一種造紙廠熱電聯產能量系統優化系統及其工作方法

專利名稱：一種造紙廠熱電聯產能量系統優化系統及其工作方法
技術領域：
本發明涉及一種制漿造紙廠熱電聯產能量系統優化系統及其工作方法，特別涉及
具有大于等于兩臺鍋爐或兩套汽輪發電機組的大、中型制漿造紙廠的熱電聯產能量系統優 化系統及其工作方法。
背景技術：
造紙業是資源和能源消費型產業，隨著我國國民經濟的快速發展，造紙產品消費
迅速增長，市場需求逐年擴大。造紙工業已被國家發改委列為九大高耗能重點監管行業之
一。熱電聯產系統是制漿造紙企業的重要組成部分，它的安全、穩定運行是企業安全、穩定、
長期運行的基礎。通常，熱電聯產系統由多臺鍋爐和汽輪機組組成，在滿足生產用電的條件
下，鍋爐產汽或汽輪機抽出或排出的蒸汽供工藝過程所需熱量。由于產品種類、生產量、生
產狀況、市場銷售和季節性的變化等原因，蒸汽用量和用電量都會隨之發生變化。 與大型熱電廠和火電廠所采用的單元式機組不同，在造紙企業熱電聯產系統通常
是采用母管制的熱力系統。在實際條件下，多數系統在設計時新蒸汽的壓力等級均相同，所
有的鍋爐并聯到熱力系統母管中。母管制熱力系統的最大特點是鍋爐、汽輪機彼此獨立，即
某臺鍋爐所產生的蒸汽不與相應的汽輪機直接相連，而是和系統中所有同等級的蒸汽一起
提供給蒸汽母管，然后再通過管道將蒸汽輸送給系統中的各種用汽設備及外界用戶。母管
制的結構下，鍋爐系統和汽輪機系統之間僅僅通過鍋爐總產汽量相聯系，在鍋爐系統總產
汽量不變的條件下，下游汽輪機的負荷不會再受到上游某臺鍋爐負荷的變化的影響，單元
式機組汽機與鍋爐之間單純的串聯關系消除了，從運行優化的角度考慮，系統的自由度增
加了，因而也就增加了熱力系統的可操作性。 通常，熱電聯產系統需向制槳、造紙工藝過程提供動力、電力、熱能、蒸汽等能量。 由于產品的多元化，因此為了有效利用能源，需要合理利用生產過程中產生的各種壓力等 級的蒸汽或者供應各種壓力等級的蒸汽來滿足生產需要。 制槳和造紙生產異常出現都會影響熱電聯產系統的運行。通常，相對于運行是否 經濟，熱電廠工程師們更關心生產是否正常、穩定。制漿、造紙生產局部改變或是異常的出 現，工程師們做出的被動調節通常使熱電聯產系統處在一個不經濟的運行狀態。因此，在 滿足工藝過程加工量、產品方案、氣候、季節等因素變化引起的蒸汽和電力需求變化的條件 下，如何使系統最經濟的運行操作，已成為當務之急。

發明內容
本發明的目的在于克服目前熱電聯產能量系統人工調節的不科學性，改變目前該 系統運行不經濟的情況，提供一種適合于具備大于等于兩臺鍋爐或兩套汽輪發電機組的 大、中型制漿造紙廠的熱電聯產能量系統優化系統及其工作方法。通過該系統，可實現熱電 聯產能量系統的經濟運行和自動調節。
為實現本發明的目的采用的技術方案一種造紙廠熱電聯產能量系統優化系統，其特征是，包括 用于采集各部門對蒸汽、電能的需求數據并存儲到實時數據庫中的數據采集系 統； 用于存儲和傳輸數據采集系統采集到的數據的實時數據庫； 用于存儲和傳輸優化所需數據及優化后結果數據的關系數據庫； 用于對關系數據庫中存儲的生產過程的物料流進行模擬并將模擬結果存儲在關
系數據庫的物料流模擬模型庫； 用于將關系數據庫中存儲的生產過程的能流數據結合物料流模擬模型庫的模擬 結果進行模擬并將模擬結果存儲在關系數據庫中的能流模擬模型庫； 用于根據能流模擬模型庫的模擬結果對生產過程中的能流進行優化并將優化結 果反饋到人機交互界面用以顯示、監測，同時將優化結果存儲到關系數據庫，以便現場監控 系統提取有關數據對相關設定值進行賦值以優化系統運行的能流優化模型庫；
