考虑分时电价与工况波动的钢铁企业燃气-蒸汽-电力系统自适应调度方法

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Adaptive scheduling method for gas-steam-power systems in steel enterprises considering time-of-use electricity pricing and operational fluctuations

　　

• 模式向量将分时电价与生产工况相结合，用于煤气-蒸汽-电力（GSP）系统的调度优化。• 动态理想储气柜运行轨迹实现了跨时段储气优化。• 多目标混合整数线性规划（MILP）模型平衡了运行成本、系统稳定性和能源利用效率。• 自适应权重可根据不同运行场景调整优化优先级。• 案例分析表明，该方法可实现4.97%–6.16%的成本降低和5.25%–6.25%的能效提升。

引言

在碳中和目标和能源转型的大背景下，建立可持续、低碳、高效的能源管理体系已成为实现碳中和的先决条件[1]、[2]。钢铁行业是全球最大的工业能源消费部门之一，约占全球工业碳排放量的25%，因此已成为工业低碳转型的重点领域[3]。钢铁生产过程中产生的大量副产煤气、余热和蒸汽构成了重要的内部二次能源资源。在焦化、炼铁和炼钢过程中分别产生焦炉煤气（COG）、高炉煤气（BFG）和转炉煤气（BOFG）等副产煤气，其产量与设备运行工况和产能密切相关[4]、[5]。在满足主要生产工序用气需求后，富余煤气通过煤气-蒸汽-电力联产系统（GSP系统）转化为蒸汽和电力，实现能源的梯级利用——这是提高能源效率、推进低碳运营的关键途径[6]、[7]。

分时电价（TOU）作为电力系统中广泛采用的机制，将一天划分为峰、平、谷时段并实施差异化电价[8]、[9]。这导致外购电力成本随时间产生显著波动，并频繁改变自发电与外购电之间的经济边界。在考虑生产工况驱动的煤气产量和利用量波动的同时，有效应对分时电价变化已成为能源转换与管理面临的核心挑战。

钢铁企业是典型的多能互补系统，其中副产煤气的调度不仅涉及煤气分配，也是多能协同优化的关键组成部分。现有研究主要关注系统稳定性和经济性目标，通常采用混合整数线性规划（MILP）模型进行煤气分配，并通过惩罚因子来抑制储气柜液位波动或减少锅炉启停频率[10]–[20]。尽管这些研究改进了煤气调度优化，但通常假设电价为常数，限制了其对价格驱动的煤气调节行为的捕捉能力。

随着分时电价的广泛实施，储气柜在动态价格响应中的作用受到关注，它相对于发电计划提供了煤气储存和释放的跨时段灵活性。Hu研究了储气柜策略与分时电价之间的耦合关系[21]，Wei证明价格变化显著影响储气策略[22]。Yu开发了考虑内部生产约束的GSP耦合调度模型，将GSP系统抽象为虚拟电厂，以优化天然气、蒸汽和电力的分配，从而降低成本。Zhao通过分析储气设备与现场电站之间的优化协调，探讨了储气柜稳定性与电力采购成本之间的权衡关系，实现了整体锅炉效率3.3%的提升[23]。Hao在分时电价条件下构建了MILP模型，利用储气柜储气将煤气转电在不同TOU时段之间转移，以平衡成本降低和系统稳定性[24]；Zeng引入了动态惩罚因子来增强调度灵活性，并解决煤气调度中的刚性问题[25]。Seok提出利用电弧炉作为可控单元进行柔性负荷管理[26]；He通过实际钢铁厂数据进行了经济验证，展示了副产煤气发电的峰谷利用潜力[27]；Zhao进一步将锅炉和储气柜惩罚因子纳入模型，利用储气柜体积标准差和设备总切换次数评估调度稳定性[28]。这些研究主要采用价格响应型调度，以储气柜被动跟踪的方式，在动态电价下考察储能对调度的影响。

近年来，优化工业多能互补系统运行已成为实现可持续发展的核心议题。相关研究已拓展至多目标调度、多能中心协同优化以及整合可再生能源和智能电网的鲁棒优化[29]–[35]。总体而言，这些研究揭示了一种从单一介质效率优化向多目标、多约束的能源-资源-环境系统协同优化发展的趋势。

在钢铁生产中，生产负荷的频繁波动导致副产煤气供需出现动态失衡，这对多能互补系统的稳定运行构成了严峻挑战。关键设备——高炉、焦炉和转炉——的负荷调整、维护和启停操作不仅直接影响副产煤气的产量和热值，而且由于其与能源系统紧密耦合，还会影响TRT（高炉余压透平发电装置）、CDQ（焦炉干熄焦装置）和SWH（烧结余热锅炉）等余热回收装置的蒸汽或发电输出，导致GSP系统供需失衡。Liu提出了一种知识-数据融合方法来高精度预测高炉煤气的产生和消耗[36]；Zhang开发了高炉煤气多运行模式的预测方法，强调了在不同运行工况下需要自适应调整相关特征和预测时域[37]。这些研究证实，副产煤气产量呈现出可辨识的运行模式，为将生产工况变化嵌入GSP调度优化提供了基础，并表明调度模型必须能够动态响应煤气产量和余热回收的变化。

