CN112068516A - 基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法 - Google Patents

Abstract

一种基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法，解决现有多台锅炉配合运行的模式，锅炉之间缺乏有效的富余煤气分配及调度系统，导致锅炉燃耗高，锅炉机组运行效率低，富余煤气发电经济性差的问题。该方法通过对钢厂富余煤气进行基于启发式规则的预测，然后针对预测结果，采用精确控制的自适应整流滤波，基于富余煤气“平稳带‑梯状域‑锯齿形调度思想”的高效利用，来有效避免锅炉群被动接受频繁变化的富余煤气。该基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法能够解决富余煤气压力频繁、剧烈波动对发电机组的严重影响，实现锅炉群之间的协同运行以及煤气的高效利用，提高锅炉运行效率和机组发电量，降低发电燃耗。

Description

基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法

技术领域

本发明属于工业人工智能技术领域，具体涉及一种能够解决富余煤气压力频繁、剧烈波动对发电机组的严重影响，可实现锅炉群之间的协同运行和煤气的高效利用，有效提高锅炉运行效率和机组发电量，降低发电燃耗的基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法。

背景技术

钢铁企业由于各类煤气产生端及煤气消耗端均存在不可避免的周期性生产现象，如高炉热风炉燃烧期与送风期、转炉冶炼周期、轧钢加热炉不同排产计划等工艺过程的影响，导致煤气产生及煤气消耗过程波动频繁且剧烈，管网系统中煤气流波动严重，直接影响煤气资源调度过程及消耗用户群的利用效果。经过各用户使用后，剩余的煤气资源为富余煤气；并且，富余煤气主要用在锅炉发电机组进行发电。由于钢厂事故状态会导致煤气流量波动大，富余煤气在缓冲系统利用率低的现象，所以浪费了煤气所蕴含的巨大热量。自备电厂富余煤气的利用设备为燃气锅炉，目前多台锅炉之间配合运行是钢厂普遍采用的模式，但缺乏有效的富余煤气分配及调度系统，导致锅炉燃耗高，锅炉机组运行效率低，富余煤气发电经济性差。

同时，由于富余煤气资源一直处于波动剧烈、涨落频繁的状态，只有通过缓冲系统煤气柜和锅炉的消纳作用，才能够有效缓冲富余煤气资源。缓冲系统中煤气柜的运行特点是吞吐能力小，适应频繁、量小、短时间的波动，因此可以发挥“削峰平谷”作用，缓冲那些偏离均值的、频繁波动的锯齿型小煤气流；锅炉的运行特点是缓冲能力大，适应稳定、量大、时间长的波动。因此，锅炉作为煤气的消纳用户，可以有效的消纳阶梯形状的大股煤气流。然而，当前钢厂煤气柜功能不足，钢厂副产煤气的产生量与消耗量随各工序设备群的生产状态变化，造成输送管网煤气流量和压力的频繁波动，导致供应各用户的煤气量不稳定，严重影响煤气系统运行效果。目前，钢厂煤气缓冲系统的煤气柜作为富余煤气的削峰平谷之用，燃气锅炉作为富余煤气大块消纳用户；且钢厂生产过程中应考虑煤气柜作为辅助锅炉稳定运行的设备，要求其发挥灵活吞吐的能力。但是，由于钢厂煤气柜容积很大，一般为10万m³，甚至30万m³，钢厂系统运行要求稳定；因此，钢厂已有的煤气柜类型无法满足调控富余煤气波动的需求。故有必要对现有的钢厂锅炉高效协同调度运行方法进行改进。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种能够解决富余煤气压力频繁、剧烈波动对发电机组的严重影响，可实现锅炉群之间的协同运行和煤气的高效利用，有效提高锅炉运行效率和机组发电量，降低发电燃耗的基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法。

本发明所采用的技术方案是：该基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法包括如下步骤：

步骤一、生产工况的界定；将保持煤气系统生产设备对应的煤气单产或单耗基准值在允许范围内平稳变化的生产工况，定义为正常生产工况；否则，为非正常生产工况；

步骤二、生产工况的标定预测；当某台设备处于正常生产工况时，针对若干时段的产品产量和煤气量，统计不同时段的煤气单产或煤气单耗；选取(或测试)各时刻对应的不变值、经常值或统计平均值，作为该设备在正常生产工况下单位煤气产生量或消耗量的基准值，标定该设备的单位煤气产生量(单产)或单位煤气消耗量(单耗)；当某台设备处于非正常生产工况时，分析导致该设备不能正常生产的原因、“事件”的来源及其表述；标定特定时刻“事件”触发时，该设备的产品产量以及煤气产生量和消耗量随时间的变化过程，以及非正常生产工况持续的时间；选取其中代表性的生产数据或相互关联式，作为指定“事件”在非正常生产工况下煤气产生量或消耗量的修正值；并将钢铁企业煤气产耗量预测启发式规则储存至数据库，供模型计算时使用；

步骤三、采用指数平滑法预测各工序正常生产工况的预测模型；首先，依据钢厂各工序生产工艺特点，进行工序分类，然后，再针对各类煤气用户建立不同的模型；

步骤四、富余煤气预测过程；首先读取钢铁企业各工序、设备和装置的生产计划及检修计划，确定物质流变化情况；并根据生产工况将煤气系统设备群分为“正常生产工况设备集合”和“非正常生产工况设备集合”，分别采用标定预测和指数平滑法进行预测，煤气产耗总量预测值等于这两种方法预测结果之和；

