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1、煤气平衡“模糊控制”技术探讨与应用王福源 李会龙 刘志强（济南钢铁集团有限公司能源动力厂 山东省济南市 250101）概要：模糊控制理论在处理客观事务状态的时候，可以起到弥补甚至替代作用。在煤气平衡中，煤气富裕或不足之间并没有非常确定的边界划分，即其外延是模糊的。通过构建基于模糊控制技术的数学模型，实现对未来煤气产供变化趋势发展的生产预测结果；通过计划安排，纠正煤气平衡趋势偏离正常轨迹的状态。关键词： 模糊控制 煤气平衡 生产预测Reaserch and Application of fuzzy control on Gas blanceWang fuyuan Li huilong Liu z
2、hiqiang （Energy and Power Plant, Jinan Iron & Steel Co.Ltd.; Jinan, Shandong Province 250101;）【Abstract】: When dealing with the objective state of affairs, the fuzzy control may have effect on remedy ever substitution. On gas balance, there is no fixing dividing line between gas abundant or gas inad
3、equate, therefore the extension is fuzzy. Through contracting the mathematics model accounting of fuzzy control technology, we would realize the productive prediction of the changeable trend of gas between supply and demand, and also set the gas balance trend to be normalized【Key words】: fuzzy contr
4、ol Gas blance productive prediction1、问题的提出：在钢铁企业中，由于煤气的气源、用户的产供关系不断发生动态变化，迫切需要我们做出科学合理的煤气平衡，拿出切实可行的方案和措施。对于煤气的生产组织来讲，做好煤气平衡工作显得尤为重要，我们通过对煤气气源产出情况、煤气用户的消耗情况进行预测和分析，以静态手段来判断动态发展变化的趋势，得出煤气平衡盈亏结果，以此做出正确的生产组织决策。在这里需要指出的是，我们在进行煤气平衡测算的过程中，得出的煤气富裕过剩还是煤气亏缺不足的结论，在定义上其量化概念是比较模糊的，严格地讲，不能用精确的数据来限定煤气富裕或不足的外延，其外延并
5、不清晰，有其不确定性，虽然煤气富裕或不足的内涵我们都清楚，但煤气富裕或不足之间并没有非常确定的边界划分，即其外延是模糊的，因此，针对煤气平衡这一课题来讲，我们需要引入模糊控制技术的理念。2、研发思路模糊相对于精准，模糊控制相对于精准控制，并非落后理念，在处理客观事务状态的时候，能起到弥补甚至替代作用。我们常常需要借助于模糊性来快速地解决实际问题，更加有利于高效、快速地处理各种异常、变动的生产信息，提供科学决策的依据。模糊理论中，常提到一个案例现象：在一个有许多人的房间里，找一位“年老的高个子男人”，这是不难办到的。这里所说的“年老”、“高个子”都是模糊概念，然而我们只要将这些模糊概念经过头脑的
6、分析判断，很快就可以在人群中找到此人。如果我们要求用计算机查询，那么就要把所有人的年龄，身高的具体数据输入计算机，然后我们才可以从人群中找这样的人，需要繁琐的定义分析判断、定量数据计算，过程非常臃肿、繁杂和冗长。对于煤气平衡来讲，我们所需要的是对未来煤气产供变化趋势发展的预测结果，要用当前的常态性、中间相位、平均值的分析，可以运用精准计算模型，通过研究得出未来生产发展的趋势，即：用“现在式”预测“将来时”，处理当前的疑难问题，安排将来的工作计划，纠正煤气平衡偏离正常轨迹，而保持良好的趋势发展。3、模糊控制技术应用的探索尝试：3.1、建立模糊控制技术的数学模型，奠定煤气调控手段的理论基础3.1.