用于生產調度人員與實時數據庫、關系數據庫和能流優化模型庫進行人機交互的 人機交互界面； 所述數據采集系統與實時數據庫相互連接；實時數據庫與關系數據庫相互連接； 關系數據庫分別與能流模擬模型庫、物料流模擬模型庫和人機交互界面相互連接；關系數 據庫還與輸入設備運行狀態數據和排產計劃信息的人工輸入端口相連接；物料流模擬模型 庫與能流模擬模型庫相連接；能流模擬模型庫與能流優化模型庫相互連接；能流優化模型 庫與人機交互界面相互連接；人機交互界面還與實時數據庫相互連接。 為了更好地實現本發明，所述數據采集系統包括設置在生產和生活輔助車間的 SCADA、 PLC和DCS系統及數據采集儀；數據采集儀采集的數據是未安裝SCADA、 PLC、 DCS系 統的部分車間對蒸汽、電能的需求數據，該部分數據現場采集后手動輸入至實時數據庫。
所述能流優化模型庫包括 通過對汽輪機系統建立優化模型并求解得出汽輪機系統能量優化方案的汽輪機 系統優化模型庫； 通過對鍋爐系統建立優化模型并求解得出鍋爐系統能量優化方案的鍋爐系統優 化模型庫； 所述汽輪機系統優化模型庫的輸出連接鍋爐系統優化模型庫的輸入。 所述人機交互界面包括設置在鍋爐機組車間的PC機、設置在汽輪機組車間的PC
機和造紙廠中心調度室的PC機。 所述實時數據庫通過以太網從數據采集系統采集相關數據并存儲。 上述的造紙廠熱電聯產能量系統優化系統的工作方法，其特征是，包括如下步
驟 第一步，由數據采集系統采集各部門對蒸汽、電能的需求信息，存入實時數據庫，
供關系數據庫和人機交互客戶端調用，關系數據庫根據需求從實時數據庫中讀取相關數據
并存儲在關系數據庫，訂單排產計劃和生產維護計劃也通過人工輸入端口輸入并存儲在關
系數據庫中，供能流模擬模型庫、物料流模擬模型庫和人機交互客戶端調用； 第二步，物料流模擬模型庫從關系數據庫中讀取相關的數據進行模擬計算，把計
算結果存儲到關系數據庫中并傳輸到能流模擬模型庫；能流模擬模型庫從關系數據庫中讀取相關的數據，結合物料流模擬模型庫的計算結果進行模擬計算，把計算結果存儲到關系 數據庫中并傳輸到能流優化模型庫；能流優化模型庫中的汽輪機系統優化模型庫讀取能 流模擬模型庫的計算結果，并從關系數據庫中讀取造紙廠相關設備運行狀態及訂單排產計 劃、生產維護計劃的相關數據，對汽輪發電機組進行優化運行計算，得到汽輪機系統所需最 小耗氣量，存儲到關系數據庫中；能流優化模型庫中的鍋爐優化模型庫根據汽輪機系統優 化模型庫計算得到的汽輪機系統所需最小耗汽量，從而得到鍋爐系統所必須的產汽量，以 此作為對鍋爐系統的外界約束，結合關系數據庫中造紙廠相關設備運行狀態及訂單排產計 劃、生產維護計劃的相關數據，以耗煤量最小為目標，對鍋爐機組進行優化運行計算，將優 化結果存儲到關系數據庫； 第三步，人機交互界面通過以太網從實時數據庫和關系數據庫中讀取相關數據， 并顯示能流優化模型數據庫計算結果、能耗關鍵指標，同時可安裝打印機打印相關信息；同 時，SCADA、 DCS等現場監控系統從關系數據庫獲得優化結果，在AUTO模式下對相關設定值 進行賦值即可自動實現優化功能。 上述工作方法中，所述第二步中對汽輪發電機組或鍋爐機組進行優化運行計算是 指采用eTMS程序(注該程序已獲取軟件著作權登記，登記號為2009SR09023)對汽輪機系 統優化模型或鍋爐系統優化模型進行求解。 本發明的工作原理是這樣的數據采集系統，除用于采集各種需要監測的數據將 它們存儲到實時數據庫中外，還從關系數據庫獲取優化信息在AUTO模式下實現自動優化 功能；物料流模擬模型庫、能流模擬模型庫、能流優化模型庫通過調用實時數據庫和關系 數據庫中的數據，進行分析、優化并將相關信息存儲在關系數據庫中；鍋爐機組PC機、汽輪 機組PC機、造紙廠中心調度PC機等組成的人機交互界面負責顯示、監測優化后的結果及 能耗、能效數據并可將相關報表用打印機打出來。