专利名称：钢铁企业煤气动态仿真系统的制作方法
技术领域：
本发明属于冶金能源仿真技术领域，提供了一种钢铁企业煤气动态仿真系统，对钢 铁企业能源介质煤气的产生、运输、存储和消耗的动态过程仿真，用于模拟钢铁企业能 源介质煤气系统的动态过程。
背景技术：
国家对我国2010年单位GDP能耗、污染物排放总量规定有约束性指标，钢铁行业 迅速发展也加剧了国内能源、资源紧张，并造成了严重的环境污染。钢铁工业总能耗约 占全国的15%，是耗能、耗水和排污的大户，同时也是节能减排潜力最大的行业之一。
我国煤炭资源比较丰富，钢铁企业能源结构以煤为主，副产煤气量占总能耗的30 40%，是钢铁企业能源收入的重要部分，对能源系统的平衡和调节起到重要作用。钢铁 制造流程是一个有序、动态的运行结构，能源介质煤气的发生和使用存在瞬时的不平衡， 用静态的工序、装置排列等孤立、静止的方法研究具有一定的片面性和局限性。仿真技 术利用多领域专业技术知识，以动态生产过程和众多工序有机结合的整个生产流程系统 为研究对象，提供对钢铁企业的煤气系统进行动态的、全面的研究和分析的工具和手段。 从而提高钢铁企业能源利用效率，优化能源平衡，回收生产环节中放散的能源和能量， 最终不仅有利于降低生产成本，提高企业市场竞争力，也有益于环境保护和可持续发展。目前，国内外针对钢铁企业煤气系统仿真的研究有钢铁企业某段时间煤气平衡，各 工序煤气产生、消耗模型和煤气平衡调度。这些仿真研究大多是针对煤气在较长一段时 间内的静态研究，仅转炉工序涉及到了动态的煤气的产生，以上工作对于动态、全面的 研究钢铁企业煤气系统有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢铁企业煤气动态仿真系统，用于模拟钢铁企业能源 介质煤气的产生、运输、存储和消耗过程。
本发明从煤气介质涉及的各个生产工序着手，对各个生产工序煤气介质的产生和 消耗动态过程进行建模，同时考虑煤气柜对煤气的存储、调节，以及煤气管网的运输 过程，在生产物流的基础上，将煤气系统各环节集成起来，实现对钢铁企业煤气动态 产生、消耗、存储和运输的模拟，同时提供煤气调度的接口，使仿真系统可接受调度 命令，对煤气平衡进行实时调度，实现了钢铁企业煤气动态仿真系统对煤气调度的支 持，该系统不仅可以仿真煤气介质的发生、消耗、存储和运输过程，还可以验证煤气 调度算法的合理性和实施效果。
本发明由Ethernet局域网络17连接的钢铁企业各煤气产生和消耗工序仿真机、煤 气调度仿真器14、煤气管网仿真机15和监控显示设备16。
煤气产生和消耗工序仿真机分为煤气产生工序仿真机、主生产工序煤气消耗仿真 机、辅助工序煤气消耗仿真机、和煤气调节用户仿真机4种类型；煤气产生工序仿真 机模拟焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气的产生，主生产工序煤气消耗仿真机模拟煤气
在主生产工序的消耗，辅助工序煤气消耗仿真机模拟煤气在辅助工序的消耗，煤气调
节用户仿真机模拟煤气在煤气调节用户发电厂和锅炉的消耗；各煤气产生和消耗工序
仿真机分别通过局域网络17与煤气管网仿真机15交互煤气的产生和消耗情况，共同 构成钢铁企业煤气系统。
煤气产生和消耗工序仿真机包括转炉工序仿真机l、焦炉工序仿真机2、高炉工 序仿真机3、竖炉工序仿真机4、烧结工序仿真机5、加热炉工序仿真机6、退火炉工 序仿真机7、混铁炉工序仿真机8、烘烤工序仿真机9、超细粉工序仿真机10、石灰 窑工序仿真机11、发电厂煤气消耗仿真机12和锅炉煤气消耗仿真机13。
