考虑电炉短流程的钢铁工业园区综合能源系统低碳运行模式分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑电炉短流程的钢铁工业园区综合能源系统低碳运行模式分析方法，该方法步骤如下：1)梳理钢铁工业园区的输入能源类型及多种能源间的耦合关系；2)对钢铁工业园区综合能源系统进行建模，包括高炉长流程钢铁冶炼工序建模、电炉短流程钢铁冶炼工序建模和储能设备建模；3)建立综合考虑园区综合能源系统的原料成本和环境成本的园区优化调度模型；4)求解钢铁工业园区优化调度模型。采用本发明专利技术的方法可实现引入电炉短流程的钢铁工业园区经济最优规划及工作运行方案分析。园区经济最优规划及工作运行方案分析。园区经济最优规划及工作运行方案分析。

【技术实现步骤摘要】
考虑电炉短流程的钢铁工业园区综合能源系统低碳运行模式分析方法


[0001]本专利技术涉及综合能源系统领域，涉及碳排放分析领域，尤其涉及一种考虑电炉短流程的钢铁工业园区综合能源系统低碳运行模式分析方法。

技术介绍

[0002]煤炭占我国能源生产与消费总量的70％以上，若要如期实现“双碳”目标，必须改善“一煤独大”的能源消费方式。钢铁工业每年的碳排放量约占全国碳排放总量的15％，减碳压力巨大。钢铁企业近年在减碳降耗上做出了努力，但以高炉长流程炼钢为主的冶金方式难以确保钢铁工业在2030年前实现碳达峰。要实现钢铁工业的低碳发展，短中期的研究重点在于继续降低各流程碳排放以及提高电炉短流程炼钢比例。
[0003]电炉短流程炼钢成为短中期替代长流程炼钢产能的最佳选择，其原因在于：我国废钢资源日益充足，以废钢为冶金原料能减轻铁矿对外依存度；电炉短流程炼钢的吨钢碳排放仅为长流程炼钢的1/3，即使与目前示范工程应用的氢冶金气基竖炉短流程炼钢相比也能降低20％以上；在分时电价激励下，当废钢成本在2000元/t时，谷电时段的电炉短流程炼钢的经济性就已优于高炉长流程炼钢，并且电炉短流程吨钢产能投资和土地占用均少于高炉长流程，具有推广基础。
[0004]目前工业界和学界主要关注氢冶金在中国钢铁工业的应用，对电炉短流程炼钢的研究或仅关注企业利用分布式新能源实现电力侧减碳，或仅关注废钢作为冶金原料实现生产侧减碳，另外对于电/煤综合能源系统相关的研究多以煤作为化工原料进行深度加工，将煤作为能源供给方式与新能源耦合进行论证分析的技术方法尚未见于报道。
[0005]因此，需要专利技术一种新型的钢铁工业园区综合能源系统低碳运行分析方法，在其中将煤作为能源供给方式与新能源耦合进行论证，引入电炉短流程炼钢的影响，从而实现使园区运行最优的新能源建设、高炉煤气发电机组和储能设备等多种能源规划方案。

