CN105629937B - 一种用于联产空分装置变负荷调度的方法 - Google Patents
一种用于联产空分装置变负荷调度的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于联产空分装置变负荷调度的方法。该方法以利润最大化为目标，建立优化调度模型。将各生产装置划分成多种操作模态，分析各装置的调度可行域，采用最小化凸包的方法分别进行建模。在模型中考虑装置的切换操作、流程平衡、边界条件，最终建立混合整数线性规划(MILP)模型。与传统的调度建模方法相比，该方法模型简洁，易于实施，易于求解。
Description
技术领域
本发明涉及化工流程的优化与调度领域。特别地，涉及一种用于联产空分装置变负荷调度的方法。
背景技术
空分***是钢铁企业的重要组成部分，为炼钢炼铁提供高纯度的氧气、氮气和氩气。然而，空分机组向下游炼钢炼铁用户供气时，下游用户间歇用氧，用氧不足或气体放散现象时常发生，导致大量的能源浪费。为解决此类突出的气体供需矛盾，自动变负荷技术应运而生。自动变负荷空分装置给生产带来了极大的灵活性，使得多台空分机组的联产调度变得可行。现有的人工调度方案由调度人员结合个人经验得出生产方案，主观性强、可靠性差。如何利用先进的变负荷技术，合理调度多台空分机组的生产，从而降低电耗、减少放散，已成为我国钢铁企业的迫切需求。
传统的建模方式通过传质传热方程给每个独立的单元设备建立模型，详细描述***的性能。空分流程中涉及大量的单元设备、物流与热流的数量较多、质量和能量的交换较为复杂、***的耦合性很强，尤其地，对于变负荷空分装置而言，变负荷操作对应于装置的动态运行过程，所以建立空分装置的数学模型较困难。而且由物料平衡、能量平衡等方式建立的严格机理模型规模大、非线性程度高，调度命题往往求解困难。因此，建立能准确描述流程且易于求解的模型，对于联产空分装置变负荷调度问题而言具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有人工调度的不足，提供一种适用于联产空分装置变负荷调度的有效方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，用于联产空分装置变负荷调度的方法包括如下步骤：
1)根据定负荷空分装置、变负荷空分装置、液化装置和气化装置的运行状况对其划分不同的运行模态；
2)建立每个生产装置每个模态下产品产量的代理模型；
3)用逻辑关系式描述每个生产装置不同模态间的切换操作；
4)列写物料守恒表达式；
5)列写调度问题涉及的边界条件；
6)确定调度优化问题的目标函数；
7)在GAMS平台上调用CPLEX求解器对调度问题进行求解。
所述的步骤1)具体为：
a)将定负荷空分装置的生产划分为5种模态：停机模态、开机过渡态Ⅰ、开机过渡态Ⅱ、正常生产模态、关机过渡态；
b)将变负荷空分装置的生产划分为3种模态：稳态生产模态，升负荷模态和降负荷模态；
c)将液化装置的生产划分为3种模态：停机模态，开机过渡态，正常生产模态；
d)将气化装置的生产划分为2种模态：停机模态，正常生产模态。
所述的步骤2)中建立的每个生产装置每个模态下产品产量的代理模型为：
其中，0-1变量表示t时刻装置u运行在模态m下，0-1变量表示t时刻装置u运行在模态m的区域r内，xu,m,r,j,g表示装置u对应的模态m中的区域r的边界上的操作点j对应的产品g的产量值，t时刻装置u生产产品g的产量可以用凸区域的极值点xu,m,r,j,g线性表示，为每个极值点对应的加权系数，在0-1之间。
所述的步骤3)具体为：
定义0-1变量 表示t-1时刻装置u运行在模态m，t时刻装置u运行在模态m′，则：
a)最短停留时间
其中，代表有最短停留时间约束的切换集合，是从模态m切换到m′后至少停留的时间长度，Stay表示停留的时刻点集合；
b)最长停留时间
其中，是从模态m切换到m′后至多停留的时间长度，AL代表有允许的切换集合；
c)过渡切换
其中，Trans是过渡切换的集合；
d)禁止切换
其中，DAL是禁止切换的集合。
所述的步骤4)列写物料守恒表达式具体为：
将产品集合G分为可存储的液体产品Storable和不可存储的气体产品Nonstorable两个集合
a)液体产品
其中，表示空分装置u生产产品g的产量，表示气化装置v的气化量，表示液化装置w的液化量，表示空分装置u对应的产品g的储槽的容量，取值在之间，表示装置u对应的产品g的销售量；
b)气体产品
其中，表示气体产品的需求量，表示气体产品的放散量，取值在之间，表示气体g对应的管网的容量，取值在 之间。
所述的步骤5)列写调度问题涉及的边界条件为：
a)起始条件
其中，Inv_iniu,g表示装置u对应的产品g的储槽的初值，D_inig表示产品g对应的管网的初始容量，y_iniu,m表示装置u的初始运行模态，表示装置u切换操作的初始值；
b)终止条件
其中，tf表示调度时域的终点。
所述的确定调度优化问题的目标函数具体为：
Maximize profit＝rev-cost1-cost2-cost3
其中，收益rev为液态产品的销售利润，生产成本由三部分组成，包括装置的运行能耗cost1、装置的切换成本cost2、变负荷空分装置的变负荷成本cost3；
a)运行能耗通过产量回归得到：
b)切换成本主要由定负荷空分装置u∈NC、液化装置u∈LIQ、汽化装置u∈VAP的启动成本三部分构成，其中hu为装置u单次启动的成本；
c)针对变负荷空分装置u∈AC，引入一项额外的变负荷成本，以避免频繁的变负荷操作，其中hu,m为装置u在变负荷模态m下的成本；
本发明的有益效果是：
(1)本发明的用于联产空分装置变负荷调度的方法，相比于人工调度，能在保证变负荷装置平稳运行的前提下提高整厂收益，此方法具有更好的经济性。
(2)本发明的用于联产空分装置变负荷调度的方法，可移植性好，可用于任何复杂化工流程的建模。
(3)本发明的用于联产空分装置变负荷调度的方法，实现简单，操作方便。
附图说明
通过以下结合附图及附表对本发明的实施方式进行描述，对其效果进行展示，可以进一步理解本发明的目的、特征和优点，其中：
图1为钢铁企业的氧气***；
图2为产品空间示意图；
图3为定负荷空分装置运行状态图；
图4为变负荷空分装置运行状态图；
图5为液化装置运行状态图；
图6为气化装置运行状态图；
图7为2014年5月某3天的氧气需求；
图8为人工调度时设备使用情况；
图9为人工调度时ASU3、ASU4负荷变化情况；