其中，转炉工序仿真机1实现转炉生产过程中在吹氧阶段转炉煤气的产生和回收 过程的动态仿真；焦炉工序仿真机2实现焦炉生产过程中焦炉煤气的产生和回收过程 的动态仿真，同时也对焦炉在生产过程中煤气的消耗进行了动态仿真；高炉工序仿真 机3实现高炉生产过程高炉煤气的产生和回收过程的动态仿真，同时对高炉生产中的 热风炉以及喷煤工序对煤气的消耗进行了动态仿真；竖炉工序仿真机4实现了竖炉工 序在球团矿生产过程中煤气消耗的动态仿真；烧结工序仿真机5实现了烧结机在烧结 矿生产过程中煤气消耗的动态仿真；加热炉工序仿真机6实现了加热炉在铸坯加热和 保温过程中煤气消耗的动态仿真；退火炉工序仿真机7实现了钢铁制品在退火过程中 煤气消耗的动态仿真；混铁炉工序仿真机8实现了混铁炉在铁水保温过程中煤气消耗 的动态仿真；超细粉工序仿真机10实现了超细粉生产过程中煤气消耗的动态仿真； 石灰窑工序仿真机11实现了石灰窑生产过程中煤气消耗的动态仿真；发电厂煤气消 耗仿真机12实现了发电过程中煤气消耗的动态仿真；锅炉煤气消耗仿真机13实现了 锅炉燃烧过程中煤气消耗的动态仿真；煤气调度仿真器14扮演了煤气调度的角色； 煤气管网仿真机15实现了煤气在钢铁企业内部管网的动态仿真；监控显示设备16以 图形化的形式对钢铁企业煤气系统动态进行显示。
从功能上讲，本发明仿真了钢铁企业副产煤气在其生产、消耗、运输、存储相关 工序随时间的动态运行规律，并提供了煤气系统调度功能，可对钢铁企业煤气系统进 行动态调度，从而验证调度算法、查看调度效果，为煤气系统的研究提供工具和手段， 为动态平衡及动态调度提供指导和参考。
副产煤气产生和消耗工序仿真机是该发明的主要部分，分为煤气产生工序仿真机
(转炉工序仿真机l、焦炉工序仿真机2、高炉工序仿真机3)，主生产工序煤气消耗 仿真机(竖炉工序仿真机4、烧结工序仿真机5、加热炉工序仿真机6、退火炉工序仿 真机7)，辅助工序煤气消耗仿真机(混铁炉工序仿真机8、烘烤工序仿真机9、超细 粉工序仿真机10、石灰窑工序仿真机11)和煤气调节用户仿真机(发电厂煤气消耗 仿真机12和锅炉煤气消耗仿真机13) 4种类型。其中焦炉工序仿真机2和高炉工序 仿真机3既仿真煤气的产生过程，也仿真煤气的消耗过程。这些煤气产生(消耗)工 序仿真机具有相似的结构，包括工序参数设置35、生产过程物流仿真36、算法模型 库37、煤气产生(消耗)计算38、煤气产生消耗模型39、时钟管理40、日志41、仿 真过程通讯42和仿真系统发布43子系统。其中工序参数设置35完成对该工序设备、 工艺等生产参数的设置，使仿真机可根据不同的参数进行仿真计算，使仿真过程具有 一定的通用性；生产过程物流仿真36完成对该工序各个生产阶段的生产过程仿真， 钢铁制造流程中，物流是基础，能源的产生和消耗是在物流的基础上进行的，因此， 能源介质煤气的动态仿真也是以生产过程为基础的；算法模型库37保存了该工序生 产过程中的各种计算模型；煤气产生(消耗)计算38实现了煤气动态仿真过程，煤 气的动态仿真是以工序生产阶段为基础，根据煤气产生消耗模型39进行计算；煤气 产生消耗模型39保存了该工序煤气动态计算过程中的各种计算参数和模型，该模型 库对各种模型和参数进行统一管理，模型可灵活替换，这种可替换性可使系统方便地 使用第三方提供来提高系统精度；时钟管理40实现在时间轴上推进系统的运行，维 护仿真时钟及时间场景；日志41记录仿真过程发生的主要事件，日志信息可以组态， 也可以被关闭；仿真过程通讯42仿真了该工序煤气动态仿真过程与调度之间的交互， 它通过抽象各种调度指令定义了一系列消息，工序仿真根据消息的内容组织生产；仿 真信息发布43将仿真信息动态以广播的形式向外部发送。
煤气调度仿真器14模拟了钢铁厂生产计划和煤气平衡调度的角色，为系统提供了 物流生产的运行基础，以及煤气系统动态调度命令。它包括生产计划管理18、煤气平 衡计算19、调度算法库20、人机交互接口21和仿真过程通讯22。