步骤五、煤气缓冲系统的整流滤波；钢铁企业煤气缓冲系统由发电系统的锅炉群和各类煤气柜构成，从煤气系统整体角度考虑，煤气缓冲系统需要配合煤气消耗系统运行；当煤气消耗系统的煤气资源供应不足时，首先启用煤气柜进行调节，如果煤气柜调节能力不够，为稳定生产可降低或停止对锅炉的煤气供应，补偿煤气系统缺少的煤气量，以保证钢铁企业各主要生产工序的稳定运行；

步骤六、自适应整流滤波；依据煤气量的波动范围，将富余煤气的波动区域分为“平稳带”、“梯状域”及“锯齿形”三部分：占比最大的“平稳带”富余煤气部分，煤气量平稳，可稳定供应多数锅炉运行；“梯状域”将富余煤气波动幅度之大趋势进行分离，该部分煤气量存在波动，但趋势相对平稳，通过明确设置缓冲锅炉进行相对稳定运行；“锯齿形”波动富余煤气部分，则具有波动频繁、量小、短时间的波动，煤气柜可以实现稳定“锯齿形”波动煤气流作用；并且，经过小型气柜滤波的煤气不再回到煤气循环管网中，而直接连接燃气锅炉，供发电使用；锅炉作为煤气的缓冲用户，具有“溢洪道”功能，用其消纳那部分时涨时落的煤气流；

步骤七、基于精确控制的煤气分配；先将“平稳带”煤气分配给最稳定的几座锅炉，然后将“梯状域”的煤气分配给次稳定的锅炉，再将“锯齿形”煤气分配给最不稳定的锅炉，从而在最大程度上保证煤气的利用效率和锅炉发电效率；锅炉群的定位规则与精确控制系统下的煤气分配原则相对应，当每台燃气锅炉接纳的富余煤气温度、压力、流量等参数超过本台锅炉定位规则时，当前的燃气锅炉会出现报警和反馈，并将反馈结果传给上游的煤气分配精确控制系统，这样精确控制系统可以重新对煤气进行分配。

所述步骤二，建立相应的规则保存至数据库，共分为三个层次；数据库中第一层次为设备生产状态规则，分别为规则一“正常生产工况”和规则二“非正常生产工况”；数据库中第二层次为产气设备和耗气设备分类规则，分别为规则一“煤气产生设备”和规则二“煤气消耗设备”；第三层次为设备层面对应的单产(单耗)或者煤气量随生产率及“事件”的变化情况。

所述第三层次建立的规则，按照工序顺序分为：烧结工序标定设备为烧结机，“事件”类型分为改变燃气种类和固体燃料影响烧结机燃耗；燃气种类分别为高炉煤气、焦炉煤气及混合煤气，固体燃料分为煤粉燃料和焦粉燃料；

焦化工序标定设备为焦炉，“事件”类型分为更换燃料种类和增减结焦时间；燃料种类分为高炉煤气和焦炉煤气，增减结焦时间分为低于正常结焦时间和大于正常结焦时间；

炼铁工序标定设备为高炉和热风炉，其中，高炉“事件”类型为高炉休风、减风和复风过程；热风炉“事件”类型为增减热风炉温度，调整燃烧、换炉和送风的时间；

轧钢工序标定设备为加热炉，对应“事件”类型为热装温度、热装率、待轧、空烧保温热负荷及长时间停炉。

所述步骤三，依据钢厂各工序生产工艺特点，进行的工序分类包括：

第一类煤气用户：烧结工序、焦化工序等，煤气量变化相对平稳；

第二类煤气用户：轧钢加热炉、石灰工序的石灰窑等，煤气存在一定波动；

第三类煤气用户：高炉热风炉、炼钢转炉等，煤气产耗量有明显的剧烈波动。

所述步骤三，针对各类煤气用户所建立的不同模型分别为：

第一类煤气用户——建立“一次指数平滑法的预测模型”，一次指数平滑预测模型为：

y′_t+1＝αy_t+(1-α)y′_t (1)

y′_t+1：t+1期的预测值，即本期(t期)的平滑值S_t；

y_t：t期的实际值；

y′_t：t期的预测值，即上期的平滑值S_t-1；

α：加权系数；

第二类煤气用户——建立“二次指数平滑法的预测模型”，二次指数平滑预测模型为：

式中：

第t周期的二次指数平滑值；

第t周期的一次指数平滑值；

第t-1周期的二次指数平滑值；

a_t，b_t：二次指数平滑的平滑系数；

第三类煤气用户——建立“三次指数平滑法的预测模型”，三次指数平滑预测模型为：

式中：

c_t：三次指数平滑的平滑系数；

T：由t周期开始向后推移的周期数；

第t周期的三次指数平滑值；

第t-1周期的三次指数平滑值。

所述步骤四，在启发式方法基础上建立“非正常生产工况设备集合”的研究过程，且由于钢铁企业煤气系统设备众多，运行工况多样，启发式规则的建立过程需要逐步完善且不断更新，所以在应用启发式方法对煤气产耗量进行预测的过程中，增加了自学习功能，进而检查并记录新投产的设备类型及新出现的生产工况所对应的煤气产耗量，采用启发式方法将其记录并保存至数据库。

所述步骤六，利用小型气柜进行富余煤气锯齿形波动的整流滤波，且小型气柜可以采用容积小于5000m³～10000m³的小型城市燃气系统煤气柜；采用小型煤气柜作为吞吐装置，具有吞吐能力小的特点，能够适应频繁、量小、时间短的波动，调节管网压力的效果好。

