CN113537541A - 一种钢铁企业煤气系统优化导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，包括：煤气系统网络化建模；煤气动态导航路径生成；对导航模态进行辨识，启动相应的优化导航功能；实时态优化导航利用实时优化调度分析，提供监视、控制、预警和决策分析功能；历史态优化导航利用历史反演校核面向能源系统的专家，利用历史反演功能，对已发生的事件进行评估，并将好的经验和处理方法记录到专家知识库；未来态优化导航根据不同能源的产消预测，结合网络化模型对预测结果进行校核，对不能满足约束条件和专家规则的计划性能源供应，进行重新分配，并找出更加合理的能源供给方式和路径。本发明方法可以大大提高煤气系统的应急响应速度和调度调控的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，属于煤气工业生产控制技术领域。
背景技术
钢铁企业的煤气系统具有煤气种类多、调控方式复杂、消耗用户用量大等特点，时刻处于动态不平衡状态。通过建立煤气系统的动态导航路径，以一种更加直观的方式体现煤气的动态变化特征，反映不同能源介质的能量流、物质流和信息流，要把能源系统中的生产、传输、转换、缓冲、消耗等各个环节连接起来，形成一个完整的能源路径；并能够根据设备状态和量测数据实现动态连接和网络拓扑着色；同时，能源路径是各种能源介质传输的通道，也涉及诸多约束，有压力的约束、平衡的约束、检修和计划的约束等等，这些参数或信息都需要在能源路径中通过定义状态颜色来进行渲染。
煤气系统的优化导航是建立在能源路径的基础上，解决煤气系统优化导航的“路”的问题，优化导航是知识决策的一个具体体现方式，是通过数据和事件驱动的“引擎”，实现目标设定、多路径规划、多目标导航、分析预警、信息推送、路况实时播报等功能，推动基于能源路径的多能源介质、多模态、多目标的优化导航体系，推动智慧能源管理的发展和应用实践。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，实现煤气系统目标设定、多路径规划、多目标导航、分析预警、信息推送、路况实时播报等功能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，包括：
对煤气系统进行网络化建模；
生成煤气系统动态导航路径；
根据外部扰动事件和煤气系统网络设备的状态趋势分析与预警信息，自动对导航模态进行辨识，启动相应的优化导航；
所述优化导航根据事件发生的时间维度的不同，分为实时态优化导航，历史态优化导航和未来态优化导航；
所述实时态优化导航利用实时优化调度分析，面向调度人员，提供煤气系统监视、控制、预警和决策分析功能；
所述历史态优化导航利用历史反演校核断面向能源系统的专家，利用历史反演功能，对已发生的事件进行评估分析，并将好的经验和处理方法记录到专家知识库中；
所述未来态优化导航根据不同能源的产消预测，结合网络化模型对预测结果进行校核，利用多目标优化分析，对不能满足约束条件和专家规则的计划性能源供应，进行重新分配，并找出更加合理的能源供给方式和路径。
进一步的，所述对煤气系统进行网络化建模，包括：
建立煤气系统的三维图符库；
建立煤气系统中管网、设备、重要工序的数学模型，用于表述煤气流过某设备的输入、输出以及转换存储关系，并根据输入参数的变化计算出煤气流出时运行参数的变化；
根据煤气系统中管网和设备的布局，采用所述三维图符库中的图符将所有工序和设备连接起来，将煤气系统流程图转化为煤气系统流程网络图，并通过填库技术在实时数据库中建立设备、工序和管网相对应的数据库模型，形成动态的煤气系统流程网络数据库模型；
通过网络拓扑技术对所述煤气系统流程网络数据库模型的完整性和参数进行校验。
进一步的，所述建立煤气系统的三维图符库，包括：
所述三维图符库中的图符的种类至少应覆盖煤气系统中的各种主要设备和工序，包括：烧结、球团、套筒窑、焦炉、干熄焦、高炉、热风炉、转炉、连铸、TRT发电、干熄焦、煤气柜、混合站、加压站、启动锅炉、自备电站、热轧、冷轧和加热炉。
