关键词：钢铁企业;副产煤气;优化调度;煤气柜;帕雷托最优
摘 要：提高能源利用率、降低能源成本是钢铁企业能源管理的工作重心。副产煤气是钢铁企业重要的二次能源,钢铁生产所用煤炭的能值有33%转换为副产煤气,因此,充分利用副产煤气对钢铁企业节能降耗意义重大。在此背景下,本文以钢铁企业副产煤气系统为研究对象,对其优化调度建模进行了深入研究,并将所建模型应用于我国三个典型钢铁企业,达到了提高煤气系统稳定性、减少能源成本的目的。主要研究成果如下:(1)对钢铁企业煤气系统的分析表明:三种副产煤气的产生量不仅与原料的条件有关,还与热工操作和工艺过程有关;煤气的使用主要受生产工艺、热工要求、设备水平等影响。对富余煤气发电的研究表明:不考虑峰谷电价时,维持煤气系统运行稳定性最为重要;考虑峰谷电价时,需要兼顾煤气柜运行稳定性与发电收益,对煤气柜的操作要求更高。(2)惩罚因子是调度模型的一组核心变量,用于实现子目标函数之间的转化,其值对模型的计算结果影响很大。通过研究惩罚因子对煤气系统稳定性的影响可知,当煤气柜惩罚因子x增加或锅炉惩罚因子y降低时,煤气柜的稳定性提高,而锅炉的稳定性降低。采用帕雷托最优原理可得到最佳的惩罚因子组合,基于H钢厂的实例分析表明,最佳惩罚因子组合为一块封闭狭长区域,该区域自(x,y)=(0.231,621.9)起,至(x,y)=(0.274,797.4)止,该区域重心(X,y)=(0.254,717.8)被选为最优的惩罚因子组合。采用最佳惩罚因子后的优化结果表明:H钢厂的副产煤气系统运行稳定性得到明显提升,煤气柜的波动处罚降低了 21.8%,锅炉的波动处罚降低了 66.2%。敏感性分析结果表明,优化结果对水价变化不敏感,对电价变化较敏感。若电价逐渐提高至现价的200%,煤气柜柜位(储气量)将逐渐降低,释放出更多的煤气用于发电,促使优化后的总发电量提高近20%。(3)在上述基础上,讨论了峰谷电价制度对惩罚因子的取值的影响,基于X钢厂的实例分析表明,最佳煤气柜惩罚因子x的值为0.002,对应煤气柜整体偏移量SSDV=20736m3,购电成本EPC=290607元。采用最佳惩罚因子后的优化结果表明:5座锅炉的整体运行效率达83.03%,较人工调度下的运行效率提高了 3.3%。优化后的购电成本下降了 29.7%,煤气柜波动处罚降低了 62.0%。敏感性分析讨论了峰谷价差,即峰段电价与谷段电价的比值对优化结果的影响,当峰谷价差逐渐增大至现状的200%,峰段电价区间发电比例(占总发电量的比例)由40.27%增加到42.8%,相反的,平段及谷段电价区间发电比例分别由33.45%降低到31.15%及26.28%降低到26.05%。提高峰谷价差有利于发电量在峰段电价区间与谷段电价区间之间的转移,从而有助于减少购电成本。与此同时,煤气柜整体偏移量SSDV由20736 m3下降为28433 m3,煤气柜运行稳定性降低。(4)峰谷电价下副产煤气系统的优化调度必须考虑锅炉及CCPP的运行负荷对其热效率的影响。基于X钢自备电厂2013年至2015年的实际运行数据表明,当锅炉运行负荷由100%降低至30%时,锅炉热效率可下降10%至40%。此外,对于同时拥有锅炉与CCPP的自备电厂,在副产煤气分配时会遵从优先供应CCPP的原则,剩余煤气会优先供应至高效率锅炉,调度模型总是倾向于提高自备电厂的整体热效率。基于X钢与Q钢的自备电厂调峰潜力分析表明,所构建模型可降低不同规模钢铁企业购电成本20%～30%,具有较为显著的经济效益,年节省电费数千万至数亿元。本研究将为副产煤气系统高效智慧的能源管理提供理论基础及技术支撑。
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