所述步骤七，“平稳带”富余煤气的直接分配，通过精确控制系统，结合钢厂的实际情况，首先进行平稳带的判断，然后反馈给精确控制系统，精确控制系统再根据平稳带的划分依据，通过阀门和执行机构的配合，将煤气直接分配给多座“平稳带”对应的燃气锅炉使用。

所述步骤七，“梯状域”富余煤气的直接分配，通过精确控制系统，根据富余煤气预测结果，可以控制“梯状域”的富余煤气进入少量几座燃气锅炉使用，保证燃气锅炉的发电效率；

由于“梯状域”内富余煤气的波动较大，建立煤气的锅炉群分配模型，目标函数如式(8)所示：

式中，b为锅炉序号，G为煤气种类，k为煤气柜序号，t为时间段；

为锅炉燃料偏离额定值时引起的锅炉经济损失权值，

为煤气放散惩罚权值，

和

分别为煤气柜高位运行和低位运行惩罚权值，

为锅炉燃料负荷额定值；

物料平衡约束如式(9)所示：

式中，

表示煤气产生量经固定用户使用后剩余的煤气量；

锅炉运行约束如式(10)～(14)所示：

式中，Heat_G为煤气热值，

和

分别为锅炉供应燃气的最小热值和最大热值，

和

别为锅炉供应热量的最小值和最大值，

和

分别为锅炉燃料供应量与额定值的最小和最大偏移量；

煤气柜运行约束条件如式(15)～(17)所示：

式中，

和

分别为煤气柜的高位和低位约束，

和

分别为煤气柜运行的低低位和高高位约束，

为煤气柜的最大吞吐量。

本发明的有益效果：通过对钢厂富余煤气进行基于启发式规则的预测，然后针对预测结果，采用精确控制的自适应整流滤波，基于富余煤气“平稳带-梯状域-锯齿形调度思想”的高效利用，来有效避免锅炉群被动接受频繁变化的富余煤气。控制算法包括模型算法和控制算法两部分，负责整体的运筹和规划计算；执行包括辅助运行小型气柜、稳压器组，并通过各部分的协同运行，完成煤气的高效利用。从而，解决富余煤气压力频繁、剧烈波动对发电机组的严重影响，能够实现锅炉群之间的协同运行以及煤气的高效利用，有效提高锅炉运行效率和机组发电量，降低发电燃耗。

附图说明

图1是本发明燃气锅炉协同发电系统整体运行思路及目标框图。

图2是本发明富余煤气在缓冲系统的整流滤波过程图。

图3是本发明启发式规则数据库的层次构成框图。

图4是本发明煤气产耗量预测流程图。

图5是本发明启发式方法的自学习过程图。

图6是传统的未经整流滤波的富余煤气流向图。

图7是本发明整流滤波的精确控制逻辑图。

图8是本发明富余煤气自适应滤波整流流程图。

图9是本发明燃气锅炉定位反馈系统图。

具体实施方式

富余煤气在缓冲系统调控过程如图2所示。图2中列出“富余煤气量变化预测值”、“富余煤气平稳带”、“富余煤气梯状域”和“小型气柜整流-锯齿形”煤气流整流匹配控制过程。

煤气柜作为煤气资源的吞吐装置，具有“活套”功能，用其吞吐那些偏离均值的频繁波动的锯齿形小煤气流(锯齿形状)；锅炉作为煤气的缓冲用户，具有“溢洪道”功能，用其消纳那部分时涨时落的阶梯形状的大煤气流(平稳带和阶梯形状)。煤气柜作为吞吐装置，其运行特点是吞吐能力小，适应频繁、量小、时间短的波动，调节管网压力效果好。燃气锅炉作为缓冲用户，其运行特点是缓冲能力大，适应稳定、量大、时间长的波动，煤气负荷的调节频率影响燃烧的稳定性和锅炉的经济运行。因此，这些富余的煤气资源只有经过小型煤气柜、燃气锅炉等装置的缓冲，才能有效地缓解煤气流的频繁波动，实现锅炉群的协同运行，达到稳定锅炉的煤气负荷，提高锅炉效率。

本专利功能实现的设计思路如下：通过模型系统对富余煤气变化趋势进行预测，利用软件控制系统将富余煤气分为“平稳带”、“梯状域”和“锯齿形”区域三部分。

一是占比最大的“平稳带”富余煤气部分，煤气量平稳，可稳定供应多数锅炉运行；

二是“梯状域”将富余煤气波动幅度之大趋势进行分离，该部分煤气量存在波动，但趋势相对平稳，通过明确设置缓冲锅炉进行相对稳定运行；

三是“锯齿形”波动富余煤气部分，具有波动频繁、量小、短时间的波动，煤气柜可以实现稳定锯齿形波动煤气流作用。由于前两步已经将占大比例的富余煤气量予以抽出并利用，剩余部分的“锯齿形”煤气量可以采用容积小于10000m³的小型城市燃气系统煤气柜即可实现很好的缓冲，对煤气实现“滤波”作用。提高了发挥“削峰平谷”锅炉运行的稳定性，从而提高机组运行效率。

详细说明本发明的具体步骤。该基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法包括：

步骤一、生产工况的界定。将保持煤气系统生产设备对应的煤气单产或单耗基准值在允许范围内平稳变化的生产工况，定义为正常生产工况；否则，为非正常生产工况。

所谓平稳变化，是指没有明显上升和下降趋势的变化；例如：高炉在原燃料条件、炉子结构参数和热工操作参数一定的情况下，高炉的铁水产量及高炉煤气的产生量、热值和压力等都是平稳的，此时高炉处在正常生产状态。同理，加热炉在炉子结构、产品产量、热装温度和热工制度一定的条件下，它的单位燃耗(加热每吨物料的燃料消耗量)也是平稳的，此时加热炉处于正常生产状态。相反，如果加热炉长时间处于“待热”或“待轧”状态，它的单位燃耗要么大幅度上升要么大幅度下降，则这座加热炉一定处于非正常生产状态。这里提及的加热炉待热、待轧或高炉休风和复风等，被称作导致设备非正常生产的“事件”。