數據采集系統，包括用于制漿造紙、熱電 車間、水處理車間及生產輔助車間、辦公，宿舍、食堂等部門的SCADA、 PLC、 DCS采集系統的 數據的采集，還包括利用數據采集儀對其它現場相關數據的采集，其將采集的數據存儲到 實時數據庫中；為進一步處理，實時數據庫中部分數據同時存儲到關系數據庫中，同時將 訂單排產計劃、生產維護計劃等信息也存儲在關系數據庫中；物料流模擬模型庫通過與關 系數據庫的交互，對生產過程的物料流進行模擬并將模擬結果存儲在關系數據庫中；能流 模擬模型庫通過與關系數據庫的交互，對生產過程的能流進行模擬并將模擬結果存儲在關 系數據庫中；能流優化模型庫在能流模擬模型庫的基礎上，對生產過程中的能流進行優化 將將相關信息反饋給人機交互界面，以供顯示、監測，同時將優化結果存入關系數據庫以便 SCADA、 DCS等現場監控系統調用；對于那些不需要分析、優化、調度的信息，可以直接通過 人機交互界面與歷史數據庫交互，展示給用戶。 能流優化模型是在物料流模型和能流模型的基礎上結合汽輪機和鍋爐等能量轉 換設備的運行工況建立的數學規劃模型，它在滿足工藝生產用能的條件下實現系統耗能的 最小化或是在耗能不變的前提下實現利潤的最大化，從而提高能效。
物料流模擬模型建立原理如下 物料流是從原料市場經過原料采購(含輔料和助劑等)、儲運(含原料、輔料、助 劑、中間產品、產品和副產品等)、加工和產品銷售(含副產品)等到產品市場的演變過程。 加工過程是整個物料過程的核心部分，包括分離系統、混合系統、反應系統等。在這個過程中，原料總量與產品總量、儲運損失量、加工損失量和廢物排放量之間符合質量守恒定律， 其實質也就是分離、混合、反應過程的結合。 通常，物料在分離和混合過程，設備位置及大小都不隨時間變化，如圖1所示，它
f兩足
<formula>formula see original document page 7</formula>(1) 式中，物質在各處密度P是空間位置和時間的函數，m為各設備或過程內的質量 源，vn為在表面上沿法線方向的速度，即速度矢量v在外法線方向單位矢量n上的投影。
按場論中的高斯定理


可將(1)式的面積分轉換為體積分，得
f(，+va:/n^)=M
可得微分形式的質量守恒方程或連續性方程為
改 針對分離和混合設備，我們將物料分為流進物料(i)、流出物料(j)和源項(1)可 得物料平衡方程<formula>formula see original document page 7</formula> 上式左端積分代表流進的質量，積分域為S—(Vn < 0)，積分為負數；而右端的積分 代表流出的質量，積分域為S+(vn > 0)，積分為正數。而物料發生化學反應需滿足組分質量 平衡，即使體系內部沒有質量源，但化學反應是反應物減少，對反應物是負的質量源，對產 物是正的質量源，所以關于組分k的連續性方程應為
<formula>formula see original document page 7</formula>
改 如上就建立了物料流的模擬模型，對該模型用eTMS程序進行求解即可得到對物 料流的模擬結果。 能流模擬模型的建立原理如下 能量是依附在物料上經過分離、混合、反應等過程來實現轉換與傳輸、利用、回收 等過程，為了更加準確的反應各工藝過程能效和能耗，我們應用熱力學第一定律和第二定 律進行了能流的建模。 如圖2所示的工藝過程能量平衡示意圖，對一個工藝過程，流動體系在從tl到t2的時間內從釋放到環境的熱量Q與體系對外界做的功W之和必定等于體系總能量的增加， 即能量守恒 Q+W = A H = H「H2
上式的微分形式為
dH = dQ+dW 入方物流總焓& = E Hi，出方物流總焓H2 = E Hi，體系與外界交換的熱量Q =
