CN116745785A - 能量运用辅助装置、方法及钢铁厂的操作方法 - Google Patents

能量运用辅助装置、方法及钢铁厂的操作方法 Download PDF

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Abstract

具备优化计算部(4)和运用方针传达部(5)、(6)。优化计算部基于从实绩值及预测值取得部(DB1)、单价信息取得部(DB2)及运转信息取得部(DB3)得到的信息，将能量设备的运用条件作为决定变量，构成能量辅助材料的收支条件，将能量辅助材料的不足量决定变量向收支条件的产生变量侧附加而作为制约条件。并且，优化计算部确定包括钢铁厂的能量运用涉及的总成本和不足量决定变量的目标函数，以使目标函数以满足制约条件的方式逐渐接近最优值的方式运算决定变量。另外，运用方针传达部基于由优化计算部运算的不足量来向运用者传达运用方针。

Description

能量运用辅助装置、方法及钢铁厂的操作方法
技术领域
本发明涉及在钢铁厂中的能量辅助材料(energy utility)的运用中以优化能量辅助材料的成本的方式进行辅助的能量运用辅助装置、能量运用辅助方法及钢铁厂的操作方法。
背景技术
钢铁厂从上游工序(高炉、炼焦炉、制钢工序)到下游工序(轧制、表面处理工序)具有许多工场。在上游工序中，产生含有发热成分的副产气体即B气体(高炉气体)、C气体(焦炉气体)、LD气体(LD转炉气体)。
进行着将这些气体直接地或者以混合而进行热量调整后的M气体(混合气体)的形式作为轧制工场的加热炉、发电设备的燃料而使用的运用。
在此，在气体的产生量与使用量的背离的调整中，使用具有贮存气体的罐的作用的储气器这一设备。例如，在副产气体的产生量比使用量多的局面中，通过在储气器蓄积副产气体，其贮存量(储气器水平)上升。
相反，在副产气体的使用量比产生量多的局面中，通过从储气器排出气体来满足使用量。
在副产气体的产生量相对于使用量过大而达到了储气器水平的上限的情况下，剩余的气体向大气中燃烧扩散。另一方面，在相反的情况下，由于变为气体不足，所以通过降低发电设备的输出来抑制使用量，在凭借这样而无法应对的情况下，使工场的操作水平下降。
在副产气体的运用以外，例如存在电力、蒸汽的运用。在电力的运用中，以使来自电力单价高的时间段(一般是白天)的电力购买量下降的方式提高发电设备的输出而运用。在电力单价低的时间段(一般是夜间)中，使发电量下降。这样的发电设备的运用方针取决于单价。在蒸汽的运用中，在利用了转炉、烧结炉等的排热的锅炉中产生蒸汽，在冷轧工场等的酸洗槽的保温、RH(真空脱气设备)中使用蒸汽。并且，在不足的情况下，从发电设备抽气(从涡轮机中段得到蒸汽的操作，发电量下降)，从钢铁厂外购买。
公开了多个将这样的钢铁厂或工场中的能量辅助材料以在成本的观点下成为最小的方式运用的技术(例如，专利文献1～3)。
在专利文献1的技术中，在优化工场设备的运用的装置中，基于掺加了对包括工场设备的操作量的状态变量的偏差进行了考虑的评价指数的再评价函数，对通过优化手法而求出的最优解进行再评价。由此，掌握状态变量的偏差对最优解造成的影响，最优解的评价函数值更稳定。也就是说，找出评价函数值的变动少的解。
另外，专利文献2的技术提议了能够实现运用费用及气体排出量等的最小化的最优设计方法。在该专利文献2中，决定给出了工场设备的负荷模式(各设备的起动及停止计划值)时的设备的最优容量。
而且，专利文献3的技术提议了即使在无法确保发电设备的要求预备力的情况下也制作运转计划的手法。在该专利文献3中，在能够确保的发电量的调整量比要求调整量小的情况下，以使将惩罚函数向本来的目标函数添加而得到的扩张目标函数的值成为最小的方式生成运转计划，该惩罚函数算出与相对于要求调整量的不足量对应的值。