步骤二、生产工况的标定预测。当某台设备处于正常生产工况时，针对若干时段的产品产量和煤气量，统计不同时段的煤气单产或煤气单耗。选取(或测试)各时刻对应的不变值、经常值或统计平均值，作为该设备在正常生产工况下单位煤气产生量或消耗量的基准值，标定该设备的单位煤气产生量(单产)或单位煤气消耗量(单耗)。当某台设备处于非正常生产工况时，分析导致该设备不能正常生产的原因、“事件”的来源及其表述。标定特定时刻“事件”触发时，该设备的产品产量以及煤气产生量和消耗量随时间的变化过程，以及非正常生产工况持续的时间；选取其中代表性的生产数据或相互关联式，作为指定“事件”在非正常生产工况下煤气产生量或消耗量的修正值；并将钢铁企业煤气产耗量预测启发式规则储存至数据库，供模型计算时使用。建立相应的规则保存至数据库，共分为三个层次，如图3所示。

以某钢铁企业为例，数据库中第一层次为设备生产状态规则，分别为规则一“正常生产工况”和规则二“非正常生产工况”。数据库中第二层次为产气设备和耗气设备分类规则，分别为规则一“煤气产生设备”和规则二“煤气消耗设备”。第三层次为设备层面对应的单产(单耗)或者煤气量随生产率及“事件”的变化情况，由于该层所建立规则类别较多，按照工序顺序以非正常生产工况为例分别进行介绍。

烧结工序标定设备为烧结机，“事件”类型分为改变燃气种类和固体燃料影响烧结机燃耗。燃气种类分别为高炉煤气、焦炉煤气及混合煤气，固体燃料分为煤粉燃料和焦粉燃料。标定规则为5类，该企业共有5台烧结机，烧结工序共标定25类规则。

焦化工序标定设备为焦炉，“事件”类型分为更换燃料种类和增减结焦时间。燃料种类为高炉煤气和焦炉煤气，增减结焦时间分为低于正常结焦时间和大于正常结焦时间，即每缩短1小时或者每延长1小时对应的设备单耗变化量。标定规则为4类，该企业共有5座焦炉，焦化工序共标定20类规则。

炼铁工序标定设备为高炉和热风炉。其中，高炉“事件”类型为高炉休风、减风和复风过程；热风炉“事件”类型为增减热风炉温度，调整燃烧、换炉和送风的时间，更换燃料种类，燃料种类又分为仅消耗高炉煤气及消耗混合煤气。综上，炼铁工序高炉共标定规则16类，该企业共有5座高炉，炼铁工序共标定80类规则。

轧钢工序标定设备为加热炉，对应“事件”类型为热装温度、热装率、待轧、空烧保温热负荷及长时间停炉。其中，热装温度标定每提高100摄氏度节约煤气消耗量。一台加热炉共标定规则5类，该企业共有9台加热炉，轧钢工序共标定45类规则。

综上所述，该企业标定煤气产耗量变化规则共170个种类，这些规则均为对应“事件”规则的大类。例如，高炉减风事件标定为大类，但是减风过程持续时间又分为1小时、1.5小时、2小时等情况，这些为减风事件对应的标定规则小类。限于篇幅，不再过多介绍。对于新出现的工况问题，该预测方法需通过自学习功能进行完善。以上所有标定过程均在企业内完成，各类规则储存在数据库供煤气预测程序计算过程使用。

步骤三、采用指数平滑法预测各工序正常生产工况的预测模型。指数平滑法预测模型主要用于煤气的正常生产工况。钢铁企业煤气的产生和消耗是伴随着产品的生产过程进行的，所以对煤气流的预测应该与各工序或设备的物质流生产过程相结合，且煤气流的运行节奏由物质流的生产节奏所决定。各工序正常生产工况预测模型如下采用指数平滑法预测。

依据钢厂各工序生产工艺特点，进行工序分类：

第一类煤气用户：烧结工序、焦化工序等，煤气量变化相对平稳；

第二类煤气用户：轧钢加热炉、石灰工序的石灰窑等，煤气存在一定波动；

第三类煤气用户：高炉热风炉、炼钢转炉等，煤气产耗量有明显的剧烈波动。

针对三类煤气用户建立不同的模型：

第一类煤气用户——建立“一次指数平滑法的预测模型”，一次指数平滑预测模型为：

y′_t+1＝αy_t+(1-α)y′_t (1)

y′_t+1：t+1期的预测值，即本期(t期)的平滑值S_t；

y_t：t期的实际值；

y′_t：t期的预测值，即上期的平滑值S_t-1；

α：加权系数。

第二类煤气用户——建立“二次指数平滑法的预测模型”，二次指数平滑预测模型为：

第t周期的二次指数平滑值；

第t周期的一次指数平滑值；

第t-1周期的二次指数平滑值；

a_t，b_t：二次指数平滑的平滑系数。

第三类煤气用户——建立“三次指数平滑法的预测模型”，三次指数平滑预测模型为：

式中：

c_t：三次指数平滑的平滑系数；

T：由t周期开始向后推移的周期数；

第t周期的三次指数平滑值；

第t-1周期的三次指数平滑值。

步骤四、富余煤气预测过程，煤气预测流程如图4所示。首先读取钢铁企业各工序、设备和装置的生产计划及检修计划，确定物质流变化情况；并根据生产工况将煤气系统设备群分为“正常生产工况设备集合”和“非正常生产工况设备集合”，分别采用标定预测和指数平滑法进行预测，煤气产耗总量预测值等于这两种方法预测结果之和。

