钢铁制造流程的物质流和能量流协同优化

智能制造和绿色制造已成为制造业的发展趋势,钢铁企业具有资源和能源消耗大、排放高等特点而面临着严峻挑战。为此,运用冶金流程工程和系统工程的原理,对钢铁企业物质流和能量流的协同优化问题进行分析。通过对钢铁企业信息系统 ERP、MES 和 EMS 的分析,从信息流角度阐述了改善钢铁制造流程物质流和能量流的系统协调方法,探讨了基于信息流的物质流和能量流的协同优化机制及可能途径,为从设备单元的过程控制与流程整体生产以及能源管理的不同层面进行物质流和能量流的协同优化提供了思路。     

钢铁制造流程物质流与能量流协同优化研究进展

 钢铁企业具有流程长、能耗高、排放量大等特点,钢铁制造流程物质流与能量流的协同优化是实现高层次系统节能的关键。为此,对钢铁制造流程物质流和能量流优化的研究进展与应用进行了综述,在此基础上阐述了钢铁制造流程物质流与能量流协同优化的主要研究方向,即物质流与能量流的相互影响和协同规律研究、考虑能源约束的生产计划编制和物流与能流耦合调度。提出了解决协同优化模型构建和求解的关键在于科学的物质流与能量流协同表征方法、生产计划与能源计划时间粒度的统一和智能算法的优化。     

钢铁制造流程能源转换机制与能源利用效率分析

 从钢铁制造流程的属性和动态运行过程的物理本质出发，阐述了钢铁制造流程中铁素物质流和碳素能量流的行为规律和钢铁制造流程的能源转换机制，得出能源转换过程必然伴随能量的耗散，因此应尽量减少能源转换次数，并指出在钢铁制造流程中，铁素物质流与碳素能量流相伴而行，而碳素能量流与铁素物质流则时合时分。还构建了一个年产290万t的棒线材流程企业，计算了该流程的余热余能资源量及回收利用情况，并剖析了该流程的能源利用效率。最后指出高效回收利用余热余能和构建合理的物质流网络和能量流网络及两者协同优化的能源管控中心是提高钢铁企业能源利用效率的重要手段。     

钢铁制造流程动态运行要素的认识与实践

 深入认识钢铁制造流程的动态运行特征是实现流程动态-有序、协同-连续运行状态管控的基础。基于对钢铁生产流程特征的分析,阐述了“流、流程网络与运行程序”作为钢铁制造流程动态运行3大要素的特征及其数学描述,明确了运行程序是进行物质流、能量流在以流程网络为基础的网络空间中运行优化的调控手段,以及构建铁素物质流及能量流在流程网络上的动态运行优化模型是实现钢铁制造流程高效优质低耗低成本运行的有效途径。对于钢铁制造企业,提出了以生产计划调度优化模型为核心的运行程序优化技术,通过优化模型形成的生产计划调度指令可引导制造流程运行状态的整体优化,实现生产资源的合理优化配置和能源利用效率提升。     

基于物质流、能量流与信息流的钢铁厂智能调控系统架构研究

大型钢铁企业调度对象具有大规模、多目标、复杂约束及动态不确定性等特征,常规人工调度方法难以实现资源能源合理调配及作业实时最优,本文在对先进钢铁企业生产调度现状研究的基础上,根据钢铁制造流程特点,探索适合钢铁流程工业新一代调度指挥系统的整体架构,从信息化、集成化、智能化三个层面对生产制造流程进行升级;同时,针对现有调度指挥系统在物质流、能量流与信息流融和协调上存在的问题,提出建设基于物质流、能量流与信息流"三流合一"的钢铁厂智能调控系统,实现钢铁制造流程中物质流、能量流与信息流的协同优化,以适应智能制造对生产流程优化调度要求,促进冶金流程工业调度指挥系统的发展。     

关于智能化钢厂的讨论——从物理系统一侧出发讨论钢厂智能化

 钢铁工业是典型的流程制造业,制造流程是其物理特征。通过对钢铁制造流程内在特征的研究,阐述了对钢厂智能化的认识,探讨了推进钢厂智能化的思路及其内涵,包括智能化设计、智能化物流、智能化物质流/能量流/信息流的组织与调控、智能化经营和服务等。指出流程型智能化制造的物理系统要以动态-有序、协同-连续运行为其网络结构及程序优化的导向,并以此物理系统（流程系统）为本体与智能化信息网络系统融合,实现全厂性动态运行、管理、服务等过程的自感知、自决策、自执行和自适应。智能化钢厂的建设,需要深刻理解制造流程动态运行过程的物理本质,构建起植根于流程运行要素及其优化的运行网络、运行程序的物理模型,进而构建全流程网络化、层次化信息流模型。钢厂智能化不只是数字信息系统,必须高度重视物理系统的研究,必须是有物理输入/输出的物质流网络、能量流网络和信息流网络“三网协同”的信息物理系统。钢厂智能化既要重视数字化信息网络系统的研发,更要重视制造流程（物理系统）中物质流网络、能量流网络的结构优化和运行程序优化,通过以制造流程物理系统结构优化和数字化信息系统相互融合来实现钢厂智能化。     