技术实现思路

[0006]针对上述
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提出一种考虑电炉短流程的钢铁工业园区综合能源系统低碳运行模式分析方法，该方法可对具备新能源、储能设备、高炉煤气发电技术以及高炉长流程和电炉短流程两种冶金工序的钢铁工业园区综合能源系统进行建模及分析，提出经济最优的园区规划及运行方案，从而实现钢铁工业园区的节能减排。
[0007]本专利技术采用如下技术方案实现：
[0008]一种考虑电炉短流程的钢铁工业园区综合能源系统低碳运行模式分析方法包括以下步骤：
[0009]1)梳理钢铁工业园区的输入能源类型及多种能源间的耦合关系；
[0010]所述钢铁工业园区的能源输入类型包括电能：电网供应电能满足高炉长流程炼钢和电炉短流程炼钢的电能需求，回收高炉转炉煤气发电减少园区从电网的购电；煤炭：由煤
供给热能，满足高炉长流程炼钢的热能需求；
[0011]所述钢铁工业园区的能源间耦合关系包括：高炉煤气发电机组利用高炉冶金回收的煤气燃烧产生电力；
[0012]2)钢铁工业园区综合能源系统建模，包括高炉长流程钢铁冶炼工序建模、电炉短流程钢铁冶炼工序建模和储能设备建模，具体步骤如下：
[0013]201)高炉长流程钢铁冶炼工序建模，高炉长流程炼钢模型的输入为电能、煤和铁矿，输出为粗钢和煤气，高炉长流程炼钢产量与用料量、用煤量和用电量的关系表达为：
[0014][0015]式中：K
lp
为高炉长流程炼钢的钢铁产量，单位为t/h；W
coal
和W
Fe
分别为高炉长流程炼钢消耗的煤/焦炭量和铁矿石量，单位为t/h；P
lp
为高炉长流程炼钢的耗电功率，单位为kW。q
lp,coal
，q
lp,Fe
和e
lp
分别为高炉长流程炼钢的用煤系数、用铁矿系数和耗电系数。
[0016]高炉长流程炼钢会产生高炉煤气和转炉煤气，其中的主要成分为CO、CO2、H2等，是炼钢重要的副产品，除绝大多数煤气可以直接生产自用外，还可以剩余大量低热值煤气，为进一步优化资源配置，可回收煤气在高炉煤气发电机组中燃烧产生电能供应园区使用。高炉长流程炼钢可回收的低热值煤气量表示为
[0017]G
lp
＝η
eg,lp
·
P
lp
ꢀꢀ
(0.2)
[0018]式中，G
lp
为高炉长流程炼钢回收的煤气量，单位为kW,η
eg,lp
为煤气回收效率；
[0019]202)电炉短流程钢铁冶炼工序建模，电炉短流程炼钢模型的输入为电能和废钢，输出为粗钢，表达为
[0020][0021]式中，K
dp
为电炉短流程炼钢的钢铁产量，单位为t/h；W
sFe
为电炉短流程炼钢消耗的废钢量，单位为t/h；P
dp
为电炉短流程炼钢的耗电功率，单位为kW。q
dp,sFe
和e
dp
为电炉短流程炼钢的消耗废钢系数和耗电系数。
[0022]203)高炉煤气发电机组建模，由高炉煤气发电机组的工作运行原理可知，煤气本身为碳排放产物，可认为高炉煤气发电机组燃烧煤气不产生额外碳排放，得到高炉煤气发电机组的发电量与煤气用量的关系为
[0023]P
gt
＝η
ge,gt
·
G
gt
ꢀꢀ
(0.4)
[0024]式中，P
gt
为高炉煤气发电机组的发电，单位为kW；G
gt
为高炉煤气发电机组消耗的煤气量，单位为kW，η
ge,gt
为高炉煤气发电机组的发电效率。
[0025]204)储能设备建模，储能设备的通用动态模型可表示为
[0026][0027]式中下标x表示储存的能量类型，储电和储煤气分别用es和gs表示。式子表现了相
较于充/放能前，储能设备充/放能后储存能量的变化，δ
x
表示储能设备的能量耗散率；S
xt+1
和S
xt
分别表示储能设备充/放能后和充/放能前储存的能量；和分别为t时段的充能和放能功率，η
x,c
和η
x,d
分别为充能、放能效率；Δt为调度周期。
[0028]3)分析并建立钢铁工业园区优化调度模型，在2)系统建模的基础上，建立综合考虑园区综合能源系统的原料成本和环境成本的园区优化调度模型，具体步骤如下：