由于非正常生产设备群的研究过程建立在启发式方法基础上，因此，设计了启发式方法的自学习功能解决该问题，模型自学习功能和启发式方法应用过程如图5所示。钢铁企业煤气系统设备众多，且运行工况多样，启发式规则的建立过程需要逐步完善且不断更新。以高炉休风过程为例，数据库中高炉休风时间长度为Ta，(a＝1，2，…，A)，设备型号为Eu，(u＝1，2，…，U)，其中Ta和Eu表示数据库中休风时间和设备型号的检索参数，Δt为样本时间间隔，各时刻煤气产量为V(T_a,E_u,nΔt)_修正值，其中n表示样本点数(n＝1，2，…)。在应用启发式方法对煤气产耗量进行预测的过程中，自学习功能起着非常重要的作用。它可以检查并记录新投产的设备类型及新出现的生产工况所对应的煤气产耗量，采用启发式方法将其记录并保存至数据库。

如图5所示，首先读取生产计划，确定计划休风事件对应设备型号E和休风时间T作为检索参数，调用数据库参数检索工具，判断数据库中是否有与之相匹配的休风计划。如果存在该休风计划，令t时刻煤气产耗量预测值等于数据库中相应修正值，该“修正值”包括生产数据和关联式等类型；如果遍查数据库检索参数，均没有与之匹配的休风计划存在，则令数据库检索参数增加一个序列，同时将休风时间、设备型号及对应的各时刻煤气量的实际值作为新增煤气修正值保存至数据库。

步骤五、煤气缓冲系统的整流滤波。煤气缓冲系统顾名思义是用来对钢铁企业富余煤气进行缓冲和消纳的设备群。钢铁企业煤气缓冲系统由发电系统的锅炉群和各类煤气柜构成。发电系统作为富余煤气消纳用户，一般包括燃气锅炉、掺烧煤气燃煤锅炉、燃气蒸汽联合循环发电机组等。缓冲系统煤气柜群包括高炉煤气柜、焦炉煤气柜、转炉煤气柜和混合煤气柜。利用富余煤气进行发电供应钢铁企业内部使用，这种类型的缓冲系统是当前普遍采用的消纳富余煤气方式。将副产煤气进行净化提纯用来合成甲醇和二甲醚等有机化工产品，或者利用焦炉煤气辅助煤制取烯烃等技术尚不成熟，处于实验研究和探索阶段。

从煤气系统整体角度考虑，煤气缓冲系统需要配合煤气消耗系统运行，在保证钢铁厂铁素物质流生产流程所需煤气资源稳定供应的前提下，对富余煤气量进行消纳利用并产生一定的经济效益。其中锅炉消纳富余煤气产生蒸汽供应蒸汽系统和汽轮发电机组产生电力，从而满足钢铁企业的蒸汽与电力需求。煤气柜为富余煤气的缓冲设备，具有相对灵活的吞吐能力，虽然不能对煤气进行消纳，但可以对煤气流波动情况发挥有效的“削峰平谷”作用，配合锅炉群稳定运行。

煤气系统的锅炉群一方面属于煤气缓冲系统，作为富余煤气的消纳用户；另一方面，属于钢铁企业自备电厂的燃料燃烧系统，同时还属于钢铁企业蒸汽系统的蒸汽发生源。可见钢铁企业锅炉群属于煤气系统与电力系统、蒸汽系统的连接界面设备群。故对于煤气系统的研究要充分考虑到周边环境条件变化对于煤气系统运行效果的影响，使得煤气资源的利用得到最大程度发挥。

综合以上对煤气缓冲系统的分析可知，煤气柜作为富余煤气的削峰平谷之用，燃气锅炉作为富余煤气大块消纳用户。锅炉虽然属于缓冲用户，但仍然能够为钢铁企业产生一定的经济效益。因此生产过程中应考虑煤气柜作为辅助锅炉稳定运行的设备，发挥其对煤气的灵活吞吐能力。当煤气消耗系统的煤气资源供应不足时，首先启用煤气柜进行调节，如果煤气柜调节能力不够，为稳定生产可降低或停止对锅炉的煤气供应，补偿煤气系统缺少的煤气量，以保证钢铁企业各主要生产工序的稳定运行。

步骤六、自适应整流滤波。传统没有整流滤波过程的富余煤气流向如图6所示。高炉煤气BFG、焦炉煤气COG及转炉煤气LDG除了供给钢铁制造流程的用户使用外，富余煤气经过混合后进入钢铁企业的自备电厂，用于发电。由于钢铁制造流程中煤气的消耗波动较大，导致了富余煤气的压力和流量波动大，从而引起了锅炉的发电效率降低，整个锅炉群不能发挥应有的作用。

首先分析富余煤气波动的特征，将其波动区域依据煤气量的波动范围分为“平稳带”、“梯状域”及“锯齿形”三部分，从而通过特有的方法实现针对每一种特征的平稳处理。为实现富余煤气锯齿形结构的整流滤波，利用小型气柜进行富余煤气锯齿形波动的整流滤波，且小型气柜可以采用容积小于5000m³～10000m³的小型城市燃气系统煤气柜；它既可以满足锯齿形整流滤波的需求，又能满足投资成本低，占地面积小，施工时间短的客观需要，为钢铁企业节省成本。