在专利文献1的技术中，即使在存在操作条件的偏差的状况下，也可作为成本函数的值而求出稳定的解。另外，在专利文献2的技术中，在给出了工场设备的运转计划时，决定成本成为最小的设备的最优容量。这些专利文献1、2的技术在给出的运转计划、操作条件下进行优化计算，但在作为其操作条件之一的表示能量平衡的收支条件不管是怎样的操作量都不满足时，作为最优计算，成为没有最优解的状态。
另外，在专利文献3的技术中，在发电量的调整量比规定值小的情况下，通过考虑将其作为惩罚向目标函数掺加而得到的目标函数来避免没有最优解的状态，但若成为连发电量的调整量都消失的条件，则会成为没有最优解的状态。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-70200号公报
专利文献2：日本特开2006-48475号公报
专利文献3：日本特开2016-93016号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在钢铁厂的操作中，在因突发性的要因(故障)而工场停止、工场的运转计划差的情况下，因产生的气体量、电力量及蒸汽不足而表示能量平衡的收支式不再成立，在最优计算中求不出解。在这样的情况下，运用者变更各工场的运转计划自身，通过使消耗量下降来使收支式成立。此时，运转计划的变更应该根据不足量而进行，若制定过剩地使工场停止的运转计划，则作为钢铁厂整体的成本会因生产量的下降而增大。因此，应该止步于必要最小限度的运转计划。
但是，前述的专利文献1～3的技术虽然在无故障地操作的情况下会有效地进行动作，但若成为最优解消失的程度的操作条件，则不会成为有效的解决对策。
存在以下的课题：即使进行了避免没有最优解的状态的专利文献3的计算，也无法将变更各工场的运转计划的运用辅助对策向运用者提示。
本发明着眼于上述以往例的未解决的课题而完成，目的在于提供在钢铁厂中的能量辅助材料(副产气体、蒸汽、电力的至少一个)不足的局面中能够向各工场的运用者提示能量设备的运转计划的必要最小限度的变更方案的能量运用辅助装置、能量运用辅助方法及钢铁厂的操作方法。
用于解决课题的手段
为了达成上述目的，本发明的一方案涉及的能量运用辅助装置具备：实绩值及预测值取得部，取得构成钢铁厂的每个工场的当前时刻的能量辅助材料的产生量及消耗量的实绩值和从当前时刻到指定时刻为止的能量辅助材料的产生量及消耗量的预测值；单价信息取得部，取得计算钢铁厂的能量运用涉及的总成本所需的单价信息；运转信息取得部，取得钢铁厂的能量设备的运转信息；优化计算部，基于从实绩值及预测值取得部、单价信息取得部及运转信息取得部得到的信息，将能量设备的运用条件作为决定变量，构成能量辅助材料的收支条件，将能量辅助材料的不足量决定变量向收支条件的产生变量侧附加而作为制约条件，确定包括钢铁厂的能量运用涉及的总成本和不足量决定变量的目标函数，以使目标函数以满足制约条件的方式逐渐接近最优值的方式运算决定变量；及运用方针传达部，基于由优化计算部运算的不足量来向运用者传达运用方针。
另外，本发明的一方案涉及的能量运用辅助方法包括：实绩值及预测值取得步骤，取得构成钢铁厂的每个工场的当前时刻的能量辅助材料的产生量及消耗量的实绩值和从当前时刻到指定时刻为止的能量辅助材料的产生量及消耗量的预测值；单价信息取得步骤，取得计算钢铁厂的能量运用涉及的总成本所需的单价信息；运转信息取得步骤，取得钢铁厂的能量设备的运转信息；优化计算步骤，基于从实绩值及预测值取得步骤、单价信息取得步骤及运转信息取得步骤得到的信息，将能量设备的运用条件作为决定变量，构成能量辅助材料的收支条件，将能量辅助材料的不足量决定变量向收支条件的产生变量侧附加而作为制约条件，确定包括钢铁厂的能量运用涉及的总成本和不足量决定变量的目标函数，以使目标函数以满足制约条件的方式逐渐接近最优值的方式运算决定变量；及运用方针传达步骤，基于在优化计算步骤中运算的不足量来向运用者传达运用方针。
