一种多目标进化的能源介质配置方法技术

本发明专利技术涉及一种多目标进化的能源介质配置方法，以最小化成本和能耗为目标，包括：1：获取钢铁生产中能源相关数据，确定关键节点，构建基于能量流的网络拓扑结构，并建立关键节点约束；2：获取钢铁产量的生产任务，并确定计算周期；3：考虑分时电价特性和煤气柜的缓冲作用，以最小化成本和能耗为目标函数建立能源介质配置模型；4：对基于分解的多目标进化算法MOEA/D分别在解码操作和邻域更新步骤进行改进，采用改进后的基于分解的多目标进化算法对模型进行优化求解，得到最优的能源介质配置方案。本发明专利技术将系统中涉及到的煤气、蒸汽和电等能源介质在发生端、消耗端和存储端进行统一调控，实现各能源介质之间的高效转换，有效减少生产成本和能耗。生产成本和能耗。生产成本和能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种多目标进化的能源介质配置方法


[0001]本专利技术属于钢铁生产的能源配置领域，具体是一种以最小化成本和能耗为目标的能源介质配置方法。

技术介绍

[0002]随着可持续发展理念逐渐深入人心，加上能源日益紧缺的现状，节能降耗势在必行。然而，我国钢铁行业作为典型的耗能大户，其工业生产效率、效益、吨钢能耗与世界先进水平还存在巨大的差距。大量钢铁企业每年造成大量不必要的能源浪费，急需对如何降低钢铁能耗和生产成本展开深入研究，达到保持经济稳定提高的同时，减少能源消耗，实现绿色可持续发展。
[0003]钢铁主要能源流动途径为对生产工序产生的富裕煤气和余热余压等能源进行回收利用，通过能源转换装置转化为生产过程所需的蒸汽和电力等能源，实现能源的重复利用。能源介质配置就是通过分析现场能源产耗情况，根据供应量和需求量的变化以及设备运行状态，对能源进行合理调动，减少能源放散，提高能源利用效率。因此，制定符合当前生产状态的能源介质配置方案是能源优化调配的基础，对节能降耗起到至关重要的作用。然而，由于钢铁变量较多和约束复杂等特性，多目标能源介质配置具有优化困难的难题和节能潜力大的优势。但是此类相关研究较少，急需对此类问题展开深入探讨。
[0004]本专利技术提出的能源介质配置方法，充分地考虑钢铁生产全流程工艺，考虑分时电价特性和煤气柜的缓冲作用，构建以最小化运行成本和总能耗为目标函数的能源介质配置模型，结合自适应邻域更新的基于分解的多目标进化算法，制定并优化能源介质配置方案，降低成本和能耗。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种以最小化成本和能耗为目标的能源介质配置方法，解决现有能源介质配置技术中，钢铁能源介质配置变量较多、约束复杂和模型求解难度高等问题。
[0006]本专利技术所述的能源介质配置方法包括以下步骤：
[0007]步骤一：获取钢铁生产中能源相关数据，确定关键节点，构建基于能量流的网络拓扑结构，并建立关键节点约束；
[0008]步骤二：获取钢铁产量的生产任务，并确定计算周期；
[0009]步骤三：考虑分时电价特性和煤气柜的缓冲作用，以最小化成本和能耗为目标函数建立能源介质配置模型，能源介质包括煤气、蒸汽、电；
[0010]步骤四：针对所述能源介质配置模型的特性，对基于分解的多目标进化算法MOEA/D分别在解码操作和邻域更新步骤进行改进，采用改进后的基于分解的多目标进化算法对模型进行优化求解，得到最优的能源介质配置方案。
[0011]步骤一中钢铁生产能源介质配置涉及生产工序子系统、多介质储存子系统、多介
质转换子系统和多介质运输子系统，所述生产工序子系统包括的关键工序有：烧结、焦化、炼钢、炼铁、热轧和冷轧，所述多介质储存子系统中的关键设备包括：高炉煤气柜、转炉煤气柜、焦炉煤气柜和对应的放散塔，所述多介质转换子系统中的关键设备包括：发电机组、燃汽轮机、燃烧锅炉和余热回收装置，所述多介质运输子系统包括：煤气管网、蒸汽管网以及电力能源介质管网；相应的，基于能量流的网络拓扑结构中关键节点包括：生产工序子系统中的关键工序、多介质储存子系统中的关键设备、多介质转换子系统中的关键设备，这些关键节点和多介质运输子系统之间的能源介质关系构成网络拓扑结构图。
