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申请/专利权人：东北电力大学

摘要：长流程钢铁企业物质流‑能流‑碳排放流联合调控方法属于钢铁行业电力系统智能调控技术领域。本发明将钢铁企业的各生产工序物质‑用能特性模型以及钢铁企业的碳排放模型耦合，构建一种长流程钢铁企业钢材物质流‑能流‑碳排放流耦合模型，以长流程钢铁企业生产1吨钢材为例构建模型，以上级电网购电成本、园区碳排放成本以及生产原料成本之和最小为目标函数，求解钢铁企业物质流‑能流‑碳排放流联合调控的最优运行模式。进而实现以企业钢材日交付量、周交付量、月交付量、季度交付量、年交付量为任务量，进行钢铁企业物质流‑能流‑碳排放流的联合调控，提高系统的经济性与能效利用率，实现低碳运行，方便后续研究电‑碳‑绿证市场的建设与交互。

主权项：1.长流程钢铁企业物质流-能流-碳排放流联合调控方法，所述方法中以长流程钢铁企业生产1吨钢材为计算的基数，构建各模型并进行物质流-能流-碳排放流联合调控，长流程钢铁企业生产工序包括焦化工序、烧结工序、球团工序、高炉炼铁工序、转炉炼钢工序、电弧炉炼钢工序、轧钢工序以及在相应工序中提供氧气的空压机制氧工序，其对应的工序序号依次从1至7，其中，焦化、废钢电弧炉短流程炼钢工序属于间断产出工序，烧结、球团、高炉炼铁、转炉炼钢及轧钢属于连续产出工序；空压机制氧工序属于辅助工序，其特征是：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，步骤一、构建短流程电弧炉炼钢工序物质流模型，该模型由以下约束构成：1构建短流程电弧炉炼钢生产工序启停的连续性约束：ds6,t+dc6,t≤11ds6,t-dc6,t＝op6,t-op6,t-12其中：ds6,t为生产工序的启动变量；dc6,t为生产工序的停止变量；op6,t为生产工序的运行变量；6为电弧炉炼钢工序序号；2构建短流程电弧炉炼钢生产工序最小运行时间约束： 其中：Minop6为生产工序的最小运行时间；3构建短流程电弧炉炼钢生产工序最大运行时间约束约束： 其中：Maxop6为生产工序的最大运行时间；4构建短流程电弧炉炼钢生产工序最小停机时间约束： 其中：Dp6为生产工序的最小停机时间；5构建短流程电弧炉炼钢生产工序物质流动约束： 其中：G6,t为生产工序6产品输出量；G6为生产工序6单位产量；步骤二、建立以下常规长流程钢铁企业工序物料模型：1构建焦化生产工序物质流动约束模型： 其中：Y1,t为工序1输入原料量，即炼焦煤；k为炼焦比；G1,t为工序1产品输出量；λjt2为工序2焦炭供求比；λjt3为工序3焦炭供求比；λjt4为工序4焦炭供求比；Mjt2为输入工序2中焦炭量；Mjt3为输入工序3中焦炭量；Mjt4为输入工序4中焦炭量；Gmin1和Gmax1分别为工序1产量下限、上限；2构建烧结生产工序物质流动约束模型： 其中：Y2,t为工序2输入原料量，即铁矿石；v2为工序2物料转换率；λtks2为工序2铁矿石供求比；G2,t为工序2产品输出量；λsjk4为工序4烧结矿供求比；Msjk4为输入工序4中烧结矿量，Gmin2和Gmax2分别为工序2产量下限、上限；3构建球团生产工序物质流动约束模型： 其中：v3为工序3物料转换率；G3,t为工序3产品输出量；λtks3为工序3铁矿石供求比；λqtk4为工序4球团矿供求比；Mqtk4为输入工序4中球团矿量；Gmin3和Gmax3分别为工序3产量下限、上限；4构建高炉炼铁生产工序物质流动约束模型： 其中：v4为工序4物料转换率；G4,t为工序4产品输出量；Gmin4和Gmax4分别为工序4产量下限、上限；5构建转炉炼钢生产工序物质流动约束模型： 其中：v5为工序5物料转换率；G5,t为工序5产品输出量；Gmin5和Gmax5分别为工序5产量下限、上限；6构建轧钢生产工序物质流动约束模型： 其中：v7为工序7物料转换率；G7,t为工序7产品输出量；Gmin7和Gmax7分别为工序7产量下限、上限；步骤三，结合步骤二中的各项约束构建仓库储存模型、空气压缩系统模型、煤气系统模型以及CHP机组与干熄焦余热回收模型，所述仓库储存模型共构建3个，分别为焦炭仓库储存模型、烧结矿仓库储存模型和球团矿仓库储存模型：1构建仓库储存模型： 