图10为优化调度时设备使用情况；
图11优化调度时ASU3、ASU4负荷变化情况。
具体实施方案
以下参照本发明的附图对本发明作更详细的描述。以便能向本领域的技术人员描述本发明的具体实施过程。
图1为钢铁企业的氧气***，由定负荷空分装置、可变负荷空分装置、液化装置和气化装置组成。其中，空分装置可同时生产气体产品和液体产品。气态产品通过管网输送给下游工厂，并需要满足下游工厂的实时需求；液态产品保存在液体储槽中备用或外卖，获得企业外部利润。
优化调度的目标是确定在联产利润最大化的情况下的每个时间段内：定负荷空分装置的操作模式(启/停状态)，变负荷空分装置的生产水平，液体产品的气化量，气体产品的液化量，液体产品的销售量以及储槽的容量，气体产品的放散量。
(1)凸包模型
图2为产品空间示意图。已知装置有一系列不同的操作模式，每个时刻装置只能运行在一种操作模式下，每种操作模式下的生产空间可以用代理模型表示。如图2所示，该装置有两种操作模式，分别为虚线包围区域和实线包围区域。从图中可以看出，每种操作模式下的生产空间是由一系列的操作点组成的。为保证约束是线性的和凸的，将每种操作模式下的生产空间分割成多个子区域，每个子区域都是一个凸集合，如图中虚线包围区域划分成了2个子区域。由于每个区域都是一个凸包，根据凸包的性质，每个区域内的点可以由边界上的点线性表示：
其中，0-1变量表示t时刻装置u运行在模态m下，0-1变量表示t时刻装置u运行在模态m的区域r内。xu,m,r,j,g表示装置u对应的模态m中的区域r的边界上的操作点j对应的产品g的产量值。t时刻装置u生产产品g的产量可以用凸区域的极值点xu,m,r,j,g线性表示。为每个极值点对应的加权系数，在0-1之间。
(2)模态划分
图3为定负荷空分装置运行状态图，将定负荷空分装置的生产划分为5种模态：停机、开机过渡态Ⅰ、开机过渡态Ⅱ、正常生产模态、关机过渡态。通常情况下，空分装置启动后氧气和氮气需要2小时满足纯度要求，而氩气需要更长的时间，大约10小时左右。因此，开机过程需要经历2个过渡态，开机过渡态Ⅰ(没有合格产品)，开机过渡态Ⅱ(氧气、氮气合格)。
图4为变负荷空分装置运行状态图，将变负荷空分装置的生产划分为3种模态：稳态生产模态，升负荷模态和降负荷模态。把变负荷作为单独的模态的优势是将变负荷操作和0-1变量关联起来，从而可以对变负荷的时间进行约束，同时也可以在目标函数中增加切换的代价，从而减少切换的次数。
图5为液化装置运行状态图，将液化装置的生产划分为3种模态：停机模态，开机过渡态，正常生产模态。由于液化装置的停机时间较短，所以无需考虑停机过渡态。
图6为气化装置运行状态图，将气化装置的生产划分为2种模态：停机模态，正常生产模态。由于气化装置的启停较灵活，启停时间短，所以无需考虑开机过渡态和停机过渡态。
(3)用逻辑关系式描述不同模态间的切换操作；
定义0-1变量 表示t-1时刻装置u运行在模态m，t时刻装置u运行在模态m′，则：
a)最短停留时间
其中，代表有最短停留时间约束的切换集合，是从模态m切换到m′后至少停留的时间长度，Stay表示停留的时刻点集合；
b)最长停留时间
其中，是从模态m切换到m′后至多停留的时间长度，AL代表有允许的切换集合；
c)过渡切换
其中，Trans是过渡切换的集合；
d)禁止切换
其中，DAL是禁止切换的集合。
(4)物料守恒表达式；
将产品集合G分为可存储的液体产品Storable和不可存储的气体产品Nonstorable两个集合
c)液体产品
其中，表示空分装置u生产产品g的产量，表示气化装置v的气化量，表示液化装置w的液化量，表示空分装置u对应的产品g的储槽的容量，取值在之间，表示装置u对应的产品g的销售量；
d)气体产品
其中，表示气体产品的需求量，表示气体产品的放散量，取值在之间，表示气体g对应的管网的容量，取值在 之间。
(5)边界条件；
a)起始条件
其中，Inv_iniu,g表示装置u对应的产品g的储槽的初值，D_inig表示产品g对应的管网的初始容量，y_iniu,m表示装置u的初始运行模态，表示装置u切换操作的初始值；
b)终止条件
其中，tf表示调度时域的终点。
(6)目标函数。
Maximize profit＝rev-cost1-cost2-cost3
其中，收益rev为液态产品的销售利润，生产成本由三部分组成，包括装置的运行能耗cost1、装置的切换成本coct2、变负荷空分装置的变负荷成本cost3；
a)运行能耗通过产量回归得到：
b)切换成本主要由定负荷空分装置u∈NC、液化装置u∈LIQ、汽化装置u∈VAP的启动成本三部分构成，其中hu为装置u单次启动的成本；
c)针对变负荷空分装置u∈AC，引入一项额外的变负荷成本，以避免频繁的变负荷操作，其中hu,m为装置u在变负荷模态m下的成本；
实施例1：
以2014年5月某3天的氧气需求为例，如图7所示。对时间域进行时间离散化，每半个小时取1个离散点，得到144个离散点。假设生产的所有液体产品都可以销售，储槽和管网的初始存储容量为实际容量的40％，在任何情况下不允许氧气放散。人工调度时各设备使用情况如图8所示，整个调度时域内4台空分装置都开启，其中ASU3、ASU4负荷变化情况如图9所示，大部分时间内液化器和气化器处于关闭状态。据统计，在32～41时段内人工调度时氧气发生了放散。
优化命题在GAMS24.4.1平台下调用CPLEX12.6.1求解器进行求解，使用IntelXeon E3-1225v3，主频3.20GHz，内存8GB，操作***windows 7的计算机。调度模型优化计算得到的各设备使用情况分别如图10所示，整个调度时域内4台空分装置都开启，其中ASU3、ASU4负荷变化情况如图11所示，大部分时间段内液化器处于开启状态，在调度时域的最后阶段开启了Vap3，整个调度过程中没有放散。
人工调度与优化调度的收益对比如表1所示，优化后收益大幅提高。在人工调度中，液化器大部分时间处于关闭状态，两台变负荷装置几乎处于协同生产的状态，即当一台装置升负荷时，另一台装置也升负荷，当一台装置降负荷时，另一台装置也降负荷。而在优化调度的结果中，一开始就开启了2台液化器，仅在调度时域的最后阶段关闭了液化器，因此液体销售利润上涨。同时由于合理地配置两台变负荷空分装置的生产，运行成本也下降了。为了杜绝放散现象的发生，在计算时禁止氧气的放散，优化结果在第26个操作点提前进行了降负荷操作，因此整个调度过程中没有发生放散。综上分析，对比于人工调度，优化调度有助于提高生产收益，降低氧气放散，对生产具有指导意义。