钢铁企业物质流、能量流和污染物流研究

建立了钢铁企业物质流、能量流和污染物流的分析方法.提出了钢铁企业生产过程和能源转换过程的数学模型;给出了工序能耗、产品能值和吨钢能耗表达式;同时考虑钢铁生产过程中资源消耗、产品生产和污染物排放等问题,提出了工序、产品和吨钢环境负荷分析方法和计算公式;分析了钢铁生产过程中影响上述指标的各种因素,以及能量流、物质流和污染物流三者间的相互关系;应用建立的分析模型,研究和分析了我国钢铁工业吨钢能耗和环境负荷的变化与进步.     

基于混合Petri网的钢铁企业能量流网络模型研究

针对当前钢铁联合企业节能任务艰巨及降耗途径亟需突破的情况,为实现钢铁企业能量流网络系统的高效运行,在分析钢铁企业运行中各种能量流网络系统特性的基础上,结合各系统连续和离散运行要求,利用混合Petri网建模元素和建模方法,构建了钢铁企业能量流网络系统混合Petri网模型,通过该模型可以实现对钢铁企业能量流网络系统的动态变化规律和行为机理的分析研究。基于某钢铁企业能量流网络系统历史数据,证明了该建模方法及所建模型的正确有效性,为企业能源系统的优化及进一步深入研究生产过程中物质流和能量流的耦合机制提供指导。     

钢铁企业集团综合能源优化管理与控制应用示范

通过"能量流网络"、"物质流网络"建设与优化组合、协同集成,实现能量流、物质流的高效对接、在线调整与动态优化。项目的实施,全面提升了钢铁企业资源、能源管理水平,有效降低钢铁企业资源、能源消耗。其基本原理与方法可为其它大型流程制造业节能降耗提供参考。     

钢铁企业轧制计划与能源调度协同优化

钢铁企业物质流网络与能量流网络的协同优化是实现钢铁行业高层次系统节能的关键。钢铁企业在不同工况下煤气的富余量以及蒸汽和电力需求量不同，轧制工序(含加热炉)作为电力和煤气消耗大户，轧制计划的改变会影响能量流网络中能源介质的分配和调度。提出了钢铁流程物质流与能量流协同优化方法，在分时电价的条件下，利用启发式规则调度方法对一天内的轧制单元进行合理的排程，然后用线性规划方法以系统运行能源成本最小为目标函数，建立钢铁企业煤气 蒸汽 电力系统不同工况下的耦合优化调度模型。通过LINGO求解出模型的最优解，得到了轧制单元的最优排程以及不同工况下煤气、蒸汽、电力的最优实时生产调度方案，用于指导实际生产。利用S钢厂实际数据进行实例分析，得出的调度方案可实现煤气 蒸汽 电力系统的最优化分配，系统运行的能源成本降低8.54%，验证了模型的有效性。     

基于MIND方法的钢铁企业能源系统集成优化

钢铁企业生产系统结构复杂,含铁物质流和含碳能量流相互交错,形成庞大的物质流、能量流网络,能源系统涉及参数多,错综复杂,节能减排工作面临较大难度。MIND方法是一种面向企业级能源系统建模和优化的方法,是从系统的角度考虑节能方法。以钢铁企业物质流、能量流数据为基础,通过MIND建模方法,构建了某钢铁企业能源系统集成优化模型,通过CPLEX进行求解,并对结果进行了分析。研究结果表明：所建立的能源系统优化模型符合企业实际,误差小于1.5%;通过提高能源转换水平、主生产能力和外加含铁物流用量等参数,得到了生产优化方案,降低了能源消耗。     

钢铁企业集成生产计划管理系统研究

针对钢铁企业生产计划管理系统与其他系统集成度不高的问题,提出了面向制造执行系统的生产计划管理系统集成解决方案;研究了生产计划管理系统和物料管理、质量管理、基础数据以及合同管理等子系统的集成关系.开发了基于B/S模式的企业生产计划管理系统,该系统的运行和实施对钢铁企业信息化具有重要的意义.     

