一种炼焦单种煤配比优化方法技术

本发明专利技术公开了一种炼焦单种煤配比优化方法，属于工业信息技术领域。本发明专利技术充分考虑了钢铁企业在炼焦过程中各单种煤不同配比所消耗的能源成本的差异，以配合煤的成本最低作为配煤比优化的目标函数，焦炭的各项质量指标作为约束条件，建立单种煤的配煤优化模型，并引入惩罚函数项对优化模型进行约束化处理；为了加快优化模型的求解速度，避免求解过程中陷入局部最优，结合Metropolis准则可以接受最优解与恶化解的特点，采用改进模拟退火算法进行求解，最终给出经济性最佳的单种煤最优配比。此方法所得到的配合煤的配煤比结果较优，计算效率高且满足焦炭的各项质量指标要求，可有效降低炼焦过程中的生产成本，在其它焦化行业中亦可推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种炼焦单种煤配比优化方法
本专利技术具体涉及一种炼焦单种煤配比优化方法，属于工业信息

技术介绍
焦炭质量的稳定直接影响着高炉冶炼的质量。焦炭作为钢铁工业生产过程中的一种重要的固体燃料，为了保证焦炭质量，炼焦用煤必须具有一定的挥发分、粘结性和结焦性，同时需要尽可能低的灰分、硫分和磷含量。现有的焦化厂的配煤基本是以肥煤和焦煤等优质炼焦煤为主，国内焦煤加肥煤的最大配比超过了80％，弱黏煤不足5％甚至不配弱黏煤(王帅.(2018).炼焦煤分析及焦炭质量预测的研究.(Doctoraldissertation))。气煤、焦煤等弱黏煤和中黏煤作为炼焦过程中的优质煤种，其储量和产量相对较大，但在实际炼焦生产中配比偏低，造成了优质炼焦煤供不应求。所以，合理并高效的进行优质煤的优化配比对满足高炉生产的稳定运行，保证生铁质量，保证焦炭质量，降低炼焦煤消耗量，优化炼焦煤的配比，降低焦炭生产成本以及提高企业的经济收益具有重要意义。不同配煤的方法成本不一致，而计算出所有的配煤方法并选取成本最低的配煤方法的运算量太大，难以实现。通常是由人工根据配合煤质量指标要求完成各单种煤的配比，只是凭经验的、定性的对成本进行分析并选取成本较低的方案，并不能进行精确定量的科学计算找到最优解。且为了保证配合煤的质量要求，在配煤时尽量使用优质煤，造成了资源的浪费和较高的成本。配煤比优化是一个多约束条件下找到最优配比的过程，必须满足配合煤每项质量指标的上下限限制以及单种煤的配比和为100％等约束条件，在采用传统优化算法(Jingdan,S.,Xinwei,D.U.,&Zhe,L.I..(2014).Coalblendingexperimentbasedonlinearprogramming.CleanCoalTechnology)(Yujiao,L.,Haiying,Z.,&Haiying,G..(2014).Uniformdesignbasedmulti-objectiveoptimizationmethodforcoalblending.ThermalPowerGeneration)进行优化模型训练时会导致运行效率低下、过早收敛或易陷入局部最优解。所以需要设计的优化算法以高效、合理的获取全局最优配合煤的配煤比。采用惩罚函数法与模拟退火算法相结合，利用惩罚函数法将约束问题转化为无约束优化问题，再使用模拟退火算法求最优解，从而大幅改善配煤比优化模型的求解效率。
技术实现思路
因此，本专利技术目的是提供一种炼焦单种煤配比优化方法，解决焦化生产过程中单种煤的配比优化问题。方法将炼焦过程中的配煤成本最低作为优化目标，以焦炭质量指标的需求范围作为约束条件构建优化模型，并引入惩罚函数项对优化模型进行约束化处理；为跳出求解过程中的局部最优解，根据Metropolis准则同时具有接受优化解和恶化解的特点，采用模拟退火算法给出全局最优的单种煤配比方案。具体的，本专利技术提供的炼焦单种煤配比优化方法，步骤如下：(1)由现场数据库采集各单种煤的质量指标以及对应单价；(2)以炼焦过程中配合煤的成本最低作为目标函数，焦炭的质量指标作为约束条件，同时引入惩罚函数，构建配煤比优化模型；(3)选取优化算法的初始温度，选取邻域，确定接收准则，抽样稳定准则，温度衰减函数以及停止准则；(4)采用模拟退火算法对优化问题进行求解，给出最终的配煤比优化方案。本专利技术的有益效果：本专利技术以钢铁企业炼焦生产过程中的配合煤成本为优化目标，焦炭的质量指标范围作为约束条件，建立配煤比的优化模型。此模型是一个含有复杂约束的优化求解问题，本专利技术考虑了求解过程中可能存在的陷入局部最优的情况，采用惩罚函数法将约束问题转化为无约束优化问题，并通过一种智能优化算法进行求解，克服了传统智能优化算法在编程实现上过于复杂以及运行效率低下的问题，大幅改善了配煤比优化模型的求解效率，符合实际应用要求。附图说明图1为本专利技术优化方法整体流程图。图2为本专利技术优化方法收敛曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行说明：本专利技术涉及到多约束优化建模、惩罚函数法、智能优化算法等先进智能技术，是一种基于智能优化算法的炼焦过程单种煤配比优化方法。本专利技术充分考虑了钢铁企业在炼焦过程中各单种煤不同配比所消耗的能源成本的差异，以配合煤的成本最低作为配煤比优化的目标函数，焦炭的各项质量指标作为约束条件，建立单种煤的配煤优化模型，并引入惩罚函数项对优化模型进行约束化处理；为了加快优化模型的求解速度，避免求解过程中陷入局部最优，结合Metropolis准则可以接受最优解与恶化解的特点，采用模拟退火算法进行求解，最终给出经济性最佳的单种煤最优配比。为了更好地理解本专利技术的技术路线和实施方案，以国内某大型钢铁企业炼焦过程中的配煤优化问题做进一步说明。由于炼焦配合煤的配煤比优化是一个多约束条件下找到最优配比的过程，必须满足配合煤每项质量指标的上下限限制以及单种煤的配比和为100％等约束条件，然而不同配煤的方法成本不一致，计算出所有的配煤方法并选取成本最低的配煤方法的运算量太大，难以实现。通常是由人工根据配合煤质量指标要求完成各单种煤的配比，只是凭经验的、定性的对成本进行分析并选取成本较低的方案，并不能进行精确定量的科学计算找到最优解。为了改善在采用传统智能优化算法进行优化模型训练时会导致运行效率低下、发生过早收敛且易陷入局部最优解，本专利技术采用智能优化算法以高效、合理的获取全局最优配合煤的配煤比。本专利技术即针对此问题，开展对炼焦过程中配合煤的配煤比最优化方法的研究与应用工作。本专利技术的具体实施步骤如下：(1)构建配煤优化模型如下：minf(x)(1)其中f(x)为配合煤成本函数，Hv和Lv分别为焦炭质量指标的上限和下限。Wv为配合煤质量指标，v表示考察的配合煤质量指标的约束编号,xj为各单种煤配煤比例，L1(x)、L2(x)、L3(x)表示模型要满足的约束函数。(2)确定目标成本函数，采用惩罚函数法对约束进行处理。根据单种煤的成本及配比确定配合煤目标成本函数，设单种煤种数为n，第j种单种煤的成本价为Cj，其配比为xj，其中j＝1,2,...,n。则成本函数如式(3)所示：采用非可微精确惩罚函数方式处理约束，选择合适的惩罚因子，直接使得约束优化解与惩罚函数的某个极小值点相一致。确定新的适应度函数如式(4)所示：minZ＝f(x)+C[|L3(x)|+∑(max(0,L1(x))+max(0,L2(x)))](4)其中C是惩罚因子，minZ为优化算法的优化目标函数。(3)确定配煤优化模型约束条件。对于配煤过程中配合煤的每一项质量指标都有上下限，即为Lv≤Wv≤Hv(5)其中v表示考察的配合煤质量指标的约束个数，采用的指标为配合煤的灰分Ad、挥发分Vdaf、硫分St,d、粘结指数G、胶质层厚度Y，v＝1,2,…,5。由于配合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种炼焦单种煤配比优化方法，其特征在于，所述方法包括：/n步骤一 由现场数据库采集各单种煤的质量指标以及对应单价；/n步骤二 以炼焦过程中配合煤的成本最低作为目标函数，焦炭的质量指标作为约束条件，同时引入惩罚函数，构建配煤比优化模型；/n步骤三 选取优化算法的初始温度，选取邻域，确定接收准则，抽样稳定准则，温度衰减函数以及停止准则；/n步骤四 采用模拟退火算法对优化问题进行求解，给出最终的配煤比优化方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种炼焦单种煤配比优化方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一由现场数据库采集各单种煤的质量指标以及对应单价；
步骤二以炼焦过程中配合煤的成本最低作为目标函数，焦炭的质量指标作为约束条件，同时引入惩罚函数，构建配煤比优化模型；
步骤三选取优化算法的初始温度，选取邻域，确定接收准则，抽样稳定准则，温度衰减函数以及停止准则；
步骤四采用模拟退火算法对优化问题进行求解，给出最终的配煤比优化方案。


