一种氧化镁生产流程能源优化利用方法及装置

技术领域

本发明涉及氧化镁生产及能源优化技术领域，特别涉及一种氧化镁生产流程能源优化利用方法及装置。

背景技术

目前由于全球气候变化、温室效应、资源消耗过度和能源危机等影响，国际社会对资源、能源、环境保护的力度日益加大，各国对“节能减排”工作逐年高度关注。我国目前是全球最大的电熔镁砂生产国和供应国，我国对菱镁矿的开釆主要集中在辽宁南部地区。其中辽宁的菱镁矿储量、产量均居中国和世界首位，已经地质勘查的矿区有12个，资源储量29.1亿吨，约全占全国总储量的90％以上，世界总储量的25％以上，据预测，远景储量可达80亿吨左右。在已探明的储量中，辽宁氧化镁含量在46％以上的菱镁矿储量占全省总储量一半以上。

电熔镁产业的能耗高已成为制约该产业发展的瓶颈问题，降低冶炼单耗成为政府、企业一项刻不容缓的工作。同时对生产中的环境污染进行治理、对能源资源浪费进行回收利用、提高电熔镁砂品位是当务之急。总之，我国整个电熔镁产业战略升级，系统节能新工艺的研发势在必行。

与此同时，大规模可再生能源接入给电力系统的运行与控制造成了巨大的压力，发掘大规模快速调节资源以提高电力系统灵活性和能源利用率是电力系统转型过程中需解决的问题。高耗能电熔氧化镁生产负荷具备较大热蓄能潜力，深入挖掘高耗能电熔氧化镁负荷调控潜力对于提升电力系统灵活性和提高能源利用率具有重大意义。配套修建大规模储能可以显着提升电网灵活性，大幅提升电网消纳新能源的能力。但受制于电池储能造价高、容量小和抽水蓄能电站选址困难、建造周期长等因素，完全通过常规的储能系统解决大规模新能源的消纳难题在经济性上并不可行，随着智能电网建设的不断推进和电力体制改革的持续发酵，负荷储能技术作为一种无需新增投资的全新储能形式在配合电网调峰调频、消纳可再生能源等方面的作用正在被重新认识。目前负荷储能技术主要以需求侧响应实现，需求侧响应指电力用户针对价格信号或激励机制做出响应，并改变自身用电模式的市场化参与行为。

高耗能氧化镁工业受地理因素限制小，可以广泛分布于我国各地，包括新能源丰富的三北地区、电网构架薄弱的海岛地区以及电网构架强大的负荷中心。近年来，由于电力成本等因素，越来越多的高耗能企业迁移到了西北、华北等新能源资源较为丰富的地区，这为构建由可再生能源、电网常规电源和高耗能负荷的联合运行体系，实现大规模可再生能源通过高耗能负荷的就地消纳提供了有利条件，此联合运行体系通常称为高耗能氧化镁工业电网。高耗能氧化镁工业电网具有基础设备完善、容量巨大、分布合理、资源丰富等特点，可在短时间内通过较低的成本完成技术改造，实现该电力系统中高耗能负荷调控特性的挖掘，通过与火电机组等调节资源调节能力相结合，能够显着提升电力系统在可再生能源波动性平抑、一次频率控制、二次频率控制以及紧急情况等方面的能力。

高耗能氧化镁工业负荷具有装机容量大、便于集中控制等优点，低成本改造后可具备较大的调控潜力。以高耗能电熔氧化镁负荷为例，正常运行情况下，高耗能电熔氧化镁负荷通过恒电流控制方式实现定功率运行。短时间内调节电熔氧化镁负荷功率，不会影响电熔氧化镁产品的质量，而产量也只会有轻微的影响。因此通过适当的控制手段可使得稳定性高耗能负荷具备大规模的调控潜力，可以极大的提高能源利用效率。

发明内容

为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种氧化镁生产流程能源优化利用方法及装置，可应用于氧化镁生产流程能源利用优化及参与电网互动，有助于提升氧化镁生产流程中的能源利用率、生产流程优化以及与电网的互动能力，促进工业企业的电能替代与工业产业升级。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种氧化镁生产流程能源优化利用方法，包括如下的步骤：

步骤一：建立氧化镁生产流程能源利用模型；

步骤二：基于氧化镁的生产过程中的可调节能力，提出氧化镁生产过程中的优化控制方法；

步骤三：基于氧化镁企业参与电网互动能力提升技术，综合考虑步骤一和步骤二得出的结果，在提出基于循环神经网络的需量预测方法的基础上，建立熔炼机理建立单吨电耗指标模型，提出在电熔镁炉能效调度在线优化控制方法。

