冶金企業(yè)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)

凌付平，秦黃輝

(1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，金工實(shí)訓(xùn)中心，江蘇 南通 226010 ;2.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，輪機(jī)工程系，江蘇 南通 226010）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)和研究具有高效、節(jié)能的冷熱交換設(shè)備已經(jīng)成為目前重要的研究課題。冶金企業(yè)作為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，傳統(tǒng)的冶金企業(yè)熱爐設(shè)備消耗能量大[1]、且運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，很大程度上造成了能源浪費(fèi)。對(duì)于冷熱聯(lián)供設(shè)備功能方式復(fù)雜，從目前的聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間看，項(xiàng)目帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益并不是很樂(lè)觀，一定程度上阻礙了聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展，基于此，提出對(duì)冶金企業(yè)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)前，在能源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的背景下，對(duì)冶金企業(yè)的節(jié)能減排方面提出了新的要求，所以在進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化時(shí)，要針對(duì)能耗大、時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益低的情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證能源的綜合利用率，并且要減輕電網(wǎng)的壓力。隨著負(fù)荷的變化對(duì)運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，針對(duì)應(yīng)用的全年負(fù)荷性進(jìn)行合理優(yōu)化，并隨負(fù)荷變化隨時(shí)調(diào)整。具體設(shè)備優(yōu)化過(guò)程如下所示，通過(guò)設(shè)備優(yōu)化減少了能源消耗，并獲得了更高的經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

1 冶金企業(yè)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)定優(yōu)化參數(shù)

冶金企業(yè)熱爐制冷聯(lián)供提供冷熱負(fù)荷和電負(fù)荷，在滿(mǎn)足企業(yè)生產(chǎn)的前提下，考慮設(shè)備的一些指標(biāo)對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如果單純考慮經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和減排性中其中的一個(gè)因素，在選擇優(yōu)化參數(shù)時(shí)，會(huì)存在不一致性，所以選擇經(jīng)濟(jì)性角度和節(jié)能角度設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)，提高優(yōu)化參數(shù)的準(zhǔn)確性。為保證優(yōu)化參數(shù)選擇的準(zhǔn)確性，引入綜合性指標(biāo)PPF，綜合考慮熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，引入權(quán)重因子，根據(jù)權(quán)重因子的取值，得到不同的目標(biāo)函數(shù)，綜合目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)方式如下所示：

式中，PPF 代表滿(mǎn)足v設(shè)備要求的前提下的優(yōu)化參數(shù)選擇，V代表權(quán)重因子參數(shù)，z代表經(jīng)濟(jì)性權(quán)重因子，此次計(jì)算不做定向分析。

當(dāng)采用綜合目標(biāo)PPF作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，針對(duì)不同的要求，經(jīng)濟(jì)性權(quán)重因子和節(jié)能性權(quán)重因子對(duì)于綜合指標(biāo)的敏感性是不同的，根據(jù)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的權(quán)重因子敏感性分析，獲得目標(biāo)函數(shù)即優(yōu)化目標(biāo)值，其計(jì)算公式為：

式中，Prin為綜合目標(biāo)函數(shù)，MB為聯(lián)供設(shè)備優(yōu)化參數(shù)，F(xiàn)V代表權(quán)重因子敏感值，此次計(jì)算不做定向分析。

在上述計(jì)算完成后，完成設(shè)定優(yōu)化參數(shù)，當(dāng)聯(lián)供設(shè)備的能源消耗與分供設(shè)備的能源消耗的比值較小時(shí)，得出的結(jié)果為最優(yōu)目標(biāo)，所以在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)時(shí)選擇綜合性目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)設(shè)定。通過(guò)設(shè)定優(yōu)化參數(shù)，給聯(lián)供設(shè)備優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行定位，優(yōu)化的聯(lián)供設(shè)備以此目標(biāo)為最終優(yōu)化目標(biāo)。

1.2 引入冷熱調(diào)節(jié)控制器

為實(shí)現(xiàn)冶金企業(yè)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的優(yōu)化，對(duì)熱爐的冷熱進(jìn)行調(diào)節(jié)，以熱爐的出口溫度為參考信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)冷熱控制器的閥門(mén)來(lái)改變整齊的入口流量，達(dá)到調(diào)節(jié)制冷量的目的。引入KKI控制器，此控制器首先將熱爐出口水的溫度設(shè)定為定值，當(dāng)外界負(fù)荷過(guò)大時(shí)，熱爐水的出口溫度隨之上升，安裝在熱爐出水口的傳感器在接收到信號(hào)后通過(guò)控制器傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)冷熱溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，增大加熱的蒸汽量。當(dāng)高低壓的發(fā)生器內(nèi)熱量增大，熱爐的出口溫度下降，此時(shí)冷熱控制器溫度直接 回到初始設(shè)定值。通過(guò)冷熱控制器調(diào)節(jié)時(shí)，不會(huì)涉及到熱爐內(nèi)部的溶液，并且在調(diào)節(jié)時(shí)安全系數(shù)高。KKI控制器能夠通過(guò)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)進(jìn)行干預(yù)被控對(duì)象的特性，通過(guò)給系統(tǒng)施加階級(jí)干擾，獲得輸出信號(hào)，根據(jù)等幅震蕩輸出信號(hào)，確定臨界增益Ku和震蕩周期Cu,具體工作步驟為，將控制器積分時(shí)間常數(shù)Tc設(shè)定為?，微分常數(shù)T∞設(shè)定為0，對(duì)比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)輸入，然后對(duì)臨界增益Ku和震蕩周期Cu進(jìn)行記錄，通過(guò)公式計(jì)算得出參數(shù)具體值，計(jì)算公式為：