图2中列出“富余煤气量变化预测值”、“富余煤气平稳带”、“富余煤气梯状域”和“小型气柜整流-锯齿形”煤气流整流匹配控制过程。

小型气柜作为煤气资源的吞吐装置，具有“活套”功能，用其吞吐那些偏离均值的频繁波动的锯齿形小煤气流(锯齿形状)，本专利中经过小型气柜滤波的煤气不再回到煤气循环管网中，而直接连接燃气锅炉，供发电使用；锅炉作为煤气的缓冲用户，具有“溢洪道”功能，用其消纳那部分时涨时落的阶梯形状的大煤气流(平稳带和阶梯形状)。煤气柜作为吞吐装置，其运行特点是吞吐能力小，适应频繁、量小、时间短的波动，调节管网压力效果好。燃气锅炉作为缓冲用户，其运行特点是缓冲能力大，适应稳定、量大、时间长的波动，煤气负荷的调节频率影响燃烧的稳定性和锅炉的经济运行。因此，这些富余的煤气资源只有经过小型煤气柜、燃气锅炉等装置的缓冲，才能有效地缓解煤气流的频繁波动，实现锅炉群的协同运行，达到稳定锅炉的煤气负荷，提高锅炉效率。

通过模型系统对富余煤气变化趋势进行预测，利用软件控制系统将富余煤气分为“平稳带”、“梯状域”和“锯齿形”区域三部分。

一是，占比最大的“平稳带”富余煤气部分，煤气量平稳，可稳定供应多数锅炉运行；二是，“梯状域”将富余煤气波动幅度之大趋势进行分离，该部分煤气量存在波动，但趋势相对平稳，通过明确设置缓冲锅炉进行相对稳定运行；三是，“锯齿形”波动富余煤气部分，具有波动频繁、量小、短时间的波动，煤气柜可以实现稳定锯齿形波动煤气流作用。由于前两步已经将占大比例的富余煤气量予以抽出并利用，剩余部分的“锯齿形”煤气量可以采用容积小于5000m³～10000m³的小型城市燃气系统煤气柜即可实现很好的缓冲，对煤气实现“滤波”作用。提高了发挥“削峰平谷”锅炉运行的稳定性，从而提高机组运行效率。

步骤七、富余煤气发电的协同在锅炉端通过控制手段实现，但控制的方法决定了协同运行的可靠性。本专利通过对整流滤波后富余煤气施加相应的规则及算法，用以实现燃气锅炉相互间的协同运行，达到发电量最大，经济效益最高的结果。锅炉协同运行的实现方式通过两种途径的结合来保证，一是通过对整流滤波的富余煤气分配方式进行精确控制，依靠控制算法和控制硬件来实现。二是通过对燃气锅炉群内每台锅炉的清晰定位来实现。当精确控制后的煤气精准到达所匹配的定位清晰的燃气锅炉时，则实现了整个燃气锅炉群的协同运行。

1、基于精确控制的煤气分配

煤气分配的整体设计思路为：先将“平稳带”煤气分配给最稳定的几座锅炉，然后将“梯状域”的煤气分配给次稳定的锅炉，再将“锯齿形”煤气分配给最不稳定锅炉，这样能在最大程度保证煤气的利用效率和锅炉发电效率。

(1)“平稳带”富余煤气的直接分配

通过精确控制系统，结合钢厂的实际情况，首先进行平稳带的判断，然后反馈给精确控制系统，精确控制系统根据平稳带的划分依据，将煤气通过阀门和执行机构的配合，将煤气直接分配给3^#～9^#燃气锅炉使用。能够理解的是，根据具体的生产情况，3^#～9^#锅炉并非是7座锅炉，而是泛指“平稳带”对应的锅炉往往不是一两座，而是会有多座锅炉对应平稳带的煤气量，分配结果以平稳带的煤气量能满足多座锅炉高效运行负荷要求为原则。

(2)“梯状域”富余煤气的直接分配

通过精确控制系统，根据富余煤气预测结果，可以控制梯状域的富余煤气进入2^#燃气锅炉使用，保证2^#燃气锅炉的发电效率。能够理解的是，2^#锅炉并非是指1座锅炉，而是泛指“梯状域”的煤气量已经远远小于“平稳带”的煤气量，所以正常情况下少量的锅炉即可满足“梯状域”富余煤气的供给量。

由于“梯状域”内富余煤气的波动较大，所以建立一套煤气的锅炉群分配模型；目标函数如式(8)所示：

式中，b为锅炉序号，G为煤气种类，k为煤气柜序号，t为时间段；W_b ^G为锅炉燃料偏离额定值时引起的锅炉经济损失权值，

为煤气放散惩罚权值，

和

别为煤气柜高位运行和低位运行惩罚权值，V_b ^G,e为锅炉燃料负荷额定值；

物料平衡约束如式(9)所示：

式中，

表示煤气产生量经固定用户使用后剩余的煤气量；

锅炉运行约束如式(10)～(14)所示：

式中，Heat_G为煤气热值，

和

分别为锅炉供应燃气的最小热值和最大热值，

和

分别为锅炉供应热量的最小值和最大值，

和

分别为锅炉燃料供应量与额定值的最小和最大偏移量；

煤气柜运行约束条件如式(15)～(17)所示：

式中，

和

分别为煤气柜的高位和低位约束，

和

分别为煤气柜运行的低低位和高高位约束，

为煤气柜的最大吞吐量。

变量汇总：

为锅炉b在t时刻的煤气供应量，

为煤气柜在t时刻的煤气储存量，

为t时刻煤气的放散量，

和

分别为煤气柜内处在高位和低位运行的煤气量，

为锅炉燃料供应量低(高)于额定值的负(正)向偏移量。

(3)锯齿形富余煤气经过小型气柜后进入图8中的1^#锅炉

锯齿形富余煤气根据精确控制系统的要求，将煤气送到小型气柜，通过小型气柜的整流滤波功能后，直接供给1^#燃气锅炉使用。能够理解的是，1^#燃气锅炉并非钢厂中编号为1^#的锅炉，而是指经过小型气柜的富余煤气分配给钢厂其中一座燃气锅炉即可。