进一步的所述生成煤气系统动态导航路径，包括：
根据煤气系统流程网络数据库模型的画面分布，以画面的中心为参照点，确定各个设备、工序、管网设备的位置坐标，形成煤气系统的数字地图；
根据煤气系统的计量采集数据，将煤气的压力、流量、日累计流量标注到煤气系统的数字地图上，并根据设备的运行状态进行拓扑着色；
对煤气系统的管网进行建模，利用钢铁制造流程的上下游之间的动态行为和流体网络的基本定律，实现煤气管网的动态仿真计算；
煤气系统的导航路径由管网、阀门、煤气柜、加压站、净化装置、煤气余压发电设备组成。
进一步的所述实时态优化导航，包括：
A1)以煤气系统网络为基础，结合实时监控计量数据、工艺参数和设备状态，以及趋势分析和煤气计划，对煤气的供需平衡进行实时感知；
B1)当出现煤气扰动事件或供需预警时，根据当前煤气系统综合情况进行安全评估和经济评估，根据评估结果到专家知识库搜索相对应的操控措施。
进一步的所述历史态优化导航，包括：
A2)获取煤气系统历史断面文件，并将历史断面文件中的数据和模型提取到实时数据库中；所述历史断面文件中包括煤气系统的网络状态、设备状态、煤气系统相关工序设备的历史数据；
B2)按照操作指导要求，结合关键指标数据，并引用专家知识库中的规则和经验，历史事件及操作进行后评估，生成的新的导航路径和建议信息，更新专家知识库，不断优化应急预案的内容。
进一步的所述未来态优化导航，包括：
A3)获取煤气系统基础断面文件；
B3)生成煤气系统未来态断面，包括：将煤气系统相关设备的超短期预测数据替换基础断面中的数据，生成12个未来态运行场景研究断面；所述超短期预测数据是指未来1小时，时间间隔为5分钟的12个预测点数据；
C3)对煤气系统进行多目标安全校核，所述多目标安全校核包括最小运行成本、最大发电、生产优先、放散最小、能耗最小和能效最高校核；
D3)对富余煤气利用基于非线性规划的煤气安全经济评估模型进行优化调配；
E3)将煤气系统安全经济评估结果输入到动态导航路径的管网动态仿真计算中，根据计算生成的煤气网络的压力和流量约束，判断安全经济评估结果是否满足安全约束；
F3)发布对作业计划和能源计划的安全经济评估和安全校核结果，并将合理的计划集合存储到专家知识库中进行更行。
进一步的所述对富余煤气利用基于非线性规划的煤气安全经济评估模型进行优化调配，包括：
以运行成本最小为目标，考虑物质平衡约束、煤气柜操作约束、自备电厂锅炉操作约束、煤气掺烧喷嘴开关约束建立优化算法，采用自动微分的内点法进行求解。
进一步的，所述专家知识库由知识库、推理机、数据驱动引擎、综合数据库、知识获取、知识归集、知识解释和知识映射环节构成，并结合煤气系统工序设备的机理模型，结合相关实时数据、历史数据，采用关联分析、监督学习、聚类分析和演变分析，不断进行更新。
进一步的，所述专家知识库按照规则、经验、预案、备用方案、替代方案5类进行存储和更新。
本发明所达到的有益效果为：
本发明提供一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，具有目标设定、推荐导航路径、多目标导航、分析预警、知识决策信息发布、煤气网络状态实时播报功能，可以大大提高煤气系统的应急响应速度和调度调控的准确性。
附图说明
图1为本发明中煤气系统的优化导航流程过程；
图2为本发明中实时态优化导航原理图；
图3为本发明中历史态优化导航原理图；
图4为本发明中未来态优化导航原理图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参见图1，本发明提供一种钢铁煤气系统的优化导航方法，包括：
对煤气系统进行网络化建模，具体包括：
a1)建立煤气系统的三维图符库，图符的种类至少应覆盖煤气网络中的各种主要设备和工序，具体包括：烧结、球团、套筒窑、焦炉、干熄焦、高炉、热风炉、转炉、连铸、TRT发电、干熄焦、煤气柜、混合站、加压站、启动锅炉、自备电站、热轧、冷轧和加热炉；
