孔福林，童莉葛，魏鵬程，張培昆，王 立，吳 冰，陳恩軍

1) 北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 3) 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，唐山 063200

?通信作者，E-mail：tonglige@me.ustb.edu.cn

2019 年，中國生產(chǎn)粗鋼9.96 億噸，占全球粗鋼產(chǎn)量的53.3%，連續(xù)24 年世界第一[1]. 鋼鐵工業(yè)是高能耗行業(yè)，我國鋼鐵工業(yè)的能耗占全國總能耗的16.3%左右[2]. 鋼鐵生產(chǎn)過程中需要大量的氧氣，2014 年僅氧氣的生產(chǎn)和輸配使用的電能占鋼鐵企業(yè)總電耗的15%～20%[3]. 隨著大型空分設(shè)備以及大型高爐和轉(zhuǎn)爐的出現(xiàn)，氧氣的供求矛盾變得越來越突出[4]，當(dāng)生產(chǎn)工況變化時，導(dǎo)致氧氣系統(tǒng)供需不平衡的放散問題，造成了能源的浪費(fèi)[5].因此，減少氧氣的放散，降低空分裝置綜合能耗是企業(yè)節(jié)能的重要環(huán)節(jié).

盧宏與孫鵬[6]通過對空分系統(tǒng)、汽液裝置進(jìn)行了動態(tài)實(shí)時調(diào)節(jié)，并結(jié)合調(diào)整小用戶供氧量實(shí)現(xiàn)了氧氣的最小放散. 針對煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度問題，劉青等[7]針對靜態(tài)調(diào)度和動態(tài)調(diào)度提出了“規(guī)則+算法”和“多工序協(xié)同”的思路. 在煉鋼連鑄生產(chǎn)調(diào)度中，鄭鵬等[8]利用離散粒子群算法對總完工時間進(jìn)行優(yōu)化，降低了板坯存儲過程中的物耗和能耗. 針對鋼鐵企業(yè)的氧氣系統(tǒng)優(yōu)化，張培昆與王立[9]建立了混合整數(shù)線性規(guī)劃（Mixed integer linear program，MILP）模型，認(rèn)為在高爐休風(fēng)前預(yù)先降低高壓管網(wǎng)壓力對降低氧氣放散率十分重要；張子陽等[10]建立氧氣優(yōu)化模型，利用改進(jìn)單純形法求解，將氧氣按需求分配給用戶，提高了氧氣的利用率. 童莉葛等[11]建立以降低氧氣放散率為目的的高爐休風(fēng)模型，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和供氧系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行參數(shù)，預(yù)測氧、氮、氬需求，合理安排氣體的生產(chǎn)、使用和儲存等，實(shí)現(xiàn)氧氣合理利用. 陳光等[12]建立了氧氣系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型，得出調(diào)整不同轉(zhuǎn)爐的停隔時間可有效減小氧氣放散率的結(jié)論；鄭忠等[13]提出一種面向生產(chǎn)流程動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的自組織資源配置蟻群算法，最小化爐次作業(yè)沖突時間和作業(yè)前等待時間，提高煉鋼-連鑄作業(yè)計(jì)劃編制中資源配置的有效性據(jù).

本文針對轉(zhuǎn)爐間歇性用氧的特點(diǎn)，以國內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)空分廠為研究對象，建立了以轉(zhuǎn)爐用氧總量波動最小為目標(biāo)的轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度模型，以基于整數(shù)空間的PSO（Particle swarm optimization）算法的理論[14-15]進(jìn)行相應(yīng)求解. 最后將模型結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)案例，并在此基礎(chǔ)上采用Pipeline Studio 軟件建立驗(yàn)證模型，對調(diào)度方案節(jié)能效果進(jìn)行了驗(yàn)證，為鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)調(diào)度與系統(tǒng)節(jié)能提供參考.