其中，式24、25为储存环节平衡方程；式26为储存环节上下限方程；C为仓库序号；S0,c为第c号仓库初始储存量；Mm,c,t为c仓库前第m道工序在t时刻的产量；Yn,c,t为c仓库后第n道工序在t时刻需要的物料；Sc,t为第c号仓库在t时刻的容量；Smin,c为第c个仓库的仓储容量下限；Smax,c为第c个仓库的仓储容量上限；2构建空气压缩系统模型：SAca,t＝SAca,t-1-SUca,tΔt+αcaPca,tΔt270.8SAca,ini≤SAca,end≤1.2SAca,ini28Vcapca,min≤SAca,t≤Vcapca,max29SAca,t+opca,tVcapca,max≤1.1Vcapca,max301.1Vcapca,min≤SAca,t+opca,tVcapca,min31其中，式27为储气量平衡方程；式28、29为储气量上下限方程；式30、31为空气压缩机启停方程；SAca,t为t时刻系统储气罐储气量；SUca,t为t时刻系统用气量；αca为空压机效率；Pca,t为t时刻空压机出力功率；Δt为优化步长，为1小时；SAca,ini为初始时刻储气罐储气量；SAca,end为结束时刻的储气罐储气量；Vca为储气罐体积；pca,min和pca,max为储气罐内允许最小压强和最大压强；opca,t为t时刻空压机运行变量；3构建煤气系统模型： Vmin,o≤Vo,t≤Vmax,o36其中：μCOG，μBFG，μLDG分别为副产煤气产率，煤气产量与对应生产工序负荷成正比；o为副产煤气；Vo,t为煤气储量；为煤气产量；fj,o,t为工序j对煤气o的需求量；为输入CHP机组的煤气量；Vmin,o和Vmax,o为对应煤气储罐的容量下限、上限；4构建CHP机组模型： 其中：式37为CHP机组以副产煤气作为燃料燃烧的热能转换为电能的转换公式；式38为CHP机组出力上下限约束；式39为CHP机组电能转换为热能的转换公式；为CHP机组产生的蒸汽热量；为CHP机组电功率；δ为优化周期长度；和分别为CHP机组出力下限、上限；θchp为CHP机组电效率；θchp,heat为CHP机组热效率；βo为煤气o的热值；5构建低碳工艺干熄焦余热回收模型： 其中：为余热发电功率；λcdp为发电系数；P1,t为焦化功率；和分别为CDQ余热机组出力下限、上限；步骤四、基于以上模型，将短流程电弧炉炼钢工序作为低碳工艺措施，引入常规长流程钢铁企业工序物料模型中，形成新型长流程钢铁企业生产工序物料-用能特性模型，所述用能包括电能、热能和氧气能；所述长流程钢铁企业物料-用能特性模型的约束条件如下： G7,t≥Fsum,task47其中：式42、43为有功功率平衡约束；式44为煤气能平衡约束；式45为热能平衡约束；式46为压缩空气能平衡约束；式47为生产总任务量约束；Gj,t为生产工序j产量，j∈{1,2,3,4,5,6,7}；Ptotal,t为工序总生产负荷；Pj为工序j单位生产固定负荷，j∈{1,2,3,4,5,6,7}；为光伏出力功率；为CHP机组出力功率；为上级电网购电功率；Pload为企业运行其余电负荷；Qj为工序j所需热能，j∈{1,2,3,4,5,6,7}；Hload为企业运行其余热负荷；ψca为电能转气能效率；Aj为工序j单位用气量，j∈{1,2,3,4,5,6,7}；Fsum,task为工序总任务量；步骤五、构建钢铁企业碳排放模型，所述钢铁企业碳排放模型分为以下四个部分：外购电力消耗的间接碳排放模型、焦炭消耗的直接碳排放模型、归算后生产工序碳排放模型以及副产煤气碳排放模型；1构建外购电力消耗的间接碳排放模型： 其中：为外购电力碳排放；ρelec,t为外购电力的碳含量系数；2构建焦炭消耗的直接碳排放模型： 其中：为焦炭碳排放；ρcoke为焦炭的碳含量系数；为焦炭用量；3构建归算后生产工序碳排放模型： 其中：为生产工序总碳排放；ρj为工序j固定的碳排放系数；4构建副产煤气碳排放模型： 其中：为副产煤气碳排放；为副产煤气碳含量系数；5构建钢铁企业总碳排放模型： 其中：为钢铁企业总碳排放。上述钢铁企业生产工序所用各碳排放系数数据，参考真实长流程钢铁企业实际数据进行设定；步骤六、构建长流程钢铁企业物质流-能流-碳排放流耦合模型，建立目标函数，以上级电网购电成本、园区碳排放成本以及生产原料成本之和最小为目标，求解并获得钢铁企业物质流-能流-碳排放流联合调控的最优运行模式，实现新型长流程钢铁企业物质流-能流-碳排放流联合调控；其中，目标函数为： 其中：Cmin表示上级电网购电成本、园区碳排放成本以及物料成本之和最小；Cgird,t为分时电价Epei,t为免费碳排放配额；Ccarbon为固定碳价格；Cljm为生产原料序号1单位吨价格，即炼焦煤单位吨价格；Ctks为生产原料序号2单位吨价格，即铁矿石单位吨价格；Cfg为生产原料序号3单位吨价格，即废钢单位吨价格。

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