表1 为人工调度和优化调度结果的收益对比(单位：万元)；
Claims (6)
1.一种用于联产空分装置变负荷调度的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)根据定负荷空分装置、变负荷空分装置、液化装置和气化装置的运行状况对其划分不同的运行模态；
2)建立每个生产装置每个模态下产品产量的代理模型；
所述的步骤2)中建立的每个生产装置每个模态下产品产量的代理模型为：
其中，0-1变量表示t时刻装置u运行在模态m下，0-1变量表示t时刻装置u运行在模态m的区域r内，xu,m,r,j,g表示装置u对应的模态m中的区域r的边界上的操作点j对应的产品g的产量值，t时刻装置u生产产品g的产量可以用凸区域的极值点xu,m,r,j,g线性表示，为每个极值点对应的加权系数，在0-1之间；
3)用逻辑关系式描述每个生产装置不同模态间的切换操作；
4)列写物料守恒表达式；
5)列写调度问题涉及的边界条件；
6)确定调度优化问题的目标函数；
7)在GAMS平台上调用CPLEX求解器对调度问题进行求解。
2.根据权利要求1所述的变负荷调度的方法，其特征在于所述的步骤1)具体为：
a)将定负荷空分装置的生产划分为5种模态：停机模态、开机过渡态Ⅰ、开机过渡态Ⅱ、正常生产模态、关机过渡态；
b)将变负荷空分装置的生产划分为3种模态：稳态生产模态，升负荷模态和降负荷模态；
c)将液化装置的生产划分为3种模态：停机模态，开机过渡态，正常生产模态；
d)将气化装置的生产划分为2种模态：停机模态，正常生产模态。
3.根据权利要求1所述的变负荷调度的方法，其特征在于所述的步骤3)具体为：
定义0-1变量表示t-1时刻装置u运行在模态m，t时刻装置u运行在模态m′，则：
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其中，MS代表有最短停留时间约束的切换集合，是从模态m切换到m′后至少停留的时间长度，Stay表示停留的时刻点集合；
b)最长停留时间
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msubsup>
<mi>y</mi>
<mrow>
<mi>u</mi>
<mo>,</mo>
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<mi>m</mi>
<mo>&prime;</mo>
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</mrow>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mo>+</mo>
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<mi>K</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>,</mo>
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<mi>m</mi>
<mo>&prime;</mo>
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</mrow>
</msubsup>
<mo>&GreaterEqual;</mo>
<msubsup>
<mi>z</mi>
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<mi>u</mi>
<mo>,</mo>
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<mo>-</mo>
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<mo>,</mo>
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<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
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<mi>K</mi>
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<mo>,</mo>
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<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
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<mo>&prime;</mo>
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<mo>&NotEqual;</mo>
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<mrow>
<mo>&prime;</mo>
<mo>&prime;</mo>
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<mo>&prime;</mo>
<mo>&prime;</mo>
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<mo>,</mo>
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<mo>,</mo>
<mo>&ForAll;</mo>
<mi>t</mi>
<mo>&Element;</mo>
<mover>
<mi>T</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
</mrow>
其中，是从模态m切换到m′后至多停留的时间长度，AL代表有允许的切换集合；
c)过渡切换
<mrow>
<msubsup>
<mi>z</mi>
<mrow>
<mi>u</mi>
<mo>,</mo>