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 氧氣管網(wǎng)輸配系統(tǒng)

氧氣管網(wǎng)輸配系統(tǒng)是鋼鐵企業(yè)正常生產(chǎn)的重要組成，主要包括空分設(shè)備、離心氧壓機(jī)、輸氧管道、氧氣球罐、閥門、調(diào)壓站、高爐、脫磷轉(zhuǎn)爐、脫碳轉(zhuǎn)爐及其他小用戶，圖1 為國內(nèi)某大型空分鋼鐵企業(yè)中壓氧氣管網(wǎng)輸配系統(tǒng)示意圖.

空分裝置連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氧和轉(zhuǎn)爐用戶間歇用氧是輸配管網(wǎng)運(yùn)行壓力經(jīng)常波動的主要原因，氧氣供需不平衡是氧氣放散的主要原因[16]. 當(dāng)輸送管網(wǎng)系統(tǒng)緩沖能力不足時，會出現(xiàn)供氧不足、管網(wǎng)壓力過高、氧氣放散等現(xiàn)象. 供氧不足則無法滿足煉鋼的生產(chǎn)需求，一方面管網(wǎng)運(yùn)行壓力過高增加了氧壓機(jī)輸送能耗，另一方面氧氣放散導(dǎo)致氣體分離能耗的損失. 此外，氧氣管網(wǎng)壓力波動增大也會影響供氣側(cè)氧壓機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，這些都是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中的不利因素.

本文根據(jù)氧氣管網(wǎng)輸配系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，保證用戶用氧需求、氧壓機(jī)出口壓力及輸送管網(wǎng)的壓力約束，建立轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度模型[17].

1.2 轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度模型的建立

轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度模型的主要目標(biāo)是通過優(yōu)化調(diào)度，縮短多臺轉(zhuǎn)爐交替生產(chǎn)時的重疊時間，減少轉(zhuǎn)爐總用氧總量曲線波動，調(diào)平峰谷值，從而減少或避免氧氣放散，節(jié)約制氧能耗.

圖 1 國內(nèi)某大型空分鋼鐵企業(yè)中壓氧氣管網(wǎng)輸配系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of a medium-pressure oxygen transmission and distribution network system for a large domestic air separation steel plant

在實(shí)際生產(chǎn)中對組成一個澆次的爐次有以下要求[18]：1）鋼種相同，鋼坯斷面尺寸相同；2）各爐次交貨期（精煉完成時間）近似相同；3）總爐次數(shù)不超過中間包壽命；4）鐵水供應(yīng)正常.

模型假設(shè)條件如下：1）假設(shè)相關(guān)操作人員已接收到制定的轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的列車時刻表；2）假設(shè)單臺轉(zhuǎn)爐在連續(xù)的生產(chǎn)周期內(nèi)有相同的用氧安排；3）假設(shè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各方面條件允許爐次開始和結(jié)束時間發(fā)生改變.

以5 臺轉(zhuǎn)爐為例，設(shè)定5 臺轉(zhuǎn)爐的編號分別為A、B、C、D、E，在一段時間內(nèi)分別具有NA、NB、NC、ND、NE個生產(chǎn)周期，每個生產(chǎn)周期包含吹煉區(qū)間和非吹煉區(qū)間，將每座轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)周期按照時間發(fā)生順序排列如圖2，圖中實(shí)線表示轉(zhuǎn)爐吹煉區(qū)，虛線表示非吹煉區(qū)，實(shí)線與虛線長短示意時間長短.