综上所述，现有关于GSP系统调度的研究为煤气分配优化、分时电价响应和多能协同运行奠定了坚实基础。然而，三个核心局限性仍然制约着调度方法在复杂工业场景中的实际性能。

首先，大多数研究将储气柜仅视为被动安全缓冲，通过设定液位上下限或波动惩罚项来抑制液位变化。这种方法未能发挥储气柜的主动跨时段储气能力，无法在分时电价下实现峰谷负荷转移和经济套利。

其次，现有的调度模型大多基于确定性或预定义典型工况构建。它们很少将生产工况波动和电价信号的耦合效应以系统化方式纳入模型输入框架，导致调度策略在动态扰动下的适应性有限。

第三，传统的多目标求解方法通常采用全局固定权重系数。这些方法无法根据不同运行场景的主要矛盾动态调整优化优先级，在工况频繁切换时往往导致偏好失真。

因此，当前的调度模型未能充分表征价格波动和运行工况波动叠加下的动态特征，限制了策略对复杂工业环境的适应能力。图1展示了分时电价和运行工况下GSP调度问题的示意图。

如图所示，分时电价改变了自发电与外购电之间的经济边界，而设备运行工况影响副产煤气的富余量和余热能量回收装置的输出。这导致储气柜储气量、蒸汽/电力供需平衡以及能源转换路径出现显著的动态变化，在运行成本、储气柜稳定性和能源利用效率之间形成复杂的权衡关系。

针对上述不足，本文做出以下三项主要贡献：

（1）分时电价与生产工况耦合下的运行模式特征表征：构建了模式向量以表征电价和生产工况的综合影响，为峰、平、谷电价时段、煤气富余水平、负荷需求和不同生产状态下的能源回收提供统一描述。这构成了复杂工业场景下调度模型构建和策略切换的结构化输入。

（2）模式驱动的动态理想储气柜控制：基于电价信号和富余煤气趋势生成动态理想储气柜运行轨迹，使储气柜在满足安全约束的同时增强跨时段调节能力和系统韧性。

（3）具有自适应权重的多目标MILP调度模型：将煤气分配、蒸汽/电力转换、余热能量回收和外购能源整合到统一的优化框架中。采用基于目标归一化、场景化权重可行域+Dirichlet采样和理想点距离的折衷解选择方法，旨在获得能够平衡成本、可控性和能效的自适应、可实施的调度方案。

为便于理解，本文使用的主要符号和缩写在术语表中进行了汇总。

多能互补系统结构（钢铁企业）

在钢铁生产过程中，产生大量副产煤气和余热/余能，形成了以GSP系统为核心的耦合多能转换系统。BFG、COG和BOFG通过煤气管网收集，在满足炼铁和轧钢等主要工序用气需求后，富余煤气暂存于储气柜中进行调压和储存。该煤气随后被输送至锅炉、汽轮发电机组、热电联产（CHP）机组和……

GSP系统的多目标调度优化

针对分时电价和生产工况波动共同作用下钢铁企业GSP系统的强动态性和多状态特征，提出了一种模式驱动的多目标多能自适应调度方法。该方法将系统运行环境抽象为模式，将外部市场的分时电价信号和内部生产工况变化映射为调度模型的结构化输入，从而实现……

案例分析与讨论

利用某大型钢铁企业的实际生产数据进行了案例分析。该企业的GSP系统由两台130吨/小时锅炉配25MW汽轮发电机组、一台330吨/小时锅炉配100MW汽轮发电机组、一台CCPP机组和两台CHP机组组成，并与CDQ、TRT和烧结余热回收装置协同运行。系统的主要输入包括富余BFG、COG和外购原煤，输出包括不同压力的蒸汽……

结论

本研究针对分时电价和生产工况波动共同作用下钢铁厂GSP系统调度中的强时变特性、高耦合性和复杂权衡问题，提出了一种模式向量驱动的自适应多能系统调度优化方法，并利用大型钢铁厂的实产数据进行了系统验证。主要结论如下：

（1）运行模式向量与动态储气柜运行轨迹：……

CRediT作者贡献声明

Zhong Zheng：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿、方法论、资金获取、概念构思。
Sujun Chen：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿、方法论、数据整理、概念构思。
Longbo Wu：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿、可视化、验证、方法论、概念构思。
Yafei Zhang：论文撰写——审阅与编辑、可视化、验证、方法论。
Siyuan Ma：论文撰写——审阅与编辑、可视化。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知经济利益冲突或个人关系。

Zhong Zheng | Sujun Chen | Longbo Wu | Yafei Zhang | Siyuan Ma | Di Zheng | Chao Chen | Wenqiang Sun