1 绪论
1.1 研究背景及意义
随着社会经济的不断发展，能源的消耗不断引起人们的普遍关注，能源危机已经逐渐影响全球，各国对能源需求的紧迫感，不仅促使着人们开发新能源，也使人们越来越重视对二次能源的节约利用。我国的能源消耗强度远远超过发达国家[1]，在能源利用率方面和发达国家有很大差距[2]。钢铁行业在我国一直以来都是高耗能行业，占我国耗能总量的 10%以上[3][4]。对于钢铁行业，高耗能引起的环境污染和对企业经济收益的负面影响是迫切要攻克的问题[5-8]。因此提高钢铁企业能源利用率，对国家的节能减排和保护环境具有十分重要的意义。
压缩空气是钢铁企业的重要动力能源之一，在钢铁企业承担着很重要的角色[9]。据粗略估算，压缩空气系统的能耗约占钢铁企业总能耗的 10%~15%[10]。压缩空气系统总成本主要包括空压机采购、维护和能源的运行花费。从整个花费比例来看，空压机采购和维护费用仅占总花费的 25%左右，运行时能耗成本却高达 75%[11]。由此可见，压缩空气系统运行时能耗必须得到足够的重视，这将直接关系到企业的经济成本，影响企业的竞争力，因此，降低空压机运行时能耗是迫切需要研究的一个课题。空压机调度的不合理、不及时等情况是导致气动系统能耗高、资源利用率低的重要原因。空压机机组的合理调度不仅能够在气动系统短期运行中实现生产资源的结构性优化，满足不同生产用户的用气需求，为企业的安全生产及经济调度提供基础，同时也能够提升空压机机组的运行效率，使空压机机组运行在最佳的工作点，降低气动系统的运行成本，提高能源利用率[12]。
为了提高能源利用率，钢铁企业有很多节能的方法，其中加强能源管理，预测各能源需求，对各能源进行合理的调度和控制，在不影响钢铁企业工艺结构的同时有效的减少浪费，具有很大的提升空间和挖掘潜力。因此利用先进的能源管理理念，科学的进行能源使用，对钢铁企业的可持续发展具有重大的意义。能源管理系统[13]（Energy Management System ，EMS）正是为了适应这一节能理念而产生的，是基于信息技术发展的一种综合管控系统[14]，它的主要功能是对各分散的能源数据进行实时采集，根据历史数据对各能源的生产量和消耗量进行实时预测，分析能源的供需平衡来进行合理的调度分配。系统实现了对能源介质各个阶段的监视和控制，包括生产、输送、储存和使用等阶段，从整体上减少钢铁企业的能源消耗 [15-19]。压缩空气作为钢铁企业必需的气体，能源管理系统也应该把压缩空气系统考虑在内。
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1.2 国内外研究现状
在国家强调节能减排的形势下，各钢铁企业也都积极响应，加快能源管理中心的建设[20][21]，减少浪费，提高能源利用率。不论国内国外都对钢铁生产过程中能源消耗、各项放散损失以及能源的优化调度平衡愈加重视[22]。
各钢铁企业正在通过实施更加智能化的能源管理系统，对能源介质实时数据采集、处理、分析、监视和实时预测等手段来实现能源介质的优化调度，来降低企业的能耗和提高市场竞争力[23]。国内外众多案例表明，很多钢铁企业都从能源管理系统中受益。
在国外，能源管理系统的研究已经出现很长时间，日本的能源管理系统在世界上最早实现，具有很高的水平。日本京浜钢铁公司建立的能源管理系统，实现了对全厂电气设备和动力系统进行集中监测[25]；美国东部钢铁分公司建立了一套全面的能源管理计算机系统，利用能源资源来控制能源成本在总产品成本中所占比例，改进了能源资源分配[26]。此外，奥钢建立并完善了能源管理系统，除了原来的监测功能外，还加入了能源预测和平衡分析的功能[27]。
与发达国家比较，我国的能源管理系统发展远远落后，能源的管理模式和水平差距还是比较大。能源管理系统水平比较高的钢铁企业只有宝钢和武钢，尽管他们根据企业相应的特点，建立了能源管理系统，实现了重要能源介质的数据采集和监控，但早期的设备和技术大都引进于日本[28][29]。对于国内其他钢铁企业，管理水平低下，分散粗放的管理模式比较常见，能源调度主要是直接通过打电话的方式来实施，如水系统调度[30]、动力系统调度[31]、电力系统调度[32]。这种调度方式效率低下，管理模式有很少的信息量，调度量不足，而导致放散量增加的情况很容易出现。显然，能源调度的管理模式需要改变，来满足生产需求。近年来，钢铁企业的竞争越来越激烈，各企业对能源管理系统的建设也越来越重视[33][34]。压缩空气作为钢铁企业主要的动力来源，在钢铁企业有很大的需求量，能源管理系统也应该把压缩空气系统考虑在内。建立压缩空气优化调度系统，做好对压缩空气的供需量的预测，优化调配等工作也是一个重要的研究课题。