进一步地，所述的步骤一具体包括：基于氧化镁生产的耗能机理，研究氧化镁生产流程与能源利用之间的关系，同时建立氧化镁生产过程中的热平衡关系，形成氧化镁生产过程中产生的可回收余热利用关系，研究系统设备负荷模型，形成氧化镁生产流程的能源利用模型。

进一步地，所述的步骤二具体包括如下过程：

1)分析氧化镁生产过程中各设备的用电情况，基于用电性质将菱镁工艺中的负荷进行归类；

2)基于调控时间尺度的不同，分析负荷的长期/短期可调控能力，研究各类负荷的调控作用、调控手段以及调控类型；

3)建立对长期/短期调控资源—生产类负荷模型，研究氧化镁生产流程中的可调控能力的合理评估方法；

4)建立长期/短期可控调节能力的评估模型，量化氧化镁生产流程中响应负荷需求的能力；

5)基于对氧化镁生产中负荷可调节能力的研究，研究氧化镁的生产过程中多种能源互补关系；

6)基于能源的梯级利用关系，考虑环境、经济及技术等多方面因素，建立具有普遍适用性的多能源耦合优化模型及相应评价指标体系；

7)研究氧化镁生产流程中负荷控制技术，提出氧化镁生产过程中的优化控制方法。

进一步地，所述的步骤三具体包括如下过程：

1)首先基于循环神经网络的需量预测方法，通过Adam优化器更新网络参数，建立需量预测评价指标，研究实际工业生产中电熔镁炉需量：用来描述在一个测量时间段内测得镁炉设备的平均耗电量，精准判断群炉需量是否超过最大需量限额；

2)然后通过分析熔炼机理建立单吨电耗指标模型，利用用电数据分析和数据拟合的方式建立电熔镁炉排气工况的用电负荷波动模型，基于预测的电熔镁炉需量和电熔镁炉的能效指标和运行指标，研究氧化镁企业参与电网互动后的电熔镁群炉能效调度技术；

3)最后基于研究的需量预测和能效调度方法，通过分析氧化镁企业不同的生产情况、负荷特性、群炉用电差异性以及优化调度环境的动态变化，基于实际调度情况，研究电熔镁炉能效调度在线优化控制技术。

本发明还提供一种用于实现所述一种氧化镁生产流程能源优化利用方法的装置，包括处理器以及存储器；

其中，所述处理器配置为执行所述一种氧化镁生产流程能源优化利用方法；

所述存储器用于存储所述处理器的可执行指令。

本发明还提供一种计算机的可存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行，实现所述的一种氧化镁生产流程能源优化利用方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的一种氧化镁生产流程能源优化利用方法及装置，针对当前氧化镁生产过程中能源浪费严重以及污染严重，难以适应市场和社会的需求等问题，通过本项目的实施，开展氧化镁生产流程能源利用模型的研究、氧化镁的生产过程的可调节能力及其优化方法研究，为挖掘氧化镁生产流程与电网的互动控制，增加能源的利用率，降低氧化镁生产成本，提高投资回报率提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明的一种氧化镁生产流程能源优化利用方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

实施例一

一种氧化镁生产流程能源优化利用方法，如图1所示，包括如下的步骤：

步骤一：建立氧化镁生产流程能源利用模型；

步骤二：基于氧化镁的生产过程中的可调节能力，提出氧化镁生产过程中的优化控制方法；

步骤三：基于氧化镁企业参与电网互动能力提升技术，综合考虑步骤一和步骤二得出的结果，在提出基于循环神经网络的需量预测方法的基础上，建立熔炼机理建立单吨电耗指标模型，提出在电熔镁炉能效调度在线优化控制方法。

进一步地，所述的步骤一具体包括：基于氧化镁生产的耗能机理，研究氧化镁生产流程与能源利用之间的关系，同时建立氧化镁生产过程中的热平衡关系，形成氧化镁生产过程中产生的可回收余热利用关系，研究系统设备负荷模型，形成氧化镁生产流程的能源利用模型。