Qe-Qi，功W = We-Wi ;整理得 E (H「H。) +Qi+Wi = E (He_H。) +Qe+We 由熱力學第二定律可推導出，(Ex)的計算式為 Ex = (H-H0) -T0 (S_S0) 其微分形式為 S Ex = dH-T。dS 對任何流動工藝過程體系，流入方的總熵恒等于或小于流出方的總熵，可得
- A) + 《_ +爭 與能量平衡方程聯立可得 //。)-r。Z(s,—s。)+e,-r。魯+^ 仏)—r。Z(s廣s。)+込—r。,+『e 式中E [ (H「H。) -T。 (S「S。) ] = E (EXM) t為進入體系的全部物流的，之和，下表
M表示物流；Q(1-^)^(^H),為供入體系的全部熱量中所含有的，，下標H表示熱量W
=(E^i為供入體系的功相應的，，下標W表示功。出方各項按此歸納可得
E (EXM)八(EXH)八(EM) i > E (Effl) e+ (EXH) e+ (Exw) e
以Dk表示實際過程的，損耗，即可得A困平衡方程
E (EXM) i+ (EXH) i+ (EM) i = E (Effl) e+ (EXH) e+ (Exw) e+DK 如上就可建立能流模擬模型，對該模型用eTMS程序進行求解即可得到對能流模 擬的結果。 優化模型建模的步驟如下 第一步，根據關系數據庫獲取制漿、造紙、輔助車間、辦公等對蒸汽、電能的需求等
相關信息確定所述能量轉換環節優化問題的初始規模； 第二步，建立基于熱電聯產模式能量系統優化的非線性規劃模型； 第三步，對上述優化模型結合制漿、造紙生產的實際情況進行求解，得到一個最優
的目標值和運行方案； 其中，第二步中的優化的數學模型通常可以表示為
min F(x)
s. t. p (x) > 0 其中，F(x)稱為目標函數，它可以是總費用支出等經濟上的目標，可以是燃料消耗
8等技術上的目標，也可以是污染排放量等環境上的目標。在優化運行問題中，由于系統的 結構不發生變化，因而在總費用支出中很多費用如固定投資費用等是不變的，它并不隨著 運行方案的變化而變化，因而當忽略由運行變化引起的其他費用變化時，總費用支出是隨 著燃料消耗量的變化而單調變化的，燃料消耗量最低的目標可以反映總費用支出的情況。
P(x)為約束函數，它集中反映了外界對系統的要求以及系統內部各種物理量之間的聯系等。 與大型熱電廠所采用的單元式機組不同，在造紙企業中通常是采用母管制的熱力 系統。母管制熱力系統的最大特點是鍋爐、汽輪機彼此獨立，即某臺鍋爐所產生的蒸汽不與 相應的汽輪機直接相連，而是和系統中所有同等級的蒸汽一起提供給蒸汽母管，然后再通 過管道將蒸汽輸送給系統中的各種用汽設備及外界用戶。母管制的結構下，鍋爐系統和汽 輪機系統之間僅僅通過鍋爐總產汽量相聯系在鍋爐系統總產汽量不變的條件下，下游汽輪 機的負荷不會再受到上游某臺鍋爐負荷的變化的影響。從運行優化的角度考慮，系統的自 由度增加了，因而也就增加了熱力系統的可操作性。在策略上將運行優化問題視為兩個相 互串聯的獨立子系統的優化運行問題，即鍋爐系統和汽輪機系統的優化運行。
汽輪機系統的優化運行 由于各種汽輪機的特性均呈現出線性的特征，這里我們不考慮在優化運行中設備 的啟/停問題，因而所研究問題可簡化為線性規劃問題，據此可以采用相應的模型，即
min F (X) = CX
s. t. G(X) < B
Xi >0 式中X為連續變量，C = [Cl， C2，……，Cn]是費用系數向量，對于汽輪機我們的 目標函數是總耗汽量最小，這里C為單位向量。G為約束函數系數矩陣，B是資源向量。
(1)目標函數 對汽輪機系統進行優化調度的目的在于保證汽輪機系統總耗汽量最小，因而目標 函數可以表示為
W 附 min 5" = Z & + S "z
附 式中，S為總的蒸汽需求量，t/h ;^]&'為n臺汽輪機進汽量之和，t/h ; 2]D/為m
臺減溫減壓閥進汽量之和，t/h。目標就是在滿足總供電和供熱需求的情況下，使總的蒸汽