圖 2 各轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)周期排列示意Fig.2 Schematic arrangement of the production cycle of each converter

從圖2 可知，5 臺轉(zhuǎn)爐各自有一條時間軸. 以A 爐為例，從調(diào)度研究的起始時刻起，轉(zhuǎn)爐的第一個吹煉區(qū)間從tA-1s開始，到tA-1f結(jié)束，那么調(diào)度過程中的第i 個吹煉區(qū)間從tA-is開始，到tA-if結(jié)束，調(diào)度結(jié)束時刻前的最后一個吹煉區(qū)間從 tA-NAs開始，到 tA-NAf結(jié)束. 設(shè)定5 臺轉(zhuǎn)爐在吹煉區(qū)間內(nèi)的瞬時用氧量分別為DA(t)、DB(t)、DC(t)、DD(t)、DE(t)，令單個吹煉區(qū)間內(nèi)的任意時刻A 爐的瞬時用氧量為DA，在吹煉區(qū)間以外的任意時刻，A 爐的瞬時用氧量為0. 則t 時刻A 爐的瞬時用氧量可表示為

同理，其余4 座轉(zhuǎn)爐瞬時用氧量的表示與A 爐類似，則5 座轉(zhuǎn)爐總瞬時用氧量可表示為

選取一個完整的轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)時間段作為一個研究時長T，那么在T 時長內(nèi)5 臺轉(zhuǎn)爐總用氧量Dtot可表示為

經(jīng)過優(yōu)化調(diào)度后，每臺轉(zhuǎn)爐的每個吹煉區(qū)間所處時刻都將發(fā)生改變，A 爐的第i 個吹煉區(qū)間從t′A-is開始，到t′A-if結(jié)束，B 爐的第i 個吹煉區(qū)間開始與結(jié)束時刻分別為t′B-is和t′B-if，以此類推. 而調(diào)度后t 時刻A 爐的瞬時用氧量變?yōu)镈′A(t)，B 爐的瞬時用氧量變?yōu)镈′B(t)，以此類推. 5 座轉(zhuǎn)爐總瞬時用氧量為D′tot(t)，研究時長內(nèi)5 臺轉(zhuǎn)爐總用氧量為D′tot.

1.3 目標(biāo)函數(shù)

模型的主要目標(biāo)是在盡可能不調(diào)整各臺轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)計(jì)劃的同時，減緩轉(zhuǎn)爐總用氧量曲線波動，調(diào)平峰谷值. 目標(biāo)函數(shù)分為2 部分，第1 部分為5 臺轉(zhuǎn)爐總用氧量波動影響，減少轉(zhuǎn)爐工作的重疊時間，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)爐總瞬時用氧量曲線D′tot(t)的波動趨于平緩；第2 部分是調(diào)度影響，調(diào)度計(jì)劃對轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的影響降到最低，表現(xiàn)為5 臺轉(zhuǎn)爐吹煉周期調(diào)節(jié)前后的時間變化最小. 兩部分權(quán)重系數(shù)分別為k1與k2，目標(biāo)函數(shù)Y 表示為：

1.4 約束條件

模型的約束條件包括物料平衡約束和吹煉用氧周期約束[19]，即：

（1）在研究時長內(nèi)，調(diào)度前后每臺轉(zhuǎn)爐的吹氧總時長不變，5 臺轉(zhuǎn)爐的總用氧量相同，其約束條件如方程（5）所示.

（2）轉(zhuǎn)爐在吹煉結(jié)束后需完成倒鐵水、補(bǔ)爐、裝廢鋼、倒鐵水、加造渣材料、插入氧氣噴槍等步驟，設(shè)同一轉(zhuǎn)爐吹煉周期結(jié)束到下一吹煉周期開始的時間間隔為TM. 其約束條件如方程（6）所示.

（3）調(diào)度前后，單臺轉(zhuǎn)爐各吹煉區(qū)間的時長不變，其約束條件如方程（7）所示.

（4）結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)步驟要求的約束條件.例如某企業(yè)生產(chǎn)規(guī)定要求，調(diào)度后各吹煉區(qū)間起始時刻不能比調(diào)度前提前2 min 以上，其約束條件如方程（8）所示.