a2)建立煤气系统中管网、设备、重要工序的数学模型，目的是将煤气流过该设备的输入、输出以及转换存储关系表述清楚，进而根据输入参数的变化计算出煤气流出时运行参数的变化；
a3)根据煤气系统管网和设备的布局，使用相对应的图符将所有工序和设备连接起来，将煤气系统流程图转化为煤气系统流程网络图，并通过填库技术在实时数据库中建立设备、工序和管网相对应的数据库模型，数据库模型之间的连接关系通过连接点，将不同设备的节点连接起来，形成动态的煤气系统流程网络数据库模型；
a4)通过网络拓扑技术对煤气系统流程网络数据库模型的完整性和参数进行校验，保证模型的完整性和参数的正确性。
生成煤气系统动态导航路径，具体包括：
b1)根据煤气流程网络数据库模型的画面分布，以画面的中心为参照点，确定各个设备、工序、管网设备的位置坐标，形成煤气系统的数字地图；
b2)根据煤气系统的计量采集数据，将煤气的压力、流量、日累计流量标注到煤气系统的数字地图上，并根据设备的运行状态进行拓扑着色，通过不同的颜色来表征不同的煤气种类，以不同的颜色深度来体现煤气压力的变化；
b3)对煤气系统的管网进行建模，具体包括管网、连接设备、各种调节设施及动力设施，利用钢铁制造流程的上下游之间的动态行为和流体网络的基本定律(质量守恒定律、能量守恒定律、阻力定律)，实现煤气管网的动态仿真计算；
b4)煤气系统的导航路径是由管网、阀门、煤气柜、加压站、净化装置、煤气余压发电设备组成。
根据外部扰动事件和煤气系统网络设备的状态趋势分析与预警信息，自动对导航模态进行辨识，启动相应的优化导航功能；所述根据事件发生的时间维度的不同，分为实时态优化导航，历史态优化导航和未来态优化导航3种方式。
实时态优化导航利用实时优化调度分析，面向调度人员，提供煤气系统便捷的监视、控制、预警和决策分析功能；
历史态优化导航利用历史反演校核面向能源系统的专家，利用历史反演功能，对已发生的事件进行评估分析，并将好的经验和处理方法记录到专家知识库中；
未来态优化导航根据不同能源的产消预测，结合网络化模型对预测结果进行校核，利用多目标优化分析，对不能满足约束条件和专家规则的计划性能源供应，进行重新分配，并找出更加合理的能源供给方式和路径。
本发明提供了钢铁企业煤气系统优化导航方法，具有目标设定、推荐导航路径、多目标导航、分析预警、知识决策信息发布、煤气网络状态实时播报功能,可以大大提高煤气系统的应急响应速度和调度调控的准确性。
图2提供了煤气系统实时态优化导航的主要实现过程，具体包括：
A1)以煤气系统网络为基础，结合实时监控数据(计量数据、工艺参数、设备状态)、趋势分析和煤气计划，对煤气的供需平衡进行实时感知；
B1)当出现煤气扰动事件或供需预警时，根据当前煤气系统综合情况进行安全评估和经济评估，根据评估结果到专家知识库搜索相对应的操控措施；
C1)依托能源管控系统对网络化煤气系统、煤气相关的工序设备进行监控，实时态优化导航的操作措施也是通过能源管控系统进行执行，两者是在一体化的统一应用支撑平台上进行开发和集成；
D1)专家知识库是实时态优化导航的知识、规则、信息、经验的存储中心，由知识库、推理机、数据驱动引擎、综合数据库、知识获取、知识归集、知识解释、知识映射环节构成；并结合煤气系统工序设备的机理模型，结合相关实时数据、历史数据，采用关联分析、监督学习、聚类分析、演变分析手段，不断提高数学模型的准确性。
图3提供了煤气系统实历史态优化导航的主要实现过程，具体包括：
A2)获取煤气系统历史断面文件，该文件中包括煤气系统的网络状态、设备状态、煤气系统相关工序设备的历史数据(计量数据、工艺参数数据)；并将文件中的数据和模型提取到实时数据库中，以方便设备操作和调整调度方式；
B2)按照操作指导要求，结合关键指标数据，并引用专家知识库中的规则和经验，历史事件及操作进行后评估，生成新的导航路径和建议信息，更新专家知识库信息，不断优化应急预案的内容；
