本发明涉及化工、冶金行业空分设备的实时优化研究领域，特别的，涉及一种基于模板技术的空分设备变负荷优化方法。
背景技术：
空分装备是冶金、化工、石化、城市市政工程、医疗和航空航天等领域广泛采用的大型装备，与现代工业特别是各种高新技术产业密切相关，其发展规模与技术状况已成为衡量一个国家的工业和科技发展水平的一个重要标志。近年来随着氧、氮、氩等工业气体的需求急增，对空分装置的需求也越来越大。预计到2015年，我国总的空分装置需求量为1050万～1140万Nm3/h氧当量，平均每年新增需求量为104万～114万Nm3/h氧当量。
然而，在工业生产中，气体需求并不是固定不变的，而是呈现周期性、阶段性、间歇式的特点，这导致空分装置生产负荷需要大幅度的变动，以适应需求的变化。以钢铁企业为例，由于工艺的特殊性(如转炉顶吹、间断用氧、高炉富氧连续使用、煤粉喷吹)，其瞬间用氧量很大，且时间不连续；再加上各个转炉大小不同，氧气用量的高峰、低谷的周期也不相同，造成氧气用量需求的极不均衡。用户的不均衡用氧和空气分离过程的复杂特性，导致在缺乏自动变负荷生产优化技术的情况下，生产负荷往往不能及时调整，从而引起生产波动和相伴故障的发生，同时造成大量能耗与经济损失。因此，如何综合应用先进的过程建模、优化控制技术，来实现以变负荷技术为核心的优化控制系统，已成为当今空分行业的一个迫切需求。
技术实现要素：
本发明的目在于克服现有技术存在的不足，而提供一种实现简单，环境依赖性小，原理简洁清晰，稳定性和实时性好，方便于计算机上实现，且灵活性很好，能够更好地满足大型空分设备变负荷生产要求的基于模板技术的空分设备变负荷优化方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于模板技术的空分设备变负荷优化方法，所述的变负荷优化方法是：通过建立含有变量标记以及空分装置机理模型的动态模板，在每次实时优化计算之前从实时数据库中获取实时数据以及负荷信息，然后通过模板引擎解析模板产生当前负荷下对应的机理模型，并将生成的实时数据嵌入其中，最后调用优化求解器对机理模型进行优化求解；在空分装置变负荷生产过程中，可以在优化模型结构不变的前提下，根据操作变量的实施情况及时修正模板参数，以适应不断变化的变负荷生产环境。
作为优选：所述的变负荷优化方法，具体包括如下步骤：
步骤一：根据物料平衡方程式建立空分装置对应不同负荷的一组优化模型，该组中每一个优化模型的表达形式如下：
优化目标：
z＝FobjFGOX,FLOX,FGAN,FLIN,σi,Δii＝1…4
约束条件：
Fcon1FGOX,FLOX,FGAN,FLIN,Y＝0
FuFGOX,FLOX,FGAN,FLIN,Y＜Up
FlFGOX,FLOX,FGAN,FLIN,Y＞Low
其中FGOX为氧气产品流量，FLOX为液氧流量，FGAN为氮气产品流量，FLIN为液氮流量，σi表示修正系数，Δi表示上一阶段实际值和计算输出值的偏差，Fcon1表示等式约束，Fu表示为上界约束方程，Fl表示为下界约束方程，Y表示操作变量，Up表示左侧变量的上界约束向量，Low表示左侧变量的下界约束向量；
步骤二：建立用作空分设备实时优化的动态工作模板Template＝T，其中包括：变量标记，差分变量标记，条件标记，常量，优化模型参数。
步骤三：根据需要从现场实时数据库中获取反映生产负荷的关键参数以及阶段目标设定值，然后利用此数据对步骤二所建立的动态工作模板进行模板解析，将工作模板中的标记替换成反映实际工况条件的实时信息，并将其嵌入到用于最终求解的优化模型中；
步骤四：调用求解器对步骤三所产生的反应空分设备当前工况的优化模型进行优化求解；
步骤五：根据步骤四所述的空分装置操作点优化命题计算是否收敛判断求解是否成功；若优化命题计算收敛则跳至步骤六；如果计算过程不收敛、求解失败或者求解时间超过优化时间T则跳至后面的步骤八；
步骤六：将空分设备最优操作点计算结果输入现场实时数据库；