进一步地，所述的步骤二具体包括如下过程：

1)分析氧化镁生产过程中各设备的用电情况，基于用电性质将菱镁工艺中的负荷进行归类；

2)基于调控时间尺度的不同，分析负荷的长期/短期可调控能力，研究各类负荷的调控作用、调控手段以及调控类型；

3)建立对长期/短期调控资源—生产类负荷模型，研究氧化镁生产流程中的可调控能力的合理评估方法；

4)建立长期/短期可控调节能力的评估模型，量化氧化镁生产流程中响应负荷需求的能力；

5)基于对氧化镁生产中负荷可调节能力的研究，研究氧化镁的生产过程中多种能源互补关系；

6)基于能源的梯级利用关系，考虑环境、经济及技术等多方面因素，建立具有普遍适用性的多能源耦合优化模型及相应评价指标体系；

7)研究氧化镁生产流程中负荷控制技术，提出氧化镁生产过程中的优化控制方法。

进一步地，所述的步骤三具体包括如下过程：

1)首先基于循环神经网络的需量预测方法，通过Adam优化器更新网络参数，建立需量预测评价指标，研究实际工业生产中电熔镁炉需量：用来描述在一个测量时间段内测得镁炉设备的平均耗电量，精准判断群炉需量是否超过最大需量限额；

2)然后通过分析熔炼机理建立单吨电耗指标模型，利用用电数据分析和数据拟合的方式建立电熔镁炉排气工况的用电负荷波动模型，基于预测的电熔镁炉需量和电熔镁炉的能效指标和运行指标，研究氧化镁企业参与电网互动后的电熔镁群炉能效调度技术；

3)最后基于研究的需量预测和能效调度方法，通过分析氧化镁企业不同的生产情况、负荷特性、群炉用电差异性以及优化调度环境的动态变化，基于实际调度情况，研究电熔镁炉能效调度在线优化控制技术。

本发明的方法的理论依据为：

(1)可调控能力理论

为了实现工业园对工厂负荷科学合理、精细化的调度管理，工业生产需要了解工厂的用电情况，以及改变现有用电模式的可行性及成本，从而从生产过程整体的用电情况出发，为系统制定更科学的用电策略，在保证生产用能需求的同时，最小化向电网购电的成本。可调控能力足以说明工业用户改变现有用电模式可行性及成本，为生产的决策提供支撑，一般可将工业负荷的可调控能力划分为长期、短期两种。

长期可调控能力是评估工业用户改变现有用电模式，长期维持在新的用电模式下的可能性以及成本。“长期”是指一个生产计划周期，大多为1个月到1年，也存在规模较小、生产方式灵活的工业用户，以周为单位进行生产计划。可调控能力评估中所提“用电模式”，是指工业用户主要负荷消耗电能的曲线；该曲线排除了一些随机因素对用电负荷的影响，可认为其根据生产计划呈稳定的周期性变化。

有工业售电政策中，对大工业，即变压器容量在315kVA及以上的，执行“二部制电价”，除用一度电、交一度电的电费外，还要按照变压器容量或最大需量缴纳“基本电费”。由于工业用户本身会根据阶梯电价，以经济最优的方式运行，所以工业园对工厂的长期调控主要在于降低基本电费，即负荷曲线的“平整度”决定了其利润空间。因此，在描述长期可调控能力中的“用电模式改变的可能性”时，采用描述负荷曲线“平整度”变化的特征参数，本文选取工业用户峰谷差最大变化量。结合变化成本，长期可调控能力的数学表达式如下：

式中，p

短期可调控能力是评估工业用户改变部分负荷的用电曲线，在短期到来的某个时段尽可能削减负荷的可能性以及成本。考虑现有工业用户的实际情况，“短期”可定义为24小时。

短期可调控能力的数学表达如下式所示：R

(2)循环神经网络

循环神经网络(RNN)是一种具有“记忆”功能的特殊神经网络，来源于人类的对以往事务的记忆和认知过程。RNN网络对历史时刻的输入项和网络中前期的信息内容具有记忆功能，会利用历史信息来综合计算当前时刻的输出值。

RNN网络在每一个当前时刻t执行的操作与前一个t1时刻和后一个t1时刻是相同的，并且每一步所用到的参数如U、V、W是共享的，只需改变每一步的输入向量。这样的网络结构设计减少了训练网络时要学习的参数数量也缩短了训练模型的时间，在预测时序数列上有很大的优势。