2、锅炉群的定位规则

锅炉群的定位与精确控制系统下的煤气分配原则相对应。例如：1^#燃气锅炉被定位为：接纳经过整流滤波的“锯齿形”波动的富余煤气；2^#燃气锅炉被定位为：接纳“梯状域”的富余煤气；3^#～9^#燃气锅炉被定位为：接纳“平稳带”的富余煤气。

为了锅炉群的定位规则得到有效的执行和良性运转，给每台锅炉配置了流量反馈系统。为了更清晰表达燃气锅炉本身设计的参数定位系统，图9中省去了小型气柜等，以便于精确控制系统与锅炉的反馈对接。当每台燃气锅炉的接纳的富余煤气温度、压力、流量等参数超过本台锅炉定位规则时，当前的燃气锅炉会出现报警和反馈，并且将反馈结果传给上游的精确控制系统，这样精确控制系统可以重新对煤气进行分配。

Claims (9)

1.一种基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、生产工况的界定；将保持煤气系统生产设备对应的煤气单产或单耗基准值在允许范围内平稳变化的生产工况，定义为正常生产工况；否则，为非正常生产工况；

步骤二、生产工况的标定预测；当某台设备处于正常生产工况时，针对若干时段的产品产量和煤气量，统计不同时段的煤气单产或煤气单耗；选取(或测试)各时刻对应的不变值、经常值或统计平均值，作为该设备在正常生产工况下单位煤气产生量或消耗量的基准值，标定该设备的单位煤气产生量(单产)或单位煤气消耗量(单耗)；当某台设备处于非正常生产工况时，分析导致该设备不能正常生产的原因、“事件”的来源及其表述；标定特定时刻“事件”触发时，该设备的产品产量以及煤气产生量和消耗量随时间的变化过程，以及非正常生产工况持续的时间；选取其中代表性的生产数据或相互关联式，作为指定“事件”在非正常生产工况下煤气产生量或消耗量的修正值；并将钢铁企业煤气产耗量预测启发式规则储存至数据库，供模型计算时使用；

步骤三、采用指数平滑法预测各工序正常生产工况的预测模型；首先，依据钢厂各工序生产工艺特点，进行工序分类，然后，再针对各类煤气用户建立不同的模型；

步骤四、富余煤气预测过程；首先读取钢铁企业各工序、设备和装置的生产计划及检修计划，确定物质流变化情况；并根据生产工况将煤气系统设备群分为“正常生产工况设备集合”和“非正常生产工况设备集合”，分别采用标定预测和指数平滑法进行预测，煤气产耗总量预测值等于这两种方法预测结果之和；

步骤五、煤气缓冲系统的整流滤波；钢铁企业煤气缓冲系统由发电系统的锅炉群和各类煤气柜构成，从煤气系统整体角度考虑，煤气缓冲系统需要配合煤气消耗系统运行；当煤气消耗系统的煤气资源供应不足时，首先启用煤气柜进行调节，如果煤气柜调节能力不够，为稳定生产可降低或停止对锅炉的煤气供应，补偿煤气系统缺少的煤气量，以保证钢铁企业各主要生产工序的稳定运行；

步骤六、自适应整流滤波；依据煤气量的波动范围，将富余煤气的波动区域分为“平稳带”、“梯状域”及“锯齿形”三部分：占比最大的“平稳带”富余煤气部分，煤气量平稳，可稳定供应多数锅炉运行；“梯状域”将富余煤气波动幅度之大趋势进行分离，该部分煤气量存在波动，但趋势相对平稳，通过明确设置缓冲锅炉进行相对稳定运行；“锯齿形”波动富余煤气部分，则具有波动频繁、量小、短时间的波动，煤气柜可以实现稳定“锯齿形”波动煤气流作用；并且，经过小型气柜滤波的煤气不再回到煤气循环管网中，而直接连接燃气锅炉，供发电使用；锅炉作为煤气的缓冲用户，具有“溢洪道”功能，用其消纳那部分时涨时落的煤气流；

步骤七、基于精确控制的煤气分配；先将“平稳带”煤气分配给最稳定的几座锅炉，然后将“梯状域”的煤气分配给次稳定的锅炉，再将“锯齿形”煤气分配给最不稳定的锅炉，从而在最大程度上保证煤气的利用效率和锅炉发电效率；锅炉群的定位规则与精确控制系统下的煤气分配原则相对应，当每台燃气锅炉接纳的富余煤气温度、压力、流量等参数超过本台锅炉定位规则时，当前的燃气锅炉会出现报警和反馈，并将反馈结果传给上游的煤气分配精确控制系统，这样精确控制系统可以重新对煤气进行分配。