通過(guò)上述公式計(jì)算，得出控制器三個(gè)參數(shù)具體值，如表所示：

表1 控制器參數(shù)值

表1能夠求出控制器的參數(shù)值，通過(guò)調(diào)節(jié)KKI控制器的參數(shù)實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的冷熱調(diào)節(jié)，優(yōu)化熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的冷熱調(diào)節(jié)精準(zhǔn)度。為實(shí)現(xiàn)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的優(yōu)化，在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)和引入冷熱調(diào)節(jié)控制器的基礎(chǔ)上，采用雙層優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，主要分為兩層算法，首先選擇優(yōu)化設(shè)備，將設(shè)備的參數(shù)帶入公式中，參數(shù)值如表所示：

表2 優(yōu)化設(shè)備參數(shù)

在此優(yōu)化參數(shù)設(shè)定完成的基礎(chǔ)上，帶入公式，計(jì)算公式為：

式中，Cp代表運(yùn)行費(fèi)用參數(shù)，Mr代表系統(tǒng)生命周期，rc代表線(xiàn)性約束參數(shù)，此次計(jì)算不做定向分析。

此公式以運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)，以熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備性能和能量守恒作為線(xiàn)性約束，從而得到對(duì)應(yīng)的最佳優(yōu)化方案，根據(jù)優(yōu)化的方案對(duì)系統(tǒng)的生命周期、成本和總排放量進(jìn)行計(jì)算，得到該設(shè)備對(duì)應(yīng)的生命值、排放量。第一層算法的目標(biāo)是找到熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的最優(yōu)排放量、冷熱轉(zhuǎn)換、成本現(xiàn)值等等，引入差別選擇法，其原理是根據(jù)設(shè)備的類(lèi)型將隨機(jī)選擇的設(shè)計(jì)方案輸入到第二層，若沒(méi)有解則進(jìn)行丟棄，若有解則得到最佳的運(yùn)行方案。然后根據(jù)運(yùn)行方案對(duì)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算，將此方案的計(jì)算結(jié)果和目標(biāo)值進(jìn)行保存，多次重復(fù)這個(gè)過(guò)程，保存N個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。將這些數(shù)值表現(xiàn)在坐標(biāo)軸中，每個(gè)方案用一個(gè)點(diǎn)表示，從而得到方案目標(biāo)值的分布圖。將得到的N個(gè)方案為一組，增加隨機(jī)選擇的方案，將增加的組的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行聯(lián)合組成用作目標(biāo)值分布圖，當(dāng)再也找不到可以超越之前運(yùn)算的邊界值則為最優(yōu)值。在第一層算法完成后，進(jìn)行第二層算法，應(yīng)用抽象數(shù)學(xué)模型，算法如下：

式中，Mt代表平衡方程和設(shè)備約束方程，cm代表設(shè)備每一時(shí)間的輸出值，∞代表設(shè)備運(yùn)行時(shí)開(kāi)關(guān)狀態(tài)值，此次計(jì)算不做定向分析。

通過(guò)第一層和第二層的計(jì)算實(shí)現(xiàn)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備優(yōu)化，計(jì)算后得到的最優(yōu)值就是對(duì)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的最佳優(yōu)化值。在完成以上步驟設(shè)計(jì)后，能夠減少電網(wǎng)負(fù)荷、減少設(shè)備運(yùn)行的成本、減少能源消耗并且能提高熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的工作效率。以此，實(shí)現(xiàn)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能源消耗低和經(jīng)濟(jì)性能高的目標(biāo)。

2 結(jié)束語(yǔ)

冶金企業(yè)的熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的優(yōu)化不僅能夠提高能源的利用效率，并且能夠節(jié)省時(shí)間，有利于環(huán)保，而且能夠?qū)δ茉垂?yīng)起到保障作用。結(jié)合冶金企業(yè)的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)常規(guī)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備存在一定的問(wèn)題，因此對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于合理配置熱爐機(jī)組，對(duì)聯(lián)供設(shè)備設(shè)定優(yōu)化參數(shù)，并設(shè)置冷熱調(diào)節(jié)控制器，提高設(shè)備轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)度，并通過(guò)優(yōu)化算法，有效對(duì)其優(yōu)化，并提高了設(shè)備運(yùn)行效率和降低了設(shè)備的運(yùn)行成本，希望本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)σ苯鹌髽I(yè)的熱爐聯(lián)供設(shè)備的發(fā)展起到一定的作用。