2.如权利要求1所述的炼焦单种煤配比优化方法，其特征在于，所述方法中构建配煤比优化模型具体包括：
构建配煤优化模型公式一、公式二：
minf(x)公式一



其中f(x)为配合煤成本函数，Hv和Lv分别为焦炭质量指标的上限和下限，Wv为配合煤质量指标，v表示考察的配合煤质量指标的约束编号,xj为各单种煤配煤比例，L1(x)、L2(x)、L3(x)表示模型要满足的约束函数。


3.如权利要求2所述的炼焦单种煤配比优化方法，其特征在于，所述方法中确定目标成本函数具体包括：
采用惩罚函数法对约束进行处理，根据单种煤的成本及配比确定配合煤目标成本函数，设单种煤种数为n，第j种单种煤的成本价为Cj，其配比为xj，其中j＝1,2,...,n，则成本函数如公式三所示：



采用非可微精确惩罚函数方式处理约束，选择合适的惩罚因子，直接使得约束优化解与惩罚函数的某个极小值点相一致，确定新的适应度函数如公式四所示：
minZ＝f(x)+C[|L3(x)|+∑(max(0,L1(x))+max(0,L2(x)))]公式四
其中C是惩罚因子，minZ为优化算法的优化目标函数。


4.如权利要求3所述的炼焦单种煤配比优化方法，其特征在于，所述方法中确定配煤优化模型约束条件具体包括：
对于配煤过程中配合煤的每一项质量指标都有上下限，即为公式五
Lv≤Wv≤Hv公式五
其中v表示考察的配合煤质量指标的约束编号，采用的指标为配合煤的灰分Ad、挥发分Vdaf、硫分St,d、粘结指数G、胶质层厚度Y...

【专利技术属性】
技术研发人员：资金凯，芦建文，王宏，卢培山，付利俊，王勇，江鑫，贾晓宗，欧宇星，
申请(专利权)人：大连智慧海洋软件有限公司，包头钢铁集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21