需求量最小。 (2)約束函數 約束函數反映了實際運行條件下外界對系統的要求以及系統內部各個物理量之 間的聯系，這些約束大致包含以下幾種
(a)發電量約束 該約束保證熱力系統的供電量滿足用戶的需求，即 = P
, =1 (b)外供蒸汽約束
各個壓力等級的母管中在確定的外供蒸汽負荷下要滿足蒸汽流量的進出平衡，即 Z ) y.— Z d, )y = S/。arf / =1 /.=1 (c)設備模型約束 即各個汽輪機在實際運行條件下的特性，它反映出汽輪機在進汽量、排汽量和功 率之間的關系。以二次調節抽汽式汽輪機為例，其特性方程如下所示。
Sin = ao+aiNi+a^+a^ 對于一次調節抽汽式汽輪機、抽汽背壓式汽輪機、背壓式汽輪機以及凝汽式汽輪 機，上述相應的回歸系數為零，這樣就構成了汽輪機系統優化調度中設備模型的約束。
(d)調節抽汽式汽輪機純凝汽工況約束 即上面所介紹工況圖中汽輪機運行區域的下邊界。根據其物理意義，它表示在運 行區域內任何一點都要滿足& > 0的要求。
(e)低壓缸最小進汽量的約束 在抽汽調節式汽輪機中，如果調節抽汽所占的份額很高，則流過低壓缸的蒸汽流 量也會相應有所降低。因為當低壓缸蒸汽流量過低時，由于摩擦鼓風損失等產生的熱量會 使低壓缸的溫度上升很多，甚至超過所允許的程度。因此低壓機組必須保持一個最小流量 使蒸汽對低壓機組起到冷卻作用，因此在優化運行計算中必須增加該約束。該約束采用如 下的形式SinU E Sij > (S①丄in 其中，表示汽輪機各段用于加熱回熱器的抽汽量總和，這些抽汽量一般不直接
測量，需要通過平衡計算獲得。
(f)最大進汽量約束 在實際運行中，規定汽輪機的進汽量不能超過設計時所提出的最大進汽量要求， 即& ", 腿 (g)最大發電功率限制 在實際運行中，汽輪機可以在超過額定功率條件下運行，這時稱汽輪機處于過載 工況。為了安全起見，在運行優化過程中必須嚴格規定汽輪機的最大發電功率，以保證優化 運行方案在實際中的可行性。在本例中，最大發電功率取為機組的額定功率，相應的約束可 以寫為Hx (h)抽汽量約束 為了保證汽輪機正常的工作，汽輪機的一次抽汽量和二次抽汽量不允許超過規定 的數值，因此優化調度中據此增加抽汽量約束。
(S丄 S2i《(S2i)max (i)變量約束 它規定了優化運行計算中變量的取值范圍，如 S >0 ;S2i >0 ;K >0
到此為止，汽輪機系統優化計算的模型已經建立起來。
鍋爐系統的優化運行 由于各種鍋爐的特性均呈現出非線性的特征，這里我們不考慮在優化運行中設備 的啟/停問題，因而所研究問題可簡化為非線性規劃問題，當汽輪機系統優化運行完成之 后，可以獲得汽輪機系統所需最小耗汽量，從而可以得到鍋爐系統所必須的產汽量，以此作 為對鍋爐系統的外界約束。
(1)目標函數 鍋爐系統優化調度的目標是在滿足產汽量的條件下保證系統總燃料消耗量最小， 即min B = E Bi
(2)約束函數 鍋爐系統的約束函數較簡單，它包括如下的約束條件
(a)鍋爐特性約束 它反映了各臺鍋爐的燃料消耗隨著蒸發量的變化關系，即
B = f(S》 = fl0jy,. + "A + a25f +..... + (b)蒸汽負荷約束 它反映了汽輪機系統對鍋爐系統產汽量的要求，即 Z&二S。 ' =1 上式中S。即為鍋爐系統的總產汽量。
(c)鍋爐蒸發量約束 它反映各臺鍋爐所允許的運行范圍，其約束為 (Si)min《S^ (SL 此外，還包括變量約束等。據此，可以建立鍋爐系統的優化計算模型。