煤气管网仿真机15模拟钢铁企业内部煤气管网的运行规律，包括煤气管网参数设 置23、煤气管网模型库24、煤气管道仿真25、煤气加压站仿真26、煤气混合站仿真 27、煤气柜仿真28、时钟管理29、日志30、仿真过程通讯31和仿真信息发布32。 其中煤气管网参数设置23设置了煤气管网仿真计算的各种参数，包括管道类型、直 径、长度、各种阀门类型，煤气柜的类型、容量和形状，加压站中泵与风机的运行参 数，煤气混合站的煤气种类及混合要求；煤气管网模型库24定义了管网计算的各种 模型；煤气管道仿真25对管道的存储量、压力、流量进行了仿真；煤气加压站仿真 26对煤气进出加压站的压力和流量进行了仿真；煤气混合站仿真27对煤气进出混合 站的压力、流量及热值进行了仿真；煤气柜仿真28对煤气的进出流量、煤气柜压力、 柜位及煤气柜的放散进行了仿真；时钟管理29、日志30、仿真过程通讯31和仿真信 息发布32与工序仿真机中的相同名称的模块完成相似的功能。
监控显示设备16提供了煤气系统的可视化界面。通过局域网络17接收各工序仿 真机发布的仿真过程数据，获得目前副产煤气的发生、消耗和存储状况。监控显示设 备16与仿真过程完全分离，仅通过局域网络17用定义好的数据进行交互。 本发明的优点在于
1、 对能源介质煤气相关工序的仿真以生产阶段为基础，时间粒度达到分钟，反 映了煤气发生、消耗和存储的瞬时不平衡，提供了研究煤气系统动态性能的基础。
2、 煤气调度作为煤气动态仿真系统一部分，仿真系统可响应调度指令，可验证 调度算法的有效性和合理性，并给出调度的运行效果，为调度的研究提供参考和指导。3、 通过对钢铁企业煤气系统的建模，将各企业煤气系统的差异部分变为可输入
的参数，例如煤气柜容量、各相关工序的产能及设备工艺情况、煤气混合站结构形式 和调节方式等，煤气动态仿真系统根据以上参数对系统进行设置，因此本发明具有很 好的通用性。
4、 本发明提供了钢铁企业煤气系统的研究工具和手段，可用来支持煤气动态平衡 调度、相关工序检修计划制定、煤气系统相关工序和设备改造决策等工作。
图1是钢铁企业煤气动态仿真系统结构图。 图2是煤气产生(消耗)工序仿真机结构图。
具体实施例方式
首先煤气调度仿真器14自动或通过人机交互接口 21由用户选择生产计划，通过 仿真过程通讯22将生产计划下达到各个生产工序，包括转炉工序仿真机l、焦炉工序 仿真机2、高炉工序仿真机3、竖炉工序仿真机4、烧结工序仿真机5、加热炉工序仿 真机6、退火炉工序仿真机7、混铁炉工序仿真机8、烘烤工序仿真机9、超细粉工序 仿真机IO、石灰窑工序仿真机ll、发电厂煤气消耗仿真机12和锅炉煤气消耗仿真机 13;各生产工序则通过仿真过程通讯42接收煤气调度仿真器14的生产计划，按照工 序参数设置35确定各自的设备工艺参数，生产过程物流仿真36在算法模型库37的 基础上，根据生产计划进行生产过程仿真，同时煤气产生(消耗)计算38根据煤气 产生(消耗)煤气39计算煤气产生和消耗，并通过仿真过程通讯42将仿真结果传送 到煤气调度仿真器14和煤气管网仿真机15，通过仿真信息发布43将显示信息发送到 监控显示设备16供其进行图形化显示；仿真过程中，各工序仿真机与煤气管网仿真 机15通过网络17进行通讯，交换彼此煤气仿真结果；煤气管网仿真机在初始化时通 过煤气管网参数设置23确定其各种参数，仿真过程中以煤气管网模型库24为基础， 通过仿真过程通讯31获得煤气数据，煤气管道仿真25对管道的存储量、压力、流量 进行仿真，煤气加压站仿真26对煤气进出加压站的压力和流量进行仿真，煤气混合 站仿真27对煤气进出混合站的压力、流量及热值进行仿真，煤气柜仿真28对煤气的 进出流量、煤气柜压力、柜位及煤气柜的放散进行仿真；仿真过程中，煤气调度仿真 器14中的煤气平衡计算19对煤气的平衡情况进行评估，并依据调度算法库20中的 算法对煤气进行调度，如发布调度命令给煤气管网仿真机15关闭或开通相应的阀门 对煤气的走向进行调节，煤气管网仿真机15则根据调度指令进行仿真。这样，煤气 动态仿真系统就对钢铁企业副产煤气的产生、运输、存储和消耗的动态过程进行了模 拟仿真，并响应了煤气调度指令，给出调度的运行效果。
权利要求