2.根据权利要求1所述的基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法，其特征在于：所述步骤二，建立相应的规则保存至数据库，共分为三个层次；数据库中第一层次为设备生产状态规则，分别为规则一“正常生产工况”和规则二“非正常生产工况”；数据库中第二层次为产气设备和耗气设备分类规则，分别为规则一“煤气产生设备”和规则二“煤气消耗设备”；第三层次为设备层面对应的单产(单耗)或者煤气量随生产率及“事件”的变化情况。

3.根据权利要求2所述的基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法，其特征在于：所述第三层次建立的规则，按照工序顺序分为：烧结工序标定设备为烧结机，“事件”类型分为改变燃气种类和固体燃料影响烧结机燃耗；燃气种类分别为高炉煤气、焦炉煤气及混合煤气，固体燃料分为煤粉燃料和焦粉燃料；

焦化工序标定设备为焦炉，“事件”类型分为更换燃料种类和增减结焦时间；燃料种类分为高炉煤气和焦炉煤气，增减结焦时间分为低于正常结焦时间和大于正常结焦时间；

炼铁工序标定设备为高炉和热风炉，其中，高炉“事件”类型为高炉休风、减风和复风过程；热风炉“事件”类型为增减热风炉温度，调整燃烧、换炉和送风的时间；

轧钢工序标定设备为加热炉，对应“事件”类型为热装温度、热装率、待轧、空烧保温热负荷及长时间停炉。

4.根据权利要求1所述的基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法，其特征在于：所述步骤三，依据钢厂各工序生产工艺特点，进行的工序分类包括：

第一类煤气用户：烧结工序、焦化工序等，煤气量变化相对平稳；

第二类煤气用户：轧钢加热炉、石灰工序的石灰窑等，煤气存在一定波动；

第三类煤气用户：高炉热风炉、炼钢转炉等，煤气产耗量有明显的剧烈波动。

5.根据权利要求1所述的基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法，其特征在于：所述步骤三，针对各类煤气用户所建立的不同模型分别为：

第一类煤气用户——建立“一次指数平滑法的预测模型”，一次指数平滑预测模型为：

y′_t+1＝αy_t+(1-α)y′_t (1)

y′_t+1：t+1期的预测值，即本期(t期)的平滑值S_t；

y_t：t期的实际值；

y′_t：t期的预测值，即上期的平滑值S_t-1；

α：加权系数；

第二类煤气用户——建立“二次指数平滑法的预测模型”，二次指数平滑预测模型为：

式中：

第t周期的二次指数平滑值；

第t周期的一次指数平滑值；

第t-1周期的二次指数平滑值；

a_t，b_t：二次指数平滑的平滑系数；

第三类煤气用户——建立“三次指数平滑法的预测模型”，三次指数平滑预测模型为：

式中：

c_t：三次指数平滑的平滑系数；

T：由t周期开始向后推移的周期数；

第t周期的三次指数平滑值；

第t-1周期的三次指数平滑值。

6.根据权利要求1所述的基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法，其特征在于：所述步骤四，在启发式方法基础上建立“非正常生产工况设备集合”的研究过程，且由于钢铁企业煤气系统设备众多，运行工况多样，启发式规则的建立过程需要逐步完善且不断更新，所以在应用启发式方法对煤气产耗量进行预测的过程中，增加了自学习功能，进而检查并记录新投产的设备类型及新出现的生产工况所对应的煤气产耗量，采用启发式方法将其记录并保存至数据库。

7.根据权利要求1所述的基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法，其特征在于：所述步骤六，利用小型气柜进行富余煤气锯齿形波动的整流滤波，且小型气柜可以采用容积小于5000m³～10000m³的小型城市燃气系统煤气柜；采用小型煤气柜作为吞吐装置，具有吞吐能力小的特点，能够适应频繁、量小、时间短的波动，调节管网压力的效果好。

8.根据权利要求1所述的基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法，其特征在于：所述步骤七，“平稳带”富余煤气的直接分配，通过精确控制系统，结合钢厂的实际情况，首先进行平稳带的判断，然后反馈给精确控制系统，精确控制系统再根据平稳带的划分依据，通过阀门和执行机构的配合，将煤气直接分配给多座“平稳带”对应的燃气锅炉使用。

9.根据权利要求1所述的基于精准控制技术的燃气锅炉协同运行方法，其特征在于：所述步骤七，“梯状域”富余煤气的直接分配，通过精确控制系统，根据富余煤气预测结果，可以控制“梯状域”的富余煤气进入少量几座燃气锅炉使用，保证燃气锅炉的发电效率；

由于“梯状域”内富余煤气的波动较大，建立煤气的锅炉群分配模型，目标函数如式(8)所示：

式中，b为锅炉序号，G为煤气种类，k为煤气柜序号，t为时间段；

为锅炉燃料偏离额定值时引起的锅炉经济损失权值，

为煤气放散惩罚权值，

和

分别为煤气柜高位运行和低位运行惩罚权值，

为锅炉燃料负荷额定值；

物料平衡约束如式(9)所示：

式中，

表示煤气产生量经固定用户使用后剩余的煤气量；

锅炉运行约束如式(10)～(14)所示：

式中，Heat_G为煤气热值，

和

分别为锅炉供应燃气的最小热值和最大热值，

和

分别为锅炉供应热量的最小值和最大值，

和

分别为锅炉燃料供应量与额定值的最小和最大偏移量；

煤气柜运行约束条件如式(15)～(17)所示：

式中，

和

分别为煤气柜的高位和低位约束，

和

分别为煤气柜运行的低低位和高高位约束，

为煤气柜的最大吞吐量。

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