[0029]301)构建钢铁工业园区优化调度模型目标函数，钢铁工业园区以日生产成本最低为目标函数，日生产成本由包括铁矿/废钢和煤/焦炭购买费用的原料成本、包含外购电费用在内的电成本、碳排放成本和设备运维成本四部分构成，可表示为
[0030]C＝min(C1+C2+C3+C4)(0.6)
[0031]其中，原料成本C1可表示为
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑电炉短流程的钢铁工业园区综合能源系统低碳运行模式分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)梳理钢铁工业园区的输入能源类型及多种能源间的耦合关系；所述钢铁工业园区的能源输入类型包括：用于高炉长流程炼钢和电炉短流程炼钢的电能；用于满足高炉长流程炼钢的热能需求的煤炭；所述钢铁工业园区的能源间耦合关系包括：高炉煤气发电机组利用高炉冶金回收的煤气燃烧产生电力；2)对钢铁工业园区综合能源系统进行建模，包括高炉长流程钢铁冶炼工序建模、电炉短流程钢铁冶炼工序建模和储能设备建模，具体步骤如下：201)高炉长流程钢铁冶炼工序建模：高炉长流程炼钢模型的输入为电能、煤和铁矿，输出为粗钢和煤气，高炉长流程炼钢产量与用料量、用煤量和用电量的关系表达为：式中：K
lp
为高炉长流程炼钢的钢铁产量，单位为t/h；W
coal
和W
Fe
分别为高炉长流程炼钢消耗的煤/焦炭量和铁矿石量，单位为t/h；P
lp
为高炉长流程炼钢的耗电功率，单位为kW；q
lp,coal
，q
lp,Fe
和e
lp
分别为高炉长流程炼钢的用煤系数、用铁矿系数和耗电系数；高炉长流程炼钢可回收的低热值煤气量表示为G
lp
＝η
eg,lp
·
P
lp
(0.2)式中，G
lp
为高炉长流程炼钢回收的煤气量，单位为kW，η
eg,lp
为煤气回收效率；202)电炉短流程钢铁冶炼工序建模：电炉短流程炼钢模型的输入为电能和废钢，输出为粗钢，表达为式中，K
dp
为电炉短流程炼钢的钢铁产量，单位为t/h；W
sFe
为电炉短流程炼钢消耗的废钢量，单位为t/h；P
dp
为电炉短流程炼钢的耗电功率，单位为kW；q
dp,sFe
和e
dp
为电炉短流程炼钢的消耗废钢系数和耗电系数；203)高炉煤气发电机组建模：煤气本身为碳排放产物，假设高炉煤气发电机组燃烧煤气不产生额外碳排放，得到高炉煤气发电机组的发电量与煤气用量的关系为P
gt
＝η
ge,gt
·
G
gt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(0.4)式中，P
gt
为高炉煤气发电机组的发电，单位为kW；G
gt
为高炉煤气发电机组消耗的煤气量，单位为kW，η
ge,gt
为高炉煤气发电机组的发电效率；204)储能设备建模，储能设备的通用动态模型可表示为式中下标x表示储存的能量类型；δ
x
表示储能设备的能量耗散率；S
xt+1
和S
xt
分别表示储能设备充/放能后和充/放能前储存的能量；和分别为t时段的充能和放能功率，η
x,c
和η
x,d
分别为充能、放能效率；Δt为调度周期；3)分析并建立钢铁工业园区优化调度模型，在步骤2)系统建模的基础上，建立综合考虑园区综合能源系统的原料成本和环境成本的园区优化调度模型，具体步骤如下：301)构建钢铁工业园区优化调度模型目标函数，钢铁工业园区以日生产成本最低为目标函数，日生产成本由包括铁矿/废钢和煤/焦炭购买费用的原料成本、包含外购电费用在内的电成本、碳排放成本和设备运维成本四部分构成，可表示为C＝min(C1+C2+C3+C4)(0.6)其中，原料成本C1可表示为式中，p
lp,coal
，p
lp,Fe
和p
lp,sFe
分别为煤/焦炭价格，铁矿石价格和废钢价格，单位为元/t；W
tcoal
，W
tFe
和W
tsFe
分别为t时段煤/焦炭，铁矿和废钢使用速率，单位为t/h；n为调度时段数；电成本C2可表示为式中，p
tb
和P

【专利技术属性】
技术研发人员：董树锋，赵海祺，郑欣怡，葛明阳，唐坤杰，
申请(专利权)人：海南浙江大学研究院，
类型：发明
国别省市：