（5）通常，高爐的鐵水出爐溫度在1350 ～1450 °C，而我國煉鋼規(guī)范規(guī)定轉(zhuǎn)爐入爐鐵水溫度應(yīng)大于1250 °C[20]. 鐵水在運(yùn)輸和待裝過程中會散失一部分熱量. 各企業(yè)生產(chǎn)條件有所差異，例如當(dāng)1 min降3.3 °C 左右時，調(diào)度前后各吹煉區(qū)間起始時刻應(yīng)滿足約束，其約束條件如式（9）所示.

（6）調(diào)度后每臺轉(zhuǎn)爐的每個生產(chǎn)周期不能超出研究時長T 的范圍. 在生產(chǎn)調(diào)度不將轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)提前安排的情況下，轉(zhuǎn)爐在研究時長內(nèi)最后一個吹煉區(qū)間的結(jié)束時刻也不能超出研究范圍，其約束條件如方程（10）所示.

2 模型求解

粒子群優(yōu)化算法[21]（Particle swarm optimization，PSO）是模仿鳥類飛行覓食過程的算法，以其速度更新公式使種群中的粒子迅速向種群歷史最優(yōu)值靠攏，具有實(shí)現(xiàn)容易、精度高、收斂快等優(yōu)點(diǎn)[22-23]，適合處理實(shí)數(shù)編碼問題，尤其是在解決復(fù)雜的多峰多谷問題時更為突出[24].

算法原理是將每個個體作為微粒，例子初始更新時在搜索空間以一定速度飛行，由個體最好位置向群體最好位置動態(tài)調(diào)整. 在M 維空間中存在R 個粒子，第i 的粒子的位置和速度標(biāo)記為xij=(xi1, xi2· ··xij) 和vij=(vi1, vi2· ··vij)，i=1, 2···R ，j=1, 2···M，每次迭代粒子進(jìn)行局部最優(yōu)變量pi=(pi1, pi2· ··pij)和全局最優(yōu)變量pg=(pg1, pg2· ··pgi)的更新，個體粒子第t+1 次位置和速度的更新如式（11）～（13）所示：

式中，tmax是最大迭代次數(shù)，r1和r2是[0,1]之間的隨機(jī)變量，c1和c2是0～2 范圍的算法學(xué)習(xí)因子，w(t)是慣性因子，wmax和wmin是慣性權(quán)重上限和慣性權(quán)重下限.

轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度模型針對不同的企業(yè)生產(chǎn)情況，需要企業(yè)提供的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)有：1）轉(zhuǎn)爐數(shù)量；2）模型研究時長T；3）各臺轉(zhuǎn)爐用氧安排，包括吹煉起始時刻，單次單爐吹氧量；4）企業(yè)吹氧時刻與進(jìn)鐵水時刻要求；5）企業(yè)運(yùn)輸鐵水過程，鐵水溫度下降速率；6）同一轉(zhuǎn)爐吹煉周期結(jié)束到下一吹煉周期開始的時間間隔TM.

轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度模型以研究時間段內(nèi)5 臺轉(zhuǎn)爐用氧總量曲線波動最小為目標(biāo)，同時滿足實(shí)際生產(chǎn)中的約束條件，將每個轉(zhuǎn)爐用氧周期的起始時刻點(diǎn)作為一組矩陣. 基于PSO 算法，在Windows Server 2016 運(yùn)行環(huán)境下，利用MATLAB R2014a 軟件對該組矩陣進(jìn)行整數(shù)范圍內(nèi)的迭代，最后獲得收斂的求解結(jié)果，算法中各參數(shù)如表1 所示.

表 1 PSO 算法基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of PSO algorithm

依據(jù)目標(biāo)函數(shù)兩部分量級關(guān)系，權(quán)重系數(shù)k1和k2分別取值0.9999 和0.0001，表1 中的其余部分為PSO 算法中的參數(shù). 在Matlab 中將此目標(biāo)函數(shù)式（4）寫成一個函數(shù)文件，該函數(shù)包含M 個自變量，利用基于整數(shù)空間的PSO 算法完成迭代計(jì)算過程. 圖3 所示為某次求解中算法運(yùn)行的收斂曲線，該收斂曲線表明了本次計(jì)算完成收斂，求解獲得了最優(yōu)值，對應(yīng)為最優(yōu)轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度方案.

