鋼鐵企業(yè)能源預(yù)測模型研究范文
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《中國西部科技雜志》2015年第五期
1能源預(yù)測單元模型的建模
單元模型的建立是基于各工序的生產(chǎn)計(jì)劃的，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃中的產(chǎn)量及必要的幾個(gè)參數(shù)，預(yù)測出電量、煤氣量、蒸汽量的產(chǎn)出量和消耗量，而實(shí)際能源的產(chǎn)出和消耗因?yàn)槭艿奖姸嘁蛩氐挠绊懀茈y用一個(gè)關(guān)系式準(zhǔn)確的加以描述，只能找出可能影響這些量的關(guān)鍵因素，通過其影響機(jī)理，得出一個(gè)各影響因素與該能源量的基本關(guān)系，其中的系數(shù)可以通過本模型要應(yīng)用的鋼鐵企業(yè)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，個(gè)別在生產(chǎn)報(bào)表中不能體現(xiàn)的參數(shù)，可以使用前一個(gè)預(yù)報(bào)周期的數(shù)據(jù)。按照單元模型與生產(chǎn)計(jì)劃之間的相關(guān)性，又可將單元模型分為四大類：常數(shù)類型、變化常數(shù)類型、產(chǎn)量相關(guān)一般類型、產(chǎn)量相關(guān)特殊類型。
1.1常數(shù)類型常數(shù)類型是指預(yù)測量與產(chǎn)量、工序/子工序的生產(chǎn)狀態(tài)、檢修計(jì)劃等相關(guān)參數(shù)沒有關(guān)聯(lián)，預(yù)測值為同一常量的模型。一般來說，所有日常電功率單元模型都為常數(shù)類型。例如高爐本體日常電功率單元模型，日常電量消耗包括控制樓照明、控制系統(tǒng)（包括檢測儀表及控制閥等）、火災(zāi)報(bào)警、通風(fēng)系統(tǒng)、電氣柜內(nèi)元器件等經(jīng)常型消耗，也包含高爐工作平臺照明等每天按時(shí)段開啟的電量消耗，所以這部分模型應(yīng)考慮時(shí)段的影響，但是與高爐的生產(chǎn)計(jì)劃以及休風(fēng)計(jì)劃無關(guān)。
1.2變化常數(shù)類型變化常數(shù)類型指的是預(yù)測量與產(chǎn)量等相關(guān)參數(shù)沒有關(guān)聯(lián)，但是根據(jù)工序/子工序的生產(chǎn)狀態(tài)不同，預(yù)測值會發(fā)生改變的單元模型。以高爐鼓風(fēng)機(jī)動力電功率單元模型為例：該單元模型主要包括汽動鼓風(fēng)機(jī)的冷卻供水泵、旁通過濾器供水泵組、旁濾反洗供水泵組等水處理設(shè)備的電量消耗，以及動力油站、潤滑油站、風(fēng)機(jī)隔罩風(fēng)扇、空氣過濾消音器等電量消耗，它們先于鼓風(fēng)機(jī)啟動，晚于鼓風(fēng)機(jī)停止，但考慮其電功率容量較小，不考慮其和鼓風(fēng)機(jī)不同步的情況消耗。本單元模型包括汽動鼓風(fēng)機(jī)的本體部分，鍋爐部分不包含在內(nèi)。（1）正常生產(chǎn)狀態(tài)，動力電功率消耗比較穩(wěn)定，可考慮為一個(gè)常數(shù)。（2）休風(fēng)狀態(tài)（包括兩種休風(fēng)狀態(tài)）。休風(fēng)狀態(tài)風(fēng)機(jī)是否停止，每個(gè)工廠操作規(guī)程要求或鼓風(fēng)機(jī)狀態(tài)都各不相同，不好一概而論，本模型通過工序配置來確定是否停止。對于風(fēng)機(jī)不停止的情況，計(jì)算方法同正常生產(chǎn)狀態(tài)。對于風(fēng)機(jī)停止的情況，按提前2小時(shí)啟動，功率由0線性恢復(fù)為額定值。