先根據汽輪機系統優化模型計算得到的汽輪機系統所需最小耗汽量，從而得到鍋 爐系統所必須的產汽量，以此作為對鍋爐系統的外界約束，再用鍋爐系統優化模型進行計 算，利用eTMS程序求解即得能量系統的優化調度方案。 將上述優化調度方案存儲到關系數據庫，同時顯示在人機交互界面，SCADA、DCS等 現場監控系統從關系數據庫獲得優化結果，在AUTO模式下對相關設定值進行賦值即可自 動實現系統運行的最優化。 本發明相對于現有技術的主要優點和效果是本發明應用"三環節"理論對造紙 廠整個能量系統進行建模，建立整個能量流與物料流的模擬模型。過程能量系統"三環節" 分析方法是以全局優化為目標的過程系統能量綜合優化方法，它建立在對過程系統能量結 構的深入理解和描述以及按照這種能量結構所進行的熱力學分析和熱經濟學分析的基礎 上。該法由模型化和流程模擬技術支持，可以與任何單元或子系統的優化技術(如數學規 劃法、試探法、人工智能等)配合使用。"三環節"模型認為能量在整個工藝過程中的降質，是在三個不同功能環節中逐 步發生的，根據發生演變的過程劃分為能量轉換環節、能量利用環節和能量回收環節。"三 環節"能量結構模型概括了復雜過程系統的能量結構和共性規律，給出了嚴格定量的能流結構模型定義，建立了嚴格的能流模型和火用(Yong)流模型，適合過程能量系統的全局優 化。"三環節"模型把整個工藝過程中的用能過程劃分為具有不同功能的三個環節，即 能量的轉換和傳輸環節、能量的工藝利用環節和能量的回收環節。能量在整個工藝過程中 的消耗和貶值是在不同功能的三個環節中逐步發生的。三個環節之間相互聯結、相互制約。
造紙企業能量系統是典型的過程能量系統，適合用"三環節"方法來對其能量系統 進行分析和全局優化。本發明在"三環節"模擬模型的基礎上將數學規劃方法結合能流模擬 模型對造紙企業能量系統進行建模使運行得到優化，降低運行成本，是造紙企業節能降耗、 提高效益的重要途徑。在滿足工藝過程加工量、產品方案、氣候、季節等因素變化引起的蒸 汽和電力需求變化的條件下，計算出最佳的運行操作方案，能實現系統運行總費用最低或 利潤最大化。


圖！是物料流模擬模型中的工藝過程的物料平衡圖； 圖2是能流模擬模型中的工藝過程能量平衡示意圖； 圖3是本發明的系統的簡要結構方框圖； 圖4是本發明的系統的結構方框圖； 圖5是本發明的系統的工作流程圖； 圖6是本發明的系統的實物連接示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限 于此。 利用本發明的系統對某熱電聯產模式的造紙企業的能量系統進行運行優化，該企 業能量轉換環節包含4臺流化床鍋爐，4臺抽凝式汽輪機和若干減溫減壓設備，母管式熱力 系統。工作方法如下 第一步，如圖3、5所示，從制漿造紙生產線、熱電車間、水處理車間、辦公宿舍、食 堂等生產、生活輔助車間的SCADA、 PLC、 DCS及數據采集儀上采集各個部門的能耗相關數 據。獲取的數據存入實時數據庫，供關系數據庫和人機交互界面調用。關系數據庫從實時 數據庫讀取并存儲當前的能耗相關數據，并根據人工輸入端口輸入的訂單排產計劃、生產 維護計劃預測所需能量并存儲相關數據，供模擬模型庫、優化模型庫和客戶端調用。
第二步，物料流模擬模型庫從關系數據庫中讀取相關的數據進行模擬計算，把計 算結果存儲到關系數據庫中并傳輸到能流模擬模型庫；能流模擬模型庫從關系數據庫中讀 取相關的數據，結合物料流模擬模型庫的計算結果進行模擬計算，把計算結果存儲到關系 數據庫中并傳輸到能流優化模型庫；能流優化模型庫中的汽輪機系統優化模型庫讀取能 流模擬模型庫的計算結果，并從關系數據庫中讀取造紙廠相關設備運行狀態及訂單排產計 劃、生產維護計劃的相關數據，對汽輪發電機組進行優化運行計算，得到汽輪機系統所需最 小耗氣量，存儲到關系數據庫中；能流優化模型庫中的鍋爐優化模型庫根據汽輪機系統優 化模型庫計算得到的汽輪機系統所需最小耗汽量，從而得到鍋爐系統所必須的產汽量，以此作為對鍋爐系統的外界約束，結合關系數據庫中造紙廠相關設備運行狀態及訂單排產計 劃、生產維護計劃的相關數據，對鍋爐機組進行優化運行計算，以該能量系統運行的所需的