1、一种钢铁企业煤气动态仿真系统，其特征在于，系统由Ethernet局域网络(17)连接的钢铁企业各煤气产生和消耗工序仿真机、煤气调度仿真器(14)、煤气管网仿真机(15)和监控显示设备(16)；煤气产生和消耗工序仿真机分为煤气产生工序仿真机、主生产工序煤气消耗仿真机、辅助工序煤气消耗仿真机、和煤气调节用户仿真机4种类型；煤气产生工序仿真机模拟焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气的产生，主生产工序煤气消耗仿真机模拟煤气在主生产工序的消耗，辅助工序煤气消耗仿真机模拟煤气在辅助工序的消耗，煤气调节用户仿真机模拟煤气在煤气调节用户发电厂和锅炉的消耗；各煤气产生和消耗工序仿真机分别通过局域网络(17)与煤气管网仿真机(15)交互煤气的产生和消耗情况，共同构成钢铁企业煤气系统；煤气调度仿真器(14))模拟了钢铁厂生产计划和煤气平衡调度的角色，为系统提供了物流生产的运行基础，以及煤气系统动态调度命令；煤气管网仿真机(15)实现了煤气在钢铁企业内部管网的动态仿真；监控显示设备(16)以图形化的形式对钢铁企业煤气系统动态进行显示，通过局域网络(17)接收各工序仿真机发布的仿真过程数据，获得目前副产煤气的发生、消耗和存储状况；监控显示设备(16)与仿真过程完全分离，仅通过局域网络(17)用定义好的数据进行交互。
2、 按照权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，煤气产生工序仿真机包括转 炉工序仿真机(1)、焦炉工序仿真机(2)、高炉工序仿真机(3);转炉工序仿真机(1)实现转炉生产过程中在吹氧阶段转炉煤气的产生和回收过程的动态仿真；焦炉 工序仿真机(2)实现焦炉生产过程中焦炉煤气的产生和回收过程的动态仿真，同时 也对焦炉在生产过程中煤气的消耗进行了动态仿真；高炉工序仿真机(3)实现高炉生 产过程高炉煤气的产生和回收过程的动态仿真，同时对高炉生产中的热风炉以及喷 煤工序对煤气的消耗进行了动态仿真。
3、 按照权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，主生产工序煤气消耗仿真机 包括竖炉工序仿真机(4)、烧结工序仿真机(5)、加热炉工序仿真机(6)、退火炉 工序仿真机(7);竖炉工序仿真机(4)实现了竖炉工序在球团矿生产过程中煤气消耗 的动态仿真；烧结工序仿真机(5)实现了烧结机在烧结矿生产过程中煤气消耗的动态 仿真；加热炉工序仿真机(6)实现了加热炉在铸坯加热和保温过程中煤气消耗的动态 仿真；退火炉工序仿真机(7)实现了钢铁制品在退火过程中煤气消耗的动态仿真。
4、 按照权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，辅助工序煤气消耗仿真机包 括混铁炉工序仿真机(8)、烘烤工序仿真机(9)、超细粉工序仿真机(10)、石灰窑 工序仿真机(11);混铁炉工序仿真机(8)实现了混铁炉在铁水保温过程中煤气消耗的 动态仿真；超细粉工序仿真机(10)实现了超细粉生产过程中煤气消耗的动态仿真；石 灰窑工序仿真机(ll)实现了石灰窑生产过程中煤气消耗的动态仿真；
5、 按照权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，煤气调节用户仿真机包括发 电厂煤气消耗仿真机(12和锅炉煤气消耗仿真机(13);发电厂煤气消耗仿真机(12) 实现了发电过程中煤气消耗的动态仿真；锅炉煤气消耗仿真机(13)实现了锅炉燃烧过 程中煤气消耗的动态仿真。
