一种考虑过程工艺耦合的水泥生产流程的经济调度方法

本发明属于高耗能工业负荷优化调度与工业过程建模，具体涉及一种考虑过程工艺耦合的水泥生产流程经济调度方法。

背景技术：

1、随着新型电力系统建设持续推进，风电、光伏等波动性新能源大规模接入电网，电力系统对快速、灵活且可持续调节资源的需求不断增加。需求侧工业负荷具有容量大、响应快和分布广等特点，是支撑源荷协同运行的重要调节资源。

2、水泥行业是典型高耗能行业。原料破碎、生料粉磨、燃料粉磨和水泥粉磨等环节具备一定的启停及移峰能力，能够通过调整生产时序参与分时电价优化和需求响应，熟料烧成等关键环节则具有连续运行要求。

3、水泥生产并非若干独立设备的简单组合。上游环节产出的破碎后原料、生料、窑料、煤粉和熟料是下游环节的输入，各类中间物料还受到仓储容量上下限约束，窑料与煤粉在熟料烧成环节存在配比耦合。若调度模型仅考虑电价或单台设备负荷，容易出现物料短缺、库存越限、关键设备停产或产品订单无法完成等不可执行情形。

4、现有水泥负荷优化方法对设备级负荷转移研究较多，但对物料流、仓储缓冲、工艺衔接、连续生产及需求响应考核规则的统一刻画仍不充分，难以同时保证生产安全、调度可执行性和用电经济性。

5、因此，需要一种能够将水泥生产工艺耦合关系与电力市场机制统一建模的经济调度方法，在满足生产约束和订单要求的前提下形成可执行的设备运行与用电计划。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑过程工艺耦合的水泥生产流程经济调度方法，以解决现有方法对生产过程耦合关系考虑不足、优化结果难以执行以及参与需求响应经济性不高的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种考虑过程工艺耦合的水泥生产流程的经济调度方法，所述方法包括：

3、s1：获取水泥生产流程中各生产设备的额定处理能力和额定功率、各类物料的初始库存及仓储上下限、产品订单需求、分时电价参数和需求响应参数，并确定各生产环节之间的物料流动、工艺衔接及能源消耗关系；

4、s2：基于资源-任务网络方法，将水泥生产过程中的原材料、中间产物、最终产品、仓储容量、设备生产能力和电力消耗表征为资源，将各生产环节表征为任务，建立考虑过程工艺耦合的水泥生产流程资源-任务网络模型；

5、s3：基于所述资源-任务网络模型，建立包括任务运行状态、物料处理量、资源平衡与可用性、仓储数量、工艺衔接、关键连续生产、生产订单以及用电功率在内的水泥生产过程约束模型；

6、s4：基于分时电价机制和激励型需求响应机制，建立以购电成本与需求响应收益之差最小为目标的经济调度模型，对所述经济调度模型进行求解，得到水泥生产流程的最优运行计划。

7、进一步地，所述资源包括原料、煤炭、破碎后原料、生料、窑料、煤粉、熟料、水泥成品、生产设备及电力；所述任务包括原料破碎、生料粉磨、生料均化、燃料粉磨、熟料烧成和水泥粉磨。

8、原料依次经原料破碎、生料粉磨和生料均化生成窑料；煤炭经燃料粉磨生成煤粉；窑料与煤粉共同经熟料烧成生成熟料；熟料经水泥粉磨生成水泥成品。

9、进一步地，所述水泥生产过程约束模型的具体表达如下。

10、采用二进制变量描述任务对应设备在各调度时段的运行状态：

11、

12、式中，表示任务对应的第台设备在时段处于运行状态，表示该设备处于停机状态；为任务对应的设备集合；为任务集合；为调度时段集合。

13、进一步地，任务在时段的运行设备数量及其设备数量边界表示为：

14、

15、

16、式中，为任务在时段的运行设备数量；为所述设备集合中的设备数量。

17、进一步地，任务在时段的物料处理量表示为：

18、

19、式中，为任务在时段的物料处理量；为第台设备单位时间的额定处理能力；为调度时段长度。该表达允许同一任务下不同设备具有不同处理能力。

20、进一步地，资源平衡约束表示为：

21、

22、式中，，为资源在时段的可用数量；为任务对资源的生成或消耗系数，任务生成资源时，任务消耗资源时；和分别为资源在时段的外部输入量和外部输出量；采用输入量与输出量分别建模，可避免同一符号兼具正、负含义。

