一种基于㶲分析的钢铁生产过程能效诊断及优化方法和系统

1.一种基于㶲分析的钢铁生产过程能效诊断及优化方法，其特征在于，包括：步骤1），对钢铁生产系统内所有能流的㶲值进行计算；步骤2），将钢铁生产系统按工序划分为若干个子系统，根据能量传递关系和各个能源设备的属性，分析其中的匹配关系，列出物料投入和产出总量、㶲总值和㶲值占比，构建钢铁生产系统能量输入输出矩阵和设备的基本信息物元矩阵；步骤3），基于各个子系统中能源流的能值计算，对各子系统进行投入产出分析建模，计算各个子系统的㶲效率和钢铁生产系统的㶲效率；步骤4），根据㶲平衡方法，针对具体工序环节进行㶲损失计算，包括工序内部产生和稳定流动系统产生的㶲损失，以确定钢铁生产系统的㶲损失分布情况；步骤5），诊断钢铁生产系统能效和分析节能减排潜力；步骤6），基于能源系统结构、能源及设备约束，以㶲效率最大为目标确定目标函数和约束条件，从而获得能源系统的最优参数配置；所述步骤3）中，㶲效率由下式计算：31）钢铁生产系统㶲效率 或 ，式中， E xt,in 为输入钢铁生产系统的㶲，kJ； E xt.out 为钢铁生产系统有效利用㶲，kJ； e xt,in 为输入环节单个项目的㶲，kJ； e xt,out 为输出环节单个项目的㶲，kJ； E xt,loss 为钢铁生产系统损失的总㶲，kJ； 为钢铁生产系统㶲效率；输入钢铁生产系统的项目有动力煤、洗精煤、无烟煤、喷吹煤、汽油、柴油、外购废钢、铁合金、球团矿，此时 E xt,in 为它们的㶲之和 ；输出钢铁生产系统的项目有电、新水、纯水、压缩空气、蒸汽、焦油、粗苯、氧气、氮气、氩气、氢气、焦炉煤气、焦炭、板材、外销钢坯，此时 E xt,out 为它们的㶲之和 ；32）炼铁工序㶲效率 或 ，式中， E lt,in 为输入炼铁工序的㶲，kJ； E lt.out 为炼铁工序有效利用㶲，kJ； e lt,in 为输入炼铁工序单个项目的㶲，kJ； e lt,out 为输出炼铁工序单个项目的㶲，kJ； E lt,loss 为炼铁工序损失的总㶲，kJ； 为炼铁工序㶲效率；输入炼铁工序的项目有喷吹煤、焦炭、焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气、电、新水、纯水、压缩空气、蒸汽、氧气、氮气、烧结矿、球团矿，此时 E lt,in 为它们的㶲之和 ；输出炼铁工序的项目有铁水、高炉煤气、电，此时 E lt,out 为它们的㶲之和 ；33）炼钢工序㶲效率 或 ，式中， E lg,in 为输入炼钢工序的㶲，kJ； E lg.out 为炼钢工序有效利用㶲，kJ； e lg,in 为输入炼钢工序单个项目的㶲，kJ； e lg,out 为输出炼钢工序单个项目的㶲，kJ； E lg,loss 为炼钢工序损失的总㶲，kJ； 为炼钢工序㶲效率；输入炼钢工序的项目有焦炉煤气、转炉煤气、电、新水、纯水、压缩空气、蒸汽、氧气、氮气、氩气、铁水、废钢、铁合金、烧结矿，此时 E lg,in 为它们的㶲之和 ；输出炼铁工序的项目有连铸、切割渣、铁皮、转炉煤气、蒸汽，此时 E lg,out 为它们的㶲之和 ；所述步骤4）中，㶲平衡方法采用如下方程： ，或 ，式中， E x,in 为输入钢铁生产系统的㶲，kJ； E x.out 为有效利用㶲，kJ； E x,loss 为损失的总㶲，kJ； I x,int 为内部㶲损失，kJ；Δ E x,sys 为㶲在钢铁生产系统内部的积存量，kJ；其中， ；x 