冶金企业热炉制冷联供设备优化设计

凌付平，秦黄辉

(1.南通航运职业技术学院，金工实训中心，江苏 南通 226010 ;2.南通航运职业技术学院，轮机工程系，江苏 南通 226010）

近年来，随着我国经济的发展，开发和研究具有高效、节能的冷热交换设备已经成为目前重要的研究课题。冶金企业作为我国的经济支柱产业之一，传统的冶金企业热炉设备消耗能量大[1]、且运行时间较长，很大程度上造成了能源浪费。对于冷热联供设备功能方式复杂，从目前的联供系统运行时间看，项目带来的经济效益并不是很乐观，一定程度上阻碍了联供系统的发展，基于此，提出对冶金企业热炉制冷联供设备优化设计。当前，在能源与环境问题日益严峻的背景下，对冶金企业的节能减排方面提出了新的要求，所以在进行设备优化时，要针对能耗大、时间长、经济效益低的情况进行优化设计，保证能源的综合利用率，并且要减轻电网的压力。随着负荷的变化对运行的参数进行调整实现设备的经济性，针对应用的全年负荷性进行合理优化，并随负荷变化随时调整。具体设备优化过程如下所示，通过设备优化减少了能源消耗，并获得了更高的经济效益，具有一定的实际应用意义。

1 冶金企业热炉制冷联供设备优化设计

1.1 设定优化参数

冶金企业热炉制冷联供提供冷热负荷和电负荷，在满足企业生产的前提下，考虑设备的一些指标对设备进行优化设计，如果单纯考虑经济性、节能性和减排性中其中的一个因素，在选择优化参数时，会存在不一致性，所以选择经济性角度和节能角度设计优化参数，提高优化参数的准确性。为保证优化参数选择的准确性，引入综合性指标PPF，综合考虑热炉制冷联供设备的经济性，引入权重因子，根据权重因子的取值，得到不同的目标函数，综合目标函数的表达方式如下所示：

式中，PPF 代表满足v设备要求的前提下的优化参数选择，V代表权重因子参数，z代表经济性权重因子，此次计算不做定向分析。

当采用综合目标PPF作为目标函数进行优化时，针对不同的要求，经济性权重因子和节能性权重因子对于综合指标的敏感性是不同的，根据热炉制冷联供设备的权重因子敏感性分析，获得目标函数即优化目标值，其计算公式为：

式中，Prin为综合目标函数，MB为联供设备优化参数，FV代表权重因子敏感值，此次计算不做定向分析。

在上述计算完成后，完成设定优化参数，当联供设备的能源消耗与分供设备的能源消耗的比值较小时，得出的结果为最优目标，所以在设定优化参数时选择综合性目标函数进行优化参数设定。通过设定优化参数，给联供设备优化目标进行定位，优化的联供设备以此目标为最终优化目标。

1.2 引入冷热调节控制器

为实现冶金企业热炉制冷联供设备的优化，对热炉的冷热进行调节，以热炉的出口温度为参考信号，通过调节冷热控制器的阀门来改变整齐的入口流量，达到调节制冷量的目的。引入KKI控制器，此控制器首先将热炉出口水的温度设定为定值，当外界负荷过大时，热炉水的出口温度随之上升，安装在热炉出水口的传感器在接收到信号后通过控制器传递给执行机构，通过执行机构对冷热温度进行调节，增大加热的蒸汽量。当高低压的发生器内热量增大，热炉的出口温度下降，此时冷热控制器温度直接 回到初始设定值。通过冷热控制器调节时，不会涉及到热炉内部的溶液，并且在调节时安全系数高。KKI控制器能够通过调节控制器参数进行干预被控对象的特性，通过给系统施加阶级干扰，获得输出信号，根据等幅震荡输出信号，确定临界增益Ku和震荡周期Cu,具体工作步骤为，将控制器积分时间常数Tc设定为∂，微分常数T∞设定为0，对比例系数进行调节输入，然后对临界增益Ku和震荡周期Cu进行记录，通过公式计算得出参数具体值，计算公式为：

通过上述公式计算，得出控制器三个参数具体值，如表所示：

表1 控制器参数值

表1能够求出控制器的参数值，通过调节KKI控制器的参数实现更精准的冷热调节，优化热炉制冷联供设备的冷热调节精准度。为实现热炉制冷联供设备的优化，在设定优化参数和引入冷热调节控制器的基础上，采用双层优化算法对其进行优化，主要分为两层算法，首先选择优化设备，将设备的参数带入公式中，参数值如表所示：

表2 优化设备参数

在此优化参数设定完成的基础上，带入公式，计算公式为：

式中，Cp代表运行费用参数，Mr代表系统生命周期，rc代表线性约束参数，此次计算不做定向分析。

此公式以运行费用最低为目标，以热炉制冷联供设备性能和能量守恒作为线性约束，从而得到对应的最佳优化方案，根据优化的方案对系统的生命周期、成本和总排放量进行计算，得到该设备对应的生命值、排放量。第一层算法的目标是找到热炉制冷联供设备的最优排放量、冷热转换、成本现值等等，引入差别选择法，其原理是根据设备的类型将随机选择的设计方案输入到第二层，若没有解则进行丢弃，若有解则得到最佳的运行方案。然后根据运行方案对设备进行计算，将此方案的计算结果和目标值进行保存，多次重复这个过程，保存N个优化设计方案。将这些数值表现在坐标轴中，每个方案用一个点表示，从而得到方案目标值的分布图。将得到的N个方案为一组，增加随机选择的方案，将增加的组的设计方案进行联合组成用作目标值分布图，当再也找不到可以超越之前运算的边界值则为最优值。在第一层算法完成后，进行第二层算法，应用抽象数学模型，算法如下：

式中，Mt代表平衡方程和设备约束方程，cm代表设备每一时间的输出值，∞代表设备运行时开关状态值，此次计算不做定向分析。

通过第一层和第二层的计算实现热炉制冷联供设备优化，计算后得到的最优值就是对热炉制冷联供设备的最佳优化值。在完成以上步骤设计后，能够减少电网负荷、减少设备运行的成本、减少能源消耗并且能提高热炉制冷联供设备的工作效率。以此，实现热炉制冷联供设备的优化，实现能源消耗低和经济性能高的目标。

2 结束语

冶金企业的热炉制冷联供设备的优化不仅能够提高能源的利用效率，并且能够节省时间，有利于环保，而且能够对能源供应起到保障作用。结合冶金企业的现状，发现常规热炉制冷联供设备存在一定的问题，因此对其进行优化设计，其优化设计的关键点在于合理配置热炉机组，对联供设备设定优化参数，并设置冷热调节控制器，提高设备转换的精准度，并通过优化算法，有效对其优化，并提高了设备运行效率和降低了设备的运行成本，希望本文的优化设计，能够对冶金企业的热炉联供设备的发展起到一定的作用。