7、1、煤气平衡产、供量化模型3.1.2、多种煤气混合调整流量配比变化趋势模型3.1.3、混合煤气热值换算模型3.1.4、混合煤气高、焦、转配比换算模型通过上述数学模型的精确分析，我们得出产供变化、混合煤气配比调整后增减煤气量、热值的变化趋势，以此指导实际生产过程中的调控运行。如：在煤气用户用量基本稳定的前提下，当焦炉煤气较为富裕时，我们可以采取提高混合站热值的办法，增加焦炉煤气的消耗，但是增加焦炉煤气的配加后，对高炉煤气、转炉煤气的配加量产生较大影响，从“多种煤气混合调整流量配比变化趋势模型”中，我们可以较为直观地看到当转炉煤气逐步减少、高炉煤气会逐步增加的变化趋势，这就有助于我们采取对下一步煤
8、气平衡控制的有效措施，在下达调度指令时，可以明确指令的内容：增加焦炉煤气配加，减少高炉煤气，保持转炉煤气不变等等，生产调整的目的性更强、更有针对性。3.2、通过时段性的煤气生产组织预测分析，掌控煤气的平衡趋势年度、月度诸如此类的“时段性”煤气平衡预测分析，是在基于实际生产水平，正常状态下、平均值或中间值位置的一个测算，这种测算代表的是静态数据，只能反映出特定的一种状态，当实际生产偏离计划性的平均常态时，煤气产供的变量参数发生变化，带来了平衡数据的必然变化，因此该表出现的平衡结果，不能完全反映出其它状态、其它时态的即时特征，但是它能够预示未来发展的趋势，即：重趋势而轻数据，早预测，快调节。如果焦
9、炉煤气出现盈余数据，这一数据反映出来的是焦炉煤气“富裕”的信号，针对煤气“富裕”基本特征的趋势发展，我们要针对煤气产出与供出可以进行动态的调整，当然，影响焦炉煤气平衡的因素较多，可以利用煤气柜的缓冲作用，可以对混合站的煤气热值进行调整，可以通过调整发电负荷调节煤气量的消耗，等等，但是当超出调节手段之外的范围，需要考虑的是宏观性的对于生产计划指标的刚性调整，否则煤气资源难以达到科学合理的高效利用，直至今天，虽然我们的生产计划受到外部市场条件的严重制约，在做出刚性调整的决策时难度较大，但是煤气平衡的趋势分析仍然有较强的指导作用。3.3、制订合理的煤气生产组织方案，保持煤气平衡发展的良好趋势（最优控
10、制，optimal control）我们进行煤气平衡的测算和分析，是为了得出煤气平衡发展的趋势结果，而得到煤气平衡的趋势性结论，目的是为了使煤气资源综合利用的各项性能指标实现最优化，所以我们要根据煤气平衡的趋势结论，做出最合理的生产组织计划和方案，来指导我们的实际生产，来保证煤气系统平衡、稳定、高效的良好发展趋势。（1）、首先确定影响煤气平衡的定量、变量因子：气源（Q产）：焦炉煤气（COG）、高炉煤气（BFG）、转炉煤气（LDG）用户（Q供）：分别按照三种煤气的消耗量来确定其影响程度，消耗混合煤气的用户需要按热值测算出高焦转三种煤气的消耗，均为变量。放散（过剩量Q剩）：是需要采取措施来消化平衡
11、的变量。在不考虑管损情况下，理论意义上的物料平衡遵循下式：Q产= Q供+Q剩参与上式的各个因子对煤气平衡都会产生影响，其中有的因子在特定的测算过程中确定为定量，有的因子可以确定为变量。系统因子名称影响类别影响程度变/定量确定受控程度焦炉（煤气产出）气源产出高定量不可控高炉（煤气产出）气源产出高定量不可控转炉（煤气产出）气源产出高变量基本可控焦炉、高炉自耗煤气消耗高定量基本不可控城市煤气煤气消耗高定量基本不可控发电机组煤气消耗高变量基本可控轧钢用户煤气消耗高变量基本不可控混合煤气热值（煤气配比）煤气消耗中变量一定范围可控石灰炉、球团、锅炉等缓冲用户煤气消耗中变量基本可控煤气柜缓冲手段煤气消耗中变
12、量基本可控。受到时间、幅度限制，即时间跨度长、幅度大的煤气不平衡量难以消除。工艺、事故放散煤气消耗中变量基本可控如果按照正常生产的状态，对于生产的产量计划不考虑刚性调整，我们对煤气系统平衡影响程度及变/定量确定的分析如下表：根据上表，虽然各因子的概念较为粗糙和模糊，我们仍然可以看出各个系统因子对于煤气平衡影响的程度，看出其在系统中确定为变量参数因子还是定量参数因子，我们在制定煤气生产组织方案时，需要重点考虑的是影响较大的因子，重点考虑对可以进行调节、属于可控范围的变量因子采取措施，来保证煤气的系统平衡，追求系统最佳优化效果。以焦炉煤气出现富裕时为例，我们用模糊控制的思路来进行分析，在设定各种条
13、件的假设后，程序应当做出如下处理：IF（焦炉煤气富裕）THEN（提高发电量，增加焦炉煤气消耗，前提是高炉煤气足够）IF（焦炉煤气仍富裕）THEN(提高各混合站热值来增加焦炉煤气消耗；-降低焦炉煤气富裕程度)IF（焦炉煤气仍富裕）THEN(考虑采取常规的缓冲手段，如煤气柜吸纳、增加缓冲用户耗量等；-降低焦炉煤气富裕程度)THEN(调整煤气用户的产量、品种、规格、红送比例，增加焦炉煤气消耗；-降低焦炉煤气富裕程度)IF（在所有可控范围的措施均已经采取，焦炉煤气仍富裕）THEN（需要通过放散来最后解决煤气富裕过剩问题；或者对产量、物料平衡计划重新做刚性调整，保证煤气的最优利用，如：避免集中检修，降低