(3)电力负荷控制技术

电力负荷控制技术一般分为间接控制与直接控制两类。间接控制是从电力工业发展之初到现在仍在使用的控制方式，包括行政、立法手段，通过电价政策与规定，用行政命令或经济措施使用户调整负荷。直接控制包括负荷控制与电量控制，负荷控制包括峰段负荷控制、谷段负荷控制、最大需量控制等，电量控制包括枯水期电量控制、丰水期电量控制以及峰电量、谷电量、日电量、月电量控制。直接控制又分为“分散控制”与“集中控制”两种方式。分散电力负荷控制，是指在用户侧装设各种功能的当地控制装置，如开关钟、分散型定量器以及各种电力测控仪，这些装置既相互联系，又独立地发挥着各自的控制作用。集中电力负荷控制是指负荷控制中心通过信道传输各种电力负荷控制指令到用户侧接收端，直接控制用户端用电设备的控制系统。

集中负荷控制系统与分散型控制系统相比较，具有应用更为灵活，更加适应发电能力变化和用电负荷变化的要求。随着计算机网络技术和通信技术的发展，集中负荷控制功能日益强大，是实现现代化负荷管理和配电自动化的重要手段。集中电力负荷控制系统按主信道分为有线信道和无线信道两种。有线信道又分为电力线信道和电话线信道两种，按照信号传输频率又可分为工频、音频、载波三种。无线信道按频率也可分为广播电台控制系统、甚高频和特高频调频控制系统三种。

(4)工业生产过程中的优化控制方法

自优化控制是采用传统反馈控制实现优化运行的控制方法，该方法选择被控变量，通过调整操作变量，使被控变量跟踪定常的设定值，从而使过程运行接近稳态优化。然而，对于某些工业过程，难以选择出合适的被控变量，使系统受到干扰时，保证过程运行尽可能接近经济优化状态。实时优化将调节控制与过程运行的优化结合起来，采用两层结构，上层采用精确非线性静态过程模型优化经济性能指标，产生底层控制回路的设定值，通过底层控制系统跟踪设定值，尽可能使过程运行在经济优化状态

具体实施过程如下：

1：研究氧化镁的生产流程与能源利用之间的关系，建立氧化镁生产流程的能源利用模型；

(1)氧化镁的生产流程与能源利用之间的关系研究

首先，对氧化镁生产过程中的耗能机理进行研究，基于菱镁矿生产氧化镁的化学变化过程，研究熔炼过程中起炉、熔化和收尾阶段热量吸收情况，包括电热能、电极燃烧放热和方镁结晶放热。

其次，研究电熔镁系统在生产过程中耗能情况，包括电熔镁砂吸热、MgCO3分解吸热、散热以及热损失等，建立氧化镁生产过程中电熔镁系统热平衡关系；分析镁熔坨中的热量以及加热矿石所需的热量，实现对余热的利用。

最后，研究各类余热载体可利用的下限温度，将电熔镁生产过程中产生的烟气及电熔镁坨进行余热回收利用；根据余热资源的数量和温度以及用户的需求，制定不同的回收利用途径，研究氧化镁生产过程中产生的可回收余热利用关系。

(2)建立氧化镁生产流程的能源利用模型

首先，考虑菱镁工艺具有工作过程不可中断、工作时间可任意调整、工作过程各时间段电弧电流大小不同的特点，将菱镁工艺过程分为加料、主熔和排气三个部分，基于生产过程中符合设备的实时信息和历史数据，建立菱镁工艺各设备个体的负荷模型。

其次，研究生产过程中电熔镁炉体传热模型，对烟气进行余热回收，获取可回收烟气的过热蒸汽流量、余热锅炉压力、进入余热回收装置的烟气温度以及余热回收设备环境温度，研究工艺过程中对烟气的余热利用效率。

最后，基于设备个体的负荷数据以及能源利用效率数据，考虑生产过程中系统运行中的经济性、环保性以及供能可靠性，建立氧化镁生产流程的能源利用模型，提高系统的节能性。

2：氧化镁的生产过程的可调节能力及其优化方法

(1)氧化镁的生产过程中的可调节能力

首先基于氧化镁生产过程中工业负荷用电性质，将可调控资源分为生产类负荷、环境调节类负荷、储能类负荷、安全保障类负荷和基本用电负荷五类负荷，研究各类负荷的调控作用、调控手段以及调控类型。

其次分析氧化镁生产过程中生产量、生产率、人力以及能耗的关系，研究生产成本、负载能效水平的计算方法，建立长期/短期调控资源—生产类负荷模型。

最后，在生产类负荷模型的基础上，研究长期/短期可控调节能力的评估模型,考虑室温、负荷特性等约束，建立最大化可调控量的可调控能力模型；研究氧化镁生产过程中在高峰、平段、低谷三种不同时间段的可调控能力。

