钢铁工业多介质能源系统优化调度模型研究综述及展望.pdfVIP

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研究背景

钢铁行业正加速从单体设备节能、工序和流程结构优化向系统节能的转型。

近年来，技术进步使系统能效得以显著提升。然而，随着节能潜力的逐步减小，

如何进一步挖掘节能空间成为了一项重要课题。随着钢铁工业自动化和信息化水

平不断提升，工序间的联动更加紧密，而副产煤气、蒸汽和电力作为钢铁生产的

重要能源，随生产计划及主工序设备运行状态的频繁波动，使得能源的转化和使

用过程愈发复杂，其有效分配对提高钢铁企业的能源效率，实现钢铁工业的可持

续发展具有深远意义。“双碳”战略目标要求钢铁企业使用光能、风能等可再生能

源，改变了钢铁流程的能源结构。受到这些因素的影响，使以煤气系统为核心的

能源介质调度面临更大挑战，进而推动了相关研究的丰富和多元化发展。

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国内外研究现状

1）单介质能源调度单介质能源调度模型主要围绕煤气系统展开，包括了煤

气柜和锅炉的稳定运行。由于煤气柜的容量有限，为了充分发挥煤气柜的缓冲特

性，防止煤气出现暂时的过剩或短缺，柜位尽可能保持稳定且在安全区工作；另

外，锅炉开关燃烧器的操作会对其燃烧控制系统产生干扰，导致锅炉效率的暂时

降低，应尽量减少燃烧器的开关。所以，煤气柜和锅炉的稳定成为目前研究的热

点。研究者为了量化二者产生的波动，通常设定惩罚因子，在总成本中收取费用。

煤气柜波动惩罚因子的确定被分为两类：一是中间柜位产生波动即处以惩罚；二

是针对柜位所在区域设立多个惩罚因子。但煤气柜的惩罚因子取决于具体模型，

没有通用的惩罚因子。而对于蒸汽系统优化，研究者主要围绕考虑设备的运行特

性、能源转换效率和煤气供需平衡等约束建立模型。

2）多介质能源调度

钢铁企业能源系统是多汽源与多用户的复杂系统，具有煤气供需变化，锅炉

产蒸汽、余热蒸汽回收和汽轮机抽汽等多种供汽方式和峰谷电价等特性，各种能

源间的转化和配比方式呈多样化。峰谷电价是研究者非常关注的因素之一，电力

部门为了减少总电网负荷波动，维持电网安全经济运行而提出的一种计价方法，

其目的是鼓励用电终端，特别是大工业用户减少用电高峰时段的用电量、提高用

电低谷时段的用电量，以达到“削峰填谷”，减少负荷波动的目的。多能源介质

优化调度的研究主要通过建立不同的数学模型和优化方法，实现降低成本、提高

能源利用效率和稳定性、降低碳排放等目标。研究者们考虑了购电成本，能量转

换设备的启停成本、CO排放成本、设备的实际运行情况、燃料费用、外购电费

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用、外送电收益以及环境成本等，并采用了MINLP算法、MILP算法以及多目标

差分进化算法等，以实现更好的优化效果。钢铁工业能源系统与生产系统耦合紧

密，产品种类、设备状态和工艺路径等的不同造成能源介质产生、转化、分配和

需求的不同，如高炉煤气回收时，会出现正常生产、休风和减风等工况，使能源

平衡关系、优化约束边界条件发生变化，影响优化效果。因此，需将钢铁生产过

程和能源调度结合，以达到节能降耗，减少成本等目的。

3）不确定性能源调度

由于钢铁生产操作处于动态变化之中而，在确定性条件下的优化调度存在违

反约束条件的风险，因此，许多研究者致力于能源系统不确定性的描述和算法的

研究。煤气系统的不确定性包括煤气生产、储存、输送和使用，如热风炉换炉操

作，转炉煤气间歇性发生；煤气储存和输送过程中需要经过复杂的管网和煤气柜

等中间设备；用户的需求不断变化等。蒸汽系统中在工艺过程操作温度、压力和

流量实时变化。忽略能源调度中的不确定性将导致钢铁流程能源损失增加，经济

效益降低。面对这些不确定性，解决方法主要包括随机优化和鲁棒优化两类。随

机优化方法通过概率分布来描述不确定性因素，寻求在一定置信水平下最优的调

度策略，而鲁棒优化方法则侧重于寻找在不确定性因素影响下，系统性能指标仍

然保持良好的调度策略。

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发展趋势展望

可再生能源如太阳能和风能等使用是钢铁发展的必然方向。建设光伏电站可

以就近实现能源高效利用，降低环境污染；风电对地域与环境有较高要求，已有

多家钢铁公司建成或计划建设海上风电或阵地式风电基地。然而，风光发电与传

统发电机组相比具有明显的间歇性和波动性，较难实现连续稳定供能。钢铁企业

引入可再生能源发电后，会造成关口波动和自发电比例变化，给企业用能安全性

和经济性带来一定的影响。

钢铁企业现有的热电联产机组、煤气发电机组、储能装置、电热泵等分布式

能源技术得到了快速发展，使煤气-蒸汽-电力三者之间的能量耦合和信息交互更

加复杂，电