[0012]步骤一从钢铁企业能源数据库中获取各节点在过去多个周期内的正常运行下能源产耗历史数据，并进行数据清洗，包括：剔除缺少数据和非正常生产场景的数据信息。
[0013]步骤一还对能源转换和储存中的关键设备建立工艺约束、能量平衡约束和物流平衡约束，所述关键设备包括多介质储存子系统中的关键设备和多介质转换子系统中的关键设备。
[0014]步骤二从生产系统中获取当前阶段的生产任务，包括作业计划和维修计划，明确生产任务中产量需求，进行事故假定和工况假定，确定生产工艺流程路径和工序单元选择。
[0015]确定计算周期为天，并对一天连续24小时的时间进行离散化处理，均分为T个时段，简化计算复杂度；考虑钢铁能源响应特性，T设置为12～36的整数。
[0016]步骤三目标函数中，目标成本设置为外购煤、外购天然气、产汽设备的制造成本、发电设备的设备维护成本、外购电成本和外送电收益之和；目标能耗设置为煤气、蒸汽和电这三种能源介质的购入能源、二次能源、利用余热能源、外调能源和库存变化能源的消耗量之和。
[0017]该能源介质配置模型的约束条件，除步骤一建立的工艺约束、能量平衡约束和物流平衡约束外，还包括：工序饱和度约束、能源介质供需平衡约束、混合煤气热值约束、所有变量的非负约束、外购电和外送电不能同时大于0的约束，以及实际产量大于或等于步骤二所述产量需求的约束。
[0018]该能源介质配置模型的决策变量为工序饱和度，代表着各工序的生产运行情况，工序饱和度为当前工序的生产量与最大生产量的比值；最大生产量为综合考虑产品组合、劳动力、厂房、设备、原料等情况下所能达到的最大的生产量；所述工序饱和度约束反映的是生产设备限制和上下工序协调需求，如下式所示：
[0019][0020][0021]其中，表示在时刻t的工序i的工序饱和度，和分别表示其最小值和最大值；p
i+1
为正常运行下，工序i+1产品产量与工序i产品产量的比值系数，q
i
为正常运行下，工序
i
的产品产量与工序i的工序饱和度的比值系数，为时刻t下工序i产品的库存量。
[0022]步骤四在基于分解的多目标进化算法MOEA/D的解码操作和邻域更新步骤，分别引入基于能源产耗规则的解码机制和基于种群进化程度的邻域自适应更新对算法进行改进，提高算法的收敛能力，改进后的基于分解的多目标进化算法包括以下步骤：
[0023]步骤4.1、算法初始化：确定决策变量、算法参数，权重向量集合；设置多组随机数序列生成对应能源介质配置模型的初始种群中一个解；根据基于能源产耗规则的解码机制
计算能源介质配置模型的目标成本和目标能耗；以成本最小值和能耗最小值为初始理想点；记录能源介质配置模型的初始种群中非支配最优解集为外部档案；
[0024]所述基于能源产耗规则的解码机制，将多介质储存子系统中和多介质转换子系统中的关键设备作为一个能源系统，剔除各设备能源介质分配变量；所述能源产耗规则包括：
[0025](1)设置煤气使用优先级：高炉煤气>焦炉煤气>转炉煤气；
[0026](2)设置介质生成优先级：蒸汽生产>电生产；
[0027](3)设备发电规则：从发电设备的自发电成本与当前时刻的购电成本、售电收益进行对比，根据发电成本从高到低，分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类设备，即类设备，即表示Ⅰ类发电设备的发电成本，表示时刻t的购电成本，表示Ⅱ类发电设备的发电成本，表示时刻t的售电收益，表示Ⅲ类发电设备的发电成本；Ⅰ类发电设备按最小出力来发电；Ⅱ类发电设备根据电力需求满足情况进行改变：如果电力供应量小于需求量，则取电力供需差值和Ⅱ类发电设备最大出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多目标进化的能源介质配置