(2)氧化镁的生产过程的优化方法

首先，在对氧化镁生产过程中可调节能力的研究的基础上，分析系统、工序之间的能量流动及特性，建立各工序间的能量循环，研究氧化镁生产过程多种能源互补关系。

其次，基于能源的梯级利用关系，研究氧化镁生产系统多能源的数学模型；在对负荷模型建模的基础上，研究负荷预测方法，考虑环境、经济及技术等多方面因素，建立具有普遍适用性的多能源耦合模型。

最后，根据高耗能电解镁负荷结构特性和负荷可调节能力，研究基于交流电压调节的高耗能电解镁负荷功率调控方法；研究氧化镁生产过程中对负荷的调频策略；研究的氧化镁生产系统优化方法，建立在不同尺度下的氧化镁生产系统优化模型。

3：氧化镁企业参与电网互动能力提升技术

(1)面向氧化镁工业生产与电网互动能力提升的关键技术

首先基于循环神经网络的需量预测方法，通过Adam优化器更新网络参数，建立需量预测评价指标，研究实际工业生产中电熔镁炉需量(用来描述在一个测量时间段内测得镁炉设备的平均耗电量)，精准判断群炉需量是否超过最大需量限额；

然后通过分析熔炼机理建立单吨电耗指标模型，利用用电数据分析和数据拟合的方式建立电熔镁炉排气工况的用电负荷波动模型，基于预测的电熔镁炉需量和电熔镁炉的能效指标和运行指标，研究氧化镁企业参与电网互动后的电熔镁群炉能效调度技术；

最后基于研究的需量预测和能效调度方法，通过分析氧化镁企业不同的生产情况、负荷特性、群炉用电差异性以及优化调度环境的动态变化，基于实际调度情况，研究电熔镁炉能效调度在线优化控制技术。

本发明的方法创新之处包括如下：

(1)电镁坨及烟气的分段分级回收与梯级综合利用技术

研究电熔镁坨破碎前和破碎后两个阶段的余热回收方法。通过分析烟气的余热回收，将电熔镁坨余热回收得来的温度不同的热空气与烟气进行能级匹配，梯级综合利用。建立了余热回收系统和余热发电系统；将回收的余热一部分用于工序中预热物料，一部分用于余热发电，实现氧化镁生产过程的优化。

(2)基于循环神经网络的高耗能氧化镁生产需量预测方法

利用Adam优化器更新网络参数，采用循环神经网络进行需量预测，研究实际工业生产中的需量(用来描述在一个测量时间段内测得镁炉设备的平均耗电量)，通过建立电熔镁炉需量预测评价指标，精准判断群炉需量是否超过最大需量限额；由此研究下一步能效调度的决策。

(3)基于多维数据分析挖掘技术的氧化镁企业参与电网互动性能指标评估

通过多维度分析氧化镁企业和电网运行(耗电量，炉温，电弧电流，最大需量)数据，建立试点区域适应度评估体系，通过评估体系指标试算后，综合分析评估结果，选择评估指标最优区域进行试点。对试点区域内典型企业用户及电网的用电量、原料用量、产品质量，能源利用率，收益等数据信息进行数据分析挖掘，为企业提供用能体检报告、用能设备托管、用能费用优化、需求响应策略、市场化售电竞价策略等服务，提升氧化镁企业综合用能效益和能源利用率。

(4)可控调节能力的评估方法

基于氧化镁生产过程中各设备的用电情况，对菱镁工艺中的负荷进行归类，挖掘负荷长期/短期可调控能力的特点，可确定各类负荷的调控作用、调控手段以及调控类型；研究氧化镁生产流程中的可调控能力的合理评估方法，建立长期/短期可控调节能力的评估模型，量化了氧化镁生产流程中响应负荷需求的能力。

(5)基于负荷调控技术的能源优化利用方法

通过分析高耗能电解镁生产工艺特性，研究氧化镁生产系统中的负荷功率调控方法，挖掘负荷功率调控的特性，提升负荷调控的有效性，增加负荷调节容量；通过对日前时间时间尺度调频备用容量优化，在日内实时控制时间尺度调频信号实时跟踪，可提升生产过程的能源利用率。

实施例二

本发明实施例还提供一种用于实现所述一种考氧化镁生产流程能源优化利用方法的装置，包括处理器以及存储器；

其中，所述处理器配置为执行所述一种氧化镁生产流程能源优化利用方法；

所述存储器用于存储所述处理器的可执行指令。

实施例三

作为本发明的第三实施例，还提供一种计算机的可存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行，实现所述的一种氧化镁生产流程能源优化利用方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。