取{xt,lt,lg}，表示钢铁生产系统、炼铁工序、炼钢工序；工序内部产生的㶲损失计算为： ，式中， I x 为总㶲损失，kJ； I x,int 为内部㶲损失，kJ； I x,ext 为外部㶲损失，kJ；稳定流动系统产生的㶲损失，包括绝热设备，以及管路、阀门、孔板、弯头与管件单元部件内的绝热自发过程，按下式计算： ，式中， E x,in2 为输入稳定流动系统的㶲，kJ； E x.out2 为稳定流动系统的有效利用㶲，kJ； I x,int2 为稳定流动系统的内部㶲损失，kJ；其中， ， E x,loss2 为稳定流动系统损失的总㶲；所述步骤6）包括：步骤61）以㶲效率最大为指标确定目标函数，表示为： ，式中， 表示㶲效率最大值，{ P out,e,t , P out,h,t , P out,c,t ,…}为 t 时刻输出的各种形式能量的功率值，{ P in,f,t , P in,e,t , P in,h,t , P in,rn,t ,…}为 t 时刻输入的各种形式能量的功率值；式中， 为输出的㶲量，kJ； 为输入的㶲量，kJ； 表示化石燃料的能量质量因子； 表示电能的能量质量因子； 表示热能的能量质量因子； 表示冷能的能量质量因子； 表示可再生资源的能量质量因子；步骤62）基于能源及设备约束列出约束条件，所述的约束条件包括㶲平衡约束、设备约束、电平衡约束和用电约束；利用常规的单目标规划求解算法对目标函数进行求解，获得能源系统的最优参数配置。 2.根据权利要求1所述的基于㶲分析的钢铁生产过程能效诊断及优化方法，其特征在于，所述步骤1）中，㶲值计算分为燃料的化学㶲、工质的焓㶲和电能㶲三类；燃料的化学㶲由下式计算： ，式中， E x,f,c 为燃料的化学㶲，kJ/kg； Q net,ar 为收到基低位发热量，kJ/kg； r 为汽化潜热，kJ/kg； w 为水分；理想气体工质的焓㶲由下式计算： ，式中， e x,H 为1Nm 3 工质的焓㶲，kJ/Nm 3 ； h 为某给定状态1Nm 3 工质的焓，kJ/Nm 3 ； h 0 为环境状态1Nm 3 工质的焓，kJ/Nm 3 ； s 为某给定状态1Nm 3 工质的熵，kJ/(Nm 3 ·K)； s 0 为环境状态1Nm 3 工质的熵，kJ/(Nm 3 ·K)； T 0 为环境热力学温度，K；对于理想气体，单位体积的熵变为： ，式中， c p,av 为气体温度从 T 0 至 T 的平均定压比热，kJ/(Nm 3 ·K)； T 为给定状态气体的热力学温度，K； P 为给定状态气体的压力，kPa； P 0 为环境状态的压力，kPa； R 为1Nm 3 气体的气体常数， R =0.371kJ/(Nm 3 ·K)；固体或液体工质的焓㶲也由下式计算： ，对于固体或液体，单位质量的熵变为： ，式中， c av 为固体或液体温度从 T 0 至 T 的平均比热，kJ/(kg·K)；得出以上焓㶲后，工质㶲值： ，其中， D x,H 为工质质量，kg。 3.根据权利要求1所述的基于㶲分析的钢铁生产过程能效诊断及优化方法，其特征在于，所述步骤2）中，所述的若干个子系统包括球团、焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢工序；根据能量传递关系，对钢铁生产系统的能量输入和输出进行映射，并以矩阵形式进行数学描述，即钢铁生产系统的能量输入输出矩阵表示为： ，式中， 表示钢铁生产系统第n个能量流； 表示能量从第 m 个输入流到第 n 个输出流的传递比例；建立设备的基本信息物元矩阵： ，式中，E为能源设备类型；{ EC 1 ,EC 2 ,…,EC n }为能源设备属性，包括电能消耗值、物料消耗值、温湿度监测值和气压监测值；{ v e,1 ,v e,2 ,…,v e,n }表示设备的属性特征值。 