C2)历史态优化导航所采用的模型和数据都是在研究态下进行的，不会影响能源管控实时调控，其后评估分析结果将更新专家知识库，按照规则、经验、预案、备用方案、替代方案5类进行存储和更新，并完成版本更新的管理。
图4提供了煤气系统实未来态优化导航的主要实现过程，具体包括：
A3)基础断面获取：获取煤气系统基础断面文件，可以选择实时获取和查询获取两种方式；实时获取是指获取煤气系统当前实时运行的数据和模型，查询获取提供专用的界面工具，由操作人员自动选取历史断面文件，作为未来态优化导航的基础断面；
B3)未来态断面生成：将煤气系统相关设备的超短期预测数据(未来1小时，时间间隔为5分钟，共12个预测点)替换基础断面中的数据，并生成12个未来态运行场景研究断面；
C3)煤气系统多目标安全校核：建立多目标优化模型，包括最小运行成本、最大发电、生产优先、放散最小、能耗最小、能效最高；
D3)煤气不足的优化分配：在煤气供应不足的情况下，根据设备的调度优先级对消耗用户进行重新调配，根据优化的结果综合判断是否需要煤气生产单元改变工况，还是停止某些消耗单元的生产，以保证调度优先级高的用户的煤气量；
E3)煤气富余的优化分配：当煤气处于富余状态时，利用基于非线性规划的煤气安全经济评估模型进行优化调配；具体为，以运行成本最小为目标，考虑物质平衡约束、煤气柜操作约束、自备电厂锅炉操作约束、煤气掺烧喷嘴开关约束建立优化算法，采用自动微分的内点法进行求解；
G3)优化结果安全校核：将煤气安全经济评估优化生成的结果，输入到导航路径的管网仿真计算中，根据计算生成的煤气网络的压力和流量约束，判断优化结果是否满足安全约束；
H3)优化导航结果发布：发布对作业计划和能源计划经济评估和安全校核结果，并将合理的计划集合存储到专家知识库中，更新煤气优化调度的专家知识库。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，其特征在于，包括：
对煤气系统进行网络化建模；
生成煤气系统动态导航路径；
根据外部扰动事件和煤气系统网络设备的状态趋势分析与预警信息，自动对导航模态进行辨识，启动相应的优化导航；
所述优化导航根据事件发生的时间维度的不同，分为实时态优化导航，历史态优化导航和未来态优化导航；
所述实时态优化导航利用实时优化调度分析，面向调度人员，提供煤气系统监视、控制、预警和决策分析功能；
所述历史态优化导航利用历史反演校核断面向能源系统的专家，利用历史反演功能，对已发生的事件进行评估分析，并将好的经验和处理方法记录到专家知识库中；
所述未来态优化导航根据不同能源的产消预测，结合网络化模型对预测结果进行校核，利用多目标优化分析，对不能满足约束条件和专家规则的计划性能源供应，进行重新分配，并找出更加合理的能源供给方式和路径。
2.根据权利要求1所述的一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，其特征在于，所述对煤气系统进行网络化建模，包括：
建立煤气系统的三维图符库；
建立煤气系统中管网、设备、重要工序的数学模型，用于表述煤气流过某设备的输入、输出以及转换存储关系，并根据输入参数的变化计算出煤气流出时运行参数的变化；
根据煤气系统中管网和设备的布局，采用所述三维图符库中的图符将所有工序和设备连接起来，将煤气系统流程图转化为煤气系统流程网络图，并通过填库技术在实时数据库中建立设备、工序和管网相对应的数据库模型，形成动态的煤气系统流程网络数据库模型；
通过网络拓扑技术对所述煤气系统流程网络数据库模型的完整性和参数进行校验。
3.根据权利要求2所述的一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，其特征在于，所述建立煤气系统的三维图符库，包括：
所述三维图符库中的图符的种类至少应覆盖煤气系统中的各种主要设备和工序，包括：烧结、球团、套筒窑、焦炉、干熄焦、高炉、热风炉、转炉、连铸、TRT发电、干熄焦、煤气柜、混合站、加压站、启动锅炉、自备电站、热轧、冷轧和加热炉。
