支持企业能效评估的能源消耗系统模型及其分析方法研究

摘要

工业企业是能源消耗的主体，全面、准确地了解企业具体的能源消耗情况及其产生的效益，将有利于企业节能潜力的分析、企业能耗的有效控制和决策。因此，切实可行的企业能效评估手段是企业全面、有效管理其能耗系统，并实现节能降耗的有力保障。 模型是系统分析、评价与优化等的基础，研究企业能源消耗系统模型及其分析方法，不仅可以为企业能效评估提供有效途径，而且可以为企业能耗系统的分析优化提供基础。因此，本文面向工业企业能源消耗环节，从系统的角度全方位开展企业能耗系统建模方法研究，并对模型的性能及仿真分析方法进行了深入研究，从而为企业能效评估提供了一种动态分析手段，克服了传统基于历史生产数据的静态评估方法的局限性。主要研究内容包括： ●企业能源消耗过程建模方法研究 企业能源消耗过程模型是企业能耗系统模型的核心。在分析企业能源消耗过程特点及其组成因素的基础上，研究了企业能耗过程定义元模型；在此基础上，依据模糊Petri网的基本原理，从实用、可行的角度探索性地提出了一种面向企业能源消耗过程的模糊Petri网模型（EEC-FPN），模型的建立独立于特定的能源类型和用能设备，并体现了能源消耗过程多装置、多过程、多工序的并行、串行、绕行、返流等特性；为使所建模型更加真实地反映企业能耗过程的连续性和动态性，研究了一种基于高级模糊Petri网的企业能耗过程建模方法（EEC-HFPN），从而进一步完善了模型的语义表达能力，保障了模型的安全有界性与冲突避免能力。企业能耗过程模型的建立实现了企业能耗过程结构和动态行为方面信息的全面描述。 ●企业能耗单元输入输出模型及能耗系统集成模型 能耗单元模型是企业能耗系统模型的基础，而能耗单元输入输出模型则是对企业能耗设备（或能耗活动）的用能状况和设备能效的反映。在分析企业能耗单元输入输出模型建立方法的基础上，针对复杂能耗单元的非线性特性以及常用资源分配网络存在的问题，提出了一种墓于粗糙集和正交最小二乘算法的改进资源分配网络，研究了企业能耗单元输入输出模型的改进资源分配网络辨识方法，仿真结果验证了该方法的有效性。另外，从不同的侧面，分别给出了企业能耗系统不同视角子模型的定义，并分析了企业能耗系统各子模型的关联关系；在此基础上，以企业能耗过程模型为主线，并关联能耗单元输入输出模型及其它各视角子模型，形成了企业能耗系统集成化元模型，同时研究了企业能耗系统模型开放性集成框架。 ●企业能耗过程模型性能分析 依据企业能耗过程模型的语义，研究了与模型相关的动态性质与结构性质，并给出了一些相应的判定方法；结合实际企业生产中因资源冲突和设备竞争现象所引起的“停工待料”和“物料积压”等生产瓶颈，讨论了基于网结构的冲突关系，并给出了模型有效冲突的定义；针对有效冲突产生所引起的不确定性，提出了一种基于模糊综合评判的优先权动态确定方法，增强了模型在资源冲突消解时的动态适应性，从而弥补了基于静态优先权的冲突消解策略所存在的弊端；针对普通关联矩阵无法刻画模型动态特征的局限性，提出了静态关联矩阵和动态关联矩阵的概念，并有针对性地分析了能耗过程模型的能量守恒性，提出了基于S不变量的能量守恒计算以及设备能量利用率的计算方法。 ●企业能耗过程系统仿真方法研究 仿真可以有效地模拟企业能源使用与消耗的动态行为，并为企业提供直接能耗、间接能耗等相关数据。首先，研究了模型仿真机制的设计与仿真模型的实现；其次，基于EEC-FPN和EEC-HFPN模型语义，重点研究了这两种模型的动态演变方法，详细给出了其具体的仿真算法，并通过实例验证了算法的有效性；最后，研究了仿真输出数据的计算方法，分别从资源、经济和环境的角度介绍了企业能效相关指标的计算方法，这些指标可以作为企业能源利用状况评估的标尺。仿真方法的研究实现了企业能源消耗情况的动态与定量分析，并弥补了当前过程模拟方法在过程系统结构处理上的不足。 ●企业能耗系统建模与仿真工具的设计开发与应用 以企业能耗系统建模与仿真方法为理论基础，设计开发了适用于企业能耗系统建模与仿真的软件支持系统。文中详细介绍了软件系统的体系结构、功能模块以及软件开发中的关键处理技术，并以上海氯碱化工股份有限公司的片状离子膜固碱生产片段作为应用实例，综合描述了软件系统的应用实施情况。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1能源模型