6、 按照权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，焦炉工序仿真机(2)和高炉 工序仿真机(3)仿真煤气的产生过程和仿真煤气的消耗过程；这些煤气产生或消耗 工序仿真机具有相似的结构，包括工序参数设置(35)、生产过程物流仿真(36)、 算法模型库(37)、煤气产生或消耗计算(38)、煤气产生消耗模型(39)、时钟管理(40)、日志(41)、仿真过程通讯(42)和仿真系统发布(43)子系统；其中工序 参数设置(35)完成对该工序设备、工艺等生产参数的设置，使仿真机可根据不同 的参数进行仿真计算，使仿真过程具有一定的通用性；生产过程物流仿真(36)完 成对该工序各个生产阶段的生产过程仿真，钢铁制造流程中，物流是基础，能源的 产生和消耗是在物流的基础上进行的，因此，能源介质煤气的动态仿真也是以生产 过程为基础的；算法模型库(37)保存了该工序生产过程中的各种计算模型；煤气 产生或消耗计算(38)实现了煤气动态仿真过程，煤气的动态仿真是以工序生产阶 段为基础，根据煤气产生消耗模型(39)进行计算；煤气产生消耗模型(39)保存 了该工序煤气动态计算过程中的各种计算参数和模型，该模型库对各种模型和参数 进行统一管理，模型可灵活替换，这种可替换性可使系统方便地使用第三方提供来 提高系统精度；时钟管理(40)实现在时间轴上推进系统的运行，维护仿真时钟及 时间场景；日志(41)记录仿真过程发生的主要事件，日志信息可以组态，或者被关闭； 仿真过程通讯(42)仿真了该工序煤气动态仿真过程与调度之间的交互，它通过抽 象各种调度指令定义了一系列消息，工序仿真根据消息的内容组织生产；仿真信息 发布(43)将仿真信息动态以广播的形式向外部发送。
7、 按照权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，煤气调度仿真器(14)包括 生产计划管理(18)、煤气平衡计算(19)、调度算法库(20)、人机交互接口 (21) 和仿真过程通讯(22)。
8、 按照权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，煤气管网仿真机(15)模拟 钢铁企业内部煤气管网的运行规律，包括煤气管网参数设置(23)、煤气管网模型库(24)、煤气管道仿真(25)、煤气加压站仿真(26)、煤气混合站仿真(27)、煤气 柜仿真(28)、时钟管理(29)、日志(30)、仿真过程通讯(31)和仿真信息发布(32); 其中煤气管网参数设置(23)设置了煤气管网仿真计算的各种参数，包括管道类型、 直径、长度、各种阀门类型，煤气柜的类型、容量和形状，加压站中泵与风机的运 行参数，煤气混合站的煤气种类及混合要求；煤气管网模型库(24)定义了管网计 算的各种模型；煤气管道仿真(25)对管道的存储量、压力、流量进行了仿真；煤 气加压站仿真(26)对煤气进出加压站的压力和流量进行了仿真；煤气混合站仿真(27)对煤气进出混合站的压力、流量及热值进行了仿真；煤气柜仿真(28)对煤 气的进出流量、煤气柜压力、柜位及煤气柜的放散进行了仿真；时钟管理(29)、日 志(30)、仿真过程通讯(31)和仿真信息发布32与工序仿真机中的相同名称的模 块完成相似的功能。
全文摘要
一种钢铁企业煤气动态仿真系统，属于冶金能源仿真技术领域。系统由Ethernet局域网络连接的钢铁企业各煤气产生和消耗工序仿真机、煤气调度仿真器、煤气管网仿真机和监控显示设备；煤气产生和消耗工序仿真机分为煤气产生工序仿真机、主生产工序煤气消耗仿真机、辅助工序煤气消耗仿真机、和煤气调节用户仿真机4种类型；煤气调度仿真器(14))模拟了钢铁厂生产计划和煤气平衡调度的角色；煤气管网仿真机(15)实现了煤气在钢铁企业内部管网的动态仿真；监控显示设备(16)以图形化的形式对钢铁企业煤气系统动态进行显示。其优点在于相关工序的仿真以生产阶段为基础，时间粒度达到分钟，反映了煤气系统的动态性能，验证调度算法有效性和合理性。
文档编号G06G7/00GK101187967SQ200710178960
公开日2008年5月28日 申请日期2007年12月7日 优先权日2007年12月7日
发明者李华德, 李文兵, 扬 纪 申请人:冶金自动化研究设计院;北京科技大学