4.根据权利要求2所述的一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，其特征在于，所述生成煤气系统动态导航路径，包括：
根据煤气系统流程网络数据库模型的画面分布，以画面的中心为参照点，确定各个设备、工序、管网设备的位置坐标，形成煤气系统的数字地图；
根据煤气系统的计量采集数据，将煤气的压力、流量、日累计流量标注到煤气系统的数字地图上，并根据设备的运行状态进行拓扑着色；
对煤气系统的管网进行建模，利用钢铁制造流程的上下游之间的动态行为和流体网络的基本定律，实现煤气管网的动态仿真计算；
煤气系统的导航路径由管网、阀门、煤气柜、加压站、净化装置、煤气余压发电设备组成。
5.根据权利要求1所述的一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，其特征在于，所述实时态优化导航，包括：
A1)以煤气系统网络为基础，结合实时监控计量数据、工艺参数和设备状态，以及趋势分析和煤气计划，对煤气的供需平衡进行实时感知；
B1)当出现煤气扰动事件或供需预警时，根据当前煤气系统综合情况进行安全评估和经济评估，根据评估结果到专家知识库搜索相对应的操控措施。
6.根据权利要求1所述的一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，其特征在于，所述历史态优化导航，包括：
A2)获取煤气系统历史断面文件，并将历史断面文件中的数据和模型提取到实时数据库中；所述历史断面文件中包括煤气系统的网络状态、设备状态、煤气系统相关工序设备的历史数据；
B2)按照操作指导要求，结合关键指标数据，并引用专家知识库中的规则和经验，历史事件及操作进行后评估，生成的新的导航路径和建议信息，更新专家知识库，不断优化应急预案的内容。
7.根据权利要求1所述的一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，其特征在于，所述未来态优化导航，包括：
A3)获取煤气系统基础断面文件；
B3)生成煤气系统未来态断面，包括：将煤气系统相关设备的超短期预测数据替换基础断面中的数据，生成12个未来态运行场景研究断面；所述超短期预测数据是指未来1小时，时间间隔为5分钟的12个预测点数据；
C3)对煤气系统进行多目标安全校核，所述多目标安全校核包括最小运行成本、最大发电、生产优先、放散最小、能耗最小和能效最高校核；
D3)对富余煤气利用基于非线性规划的煤气安全经济评估模型进行优化调配；
E3)将煤气系统安全经济评估结果输入到动态导航路径的管网动态仿真计算中，根据计算生成的煤气网络的压力和流量约束，判断安全经济评估结果是否满足安全约束；
F3)发布对作业计划和能源计划的安全经济评估和安全校核结果，并将合理的计划集合存储到专家知识库中进行更行。
8.根据权利要求7所述的一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，其特征在于，所述对富余煤气利用基于非线性规划的煤气安全经济评估模型进行优化调配，包括：
以运行成本最小为目标，考虑物质平衡约束、煤气柜操作约束、自备电厂锅炉操作约束、煤气掺烧喷嘴开关约束建立优化算法，采用自动微分的内点法进行求解。
9.根据权利要求5-7任意一项所述的一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，其特征在于，所述专家知识库由知识库、推理机、数据驱动引擎、综合数据库、知识获取、知识归集、知识解释和知识映射环节构成，并结合煤气系统工序设备的机理模型，结合相关实时数据、历史数据，采用关联分析、监督学习、聚类分析和演变分析，不断进行更新。
10.根据权利要求9所述的一种钢铁企业煤气系统优化导航方法，其特征在于，所述专家知识库按照规则、经验、预案、备用方案、替代方案5类进行存储和更新。
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