1.2.2企业能源消耗模型

1.2.3企业能效评估

1.2.4能源相关支持软件

1.3课题研究目标

1.4本文研究内容和章节安排

1.5本章小结

第2章企业能源消耗过程建模方法研究

2.1引言

2.2企业能源消耗过程定义元模型研究

2.2.1企业能耗过程组成因素分析

2.2.2企业能耗过程定义元模型

2.3企业能耗过程建模需求性及现有建模方法分析

2.3.1企业能耗过程建模需求性分析

2.3.2现有过程建模方法分析

2.3.3模糊Petri网的基本原理

2.4面向企业能源消耗过程的模糊Petri网模型研究

2.4.1模型的形式化定义

2.4.2模型的运行规则

2.4.3建模原则

2.4.4建模举例

2.5基于高级模糊Petri网的企业能耗过程建模方法研究

2.5.1模型的形式化定义

2.5.2模型的演化规则

2.5.3建模原则

2.5.4实例

2.6本章小结

第3章企业能耗单元输入输出模型及能耗系统集成模型

3.1引言

3.2企业能耗单元输入输出模型建立方法分析

3.3基于改进资源分配网络的企业能耗单元输入输出模型研究

3.3.1资源分配网络

3.3.2粗糙集与知识约简

3.3.3基于粗糙集和OLS学习算法的资源分配网络

3.3.4企业能耗单元输入输出模型仿真实例

3.3.5小结

3.4企业能耗系统多视角建模

3.4.1传输管网模型

3.4.2资源模型

3.4.3组织模型

3.4.4信息模型

3.5企业能耗系统集成模型

3.5.1企业能耗系统集成化元模型

3.5.2企业能耗系统模型开放性集成框架

3.6本章小结

第4章企业能耗过程模型性能分析

4.1引言

4.2模型有关性质定义及判定

4.2.1模型的静态与动态关联矩阵

4.2.2模型的动态性质

4.2.3模型的结构性质

4.3模型冲突分析及解决策略

4.3.1基于模型结构的冲突分析

4.3.2模型有效冲突的定义

4.3.3模糊变迁优先权的动态确定

4.4能量守恒性分析

4.4.1载能体及能量守恒性概述

4.4.2基于S不变量的能量守恒性分析

4.5本章小结

第5章企业能源消耗过程系统仿真方法研究

5.1引言

5.2仿真机制的设计

5.3仿真模型的实现

5.4仿真运行算法的研究

5.4.1仿真相关问题

5.4.2基于EEC-FPN的企业能耗过程仿真算法

5.4.3基于EEC-HFPN的企业能耗过程仿真算法

5.4.4仿真实例

5.5仿真输出数据的计算方法

5.5.1资源类指标计算

5.5.2经济类指标计算

5.5.3环境类指标计算

5.6本章小结

第6章 企业能耗系统建模与仿真工具的设计开发与应用

6.1引言

6.2建模与仿真软件系统的设计

6.2.1设计目标和系统特点

6.2.2系统的体系结构

6.2.3主要功能模块

6.3关键开发技术

6.3.1模型构造器的实现

6.3.2基于XML的模型数据模式定义与解析

6.4应用实例

6.4.1生产原理与工艺流程

6.4.2建模实现

6.4.3仿真分析

6.5本章小结

第7章结论与展望

7.1全文工作结论

7.2今后工作展望

致谢

参考文献

附录A:中华人民共和国国家知识产权局

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果