14、煤气产出，增加煤气消耗的其它生产组织措施；-降低焦炉煤气富裕程度）目标（指标函数）：煤气放散率最低；运行成本最低；经济效益最佳。（求取极值）在安全、生产、设备条件许可的范围内，我们及时汇报信息，通过模糊控制的思路，采取动态的调整控制手段来指导实际生产，最终保证煤气资源综合利用目标的实现。3.4、“趋势分析-模糊判断-控制趋势-良性发展”典型案例：3.4.1、08年10月-09年4月份，受金融危机限产影响，轧钢等用户产量较低，陆续停产检修，煤气消耗量大大减少，我们经测算得出煤气富裕的趋势结论，安排焦炉配烧焦炉煤气，化肥厂供应焦炉煤气，同时以转炉煤气作为缓冲手段，放到次要地位，降低焦炉煤气放散率近
15、10个百分点，减少因焦炉煤气放散造成的直接经济损失2000余万元；3.4.2、在8#、9#焦炉投产烘炉期间，由于进入冬季，经测算我们得出焦炉煤气紧张的趋势结论，焦炉煤气不足以保持6套发电机组高效运行，安排5套发电机组运行，穿插安排其它发电机组进行长线检修，搞好设备的物质保障，保证了5套发电机组上网率保持较高水平，据统计，5套机组实现高效发电以来，上网率达到66%，达到降低了运行成本（日降发电运行成本约3-5万元），且实现焦炉煤气放散率为0的目标；3.4.3在9#、8#焦炉陆续投产后，焦炉煤气产出量逐渐增加，形成焦炉煤气富裕局面，我们提前预测该趋势结论，建议总公司安排8#、9#焦炉采用焦炉煤气加
16、热，同时安排7#焦炉做好改烧焦炉煤气的前期准备，保证了在4#大高炉投产前，轧钢产能无法释放、焦炉煤气耗量较低的情况下，找出焦炉煤气的供出方向，再次做出避免焦炉煤气大量放散情况发生的充分准备。3.4.5十一五项目建设及陆续投产以来，其各工程项目投产时间节点不一，对煤气平衡造成极大冲击，我们分节点分时段超前进行预测分析，报总公司采取有效措施，合理规划，保证400烧结机投产，新炼钢热负荷试车期间煤气的稳定供应，并实现了转炉煤气新系统与老系统的全线贯通，有力保障了工程项目的顺利投产，重新建立煤气系统平衡的新格局。4、评价与结论1、 模糊控制措施所要遵循的规律，仍然来源于其它数学模型分析的精确预测，离不
17、开数据支持。2、 在实际工作，我们对于煤气平衡模糊控制技术的探索尚处于初级阶段，对于宏观性煤气平衡问题的分析处理目前已经具备一定的认识程度，基本能够满足现有需求，但是对于煤气平衡的微观与动态变化还需深入研究，以推动煤气平衡模糊控制技术的程序化、智能化建设，采取更加科学、快捷的动态微观调节手段。3、 建立一整套模糊控制的专家系统，需要做的工作量庞大，且难度较高，许多基础性的数据需要收集和完善，因此其实施过程会较为漫长，但仍不失为一种较好的思路值得我们探索、尝试。4、 查阅相关文献，模糊控制技术目前仍存有一些缺陷问题，需要深入思考和研究，如：信息简单的模糊处理有可能会导致系统的控制精度降低和动态品
18、质变差，但是若要提高精度则必然增加量化级数，从而需要扩大相关规则的搜索范围，这就必然会降低决策速度，甚至不能实现实时性的控制；模糊控制的设计尚缺乏系统性，无法定义控制目标，控制规则的选择、论域的选择、模糊集的定义、量化因子的选取多采用试凑发，这对复杂系统的控制可能难以奏效等等。这对于我们最需要的动态实时监控系统来说，将会是困难不小的挑战。5、模糊控制技术深入研究及推广应用的前景展望5.1、通过完善热值仪等监测、控制系统，逐步实现混合煤气热值指数调节的远程集中监控。5.2、通过对轧钢等用户对应钢种、产品规格的热量平衡测试，收集并建立完整的热量平衡测算数据库，可以促进煤气资源梯级利用，更加有利于实
19、现煤气资源能源实时合理配置。5.3、以仿真系统为平台，实现在线即时性的分析与控制、仿真模拟、预测性的趋势分析与控制，建立煤气平衡模糊控制技术专家系统。5.4、以模糊控制技术最优控制技术自适应性控制技术的不同阶段和层次逐步发展和递进，由简至繁，由浅至深，逐步提高程序自控的智能化水平。在专家系统的运行过程中，不断提取有关煤气平衡模型的信息，使模糊控制模型逐步完善。依据煤气平衡模糊控制模型、热平衡测试等一系列输入、输出数据，不断地辨识系统因子、模型参数，分析内部特性变化和外部扰动影响，实现煤气系统平衡的在线辩识，使模型变得越来越准确，越来越接近于实际，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个最为理想的工作状态，形成具有一定的适应能力、智能化水平较高的专家控制系统，用于指导我们的实际生产。