1.3產(chǎn)量相關(guān)一般類型產(chǎn)量相關(guān)一般類型指的是單元模型的預(yù)測值是產(chǎn)量（或與產(chǎn)量相關(guān)參數(shù)）的函數(shù)，并且通過參數(shù)配置后不存在未知系數(shù)。典型例子如高爐煤氣發(fā)生量單元預(yù)測模型，煤氣發(fā)生量是風(fēng)量的函數(shù)，而風(fēng)量則是和產(chǎn)量相關(guān)的函數(shù)。首先是高爐計(jì)劃風(fēng)量的模型：根據(jù)計(jì)劃報(bào)表中的產(chǎn)量計(jì)算計(jì)劃風(fēng)量，風(fēng)量和出鐵量一般具有線性對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)考慮有休風(fēng)計(jì)劃時(shí)，休風(fēng)前一段時(shí)間和復(fù)風(fēng)后一段時(shí)間風(fēng)量是逐漸遞減和遞增的，遞減或遞增速度是均勻的。高爐煤氣發(fā)生量對于一個(gè)高爐一段時(shí)間是相對穩(wěn)定的，可以使用穩(wěn)定生產(chǎn)的前一天煤氣量與鐵水產(chǎn)量平均值計(jì)算出的噸鋼煤氣發(fā)生量來計(jì)算。由于風(fēng)量需求量預(yù)測時(shí)已經(jīng)考慮了休風(fēng)的情況，所以高爐在正常生產(chǎn)狀態(tài)和休風(fēng)時(shí)的煤氣發(fā)生量可以歸納成關(guān)于計(jì)劃風(fēng)量的一個(gè)線性函數(shù)，進(jìn)而歸納成關(guān)于計(jì)劃出鐵量的一個(gè)線性函數(shù)。
1.4產(chǎn)量相關(guān)特殊類型產(chǎn)量相關(guān)特殊類型是指單元模型的預(yù)測值是產(chǎn)量（或與產(chǎn)量相關(guān)參數(shù)）的函數(shù)，并且模型中包含未知的模型系數(shù)，需要通過產(chǎn)量不同的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)修正。這種類型一般都為高電壓的用電設(shè)備。例如電動鼓風(fēng)機(jī)電功率單元預(yù)測模型。不僅與風(fēng)量、壓力相關(guān)，并且還包含兩個(gè)模型系數(shù)。電動鼓風(fēng)機(jī)是高爐工序最主要的耗電設(shè)備，其電量消耗可以采用下式求出其軸功率來計(jì)算，式中的軸功率和鼓風(fēng)機(jī)的吸入空氣流量、鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓比、風(fēng)機(jī)空氣吸入口壓力、風(fēng)機(jī)本機(jī)的參數(shù)如多變效率等有關(guān)系，對于一臺固定的風(fēng)機(jī)來說，其本機(jī)參數(shù)和壓比、空氣參數(shù)不會在兩天內(nèi)發(fā)生較大的變化，可以采用不同風(fēng)量和壓力的歷史數(shù)據(jù)來計(jì)算出其系數(shù)，只和風(fēng)量發(fā)生關(guān)系，這樣就可以較為準(zhǔn)確根據(jù)風(fēng)量對電量消耗進(jìn)行預(yù)測。
2能源預(yù)測模型功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
能源預(yù)測模型的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。能源預(yù)測模型按照功能和呈現(xiàn)形式的不同可分為三個(gè)子系統(tǒng)：能源預(yù)測配置與結(jié)果顯示，能源預(yù)測主體框架，各工序單元模型與調(diào)用。能源預(yù)測配置與顯示子系統(tǒng)包含了所有與能源預(yù)測相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置與修正，預(yù)測數(shù)據(jù)的查詢顯示以及分析功能，以客戶端界面的形式整合到能源管理系統(tǒng)軟件平臺中。能源預(yù)測主體框架包含了能源預(yù)測模型中主要的運(yùn)算功能，包括生產(chǎn)計(jì)劃拆分、預(yù)測主框架計(jì)算、設(shè)備檢修與異常響應(yīng)等。該子系統(tǒng)不包含交互式操作，所以在服務(wù)器后臺運(yùn)行，在能源管理系統(tǒng)中無顯示界面。各工序單元模型與調(diào)用包含系統(tǒng)中所涉及的各工序與子工序的能源消耗與發(fā)生的單元模型，模型的輸入和輸出由統(tǒng)一格式配置。各單元模型以動態(tài)鏈接庫方式由預(yù)測主體框架程序調(diào)用。
2.1能源預(yù)測配置與顯示能源預(yù)測配置與顯示主要包括能源預(yù)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置、子程序參數(shù)配置、能源預(yù)測結(jié)果顯示、預(yù)測結(jié)果分析和修正系數(shù)自學(xué)習(xí)等功能。
