孔福林等：基于粒子群算法的转炉用氧节能优化调度 283 w()是惯性因子，wmax和wmin是惯性权重上限和 备的产氧及用氧情况示意如图4所示.氧压机出 惯性权重下限. 口及调压车间入口处每根输送管道上设置流量、 转炉用氧调度模型针对不同的企业生产情 压力等测量装置.该企业的氧气管网设计压力为 况，需要企业提供的实际生产数据有：1)转炉数 3.0MPa,调压站前的氧气管网运行压力在1.9~ 量：2)模型研究时长了：3)各台转炉用氧安排，包括 2.7MPa,超出该压力范围系统自动报警.调压站 吹炼起始时刻，单次单炉吹氧量；4)企业吹氧时刻 后的最大压力为1.6MPa,管网内炼钢用主管道段 与进铁水时刻要求：5)企业运输铁水过程，铁水温 设有孔板流量计来测算中压管道压力，该压力值 度下降速率：6)同一转炉吹炼周期结束到下一吹 超过2.53MPa时，放散阀开启，氧气中压放散 炼周期开始的时间间隔TM 80000 转炉用氧调度模型以研究时间段内5台转炉 70000 用氧总量曲线波动最小为目标，同时满足实际生 -Single converter 60000 --Single blast furnace 产中的约束条件，将每个转炉用氧周期的起始时 ..Output of single air separation uni 50000 刻点作为一组矩阵.基于PSO算法，在Windows 40000 Server2016运行环境下，利用MATLAB R2014a软 件对该组矩阵进行整数范围内的迭代，最后获得 30000 收敛的求解结果，算法中各参数如表1所示 20000 10000 表1PSO算法基本参数 Table 1 Basic parameters of PSO algorithm 20 40 60 80 100 Time/min k R M Imax C1 C2 Wmax Wmin 图4不同设备氧气流量随时间的变化图 0.99990.0001600112000.80.80.950.05 Fig.4 Change in oxygen flow rate over time for different equipment 依据目标函数两部分量级关系，权重系数k types 和k分别取值0.9999和0.0001，表1中的其余部 本文研究对象数量及约束如下： 分为PSO算法中的参数.在Matlab中将此目标函 1)转炉数量5台；2)模型研究时长T取120min; 数式(4)写成一个函数文件，该函数包含M个自变 3)各台转炉用氧时序（包括吹炼起始时刻和吹氧 量，利用基于整数空间的PSO算法完成迭代计算 量)如图5的调度前吹氧安排所示：4)各台转炉吹 过程.图3所示为某次求解中算法运行的收敛曲 氧时刻与进铁水时刻要求，调度后各吹炼区间起 线，该收敛曲线表明了本次计算完成收敛，求解获 始时刻不能比调度前提前2min以上；5)运输铁水 得了最优值，对应为最优转炉用氧调度方案 过程中铁水温度下降速率为3.3Cmin:6)同一 转炉吹炼周期结束到下一周期吹炼开始的时间间 -65 -70 隔TM为20min.调度后转炉用氧如图5所示.转 -75 炉瞬时用氧总量如图6所示，转炉总用氧量统计 -80 -85 A(a) -90 -95 D -100 E 020406080100120140160180200 10 30 50 70 90 110 Iterations number Time/min 图3某次算法求解收敛曲线 A(b Fig,3 Convergence curve of algorithm solution 3案例研究 国内某大型空分钢铁企业氧气管网的主要 10 30 50 70 90 110 Time/min 组成包括2座75000m3h-空分装置、2台离心氧 因5调度前后5台转炉的吹氧情况对比.(a)调度前(b)调度后 压机、5座1000m3氧气球罐、2座5500m3高炉、 Fig.5 Comparison of oxygen blowing situations of five converters 2座300t脱磷转炉、3座300t脱碳转炉，主要设 before(a)and after(b)dispatchingw(t) 是惯性因子，wmax 和 wmin 是惯性权重上限和 惯性权重下限. 转炉用氧调度模型针对不同的企业生产情 况，需要企业提供的实际生产数据有：1）转炉数 量；2）模型研究时长 T；3）各台转炉用氧安排，包括 吹炼起始时刻，单次单炉吹氧量；4）企业吹氧时刻 与进铁水时刻要求；5）企业运输铁水过程，铁水温 度下降速率；6）同一转炉吹炼周期结束到下一吹 炼周期开始的时间间隔 TM. 