而且，本发明的一方案涉及的钢铁厂的操作方法基于上述的能量运用辅助方法来变更能量设备的运用条件或者变更钢铁厂内的制造设备的操作条件。
发明效果
根据本发明涉及的能量运用辅助装置、能量运用辅助方法及钢铁厂的操作方法，在钢铁厂中的能量辅助材料不足的局面中，能够向各工场的运用者提示能量设备的运转计划的必要最小限度的变更方案。
附图说明
图1是示出本发明涉及的能量运用辅助装置的结构的框图。
图2是在本发明涉及的能量运用辅助装置的能量辅助材料实绩及预测数据库保存的规定的工场的能量辅助材料的数据。
图3是说明本发明涉及的能量运用辅助装置的优化计算部进行的优化计算处理的流程图。
图4是示出在钢铁厂的炼焦炉中产生了故障时的C气体产生量及C气体不足量的历时性变化的曲线图。
图5是示出在钢铁厂中贮存有B气体、C气体、转炉气体A、转炉气体B的储气器的历时性水平变化的曲线图。
图6是示出在钢铁厂的炼焦炉中产生了故障时的发电设备的发电量的历时性变化的曲线图。
图7是示出在钢铁厂的炼焦炉中产生了故障时的副产气体量的历时性变化的曲线图。
图8是示出在钢铁厂的炼焦炉中产生了故障时的外部购买燃料即重油量的历时性变化的曲线图。
图9是在本发明涉及的能量运用辅助装置的运用方针制作部存储的运用方针数据。
具体实施方式
接着，参照附图来说明本发明涉及的实施方式。在以下的附图的记载中，对同一或类似的部分标注有同一或类似的附图标记。
另外，以下所示的实施方式例示用于将本发明的技术思想具体化的装置、方法，本发明的技术思想不将构成部件的材质、形状、构造、配置等限定为下述的内容。本发明的技术思想能够在权利要求书所记载的权利要求所规定的技术范围内施加各种变更。
作为本发明涉及的一实施方式的能量运用辅助装置是在钢铁厂中的能量辅助材料的运用中以优化能量辅助材料的成本的方式进行辅助的装置。
在能量辅助材料中，包括在钢铁厂内产生的副产气体、蒸汽及电力中的至少一个。
如图1所示，本实施方式的能量运用辅助装置1由个人计算机、工作站等信息处理装置构成，具备能量辅助材料实绩及预测数据库DB1、单价信息数据库DB2、运转信息数据库DB3、优化计算部4、运用方针制作部5及指导部6。优化计算部4及运用方针制作部5通过信息处理装置内的CPU等运算处理装置执行计算机程序来实现。
能量辅助材料实绩及预测数据库DB1由非易失性的存储装置构成，保存有构成钢铁厂的多个工场的能量辅助材料(副产气体、蒸汽、电力)的产生量及消耗量的实绩值和从当前时刻到指定时刻为止的能量辅助材料的产生量及消耗量的预测值。
在B气体产生量的情况下，使用当前时刻的产生量和高炉运转信息来预测。在高炉正在运转时，假定为当前时刻的产生量持续至将来而制作预测值，但在高炉为停风状态时，以使产生量成为0的方式进行预测。
在C气体产生量的情况下，使用当前时刻的产生量和每个炼焦炉窑的装煤量来预测。
在LD气体产生量的情况下，使用吹炼计划来预测。
工场中的M气体消耗量使用加热炉中的板坯装入计划、当前时刻的M气体消耗量来预测。
图2是存储于能量辅助材料实绩及预测数据库DB1的构成钢铁厂的A工场的能量辅助材料的数据。该能量辅助材料的数据的副产气体是B气体(高炉气体)、C气体(焦炉气体)、LD气体(LD转炉气体)、将这些气体直接地或混合而进行热量调整后的M气体(混合气体)。另外，电力是从TRT(炉顶压回收涡轮机发电设备)、CDQ(Cokes Dry Quenching System：干熄焦***)产生的电力。另外，蒸汽是按照转炉、烧结炉的操作而产生的蒸汽。并且，图2的A工场的能量辅助材料的数据保存有当前时刻的产生量实绩值SJ及消耗量实绩值DJ和从当前时刻到指定时刻(例如180分钟后)为止的能量辅助材料的产生量预测值SY及消耗量预测值DY。