2.1.1能源預(yù)測結(jié)果顯示預(yù)測的條件包含工序件次（班次）生產(chǎn)計(jì)劃，工序設(shè)備檢修計(jì)劃（如預(yù)測周期內(nèi)有檢修計(jì)劃則必須納入模型預(yù)測條件），工序異常數(shù)據(jù)（如預(yù)測周期內(nèi)有工序異常則必須納入模型預(yù)測條件）。能源預(yù)測模型的結(jié)果以表格形式顯示，包含工序能源消耗預(yù)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，工序能源產(chǎn)生預(yù)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，工序能源替代消耗預(yù)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。預(yù)測的條件以表格形式顯示，預(yù)測結(jié)果以表格和曲線圖形式顯示。
2.1.2能源預(yù)測結(jié)果分析能源預(yù)測結(jié)果分析的功能主要是為了對比能源預(yù)測數(shù)據(jù)和能源實(shí)際消耗和產(chǎn)生數(shù)據(jù)之間的差異，結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃和實(shí)際生產(chǎn)實(shí)績分析對應(yīng)工序的能源消耗和產(chǎn)生情況。主要內(nèi)容包括對比顯示生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)實(shí)績、能源預(yù)測消耗和發(fā)生值與能源實(shí)際消耗與發(fā)生值。
2.1.3修正系數(shù)自學(xué)習(xí)修正系數(shù)自學(xué)習(xí)功能主要是為了利用預(yù)測數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實(shí)績對能源預(yù)測模型所需的系數(shù)進(jìn)行修正。所包含的系數(shù)有工序能源品種單耗、品種加工耗能的模型修正系數(shù)和不同品種規(guī)格產(chǎn)品的加工耗能系數(shù)。用戶可以通過選擇不同的能源類型、工序名稱來對該工序下某種能源在生產(chǎn)不同品種規(guī)格的產(chǎn)品時(shí)的單耗、模型修正系數(shù)和加工耗能系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。加工耗能系數(shù)的計(jì)算前提為有相應(yīng)工序能源下不同產(chǎn)品規(guī)格的單耗數(shù)據(jù)。在計(jì)算開始前，可以人工剔除載入的能源消耗實(shí)績中有異常偏差的數(shù)據(jù)。
2.1.4基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置預(yù)測基本信息配置是為用戶提供配置預(yù)測技術(shù)數(shù)據(jù)的功能界面，并可進(jìn)一步配置預(yù)測運(yùn)行策略。該模塊提供了配置預(yù)測技術(shù)數(shù)據(jù)表的功能。用戶可以增加、刪除、修改、查詢能源管網(wǎng)信息。預(yù)測技術(shù)數(shù)據(jù)包括：能源管網(wǎng)編號、時(shí)間刻度、統(tǒng)計(jì)刻度、應(yīng)用區(qū)域、預(yù)測標(biāo)志。預(yù)測運(yùn)行策略包括：能源管網(wǎng)編號、預(yù)測啟動時(shí)間、運(yùn)行頻率、計(jì)劃更新延時(shí)觸發(fā)時(shí)間、異常延時(shí)觸發(fā)時(shí)間等。
2.1.5單元模型參數(shù)設(shè)置單元模型參數(shù)配置功能主要是為了對能源預(yù)測模型調(diào)用的單元模型子程序進(jìn)行參數(shù)配置。具體包含有對單元模型的調(diào)用參數(shù)配置和應(yīng)用參數(shù)配置。分別使用在調(diào)用單元模型時(shí)輸入驅(qū)動數(shù)據(jù)和所需參數(shù)，以及應(yīng)用單元模型調(diào)用返回結(jié)果時(shí)所需要的參數(shù)。
2.2能源預(yù)測主體框架能源預(yù)測主框架包含了能源預(yù)測模型的主要運(yùn)算功能。該功能模塊通過對生產(chǎn)計(jì)劃、檢修計(jì)劃和異常數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)了各工序能源消耗與產(chǎn)出的預(yù)測，具體的功能按照主框架和子程序劃分為四個(gè)獨(dú)立程序。
