基于能源分布式利用的钢铁流程能量流多尺度建模与动态仿真

Research on the steel plants energy network is the key to make good use of the energy conversion of steel manufacturing process to realize the high-level systemic energy conservation. Therefore, the project focuses on the energy network construction methods and the dynamic running control strategies. Based on the distributed energy utilization and applying the multi-scale modeling and dynamic simulation, the research will focus on the following four aspects: (1) According to the different kinds of energy and different capabilities of devices, the energy network mathematical model will be constructed based on the distributed energy utilization, and the effective solving method for the model will be studied to optimize the network structure. (2) As the foundation of the simulation of energy dynamic running, the input/output model of material and energy in the multi-scale metallurgical process will be built by combining metallurgical principle analysis and data driven. (3) The modeling and simulation of energy network in typical process will be realized based on EM-Plant simulation software. (4) Studying on the influence rules of mass flow on energy flow and coupling rules among different energy flow, the autonomy and overall control strategies under the conditions of regular and abnormal productions will be set out and integrated to the system dynamic running control strategies of energy network on basis of the distributed energy utilization. The research will provide the theoretical foundation of the effective control of the steel plants energy network.

充分发挥钢铁制造流程能源转换功能，实现高层次系统节能，钢铁企业能量流网络研究是关键。本项目针对能源网络构建方法和动态运行管控策略，基于能源分布式利用的思想，利用多尺度建模和动态仿真的方法，重点开展以下四方面研究：(1)应用能源介质分层和工序/设备分功能设计原则，构建基于能源分布式利用的能量流网络数学模型，研究有效的求解方法，实现网络结构的优化；(2)利用冶金原理分析和数据驱动技术相结合的方法，建立多尺度冶金过程物质和能量输入-输出模型，为能量流动态运行仿真建立基础；(3)基于EM-Plant仿真软件，实现典型流程的能量流网络建模和仿真；(4)研究物质流对能量流的影响规律和不同介质能量流之间的耦合规律，分别针对正常生产和生产异常的条件下制定自治性管控策略和统筹性管控策略，并集成为能源分布利用的能量流动态管控策略。项目研究结果可为钢铁企业对能源流网络的有效管控提供理论基础。

钢铁行业是资源和能源密集型产业，节能形势严峻，钢铁工业的节能已从技术节能、工艺节能走向了系统节能。通过能量流网络优化进行系统节能已成为新的研究热点。本项目针对国内外对钢铁企业能量流网络结构优化研究不足等问题，结合钢铁企业能量流网络的特点，分析了不同能源介质属性，揭示了能源介质的产、耗特征；应用分层和分功能设计原则分析了物料和能源的输入、输出关系；基于能源分布式利用的思想，利用多尺度建模和动态仿真的方法优化了钢铁企业静态/动态能量流网络，提出了能量流网络动态调控策略。.项目研究达到了预期目标，获得相应的研究成果，解决了相应的关键科学问题，对钢铁企业系统节能和能源管控中心的构建奠定了基础。项目取得了以下主要进展和成果：1）分析了钢铁企业不同能源介质的基本属性和产耗特性，以能源价值最大化为目标，构建了基于能源分布式利用的能量流网络数学模型，通过改进的遗传算法得到优化的能量流网络，为钢铁流程能量流网络优化设计提供指导。2）研究了单体工序物质、能量输入-输出关系，分析不同工序之间物质、能量的关联性，综合冶金机理分析和BP神经网络相结合方法，建立了多尺度钢铁流程物质和能量输入-输出模型，为能量流动态运行仿真奠定基础。3）基于物质与能量输入-输出模型，利用C#语言编程，开发了钢铁流程能量流网络运行仿真系统，实现生产计划驱动的钢铁流程能量流网络动态运行仿真。4）利用仿真系统，揭示了物质流对能量流的影响规律和不同介质能量流之间的耦合规律，提出了不同生产条件下的能量流动态管控策略。5）在以上研究的基础上，引入物质流与能量流协同优化的思想，构建了钢铁企业轧制计划与能源调度进行协同优化模型，从而在保证轧制质量的同时也降低能源成本，为钢铁流程物质流与能量流协同优化开展了探索性研究。项目研究结果丰富了钢铁流程能源调控的理论和方法，为钢铁企业对能源流网络优化设计和有效管控提供了新的思路和方法借鉴。