另外，在能量辅助材料实绩及预测数据库DB1中，与图2所示的A工场的能量辅助材料的数据一起，保存有其他的工场(B工场、C工场…)的能量辅助材料的当前时刻的产生量实绩值SJ及消耗量实绩值DJ和从当前时刻到指定时刻为止的能量辅助材料的产生量预测值SY及消耗量预测值DY。
单价信息数据库DB2保存有电力单价、蒸汽单价、重油单价、锅炉供给用的纯水单价等信息。
运转信息数据库DB3在存在能量设备(发电设备、TRT、CDQ、储气器、混合气体制造设备)因定期检查、故障等要因而停止的计划的情况下，保存有这些能量设备的停止时刻、再运转的时刻等运转信息。
优化计算部4进行将钢铁厂的能量运用花费的总成本成为最小或最小的附近的值的能量设备的运用条件作为决定变量而输出的优化计算。具体而言，该优化计算部4通过向将与能量运用辅助相关的制约条件、总成本作为数理计算问题之一的混合整数规划问题预先公式化而得到的数学式输入能量辅助材料实绩及预测数据库DB1的信息、单价信息数据库DB2的信息及运转信息数据库DB3的信息，来运算后述的不足量决定变量、消耗变量，并且运算应该优化的总成本F。
需要说明的是，关于混合整数计划问题的解法，能够使用分支定界法等，例如记载于作为现有技术文献的“混合动力***的预测控制及其向工艺控制的应用，***/控制/信息，Vol.46，No.3，pp.110-119，2002”。
运用方针制作部5基于由优化计算部4运算的规定的能量辅助材料的不足量X来制作运用方针。具体而言，在运用方针制作部5中，相对于规定的能量辅助材料，购买外部能量的运用方针、购买外部能量并且使规定的能量设备的使用量下降的运用方针或使规定的能量设备的使用量下降的运用方针等多个运用方针数据被表化而保存(例如，参照图9)。
并且，运用方针制作部5选择与由优化计算部4运算的能量辅助材料的不足量X对应的运用方针数据。
指导部6将由运用方针制作部5选择的与不足量X对应的运用方针数据显示于指导画面。
并且，运用者参考输入到指导画面的运用方针数据信息来变更能量设备的运用条件。
接着，关于优化计算部4进行的优化计算处理，参照图3的流程图来说明。
首先，在步骤ST1中，读入存储于能量辅助材料实绩及预测数据库DB1的A工场、B工场、C工场…的全部的能量辅助材料的当前时刻的产生量实绩值SJ及消耗量实绩值DJ和从当前时刻到指定时刻为止的能量辅助材料的产生量预测值SY及消耗量预测值DY。
接着，在步骤ST2中，读入存储于单价信息数据库DB2的电力、蒸汽、私人锅炉供给用的纯水等的购买单价。
接着，在步骤ST3中，读入存储于运转信息数据库DB3的能量设备(发电设备、TRT、CDQ、储气器、混合气体制造设备)的运转信息。
接着，在步骤ST4中，为了制定制约条件，基于在步骤ST1中读入的信息来设定产生变量Si(i＝1，2，…N)。在此，i＝1，2，…N是表示工场、能量设备的后缀。需要说明的是，在工场的情况下，成为实绩值或预测值，但在能量设备的情况下，成为决定变量。
接着，在步骤ST5中，为了制定制约条件，基于在步骤ST1中读入的信息来设定消耗变量Di(i＝1，2，…M)。在此，i＝1，2，…M也是表示工场、能量设备的后缀。需要说明的是，在工场的情况下，成为实绩值或预测值，但在能量设备的情况下，成为决定变量。
接着，在步骤ST6中，基于在步骤ST1、2、3中读入的信息，向左边的产生变量Si和右边的消耗变量Di相等的表示能量辅助材料的收支条件的式子的左边加上不足量决定变量X(X≥0)，从而制定以下的(1)式所示的制约条件。该制约条件是在各时刻下应该成立的条件。