耗煤量最小為目標函數，然后，調用eTMS程序求解，將優化結果存儲到關系數據庫； 表1汽輪機優化前后對比
1 #汽機2 #汽機3 #汽機4弁汽機合計項目優化實際優化實際優化實際優化實際優化實際運
結果運行結果運行結果運行結果運行結果行
進汽量 (t/h)140177.06255,14266.34251.88264.21248.85263.73895.87971.34
中壓抽 汽量t/h)15.351027.9729.7933.046533.43109.79109.79
低壓抽 汽量8569.5714073.29100.65107.2030104.40354.46354.46
發電量 Ckwh)21204356卯584514559757883573236262861556200166200166表2鍋爐優化前后對比
1井鍋爐2#鍋爐3 #鍋爐4 #鍋爐合計
項目優化實際優化實際優化實際優化實際優化實際
結果運行結果運行結果運行結果運行結果運行
耗煤量 (t/h)23.09324.9942.02143.5653.88242.7219.7443.45138.74154.72
產汽量 t/h)150177.06262.04266.34362.67264.21121.16263,73895.87971.34 第三步，人機交互界面通過以太網從實時數據庫和關系數據庫中讀取相關數據， 并顯示能流優化模型數據庫計算結果、能耗、能效關鍵指標；現場監控系統(SCADA、DCS等) 從關系數據庫獲取優化信息在AUT0模式下對相關設定指經行賦值實現自動優化功能，優 化結果如表1、表2所示；同時可安裝打印機打印相關信息。 通過上述優化，汽輪機系統在滿足造紙工藝過程對蒸汽和電能需求的前提條件 下，優化前實際運行需蒸汽971. 34t/h，優化后為895. 87t/h，比實際運行少了 75. 47t/h。而 鍋爐系統的耗煤量由原來的154. 72t/h變成了 138. 74t/h，比實際運行減少了 15. 98t/h。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的 限制，任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為 等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種造紙廠熱電聯產能量系統優化系統，其特征是，包括用于采集各部門對蒸汽、電能的需求數據并存儲到實時數據庫中的數據采集系統；用于存儲和傳輸數據采集系統采集到的數據的實時數據庫；用于存儲和傳輸優化所需數據及優化后結果數據的關系數據庫；用于對關系數據庫中存儲的生產過程的物料流進行模擬并將模擬結果存儲在關系數據庫的物料流模擬模型庫；用于將關系數據庫中存儲的生產過程的能流數據結合物料流模擬模型庫的模擬結果進行模擬并將模擬結果存儲在關系數據庫中的能流模擬模型庫；用于根據能流模擬模型庫的模擬結果對生產過程中的能流進行優化并將相關信息反饋到人機交互界面用以顯示、監測和提供調度提示的能流優化模型庫；用于生產調度人員與實時數據庫、關系數據庫和能流優化模型庫進行人機交互的人機交互界面；所述數據采集系統與實時數據庫相互連接；實時數據庫與關系數據庫相互連接；關系數據庫分別與能流模擬模型庫、物料流模擬模型庫和人機交互界面相互連接；關系數據庫還與輸入設備運行狀態數據和排產計劃信息的人工輸入端口相連接；物料流模擬模型庫與能流模擬模型庫相連接；能流模擬模型庫與能流優化模型庫相互連接；能流優化模型庫與人機交互界面相互連接；人機交互界面還與實時數據庫相互連接。
2. 根據權利要求1所述的造紙廠熱電聯產能量系統優化系統，其特征是，所述數據采 集系統包括設置在生產和生活輔助車間的SCADA、 PLC和DCS系統及數據采集儀。
