分设备变负荷目标优化模型进行实时优化求解。
步骤四:根据步骤三所述的空分设备变负荷目标优化模型计算是否收敛判断求解是否成功。若计算收敛则跳至步骤五。如果计算过程不收敛、求解失败或者求解时间超过优化时间T则跳至步骤七。
步骤五:将空分设备变负荷目标优化计算结果输入现场控制器作为生产被控变量期望值。由现场控制器进行自动变负荷操作。
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200424 |