2.2.1能源預(yù)測模型計(jì)算框架用戶可通過在能源預(yù)測策略中配置模型自動運(yùn)行的時(shí)間和頻率來開啟預(yù)測模型，或者當(dāng)有計(jì)劃更新或工序異常時(shí)，自動觸發(fā)能源預(yù)測流程。能源預(yù)測策略中可配置預(yù)測啟動方式是自動運(yùn)行還是手動運(yùn)行。如果為自動運(yùn)行，可配置需要進(jìn)行預(yù)測的工序代碼、能源管網(wǎng)編號、統(tǒng)計(jì)刻度、時(shí)間刻度、預(yù)測啟動時(shí)間和預(yù)測頻率。如果手動運(yùn)行則在每次預(yù)測前選擇需要進(jìn)行預(yù)測的工序代碼、計(jì)劃開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間、能源管網(wǎng)編號，然后手動啟動預(yù)測模型。預(yù)測啟動所需要的條件有：工序件次（班次）生產(chǎn)計(jì)劃，工序異常件次生產(chǎn)計(jì)劃，因檢修計(jì)劃導(dǎo)致的宮女能源產(chǎn)生預(yù)測和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。能源預(yù)測模型主框架的輸出為工序能源消耗預(yù)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，工序能源產(chǎn)生預(yù)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，工序能源替代消耗預(yù)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。
2.2.2生產(chǎn)計(jì)劃讀入子程序根據(jù)能源預(yù)測策略中的配置，每天定時(shí)或適時(shí)從MES系統(tǒng)讀入各分廠所有工序的生產(chǎn)計(jì)劃或計(jì)劃更新并保存到工序計(jì)劃表中，并按照計(jì)劃產(chǎn)生的類型確定計(jì)劃產(chǎn)生標(biāo)志。根據(jù)計(jì)劃產(chǎn)品的品種和規(guī)格檢索品種規(guī)格分類索引表，得到該計(jì)劃產(chǎn)品的品種和規(guī)格的索引。如果該計(jì)劃是件次計(jì)劃則直接存儲到工序件次生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)表中（轉(zhuǎn)換標(biāo)志為0），否則先存儲到工序班次生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)表中，然后進(jìn)行班次產(chǎn)量->件次集的轉(zhuǎn)換計(jì)算，儲存到工序件次生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)表中。
2.2.3工序異常處理子程序當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，將收到的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)異常狀態(tài)判斷異常預(yù)計(jì)持續(xù)時(shí)間，生成工序異常件次生產(chǎn)計(jì)劃表。
2.2.4檢修計(jì)劃處理子程序當(dāng)接收到工序檢修計(jì)劃表時(shí)觸發(fā)該子程序。根據(jù)工序檢修基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表中對工序檢修耗能的配置，將該計(jì)劃中的檢修耗能寫入工序能源消耗預(yù)測數(shù)據(jù)表。
3結(jié)論
鋼鐵企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排挖潛增效，降低能源消耗，提高產(chǎn)品競爭力，能源管理必須實(shí)現(xiàn)從粗獷型經(jīng)驗(yàn)型管理向精細(xì)化量化管理的轉(zhuǎn)變，基于工序機(jī)理的鋼鐵企業(yè)能源預(yù)測模型不僅能夠滿足企業(yè)對能源預(yù)測管理的需要，而且具有很好的配置性和可擴(kuò)展性，不僅如此，該模型還適用于其它大中型化工、建材、有色金屬冶煉等各種耗能量大且能耗由生產(chǎn)計(jì)劃所決定的企業(yè)。
作者：劉書文 周向陽 單位：中冶南方（武漢）信息技術(shù)工程有限公司