转炉用氧调度模型以研究时间段内 5 台转炉 用氧总量曲线波动最小为目标，同时满足实际生 产中的约束条件，将每个转炉用氧周期的起始时 刻点作为一组矩阵. 基于 PSO 算法，在 Windows Server 2016 运行环境下，利用 MATLAB R2014a 软 件对该组矩阵进行整数范围内的迭代，最后获得 收敛的求解结果，算法中各参数如表 1 所示. 表 1  PSO 算法基本参数 Table 1   Basic parameters of PSO algorithm k1 k2 R M tmax c1 c2 wmax wmin 0.9999 0.0001 600 11 200 0.8 0.8 0.95 0.05 依据目标函数两部分量级关系，权重系数 k1 和 k2 分别取值 0.9999 和 0.0001，表 1 中的其余部 分为 PSO 算法中的参数. 在 Matlab 中将此目标函 数式（4）写成一个函数文件，该函数包含 M 个自变 量，利用基于整数空间的 PSO 算法完成迭代计算 过程. 图 3 所示为某次求解中算法运行的收敛曲 线，该收敛曲线表明了本次计算完成收敛，求解获 得了最优值，对应为最优转炉用氧调度方案. −65 −70 −75 −80 −85 −90 −95 −100 0 20 40 60 80 100 Iterations number 120 140 160 180 200 Fitness value 图 3    某次算法求解收敛曲线 Fig.3    Convergence curve of algorithm solution 3    案例研究 国内某大型空分钢铁企业氧气管网的主要 组成包括 2 座 75000 m 3 ·h−1 空分装置、2 台离心氧 压机、5 座 1000 m 3 氧气球罐、2 座 5500 m 3 高炉、 2 座 300 t 脱磷转炉、3 座 300 t 脱碳转炉，主要设 备的产氧及用氧情况示意如图 4 所示. 氧压机出 口及调压车间入口处每根输送管道上设置流量、 压力等测量装置. 该企业的氧气管网设计压力为 3.0 MPa，调压站前的氧气管网运行压力在 1.9～ 2.7 MPa，超出该压力范围系统自动报警. 调压站 后的最大压力为 1.6 MPa，管网内炼钢用主管道段 设有孔板流量计来测算中压管道压力，该压力值 超过 2.53 MPa 时，放散阀开启，氧气中压放散. 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 20 40 60 80 100 Time/min 0 Oxygen flow/(m3·h−1 ) Single converter Single blast furnace Output of single air separation unit 图 4    不同设备氧气流量随时间的变化图 Fig.4     Change  in  oxygen  flow  rate  over  time  for  different  equipment types 本文研究对象数量及约束如下： 1）转炉数量 5 台；2）模型研究时长 T 取 120 min； 3）各台转炉用氧时序（包括吹炼起始时刻和吹氧 量）如图 5 的调度前吹氧安排所示；4）各台转炉吹 氧时刻与进铁水时刻要求，调度后各吹炼区间起 始时刻不能比调度前提前 2 min 以上；5）运输铁水 过程中铁水温度下降速率为 3.3 °C·min−1 ；6）同一 转炉吹炼周期结束到下一周期吹炼开始的时间间 隔 TM 为 20 min. 调度后转炉用氧如图 5 所示. 转 炉瞬时用氧总量如图 6 所示，转炉总用氧量统计 10 30 50 70 Time/min 90 110 10 30 50 70 Time/min 90 110 A B C D E Converter number A B C D E Converter number (a) (b) 图 5    调度前后 5 台转炉的吹氧情况对比. （a）调度前（b）调度后 Fig.5     Comparison  of  oxygen  blowing  situations  of  five  converters before (a) and after (b) dispatching 孔福林等： 基于粒子群算法的转炉用氧节能优化调度 · 283 ·