圖 3 某次算法求解收斂曲線Fig.3 Convergence curve of algorithm solution

3 案例研究

國內(nèi)某大型空分鋼鐵企業(yè)氧氣管網(wǎng)的主要組成包括2 座75000 m3·h-1空分裝置、2 臺離心氧壓機(jī)、5 座1000 m3氧氣球罐、2 座5500 m3高爐、2 座300 t 脫磷轉(zhuǎn)爐、3 座300 t 脫碳轉(zhuǎn)爐，主要設(shè)備的產(chǎn)氧及用氧情況示意如圖4 所示. 氧壓機(jī)出口及調(diào)壓車間入口處每根輸送管道上設(shè)置流量、壓力等測量裝置. 該企業(yè)的氧氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力為3.0 MPa，調(diào)壓站前的氧氣管網(wǎng)運(yùn)行壓力在1.9～2.7 MPa，超出該壓力范圍系統(tǒng)自動報警. 調(diào)壓站后的最大壓力為1.6 MPa，管網(wǎng)內(nèi)煉鋼用主管道段設(shè)有孔板流量計(jì)來測算中壓管道壓力，該壓力值超過2.53 MPa 時，放散閥開啟，氧氣中壓放散.

圖 4 不同設(shè)備氧氣流量隨時間的變化圖Fig.4 Change in oxygen flow rate over time for different equipment types

本文研究對象數(shù)量及約束如下：

1）轉(zhuǎn)爐數(shù)量5 臺；2）模型研究時長T 取120 min；3）各臺轉(zhuǎn)爐用氧時序（包括吹煉起始時刻和吹氧量）如圖5 的調(diào)度前吹氧安排所示；4）各臺轉(zhuǎn)爐吹氧時刻與進(jìn)鐵水時刻要求，調(diào)度后各吹煉區(qū)間起始時刻不能比調(diào)度前提前2 min 以上；5）運(yùn)輸鐵水過程中鐵水溫度下降速率為3.3 °C·min-1；6）同一轉(zhuǎn)爐吹煉周期結(jié)束到下一周期吹煉開始的時間間隔TM為20 min. 調(diào)度后轉(zhuǎn)爐用氧如圖5 所示. 轉(zhuǎn)爐瞬時用氧總量如圖6 所示，轉(zhuǎn)爐總用氧量統(tǒng)計(jì)如圖7 所示.

圖 5 調(diào)度前后5 臺轉(zhuǎn)爐的吹氧情況對比. （a）調(diào)度前（b）調(diào)度后Fig.5 Comparison of oxygen blowing situations of five converters before (a) and after (b) dispatching

圖 6 調(diào)度前后轉(zhuǎn)爐的總用氧量隨時間的變化Fig.6 Changes in total oxygen consumption of converter before and after scheduling

調(diào)度方案更傾向在研究時長內(nèi)多安排1 臺轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，達(dá)到錯峰用氧的目的. 從圖6～7 可知，研究時間段內(nèi)僅有1 臺轉(zhuǎn)爐用氧的時長由42 min 增加到83 min，2 臺以上轉(zhuǎn)爐同時處于吹煉周期的時長從40 min 下降到了21 min，5 臺轉(zhuǎn)爐均不吹煉的時間減少為0. 對比調(diào)度前后轉(zhuǎn)爐的用氧情況可知，調(diào)度后轉(zhuǎn)爐的同時用氧時長得到有效降低. 轉(zhuǎn)爐的用氧調(diào)度使得用氧總量波動減小，緩解氧氣供求的矛盾，給氧氣供給側(cè)更大的操作空間，對提高能源綜合利用率有很大幫助.