步骤七：等待操作人员确认工况稳定后，计算上一阶段输出变量与实际值的偏差并获取下一阶段的变负荷目标设定值并返回步骤三；直到变负荷过程完成，操作人员退出系统；
步骤八：等待操作人员重新输入下一阶段的变负荷目标设定值。
作为优选：所述的步骤二中，所述变量标记参数表示模板在解析的时候需要使用实时生产数据进行替换的变量，差分变量参数标记表示模板在解析的时候需要使用实时生产数据的当前值与前一时刻的采样值做差分后进行替换的变量；条件标记参数表示模板在解析的时候根据标记所设定的条件选择是否使用条件标记中设定的内容；常量参数表示数学模型中与工艺相关的代数常量；优化模型参数表示步骤一所建立的优化模型集合中最匹配当前负荷的优化模型。
本发明的有益技术效果是：
1)本发明通过模板将生产实时数据传递到数据模型中进行优化计算，在传统方法无法进行实时优化的情况下，此方法实现了空分生产过程的实时优化；
2)本发明实现简单，环境依赖性小；
3)本发明原理简洁清晰，方便于计算机上实现，且灵活性很好，能够更好地满足大型空分设备变负荷生产的复杂要求。
附图说明
图1为空分设备基于模板技术的实时优化系统的示意图。
具体实施方式
以下参照本发明的附图对本发明作更详细的描述。但是本发明也可以以许多不同形式实施，因此不应认为它局限于说明书列出的实施例，相反，提供这种实施例是为了说明本发明的实施和完全，以及能向本领域的技术人员描述本发明的具体实施过程。
如图1所示，本发明包括OPC(OLE for Process Control)Server，一套针对非线性规划问题的专用求解器(GAMS)，以及用与传递生产数据进行实时优化的工作模板。首先通过OPC Server获取现场生成数据，然后通过模板解析引擎工作模板得到对应当前实际工况的工艺机理模型文件。最后调用GAMS求解器进行优化求解得到一系列最优操作变量。最后将这些最优操作变量值通过OPC Server送入现场APC先进控制器作为最优设定值。
本发明所述的一种基于模板技术的空分设备变负荷优化方法，该变负荷优化方法是：通过建立含有变量标记以及空分装置机理模型的动态模板，在每次实时优化计算之前从实时数据库中获取实时数据以及负荷信息，然后通过模板引擎解析模板产生当前负荷下对应的机理模型，并将生成的实时数据嵌入其中，最后调用优化求解器对机理模型进行优化求解；在空分装置变负荷生产过程中，可以在优化模型结构不变的前提下，根据操作变量的实施情况及时修正模板参数，以适应不断变化的变负荷生产环境。
本发明所述的变负荷优化方法，具体包括如下步骤：
步骤一：根据物料平衡方程式建立空分装置对应不同负荷的一组优化模型，该组中每一个优化模型的表达形式如下：
优化目标：
z＝FobjFGOX,FLOX,FGAN,FLIN,σi,Δii＝1…4
约束条件：
Fcon1FGOX,FLOX,FGAN,FLIN,Y＝0
FuFGOX,FLOX,FGAN,FLIN,Y＜Up
FlFGOX,FLOX,FGAN,FLIN,Y＞Low
其中FGOX为氧气产品流量，FLOX为液氧流量，FGAN为氮气产品流量，FLIN为液氮流量，σi表示修正系数，Δi表示上一阶段实际值和计算输出值的偏差，Fcon1表示等式约束，Fu表示为上界约束方程，Fl表示为下界约束方程，Y表示操作变量，Up表示左侧变量的上界约束向量，Low表示左侧变量的下界约束向量；
步骤二：建立用作空分设备实时优化的动态工作模板Template＝T，其中包括：变量标记，差分变量标记，条件标记，常量，优化模型参数。
步骤三：根据需要从现场实时数据库中获取反映生产负荷的关键参数以及阶段目标设定值，然后利用此数据对步骤二所建立的动态工作模板进行模板解析，将工作模板中的标记替换成反映实际工况条件的实时信息，并将其嵌入到用于最终求解的优化模型中；
步骤四：调用求解器对步骤三所产生的反应空分设备当前工况的优化模型进行优化求解；
