凌付平，秦黃輝

(1.南通航運職業(yè)技術(shù)學院，金工實訓中心，江蘇 南通 226010 ;2.南通航運職業(yè)技術(shù)學院，輪機工程系，江蘇 南通 226010）

近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，開發(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)作為我國的經(jīng)濟支柱產(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]、且運行時間較長，很大程度上造成了能源浪費。對于冷熱聯(lián)供設(shè)備功能方式復雜，從目前的聯(lián)供系統(tǒng)運行時間看，項目帶來的經(jīng)濟效益并不是很樂觀，一定程度上阻礙了聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展，基于此，提出對冶金企業(yè)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備優(yōu)化設(shè)計。當前，在能源與環(huán)境問題日益嚴峻的背景下，對冶金企業(yè)的節(jié)能減排方面提出了新的要求，所以在進行設(shè)備優(yōu)化時，要針對能耗大、時間長、經(jīng)濟效益低的情況進行優(yōu)化設(shè)計，保證能源的綜合利用率，并且要減輕電網(wǎng)的壓力。隨著負荷的變化對運行的參數(shù)進行調(diào)整實現(xiàn)設(shè)備的經(jīng)濟性，針對應用的全年負荷性進行合理優(yōu)化，并隨負荷變化隨時調(diào)整。具體設(shè)備優(yōu)化過程如下所示，通過設(shè)備優(yōu)化減少了能源消耗，并獲得了更高的經(jīng)濟效益，具有一定的實際應用意義。

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

1.1 設(shè)定優(yōu)化參數(shù)

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

式中，PPF 代表滿足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)濟性權(quán)重因子，此次計算不做定向分析。

當采用綜合目標PPF作為目標函數(shù)進行優(yōu)化時，針對不同的要求，經(jīng)濟性權(quán)重因子和節(jié)能性權(quán)重因子對于綜合指標的敏感性是不同的，根據(jù)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的權(quán)重因子敏感性分析，獲得目標函數(shù)即優(yōu)化目標值，其計算公式為：

式中，Prin為綜合目標函數(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，此次計算不做定向分析。

在上述計算完成后，完成設(shè)定優(yōu)化參數(shù)，當聯(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，得出的結(jié)果為最優(yōu)目標，所以在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)時選擇綜合性目標函數(shù)進行優(yōu)化參數(shù)設(shè)定。通過設(shè)定優(yōu)化參數(shù)，給聯(lián)供設(shè)備優(yōu)化目標進行定位，優(yōu)化的聯(lián)供設(shè)備以此目標為最終優(yōu)化目標。

1.2 引入冷熱調(diào)節(jié)控制器

為實現(xiàn)冶金企業(yè)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的優(yōu)化，對熱爐的冷熱進行調(diào)節(jié)，以熱爐的出口溫度為參考信號，通過調(diào)節(jié)冷熱控制器的閥門來改變整齊的入口流量，達到調(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，當外界負荷過大時，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后通過控制器傳遞給執(zhí)行機構(gòu)，通過執(zhí)行機構(gòu)對冷熱溫度進行調(diào)節(jié)，增大加熱的蒸汽量。當高低壓的發(fā)生器內(nèi)熱量增大，熱爐的出口溫度下降，此時冷熱控制器溫度直接 回到初始設(shè)定值。通過冷熱控制器調(diào)節(jié)時，不會涉及到熱爐內(nèi)部的溶液，并且在調(diào)節(jié)時安全系數(shù)高。KKI控制器能夠通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)進行干預被控對象的特性，通過給系統(tǒng)施加階級干擾，獲得輸出信號，根據(jù)等幅震蕩輸出信號，確定臨界增益Ku和震蕩周期Cu,具體工作步驟為，將控制器積分時間常數(shù)Tc設(shè)定為?，微分常數(shù)T∞設(shè)定為0，對比例系數(shù)進行調(diào)節(jié)輸入，然后對臨界增益Ku和震蕩周期Cu進行記錄，通過公式計算得出參數(shù)具體值，計算公式為：

通過上述公式計算，得出控制器三個參數(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，通過調(diào)節(jié)KKI控制器的參數(shù)實現(xiàn)更精準的冷熱調(diào)節(jié)，優(yōu)化熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的冷熱調(diào)節(jié)精準度。為實現(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)化算法對其進行優(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，計算公式為：

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

此公式以運行費用最低為目標，以熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備性能和能量守恒作為線性約束，從而得到對應的最佳優(yōu)化方案，根據(jù)優(yōu)化的方案對系統(tǒng)的生命周期、成本和總排放量進行計算，得到該設(shè)備對應的生命值、排放量。第一層算法的目標是找到熱爐制冷聯(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)備的類型將隨機選擇的設(shè)計方案輸入到第二層，若沒有解則進行丟棄，若有解則得到最佳的運行方案。然后根據(jù)運行方案對設(shè)備進行計算，將此方案的計算結(jié)果和目標值進行保存，多次重復這個過程，保存N個優(yōu)化設(shè)計方案。將這些數(shù)值表現(xiàn)在坐標軸中，每個方案用一個點表示，從而得到方案目標值的分布圖。將得到的N個方案為一組，增加隨機選擇的方案，將增加的組的設(shè)計方案進行聯(lián)合組成用作目標值分布圖，當再也找不到可以超越之前運算的邊界值則為最優(yōu)值。在第一層算法完成后，進行第二層算法，應用抽象數(shù)學模型，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)備每一時間的輸出值，∞代表設(shè)備運行時開關(guān)狀態(tài)值，此次計算不做定向分析。

通過第一層和第二層的計算實現(xiàn)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備優(yōu)化，計算后得到的最優(yōu)值就是對熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的最佳優(yōu)化值。在完成以上步驟設(shè)計后，能夠減少電網(wǎng)負荷、減少設(shè)備運行的成本、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，實現(xiàn)熱爐制冷聯(lián)供設(shè)備的優(yōu)化，實現(xiàn)能源消耗低和經(jīng)濟性能高的目標。

2 結(jié)束語

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)省時間，有利于環(huán)保，而且能夠?qū)δ茉垂鸬奖Ｕ献饔谩＝Y(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)備存在一定的問題，因此對其進行優(yōu)化設(shè)計，其優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵點在于合理配置熱爐機組，對聯(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)換的精準度，并通過優(yōu)化算法，有效對其優(yōu)化，并提高了設(shè)備運行效率和降低了設(shè)備的運行成本，希望本文的優(yōu)化設(shè)計，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。