X+S1+S2+…+SN＝D1+D2+…+DM…(1)
接着，在步骤ST7中，设定应该成为最小或最小的附近的值的目标函数。这对使用了单价信息、使用量的总成本F加上了对不足量决定变量X乘以加权常数C而得到的值。
(目标函数)＝F+CX
接着，在步骤ST8中，在(1)式的制约条件下，运算使目标函数成为最小或最小的附近的值的总成本F和不足量决定变量X。
在此，若假设不足量决定变量X是微小的值，并以此时的CX与总成本F相比充分变大的方式设定加权常数C，则在气体没有不足的局面中的最优计算中，不足量决定变量X实质上成为0。另一方面，在气体不足的局面中，不足量决定变量X能够为成为比0大的值的不足量。
接着，在步骤ST9中，设定在步骤ST8中运算的能量设备(发电设备、TRT、CDQ、储气器、混合气体制造设备)的运用条件，之后，结束优化计算处理。
在此，本发明所记载的实绩值及预测值取得部及实绩值及预测值取得步骤对应于能量辅助材料实绩及预测数据库DB1，本发明所记载的单价信息取得部及单价信息取得步骤对应于单价信息数据库DB2。另外，本发明所记载的运转信息取得部及运转信息取得步骤对应于运转信息数据库DB3，本发明所记载的运用方针传达部及运用方针传达步骤对应于运用方针制作部5及指导部6。
接着，将在钢铁厂的操作中产生了故障时的状况参照图4～图8来说明。
图4示出了在钢铁厂的炼焦炉中产生了故障、有计划地使C气体产生量下降的状况，在30分钟～50分钟内，C气体的产生量下降而不足量增大。
图5是示出在炼焦炉中产生了故障时的贮存有B气体、C气体、转炉气体A、转炉气体B的储气器的历时性水平变化的曲线图。运用者通过预想C气体产生量的下降，事先将C气体的储气器的气体水平保持得高，并且从运用开始后30分钟起逐渐使用C气体的储气器内的C气体。
图6示出了在炼焦炉中产生了故障时的发电设备的发电量的历时性变化，图7示出了在炼焦炉中产生了故障时的使用燃料即副产气体量，图8示出了在炼焦炉中产生了故障时的外部购买燃料即重油量。从这些图6～图8明显可知，即使C气体产生量下降，也不希望发电量的急剧的变化，因此，逐渐使发电量的输出下降，增多重油的购买量。在此，如图4所示，运用开始后30分钟～50分钟内的C气体不足量的期间平均为约500[GJ/h]。
接着，关于如上所述的状况的炼焦炉的故障产生时的能量运用辅助装置1的动作进行说明。
在能量运用辅助装置1的优化计算部4中，读入A工场、B工场、C工场…的全部的能量辅助材料的当前时刻的产生量实绩值SJ及消耗量实绩值DJ和从当前时刻到指定时刻为止的能量辅助材料的产生量预测值SY及消耗量预测值DY(图3的步骤ST1)。接着，读入电力、蒸汽、锅炉供给用的纯水等的购买单价(图3的步骤ST2)，读入能量设备(发电设备、TRT、CDQ、储气器、混合气体制造设备)的运转信息(图3的步骤ST3)。然后，设定产生变量Si(i＝1，2，…N)(图3的步骤ST4)，设定消耗变量Di(i＝1，2，…M)(图3的步骤ST5)，使用不足量决定变量X来制定前述的(1)式的制约条件(图3的步骤ST6)。
然后，使目标函数(总成本F+对不足量决定变量X乘以加权常数C而得到的值)在(1)式的制约条件下成为最小或最小的附近的值。然后，设定得到的能量设备(发电设备、TRT、CDQ、储气器、混合气体制造设备)的运用条件(图3的步骤ST9)。
另外，能量运用辅助装置1的运用方针制作部5使由优化计算部4运算的不足量X(500[GJ/h])与图9所示的多个运用方针数据对应，选择“2”的城市气体购买和热风炉使用量下降的运用方针。
然后，能量运用辅助装置1的指导部6将“城市气体购买和热风炉使用量下降”显示于指导画面。
由此，各工场的运用者能够参考输入到指导画面的“城市气体购买和热风炉使用量下降”这一运用方针，迅速地变更能量设备的运用条件。