23、为保证任务执行前具有足够的可用资源，设置资源可用性约束：

24、

25、式中，和分别为资源的数量下限和数量上限；对于中间物料，所述上下限分别对应安全库存和仓储容量。

26、进一步地，为刻画窑料和煤粉在熟料烧成环节中的配比耦合，设置协同供给约束：

27、

28、式中，和分别为时段熟料烧成任务消耗的窑料量和煤粉量；和分别为生产单位熟料所需的窑料系数和煤粉系数；为熟料烧成任务在时段的处理量。

29、进一步地，熟料烧成为关键连续生产任务，其连续运行约束表示为：

30、

31、

32、式中，为熟料烧成任务，为熟料烧成设备集合。第一式表示同一台回转窑在相邻时段的运行状态保持不变，即在调度周期内不进行任意启停或设备轮换；第二式表示每个时段至少有一台回转窑运行。若生产线仅配置一台回转窑，上述约束等价于该回转窑在全部时段均运行。若调度周期包含计划检修，可按照检修时间将调度周期划分为若干连续运行区间，并在各区间分别应用上述约束。

33、进一步地，为保证调度周期内可用于交付的水泥成品数量满足订单要求，设置生产订单约束：

34、

35、式中，为水泥成品；为调度周期开始时可用于订单交付的水泥成品库存；为水泥粉磨任务；为水泥粉磨任务的成品产出系数；为调度周期内的订单需求量。水泥成品的期末安全库存仍由资源数量下限约束保证。

36、进一步地，水泥企业在时段的用电功率表示为：

37、

38、式中，为水泥企业在时段的用电功率；为风机、输送、照明等辅助系统及不可调基础负荷功率；为任务对应的第台设备的额定运行功率。若不单独考虑辅助负荷，可令。

39、进一步地，分时电价机制下的购电成本表示为：

40、

41、式中，为购电成本；为时段的购电电价。

42、进一步地，激励型需求响应机制下的需求响应收益表示为：

43、

44、

45、

46、

47、

48、

49、式中，为需求响应收益；为响应补贴；为考核费用；为需求响应时段集合；为时段的需求响应出清价格；、和分别为实际响应容量、有效响应容量和中标响应容量；和分别为基线负荷和实际负荷；为考核价格系数。

50、进一步地，所述经济调度模型以综合用电成本最小为优化目标：

51、

52、式中，为综合用电成本。所述经济调度模型为混合整数线性规划模型；对需求响应收益表达式中的最小值项和最大值项采用分段线性化方法，引入辅助连续变量、0-1变量及大m约束进行等价转换，然后采用混合整数线性规划求解器求解。

53、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

54、第一，通过资源-任务网络统一刻画主物料流程、燃料供应流程、仓储缓冲、设备能力和能源消耗，使水泥生产工艺耦合关系能够转化为可求解的调度约束。

55、第二，通过资源可用性、仓储数量、窑料与煤粉协同供给、熟料连续运行和订单约束，能够减少中间物料短缺、库存越限和关键环节非计划停机，提高调度计划的生产可执行性。

56、第三，通过将分时购电成本、需求响应补贴和考核费用纳入统一目标，在满足生产安全和产量需求的前提下降低水泥企业综合用电成本。

57、第四，所述模型能够输出设备运行、物料库存和用电负荷的时序计划，为水泥工业负荷参与电网需求响应提供量化依据。