<mi>m</mi>
<mo>,</mo>
<msup>
<mi>m</mi>
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</mrow>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mo>-</mo>
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<mi>K</mi>
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<mi>min</mi>
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<mo>-</mo>
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<mo>&Element;</mo>
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<mi>T</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
</mrow>
其中，Trans是过渡切换的集合；
d)禁止切换
<mrow>
<msubsup>
<mi>z</mi>
<mrow>
<mi>u</mi>
<mo>,</mo>
<mi>m</mi>
<mo>,</mo>
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<mo>&ForAll;</mo>
<mi>t</mi>
<mo>&Element;</mo>
<mover>
<mi>T</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
</mrow>
其中，DAL是禁止切换的集合。
4.根据权利要求1所述的变负荷调度的方法，其特征在于所述的步骤4)列写物料守恒表达式具体为：
将产品集合G分为可存储的液体产品Storable和不可存储的气体产品Nonstorable两个集合
a)液体产品
<mrow>
<msubsup>
<mi>Pr</mi>
<mrow>
<mi>u</mi>
<mo>,</mo>
<mi>g</mi>
</mrow>
<mi>t</mi>
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<mo>*</mo>
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<mo>*</mo>
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<mover>
<mi>T</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
</mrow>
其中，表示空分装置u生产产品g的产量，表示气化装置v的气化量，表示液化装置w的液化量，表示空分装置u对应的产品g的储槽的容量，取值在之间，表示装置u对应的产品g的销售量；
b)气体产品
<mrow>
<munder>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>u</mi>
<mo>&Element;</mo>
<mi>A</mi>
<mi>S</mi>
<mi>U</mi>
</mrow>
</munder>
<msubsup>
<mi>Pr</mi>
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<mo>,</mo>
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</mrow>
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<mrow>
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<mo>*</mo>
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<mo>&Sigma;</mo>
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</mrow>
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<mo>*</mo>
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<mo>&Element;</mo>
<mover>
<mi>T</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
</mrow>
其中，表示气体产品的需求量，表示气体产品的放散量，取值在之间，表示气体g对应的管网的容量，取值在 之间。
5.根据权利要求1所述的变负荷调度的方法，其特征在于所述的列写调度问题涉及的边界条件为：
a)起始条件
<mrow>
<msubsup>
<mi>Inv</mi>
<mrow>
<mi>u</mi>
<mo>,</mo>
<mi>g</mi>
</mrow>
<mn>0</mn>
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<mo>&ForAll;</mo>
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<mo>&prime;</mo>
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</mrow>
<mi>max</mi>
</msubsup>
<mo>}</mo>
</mrow>
其中，Inv_iniu,g表示装置u对应的产品g的储槽的初值，D_inig表示产品g对应的管网的初始容量，y_iniu,m表示装置u的初始运行模态，表示装置u切换操作的初始值；
b)终止条件
<mrow>
<msubsup>
<mi>Inv</mi>
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<mo>,</mo>