需要说明的是，虽然关于在钢铁厂的操作中C气体不足的状况进行了说明，但即使在其他的副产气体、蒸汽、电力等能量辅助材料不足的状况下，能量运用辅助装置1也同样地进行运用辅助。
因此，本实施方式的能量运用辅助装置1基于使用了产生变量Si、消耗变量Di、不足量决定变量X的制约条件，通过优化计算而算出不足量，设定能量设备(发电设备、TRT、CDQ、储气器、混合气体制造设备)的运用条件。因而，在钢铁厂中的能量辅助材料(副产气体、蒸汽、电力的至少一个)不足的局面中，能够向各工场的运用者提示能量设备的运转计划的必要最小限度的变更方案。
另外，通过基于提示的运用条件的变更方案来变更能量设备的运用条件或者变更钢铁厂内的制造设备的操作条件，能够进行实现能量设备的最优运用的钢铁厂的操作。
附图标记说明
1能量运用辅助装置
4优化计算部
5运用方针制作部
6指导部
C加权常数
F应该优化的总成本
X不足量决定变量
DB1能量辅助材料实绩及预测数据库
DB2单价信息数据库
DB3运转信息数据库
Si(i＝1，2，…N)产生变量
Di(i＝1，2，…M)消耗变量。

Claims (5)

1.一种能量运用辅助装置，其特征在于，具备：
实绩值及预测值取得部，取得构成钢铁厂的每个工场的当前时刻的能量辅助材料的产生量及消耗量的实绩值和从当前时刻到指定时刻为止的能量辅助材料的产生量及消耗量的预测值；
单价信息取得部，取得计算所述钢铁厂的能量运用涉及的总成本所需的单价信息；
运转信息取得部，取得所述钢铁厂的能量设备的运转信息；
优化计算部，基于从所述实绩值及预测值取得部、所述单价信息取得部及所述运转信息取得部得到的信息，将所述能量设备的运用条件作为决定变量，构成所述能量辅助材料的收支条件，将所述能量辅助材料的不足量决定变量向所述收支条件的产生变量侧附加而作为制约条件，确定包括所述钢铁厂的能量运用涉及的总成本和所述不足量决定变量的目标函数，以使所述目标函数以满足所述制约条件的方式逐渐接近最优值的方式运算决定变量；及
运用方针传达部，基于由所述优化计算部运算的所述不足量来向运用者传达运用方针。
2.根据权利要求1所述的能量运用辅助装置，其特征在于，
所述运用方针传达部根据所述不足量而从多个运用方针中选择一个运用方针并向运用者传达。
3.一种能量运用辅助方法，其特征在于，包括：
实绩值及预测值取得步骤，取得构成钢铁厂的每个工场的当前时刻的能量辅助材料的产生量及消耗量的实绩值和从当前时刻到指定时刻为止的能量辅助材料的产生量及消耗量的预测值；
单价信息取得步骤，取得计算所述钢铁厂的能量运用涉及的总成本所需的单价信息；
运转信息取得步骤，取得所述钢铁厂的能量设备的运转信息；
优化计算步骤，基于从所述实绩值及预测值取得步骤、所述单价信息取得步骤及所述运转信息取得步骤得到的信息，将所述能量设备的运用条件作为决定变量，构成所述能量辅助材料的收支条件，将所述能量辅助材料的不足量决定变量向所述收支条件的产生变量侧附加而作为制约条件，确定包括所述钢铁厂的能量运用涉及的总成本和所述不足量决定变量的目标函数，以使所述目标函数以满足所述制约条件的方式逐渐接近最优值的方式运算决定变量；及
运用方针传达步骤，基于在所述优化计算步骤中运算的所述不足量来向运用者传达运用方针。
4.根据权利要求3所述的能量运用辅助方法，其特征在于，
所述运用方针传达步骤根据所述不足量而从多个运用方针中选择一个运用方针并向运用者传达。
5.一种钢铁厂的操作方法，其特征在于，
基于权利要求3或4所述的能量运用辅助方法来变更能量设备的运用条件或者变更钢铁厂内的制造设备的操作条件。
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