圖 7 調(diào)度前后轉(zhuǎn)爐的工作用氧情況Fig.7 Working oxygen conditions of converter before and after scheduling

4 轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度對氧氣輸送壓力及能耗的影響

4.1 氧氣管網(wǎng)輸配模型的建立與驗(yàn)證

根據(jù)圖1 所示氧氣管網(wǎng)輸配系統(tǒng)，使用Pipeline Studio 軟件中的Tgnet 模塊[25-27]建立如圖8 所示氧氣管網(wǎng)輸配系統(tǒng)模型，驗(yàn)證調(diào)度前后管網(wǎng)運(yùn)行壓力的變化及能耗.

圖 8 中壓氧氣管網(wǎng)輸配系統(tǒng)模型示意圖Fig.8 Schematic model of medium-pressure oxygen pipeline network system

模型的靜態(tài)邊界條件依據(jù)實(shí)際管網(wǎng)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，運(yùn)行動態(tài)仿真時可變邊界條件為進(jìn)氣流量和用戶的用氣流量，這些變量可錄入到Tgnet提供的動態(tài)腳本，模型所選約束模式為流量-壓力約束.

該企業(yè)與氧氣相關(guān)的企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括煉鐵部分、煉鋼部分、制氧站部分的總瞬時氧氣流量和管網(wǎng)壓力，如表2 所示.

表 2 工序氧氣流量表Table 2 Process oxygen flow meter

運(yùn)行動態(tài)仿真時，高爐、轉(zhuǎn)爐瞬時用氧量數(shù)據(jù)和空分設(shè)備的瞬時產(chǎn)氧量作為動態(tài)腳本輸入，管網(wǎng)壓力作為仿真結(jié)果輸出.

4.2 管網(wǎng)壓力及氧氣放散的影響

調(diào)度前后的轉(zhuǎn)爐用氧數(shù)據(jù)與高爐煉鐵用氧數(shù)據(jù)及空分設(shè)備產(chǎn)氧數(shù)據(jù)作為動態(tài)腳本輸入，氧壓機(jī)出口壓力與中壓管道壓力作為仿真結(jié)果輸出，結(jié)果如圖9 和圖10 所示.

圖 9 采用調(diào)度的氧壓機(jī)出口壓力對比Fig.9 Outlet pressure comparison of oxygen compressor using scheduling

圖 10 采用調(diào)度的中壓管道壓力對比Fig.10 Medium-pressure pipeline pressure comparison using scheduling

從圖9 和圖10 可以看出，調(diào)度后氧壓機(jī)出口壓力和中壓管道壓力的峰值均降至壓力上限值以下，從而避免了氧氣管網(wǎng)中壓放散. 利用Pipeline Studio 軟件實(shí)現(xiàn)氧氣中壓放散仿真，放散前后氧壓機(jī)出口壓力及管網(wǎng)壓力的變化曲線分別如圖11 和圖12 所示，流經(jīng)放散閥放散的氧氣流量如圖13所示.

圖 11 采用放散的氧壓機(jī)出口壓力變化曲線Fig.11 Oxygen compressor outlet pressure change curve using medium pressure release

圖 12 采用放散的中壓管道壓力變化曲線Fig.12 Pressure curve of medium-pressure pipeline

圖 13 中壓放散閥氧氣流量時間變化曲線Fig.13 Time-varying curve of oxygen flow of medium-pressure relief valve

由圖9～12 可知，采用轉(zhuǎn)爐用氧節(jié)能優(yōu)化調(diào)度后，可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)峰值壓力的降低，達(dá)到與中壓放散一樣的效果，從而避免了氧氣的放散. 由圖13可知，t=89～91 min 為放散區(qū)間，根據(jù)氧氣流量曲線計(jì)算氧氣放散總量為1242.1 m3，本文研究案例企業(yè)2019 年年平均制氧綜合單耗約為0.96 kW·h，節(jié)約氧氣放散總量對應(yīng)空分系統(tǒng)的產(chǎn)氧能耗為1192.42 kW·h.

