钢铁制造流程中物质流与能量流优化及其协同运行基础研究

摘要

回顾最近30年间中国钢铁工业的节能历程可以发现，钢铁制造流程的节能空间越来越小，节能难度越来越大。今后，需要依靠物质流与能量流的动态优化和协同运行来把节能工作推向新的阶段。然而，目前的研究较多地关注单一设备或能源介质的静态优化，较少涉及全流程物质流和能量流相互作用的动态研究，更少见从协同运行的角度进行物质流与能量流优化的报道。针对上述问题，本研究主要开展了以下几方面的工作:
　　(1)深入剖析了物质流和能量流的运行规律，构建了合理的运行模式。
　　根据钢铁制造流程动态运行的物理本质，抽象了钢铁制造流程的运行要素，构建了物质流与能量流的基本运行模式;从本质上揭示了物质流和能量流的运行规律，研究了物质流和能量流的动态性质，并提出了描述物质流和能量流动态运行的数学方法及衡量指标，尤其是首次提出了描述物质流和能量流动态波动性的均衡度的定义。
　　(2)以能量流消耗为约束，研究了物质流的动态优化。
　　按照“产量安排→检修安排→作业安排”的顺序，从系统层面研究了物质流的动态优化问题，并进行了仿真分析。从提高设备效率和利用率的角度出发，建立了工序产品产量返溯决策模型，结合产品订单和库存情况研究了各工序的最佳产量安排;以造成的能量流放散量最小为目标，建立了设备检修计划排序模型，研究了主要设备的检修顺序对能量流放散的影响;以总能量流消耗最小为目标，建立了连续作业设备群的产量优化分配模型，研究了物质流生产率偏离“经济区”时的作业设备调整策略;以能量流均衡度最大为目标，建立了间歇作业设备群的协同作业模型，研究了物质流产量波动对能量流均衡度的影响。
　　(3)以物质流信息和设备状态为依据，研究了能量流的动态优化。
　　按照“节点供需计算→固定用户消耗→余热余能回收→富余能源缓冲”的顺序，采用欧拉法和拉格朗日法相结合的研究方法，从系统层面研究了能量流的动态优化问题，并进行了仿真分析。基于(炯)分析和单耗分析理论，建立了能量流需求量计算模型，研究了驱动物质流运行的理论极限能量流需求量;基于物质流参数和过程控制系统，建立了节点能量流平均值模型和动态补偿模型，研究了各节点能量流的瞬时产生量、消耗量和富余量;以物质流参数和设备状态为依据，基于动态聚类分析法，建立了需求量主导的能量流分配模型，研究了能量流在固定用户之间的分配方案;基于能级分析理论，提出了“折合能级降”的概念，建立了余热余能回收利用模型，分析了各种条件下余热流的最佳回收利用模式;以再能源化或再资源化效益最大为目标，建立了富余能量流缓冲调控模型，研究了富余能量流在缓冲设备和缓冲装置间的优化分配。
　　(4)进行了物质流与能量流协同运行的评价与优化，提出了未来技术的发展方向。
　　阐述了物质流与能量流协同运行的内涵;辨识了钢铁制造流程的序参量，定义了物质流与能量流的协同度，建立了衡量物质流与能量流协同运行程度的评价方法和指标;提出了基于物质流与能量流协同的未来技术发展方向，给出了物质流与能量流协同运行的若干建议。
　　(5)开发了求解数学模型的优化算法。
　　鉴于生产中实时优化和调度的要求，针对难于用常规方法求解的数学模型，开发了快速求解的新算法。通过引入变量将目标函数转化为等价不等式，成功求解了目标函数中包含非连续的符号函数Sgn的最优化问题;通过巧妙设置关联约束和快速特例枚举的方式，缩小了决策变量的取值范围;引入欧氏距离指标调整边缘元素，提高了动态聚类分析模型的计算精度;首次提出了约减状态空间算法，用于状态变量和决策变量取值范围较广的动态规划问题的求解，大大提高了计算速度。

目录

声明

摘要

缩略字、符号、单位表

第1章 总论

1．1 钢铁制造流程概述

1．1．1 钢铁制造流程的流程形式

1．1．2 钢铁制造流程中的物质流和能量流

1．1．3 钢铁制造流程动态运行的本质和功能

1．2 研究物质流与能量流协同运行的重要性和紧迫性

1．3 已有研究成果及最新进展

1．3．1 物质流及物质流调控的研究

1．3．2 能量流及能量流网络的研究

1．3．3 物质流与能量流相互关系的研究

1．3．4 关于已有研究工作的评述

1．4 论文的研究工作

1．4．1 拟解决的关键科学和工程问题

1．4．2 研究方法和技术路线

第2章 物质流和能量流动态运行规律研究

2．1 钢铁制造流程的运行要素

2．2 钢铁制造流程的结构

2．3 物质流和能量流的运行模式

2．4 物质流和能量流运行规律的数学描述

2．4．1 欧拉法

2．4．2 拉格朗日法

2．5 物质流和能量流的动态性质及其数学描述

2．6 小结

第3章 物质流优化模型的建立与求解

3．1 工序产品产量返溯决策模型

3．1．1 问题描述

3．1．2 模型的建立与求解

3．1．3 案例仿真与分析

3．2 设备检修计划排序模型

3．2．1 问题描述

3．2．2 模型的建立与求解

3．2．3 案例仿真与分析

3．3 连续作业设备群的产量优化分配模型

3．3．1 问题描述

3．3．2 模型的建立与求解

3．3．3 案例仿真与分析

3．4 间歇作业设备群的协同作业模型

3．4．1 问题描述

3．4．2 模型的建立与求解

3．4．3 案例仿真与分析

3．5 小结

第4章 能量流计算和优化模型的建立与求解

4．1 能量流需求量计算模型

4．1．1 并行作业设备群的焖分析模型

4．1．2 钢铁制造流程的能量流需求量

4．1．3 案例分析

4．2 节点能量流产耗动态模型

4．2．1 基于物质流参数的能量流平均值模型

4．2．2 基于过程控制系统的能量流动态补偿模型

4．2．3 案例分析

4．3 固定用户能量流分配模型

4．3．1 问题描述

4．3．2 模型的建立与计算

4．3．3 案例分析

4．4 余热流回收利用模型

4．4．1 问题描述

4．4．2 余热流回收利用模型

4．4．3 分析与讨论

4．5 富余能量流缓冲调控模型

4．5．1 问题描述

4．5．2 模型的建立与求解

4．5．3 案例仿真与分析

4．6 小结

第5章 物质流与能量流协同运行的评价及优化

5．1 物质流与能量流有序程度的评价指标

5．1．1 序参量的辨识

5．1．2 物质流和能量流的有序度

5．2 物质流与能量流的协同度

5．3 物质流与能量流协同运行的优化

5．3．1 节点层面的协同优化

5．3．2 路径层面的协同优化

5．3．3 流程层面的协同优化

5．4 小结

第6章 结论和展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论著及获奖情况

作者从事科学研究和学习经历的简历

附录