4.根据权利要求1所述的基于㶲分析的钢铁生产过程能效诊断及优化方法，其特征在于，所述步骤5）具体为：基于㶲分析和前述步骤中的㶲值计算、能量输入输出矩阵、㶲效率分析结果，得出钢铁生产系统的能效诊断结论，这些结论包括能源利用情况的评估、生产过程中的能效瓶颈、能源损失的主要来源；根据能效诊断结论，分析钢铁企业生产过程中的节能减排潜力，包括确定实施的节能措施，以及这些措施带来的能源消耗减少和减排效果；节能减排潜力分析还需考虑新技术的应用、设备更新和工艺改进。 5.根据权利要求1所述的基于㶲分析的钢铁生产过程能效诊断及优化方法，其特征在于，所述的㶲平衡约束如下： ， ，所述的设备约束如下： ，式中， 为单位时间内设备允许输入的化石能源消耗量； 为单位时间内设备允许输入的化石能源消耗量下限； 为单位时间内设备允许输入的化石能源消耗量上限； ，式中，针对电池、储热罐、储冷罐的能量储存设备， 为能量形式 i 中的第k台储能设备的配置容量，kw； 能量形式 i 中的第k台储能设备的配置容量上限，kw； 、 分别为储能容量-功率比的上限、下限； 为能量形式 i 中的第k台储能设备的功率大小，kw； 为t时刻能量形式 i 中的第k台储能设备的功率，kw；所述的电平衡约束如下： ，式中， 为从电网购买的电能，kw； 为可再生能源发生装置产生的电能，kw； 和 分别为储能电池的充、放电功率，kw； 和 分别为储电池的充电和放电状态值，取0或1；所述的用电约束如下： ，式中， 为单位时间内设备运行电功率，kw； 为单位时间内设备运行允许的最小电功率，kw； 为单位时间内设备运行允许的最大电功率，kw。 6.根据权利要求5所述的基于㶲分析的钢铁生产过程能效诊断及优化方法，其特征在于，所述步骤62）中，用能量质量因子代替能量品质，达到量化不同形式品质能量的目的，这样就得到能量 E i 与㶲量 E x,i 之间的关系，方便后续优化： ，式中， 表示能量质量因子， i 为能量形式，包括化学能、热能、冷能、电能、机械能和光能； E i 为能量； E x,i 为㶲量。 7.一种基于㶲分析的钢铁生产过程能效诊断及优化系统，其用于实现权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：㶲值计算单元：对钢铁生产系统内所有能流的㶲值进行计算；矩阵构建单元：将钢铁生产系统按工序划分为若干个子系统，根据能量传递关系和各个能源设备的属性，分析其中的匹配关系，列出物料投入和产出总量、㶲总值和㶲值占比，得出钢铁生产系统能量输入输出矩阵和设备的基本信息物元矩阵；㶲效率计算单元：基于各个子系统中能源流的能值计算，对各子系统进行投入产出分析建模，计算各个子系统的㶲效率和钢铁生产系统的㶲效率；㶲损失计算单元：根据㶲平衡方法，针对具体工序环节进行㶲损失计算，包括工序内部产生和稳定流动系统产生的㶲损失，以确定钢铁生产系统的㶲损失分布情况；诊断和分析单元：诊断钢铁生产系统能效和分析节能减排潜力；最优参数配置获取单元：基于能源系统结构、能源及设备约束，以㶲效率最大为目标确定目标函数和约束条件，从而获得能源系统的最优参数配置。