4.3 氧氣輸送管網(wǎng)能耗的影響

氧氣在生產(chǎn)和輸配過程中，能耗主要來自空分設(shè)備和氧壓機(jī)[28]. 通常，空分設(shè)備的運(yùn)行能耗可以采用氧氣單位能耗來評價，如式（14）所示.

式中， NO2是制氧∑單耗，kW·h；∑WASU是空分設(shè)備的總能耗，kW·h； VO2是氧氣量，m3·h-1.

氧壓機(jī)的能耗根據(jù)氧壓機(jī)性能曲線來計(jì)算[29].根據(jù)某七萬等級離心氧壓機(jī)性能曲線圖，利用Matlab R2014A 軟件中的Regress 函數(shù)對其進(jìn)行擬合，得到該氧壓機(jī)的流量—壓力、流量—軸功率及與開度之間的關(guān)系.

離心氧壓機(jī)能耗和效率的計(jì)算步驟如表3 所示.

表 3 氧壓機(jī)能耗和效率的計(jì)算步驟Table 3 Calculation steps of oxygen compressor energy consumption and efficiency

圖 14 氧壓機(jī)的壓縮能耗對比Fig.14 Compression energy consumption of oxygen compressor comparison

圖 15 氧壓機(jī)的等溫效率對比Fig.15 Isothermal efficiency of oxygen compressor comparison

根據(jù)表3 所示步驟可求出調(diào)度前后氧壓機(jī)的壓縮能耗和等溫效率，分別如圖14 和圖15 所示.由圖14 和前面的研究分析可知，在120 min 研究時長內(nèi)：調(diào)度后氧壓機(jī)的壓縮能耗增大了41 kW·h，減少1242.1 m3氧氣放散對應(yīng)節(jié)約空分系統(tǒng)能耗為1192.42 kW·h，氧氣管網(wǎng)輸配系統(tǒng)節(jié)約總能耗為1151.42 kW·h. 同時由圖15 可知，調(diào)度后氧壓機(jī)的等溫效率略微升高. 綜合計(jì)算來看，轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度應(yīng)用到全年，預(yù)計(jì)減少氧氣放散總量5.44×106 m3，節(jié)約氧氣管網(wǎng)輸配系統(tǒng)總能耗為5.22×106kW·h.

5 結(jié)論

（1）針對當(dāng)前鋼鐵空分企業(yè)氧氣放散率高、綜合能耗高的特點(diǎn)，從“轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度模型建立”、“PSO 算法求解”、“輸送管網(wǎng)系統(tǒng)模型驗(yàn)證”相結(jié)合的角度給出了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)用氧的調(diào)度研究方法，可對多臺轉(zhuǎn)爐用氧進(jìn)行有效的調(diào)度優(yōu)化.

（2）轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度盡可能安排單臺轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，有效降低多臺轉(zhuǎn)爐吹氧重疊時間，在生產(chǎn)時間段內(nèi)錯峰用氧，轉(zhuǎn)爐用氧總量波動減小，緩解氧氣供求不平衡的矛盾.

（3）結(jié)合應(yīng)用案例，轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度可以降低管網(wǎng)系統(tǒng)峰值壓力，減少甚至避免氧氣放散. 采用轉(zhuǎn)爐用氧節(jié)能優(yōu)化調(diào)度后，氧壓機(jī)能耗略微增大，等溫效率也略微升高，同時在120 min 研究時長內(nèi)，氧氣管網(wǎng)輸配系統(tǒng)放散量從1242.1 m3減少至0，轉(zhuǎn)爐用氧調(diào)度應(yīng)用到全年，預(yù)計(jì)氧氣管網(wǎng)輸配系統(tǒng)節(jié)約總能耗為5.22×106kW·h.