基于绿色钢铁的转炉炼钢工艺设计及生产

 “碳达峰”和“碳中和”目标的提出,使得绿色钢铁的概念受到广泛关注。绿色钢铁不仅是指钢铁企业的排放指标优良、环境优美,更是要打造工艺优化、设备优化、流程优化的铁素流、能量流和信息流“三流归集”的低碳、低成本的生产线,实现企业从设计、建造、生产到淘汰的全寿命成本最低的目标。当前以降低生产排放,合理循环利用为主要目的的长流程生产工艺,以副枪+动态控制的自动炼钢,集成废钢预热、一罐到底、钢包加盖、合金烘烤、下渣检测、滑板挡渣、余热回收利用、干式一次除尘+二、三次除尘+散点除尘、钢渣综合利用等设备和技术,在已投产的项目取得了良好的效果,且仍在持续改进和提高。此外,在进行平面设计和工艺设计时,应充分利用场地天然地势高差,重视降低生产运行成本。同时,生产企业还应培养建立绿色钢铁生产的专业化人才队伍,注重从生产管理入手,规范信息管理,优化生产调度和工序衔接,提高全流程的物质转化与能量转换效率。建立着眼于从原料到成品的全流程的物质流、能量流和信息流的管理,实现以产品质量定原料的“定制化”生产模式。以打造全寿命成本最低的钢铁企业为目标,开发涵盖工厂设计、建造和生产运行的全寿命智能管理软件,管控全寿命周期内的各阶段成本,从而实现真正意义上的绿色钢铁生产。     

炼钢厂多尺度建模与协同制造

在阐述炼钢厂多尺度建模与协同制造技术架构的基础上,分别从单体工序尺度、车间区段尺度与炼钢厂运行尺度开展了炼钢厂协同制造的研究。从工序/装置过程控制系统（PCS）到炼钢厂制造执行系统（MES）进行了较为系统的建模研发,构建了包括转炉工序、精炼工序与连铸工序在内的工序工艺控制模型以及以生产计划与调度模型为核心的物质流运行优化模型,并通过工序工艺控制和生产计划与调度的动态协同,实现了炼钢厂多工序/装置的高效运行。研发了炼钢?连铸过程工序工艺控制模型、生产计划与调度模型同MES之间的数据接口,实现了MES与生产工艺控制、流程运行控制、生产计划与调度系统的有机融合,形成了以机理模型与数据模型协同驱动的工艺精准控制、多工序协同运行、基于“规则+算法”的生产计划与调度为支撑的炼钢?连铸过程集成制造技术,通过多层级的纵向协同与多工序的横向协同,实现了炼钢厂的协同运行与控制。研究成果是炼钢?连铸过程智能制造的有益探索与实践,对流程工业智能制造企业具有很强的参考价值,对冶金工业绿色化、智能化发展具有示范与借鉴作用。应用后,明显提升了炼钢厂的协同制造水平,取得了显著的经济与社会效益。      

智能化钢铁制造流程信息物理系统的设计研究

 现代钢铁制造流程是集成烧结、球团、焦化、炼铁、炼钢和轧钢等多工序过程的耗散结构体系。钢铁制造流程是在物质流、能量流和信息流协同运行的条件下,完成一系列复杂的冶金过程和转变。探讨了对钢铁制造过程物理本质以及运行特征的认识和研究,提出了现代钢铁制造流程物理系统的设计理念和方法。阐述了流程工程动态精准设计体系在钢铁冶金工程设计中的应用,讨论了智能化钢铁制造流程的系统层次和构建理念。着重论述了钢铁制造流程信息物理系统的内涵和架构,提出了静态物理系统与信息系统集成、耦合、协同的设计理念和方法,论证了现代钢铁制造流程信息物理系统的智能化设计思路、程序和应用实践。     

钢铁制造流程能源转换功能的开发与利用

针对钢铁制造流程能源结构和能源转换特点,提出钢铁制造流程能量流优化的核心是煤的转换与煤气、余热等二次能源的回收利用问题。在《冶金流程工程学》等理论的指引下,提出钢铁制造流程煤基能量系统是一个复杂的大系统,具有功能涌现性,通过充分开发与利用其能源转换功能,并与其他行业及社会大系统进行耦合,可构建“钢铁、化工、燃气、氢气、电力、供热、供冷多联产系统”,将更有利于提高系统能源效率和价值,更好实现钢铁企业绿色、低碳转型发展。