《复杂制造环境下钢铁工业绿色化智能化节能降耗关键技术及应用》

该成果属于能源系统工程科学技术领域。

能源在国民经济中具有特别重要的战略地位。能源消耗既是决定钢铁冶金等国民经济支柱性产业生产成本和利润的重要因素,也是影响环境负荷的主要原因。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中将钢铁冶金等流程工业中的“工业节能”作为能源重点领域的优先主题之一。

项目组面向钢铁工业节能优化的重大需求,以复杂制造环境下钢铁工厂能源工艺流程和重点耗能装备绿色化、智能化为目标,在国家863计划和中冶集团重大科技专项等项目大力支持下,在设备节能和系统节能两个层面开展了系列基础性、原创性、集成性深入研究,研究了热风炉和加热炉等主要耗能装备的节能优化燃烧及无人化智能化技术,以及大规模复杂耦合能源系统平衡调度的集成建模和优化计算方法等技术,形成了钢铁工厂设备节能和系统节能不同层面具有完全自主知识产权的理论、方法、技术体系和产品。

该项目的主要研发内容及创新点如下:

(1)建立了高炉热风炉节能优化燃烧技术体系,提出了煤气流量智能设定模型、基于拱顶温度波动的空燃比自动寻优模型、热风炉蓄热体大阻力/迟滞烧炉模型和煤气压力波动控制模型等,研制了高炉热风炉节能燃烧优化系统软件,规避了人工烧炉的粗放性,解决烧炉过程波动性强、风温稳定性差及煤气消耗量大等问题,并有效提升风温9~20℃和降低煤气消耗3~6%,实现热风炉烧炉的精细化、智能化及节能降耗增效。

(2)提出了加热炉节能优化燃烧控制技术方案,建立了基于钢坯最优升温曲线的炉温设定模型、基于统计学习的炉压炉温控制模型,以及炉温分段控制模型等,研制了加热炉节能优化燃烧控制系统软件和台架自动装钢出钢智能视觉系统,有效降低煤气消耗4~6%,减少钢坯氧化烧损

0.04%以上,实现了加热炉台架上料的无人化和智能化运行。

(3)提出了钢铁企业复杂耦合能源系统动态平衡和优化调度集成建模方法,建立了煤气-蒸汽-电力等多介质多周期混合协同优化调度的非线性规划模型,发明了将钢铁企业多能源介质多周期混合协同优化调度这一复杂的强约束优化问题转化为多目标优化问题的约束转换方法,提出了一种多目标-约束优化进化算法(M-COEA),解决了带复杂约束条件的大规模非线性规划模型快速求得最优解/近优解难题。

(4)针对能源系统混合协同调度优化中复杂强约束导致的可行解生成难题,发明了一种以蒙特卡罗随机模拟和启发式算法结合为特征的可行解智能构造方法,在无需复杂迭代搜索计算的前提下快速得到自然满足所有约束条件且多样性好的能源调度优化可行解;发明了一种实现求解算法与能源系统混合协同调度优化问题解耦的方法,使求解算法与优化问题二者完全分离,增强了成果的通用性和复用价值;研制了具有在线能效评估和个性化配置功能的钢铁企业能源混合协同动态平衡与调度优化系统平台;示范应用检验结果表明,该成果将炼铁、炼钢、轧钢示范生产线的综合能效提升了3.04%。

申请国家发明专利23项,已获授权9项,授权软件著作权12项。在项目成果产品化的基础上,经过三年的推广实施,各系统平台已在全国钢铁企业投用20多台套,客户遍布湖南、江西、河北、湖北、甘肃、内蒙古、山东、广东、安徽等九省市自治区,成功实现产业化。近三年累计经济效益超过1.7264亿元,在降低钢铁企业能源成本,优化能源利用效益,提升能源管理水平等方面发挥了重要作用。

中国冶金科工集团有限公司和湖北技术交易所分别组织对该项目课题进行科技成果鉴定/评价的意见表明,钢铁企业能源系统混合协同调度优化成果整体达到国内领先水平,高炉热风炉节能燃烧优化成果和加热炉节能优化燃烧控制成果均达到国际先进水平。

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