步骤五：根据步骤四所述的空分装置操作点优化命题计算是否收敛判断求解是否成功；若优化命题计算收敛则跳至步骤六；如果计算过程不收敛、求解失败或者求解时间超过优化时间T则跳至后面的步骤八；
步骤六：将空分设备最优操作点计算结果输入现场实时数据库；
步骤七：等待操作人员确认工况稳定后，计算上一阶段输出变量与实际值的偏差并获取下一阶段的变负荷目标设定值并返回步骤三；直到变负荷过程完成，操作人员退出系统；
步骤八：等待操作人员重新输入下一阶段的变负荷目标设定值。
本发明所述的步骤二中，所述变量标记参数表示模板在解析的时候需要使用实时生产数据进行替换的变量，差分变量参数标记表示模板在解析的时候需要使用实时生产数据的当前值与前一时刻的采样值做差分后进行替换的变量；条件标记参数表示模板在解析的时候根据标记所设定的条件选择是否使用条件标记中设定的内容；常量参数表示数学模型中与工艺相关的代数常量；优化模型参数表示步骤一所建立的优化模型集合中最匹配当前负荷的优化模型。
实施例：
以江苏某钢厂气体公司二万空分装置为例，采用模板技术对空分装置生产过程进行实时优化，包含在计算机系统以下的实行步骤：
步骤一：选择输出变量为产品产量FGOX、FLOX、FGAN和FLIN。操作变量为FAIR、FTURBINE、FHPAIR、FWN2、FLAR、FGAR根据物理平衡建立工况优化模型如下：
Min：
z＝sqrFLOX+δ1ΔLOX-FLOXSP1600+sqrFGOX+δ2ΔGOX-FGOXSP20000+sqrFLIN+δ3ΔLIN-FL
INSP1600+sqrFGAN+δ4ΔGAN-FGANSP40000
s.t
FkXi,Yj＝0(i＝1…4,j＝1…6,k＝高,中,低)
12000,0,24000,0T＜X＜[24000,1680,48000,1680]T
[61980,7250,17250,20000,50,400]T＜Y＜[123960,34500,34500,64000,600,400]T
其中：FLOX表示产品液氧流量，FGOX表示产品氧气流量，FLIN表示产品液氮流量，FGAN表示产品氮气流量，δ1、δ2、δ3、δ4分别表示四个输出变量的修正系数(本例设置为0.92,0.95,1.02,1.17)，ΔLOX、ΔGOX、ΔLIN、ΔGAN表示上一阶段产品的实际值与计算输出值的偏差，FAIR表示总空气流量，FTURBINE表示膨胀空气流量，FHPAIR表示高压空气流量，FWN2表示污氮流量，FLAR表示液氩流量，FGAR表示粗氩流量,X表示输出变量列向量，Y表示操作变量列向量,Fk表示典型负荷对应的优化模型。下标k表示对应负荷段。FLOXSP，FGOXSP，FLINSP，FGANSP表示当前目标产量设定值根据实际负荷来进行取值，取值表如下：
表一：不同负荷段取值表
注：不在负荷取值表中的负荷下对应的阶段产量目标取值可以根据负荷表进行线性插值计算得出。
步骤二：使用模板的变量标记替换步骤一建立的输入变量和操作变量，用以连接机理模型和实际生产数据。其对应替换表格如下：
表二：变量标记对照表
步骤三：工作人员需要对生产操作进行实时优化时，启动系统。
步骤四：系统的模板引擎通过OPC接口采集生产数据并利用步骤一建立的优化模型集产生当前负荷对应的优化模型。
步骤五：根据步骤四产生的对应当前负荷的空分装置操作点优化命题计算是否收敛判断求解是否成功。若优化命题计算收敛则跳至步骤六。如果计算过程不收敛、求解失败或者求解时间超过六十秒则跳至步骤七。
步骤六：将优化计算得出的最优操作变量输出到工厂OPC服务器中
步骤七：等待操作人员确认工况稳定后，计算上一阶段输出变量与实际值的偏差并获取下一阶段的变负荷目标设定值并返回步骤四。直到变负荷过程完成操作人员退出系统。
步骤八：等待操作人员输入另外一组阶段目标值。
如上所述，本发明也可以以许多不同形式实施，因此不应认为它局限于说明书列出的实施例。本发明采用的方法原理简洁清晰，方便于计算机上实现，且灵活性很好，能够很好的满足空分设备实时优化快速性、安全性等要求。