关键词:
分时电价
废钢铁
废钢铁配料
废钢铁生产调度
鲁棒线性规划
摘要:
我国是钢铁生产和消耗大国,钢铁工业粗放型生产方式以及国民经济的高速发展,导致钢铁产能过剩、钢铁产品大量囤积,为此,钢铁业提出了减少粗钢生产、增加废钢铁生产比的结构调整方案。近年来,气候变暖问题引起世界关注,各个国家纷纷制定减排目标,以承担相应的减排义务,国家层面的减排目标必然要分解到企业生产运营层面上,才能得以落实,钢铁生产具有高能耗、高排放的特点,探寻节能减排的绿色生产发展道路是钢铁企业不可推卸的责任和义务。相对于以铁矿石为主要原料、以高炉和转炉为主要冶炼设备的“长流程”炼钢,以废钢铁为主要原料、以电弧炉为主要冶炼设备的“短流程”炼钢,是更为节能、减排、环保且大量消纳废钢铁的绿色生产方式。但是,我国用电负荷过高,电力成本一直居高不下,电力政策和电力成本一直以来制约着以电力为主要能源的“短流程”炼钢的发展。冶炼生产调度是废钢铁重新实现其价值的核心步骤,配料是冶炼生产前的关键环节,两者相互影响、紧密相关。因此,本文对分时电价下废钢铁配料和生产调度集成优化问题的研究具有重要的学术价值和实践意义。本文综合利用生产调度、运筹学、鲁棒线性规划相关理论,围绕分时电价下废钢铁配料和生产调度集成优化相关问题进行研究。首先分别研究了废钢铁配料优化问题和分时电价下废钢铁生产调度优化问题,实现废钢铁配料系统和废钢铁生产调度系统的局部优化,为后续研究奠定基础,然后从整体角度对分时电价下废钢铁配料和生产调度集成优化问题进行进一步探索。具体的研究内容如下:(1)本文从废钢铁配料优化问题、考虑能源因素的车间生产调度问题、钢铁/废钢铁生产调度问题、鲁棒线性规划问题四个方面进行文献综述。其中,考虑能源因素的车间生产调度问题,主要从分时电价下单一外部电网供电的车间生产调度问题、考虑可再生能源供电的车间生产调度问题两方面详细展开阐述;对于钢铁/废钢铁生产调度问题,主要从静态钢铁/废钢铁生产调度问题、动态钢铁/废钢铁生产调度问题、分时电价下单一外部电网供电的钢铁/废钢铁生产调度问题、考虑可再生能源供电的钢铁/废钢铁生产调度问题四个方面展开阐述,以期为后续研究提供理论依据。(2)对废钢铁配料过程中的不确定性因素进行分析,在此基础上,研究了考虑金属元素浓度不确定的废钢铁配料优化问题。以废钢铁和铁合金使用成本最小化为目标,构建了求解问题的鲁棒线性优化模型,在假设随机参数在“有界不确定”和“有界对称不确定”两种集合中取值的情况下,基于鲁棒线性规划相关理论,将鲁棒优化模型转化成两种集合下的确定等价模型。通过数值分析,验证了模型的可行性和有效性,分析了模型中重要参数对目标函数的影响。(3)分析了废钢铁生产调度流程的特点,将其归结为带有特殊生产工艺约束的混合流水车间调度问题。在此基础上,考虑到炼钢厂生产用电来自于单一外部电网供电的情况,研究了分时电价下废钢铁生产调度优化问题。以最小化分时电价成本为目标,构建了求解问题的混合整数线性规划模型。通过数值分析,验证了模型的可行性和有效性,分析了分时电价对生产调度、生产用电情况的影响。(4)在(3)的研究基础上,进一步考虑到炼钢厂生产用电同时来自于外部电网供电和内部可再生能源供电的情况,研究了分时电价下废钢铁生产调度优化问题。以最小化可再生能源发电成本、分时电价成本、电池储能系统运营成本为目标,构建了求解问题的鲁棒混合整数线性优化模型,基于鲁棒线性规划相关理论,将其转化为确定等价形式。通过数值分析,验证了模型的可行性和有效性,分析了可再生能源发电及其不确定性对废钢铁生产调度电力相关成本、生产调度活动、生产用电情况的影响,探讨了分时电价下电网供电、可再生能源供电、电池储能系统充/放/储电之间的关系。(5)在(2)和(3)的研究基础上,考虑到炼钢厂生产用电来自于单一外部电网供电的情况,以及废钢铁配料过程中金属元素浓度的不确定性,研究了分时电价下废钢铁配料和生产调度集成优化问题。以分时电价成本、生产调度准备成本、废钢铁使用成本、铁合金使用成本最小化为目标,采用模块建模方法,构建了求解问题的鲁棒混合整数线性优化模型,并将其转化为两种确定等价形式。通过数值分析,验证了模型的可行性和有效性,分析了金属元素浓度不确定性对生产成本的影响、分时电价对生产调度的影响、电价波动对废钢铁和铁合金使用量及准备次数的影响。(6)在(4)和(5)的研究基础上,考虑到炼钢厂生产用电同时来自于外部电网供电和内部可再生能源供电的情况,以及废钢铁配料过程中金属元素浓度的不确定性、可再生能源发电的不确定性,研究了分时电价下废钢铁配料和生产调度集成优化问题。以可再生能源发电成本、分时电价成本、电池储能系统运营成本、生产调度准备成本、废钢铁使用成本、铁合金使用成本最小化为目标,采用模块建模方法,构建了求解问题的鲁棒混合整数线性优化模型,并将其转化为两种确定等价模型。通过数值分析,验