方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一：获取钢铁生产中能源相关数据，确定关键节点，构建基于能量流的网络拓扑结构，并建立关键节点约束；步骤二：获取钢铁产量的生产任务，并确定计算周期；步骤三：考虑分时电价特性和煤气柜的缓冲作用，以最小化成本和能耗为目标函数建立能源介质配置模型，能源介质包括煤气、蒸汽、电；步骤四：针对所述能源介质配置模型的特性，对基于分解的多目标进化算法MOEA/D分别在解码操作和邻域更新步骤进行改进，采用改进后的基于分解的多目标进化算法对模型进行优化求解，得到最优的能源介质配置方案。2.如权利要求1所述的一种多目标进化的能源介质配置方法，其特征是，步骤一中钢铁生产能源介质配置涉及生产工序子系统、多介质储存子系统、多介质转换子系统和多介质运输子系统，所述生产工序子系统包括的关键工序有：烧结、焦化、炼钢、炼铁、热轧和冷轧，所述多介质储存子系统中的关键设备包括：高炉煤气柜、转炉煤气柜、焦炉煤气柜和对应的放散塔，所述多介质转换子系统中的关键设备包括：发电机组、燃汽轮机、燃烧锅炉和余热回收装置，所述多介质运输子系统包括：煤气管网、蒸汽管网以及电力能源介质管网；相应的，基于能量流的网络拓扑结构中关键节点包括：生产工序子系统中的关键工序、多介质储存子系统中的关键设备、多介质转换子系统中的关键设备，这些关键节点和多介质运输子系统之间的能源介质关系构成网络拓扑结构图。3.如权利要求1所述的一种多目标进化的能源介质配置方法，其特征是，步骤一从钢铁企业能源数据库中获取各节点在过去多个周期内的正常运行下能源产耗历史数据，并进行数据清洗，包括：剔除缺少数据和非正常生产场景的数据信息。4.如权利要求2所述的一种多目标进化的能源介质配置方法，其特征是，步骤一对能源转换和储存中的关键设备建立工艺约束、能量平衡约束和物流平衡约束，所述关键设备包括多介质储存子系统中的关键设备和多介质转换子系统中的关键设备。5.如权利要求4所述的一种多目标进化的能源介质配置方法，其特征是，步骤二从生产系统中获取当前阶段的生产任务，包括作业计划和维修计划，明确生产任务中产量需求，进行事故假定和工况假定，确定生产工艺流程路径和工序单元选择。6.如权利要求5所述的一种多目标进化的能源介质配置方法，其特征是，步骤二确定计算周期为天，并对一天连续24小时的时间进行离散化处理，均分为T个时段，简化计算复杂度；考虑钢铁能源响应特性，T设置为12～36的整数。7.如权利要求6所述的一种多目标进化的能源介质配置方法，其特征是，步骤三目标函数中，目标成本设置为外购煤、外购天然气、产汽设备的制造成本、发电设备的设备维护成本、外购电成本和外送电收益之和；目标能耗设置为煤气、蒸汽和电这三种能源介质的购入能源、二次能源、利用余热能源、外调能源和库存变化能源的消耗量之和。8.如权利要求7所述的一种多目标进化的能源介质配置方法，其特征是，步骤三的能源介质配置模型的约束条件除步骤一建立的工艺约束、能量平衡约束和物流平衡约束外，还包括：工序饱和度约束、能源介质供需平衡约束、混合煤气热值约束、所有变量的非负约束、外购电和外送电不能同时大于0的约束，以及实际产量大于或等于步骤二所述产量需求的约束。
9.如权利要求8所述的一种多目标进化的能源介质配置方法，其特征是，步骤三的能源介质配置模型的决策变量为工序饱和度，代表着各工序的生产运行情况，工序饱和度为当前工序的生产量与最大生产量的比值；最大生产量为综合考虑产品组合、劳动力、厂房、设备、原料等情况下所能达到的最大的生产量；所述工序饱和度约束反映的是生产设备限制和上下工序协调需求，如下式所示：和上下工序协调...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴定会，欧阳洪才，纪志成，王艳，范俊岩，陆申鑫，倪渊之，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：