3. 根據權利要求1所述的造紙廠熱電聯產能量系統優化系統，其特征是，所述能流優 化模型庫包括通過對汽輪機系統建立優化模型并求解得出汽輪機系統能量優化方案的汽輪機系統 優化模型庫；通過對鍋爐系統建立優化模型并求解得出鍋爐系統能量優化方案的鍋爐系統優化模 型庫；所述汽輪機系統優化模型庫的輸出連接鍋爐系統優化模型庫的輸入。
4. 根據權利要求1所述的造紙廠熱電聯產能量系統優化系統，其特征是，所述人機交 互界面包括設置在鍋爐機組車間的PC機、設置在汽輪機組車間的PC機和造紙廠中心調度 室的PC機。
5. 根據權利要求1所述的造紙廠熱電聯產能量系統優化系統，其特征是，所述實時數 據庫通過以太網從數據采集系統采集相關數據并存儲。
6. —種權利要求1至5所述的造紙廠熱電聯產能量系統優化系統的工作方法，其特征 是，包括如下步驟第一步，由數據采集系統采集各部門對蒸汽、電能的需求信息，存入實時數據庫，供關 系數據庫和人機交互客戶端調用，關系數據庫根據需求從實時數據庫中讀取相關數據并存 儲在關系數據庫，訂單排產計劃和生產維護計劃也通過人工輸入端口輸入并存儲在關系數 據庫中，供能流模擬模型庫、物料流模擬模型庫和人機交互客戶端調用；第二步，物料流模擬模型庫從關系數據庫中讀取相關的數據進行模擬計算，把計算結 果存儲到關系數據庫中并傳輸到能流模擬模型庫；能流模擬模型庫從關系數據庫中讀取相關的數據，結合物料流模擬模型庫的計算結果進行模擬計算，把計算結果存儲到關系數據 庫中并傳輸到能流優化模型庫；能流優化模型庫中的汽輪機系統優化模型庫讀取能流模擬 模型庫的計算結果，并從關系數據庫中讀取造紙廠相關設備運行狀態及訂單排產計劃、生 產維護計劃的相關數據，對汽輪發電機組進行優化運行計算，得到汽輪機系統所需最小耗 氣量，存儲到關系數據庫中；能流優化模型庫中的鍋爐優化模型庫根據汽輪機系統優化模 型庫計算得到的汽輪機系統所需最小耗汽量，從而得到鍋爐系統所必須的產汽量，以此作為對鍋爐系統的外界約束，結合關系數據庫中造紙廠相關設備運行狀態及訂單排產計劃、 生產維護計劃的相關數據，以耗煤量最小為目標對鍋爐機組進行優化運行計算，將優化結 果存儲到關系數據庫；第三步，人機交互界面通過以太網從實時數據庫和關系數據庫中讀取相關數據，并顯 示能流優化模型數據庫計算結果、能耗、能效關鍵指標；現場監控系統SCADA和DCS從關 系數據庫獲取優化信息在AUTO模式下對相關設定值進行賦值即可實現系統的自動優化運 行；同時可安裝打印機打印相關信息。
7.根據權利要求6所述的造紙廠熱電聯產能量系統優化系統的工作方法，其特征是， 所述第二步中對汽輪發電機組或鍋爐機組進行優化運行計算是指，采用eTMS程序對汽輪 機系統優化模型或鍋爐系統優化模型進行求解。
全文摘要
本發明公開了一種造紙廠熱電聯產能量系統優化系統及其工作方法，該系統由數據采集系統、實時數據庫、關系數據庫、物料流模擬模型庫、能流模擬模型庫、能流優化模型庫和人機交互界面相互連接組成；該系統通過數據采集系統采集能耗的關鍵數據存入關系數據庫，由物料流模擬模型庫、能流模擬模型庫和能流優化模型庫調用關系數據庫中的數據進行優化，優化結果存入關系數據庫中，由SCADA、DCS等現場控制系統調用自動進行系統的優化。利用本發明的系統可實現熱電聯產能量系統的經濟運行，有效節約能源，降低運行成本或提高利潤。
文檔編號G06Q10/00GK101739610SQ20091019425
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月30日 優先權日2009年11月30日
發明者劉煥彬, 周艷明, 尹勇軍, 張占波, 李繼庚, 陶勁松 申請人:華南理工大學