<mi>g</mi>
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</mrow>
其中，tf表示调度时域的终点。
6.根据权利要求1所述的变负荷调度的方法，其特征在于所述的确定调度优化问题的目标函数具体为：
Maximize profit＝rev-cost1-cost2-cost3
其中，收益rev为液态产品的销售利润，生产成本由三部分组成，包括装置的运行能耗cost1、装置的切换成本cost2、变负荷空分装置的变负荷成本cost3；
a)运行能耗通过产量回归得到：
<mfenced open = "" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>cost</mi>
<mn>1</mn>
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<mo>=</mo>
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<mo>,</mo>
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<mo>*</mo>
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<mtr>
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<mo>&Element;</mo>
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</mrow>
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<mrow>
<mi>u</mi>
<mo>,</mo>
<mi>G</mi>
<mi>O</mi>
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<mi>t</mi>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>*</mo>
<msub>
<mi>&delta;</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
b)切换成本主要由定负荷空分装置u∈NC、液化装置u∈LIQ、汽化装置u∈VAP的启动成本三部分构成，其中hu为装置u单次启动的成本；
<mfenced open = "" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>cost</mi>
<mn>2</mn>
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<mi>t</mi>
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<mo>,</mo>
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<mn>1</mn>
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<mo>,</mo>
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<mn>2</mn>
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<mo>,</mo>
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</mrow>
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<mo>*</mo>
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<mi>h</mi>
<mi>u</mi>
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<mrow>
<mo>+</mo>
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<mi>u</mi>
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<mi>V</mi>
<mi>A</mi>
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</mrow>
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<msub>
<mi>z</mi>
<mrow>
<mi>u</mi>
<mo>,</mo>
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<mi>m</mi>
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<mo>,</mo>
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<mi>u</mi>
</msub>
</mrow>
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c)针对变负荷空分装置u∈AC，引入一项额外的变负荷成本，以避免频繁的变负荷操作，其中hu,m为装置u在变负荷模态m下的成本；
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Patent Citations (3)
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| 《一种用于联产空分装置变负荷调度的方法》;周丹艳等;《第26届中国过程控制会议论文集》;20150731;参见正文摘要 * |
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