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2 空压机系统工艺流程分析
2.1 钢铁企业空压机系统
2.1.1 概述
空气具有可压缩性，经空气压缩机做机械功使本身体积缩小、压力提高后的空气叫压缩空气[43]。压缩空气是一种重要的动力源，在钢铁企业应用在所有的生产过程中。其主要用途可分为：烧结气力输送、高炉喷吹、连铸蒸汽喷雾冷却、转炉底吹、钢带表面吹风、各种气动仪表阀、空气马达、脉冲袋式过滤器等，因此各个钢铁企业均建有复杂的压缩空气系统。
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空压机调度需要根据企业生产实际情况，遵循一定原则并按照计划步骤进行。针对本文背景的某钢铁企业，其空压机调度流程大致如图 2.3 所示。
由钢铁企业空压机调度流程，结合钢铁企业的工艺情况和管理方法，简单阐述一下空压机调度的步骤：
（1）工厂根据各消耗系统需求和生产能力制定下一步生产计划，确定每个厂区下一段时间内生产情况；
（2）根据厂区生产情况，计算各消耗用户用气量，得到每个空压站邻近需求量，最后计算出空压站总的需求负荷；
（3）通过空压机的运行能力，计算出当前每个空压站的所能提供的压缩空气量，确定压缩空气供应是否满足需求；
（4）当压缩空气不能满足需求即压缩空气缺口时，达不到各消耗用户需求，一般在控制室直接对空压站进行调度，当调度人员观察到压缩空气需求缺口时，将以打电话的方式通知各空压站，各空压站操作人员根据调度安排进行相应的动作，适当增加空压机开启数量，以满足各消耗用户的压缩空气用量，开启空压机进入储气罐进行缓冲，维持压力平衡。
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3 空压机系统优化调度方法 ................................... 11
3.1 空压机能耗模型 .................................... 11
3.2. 空压机组负荷预测 .................................. 12
3.3 空压机调度模型 ................................ 14
4 系统软件设计与实现 ....................................... 23
4.1 系统简介 ............................... 23
4.1.1 系统需求 .................................... 23
4.1.2 系统结构 ....................... 24
4 系统软件设计与实现
4.1 系统简介
4.1.1 系统需求
在对空压机系统理论分析的基础上，接下来就是对软件系统进行设计与开发，为保证系统可以长期的使用，应该满足以下需求：
（1）通用性
本空压机调度系统能够在一般钢铁企业使用。企业超级管理员可以通过参数配置模块进行数据库的配置，使企业拥有自己独立的关系数据库。建立的数据库需要包含钢铁企业空压机系统的所有数据信息，提供数据库维护的功能。
（2）准确性
空压机的负荷预测结果和调度方案对企业实施正确决策起指导作用，在系统实现时必须保证其准确性，应设计相应的评价指标，并提供用户对各设备参数和模型参数进行修改的操作。
（3）稳定性
空压机调度系统为动态调度系统，系统时刻要处于运行中，保持实时采集，同步企业实时生产数据，监控空压机系统生产状态，能够对各负荷进行实时预测和生成调度决策方案。
（4）可交互性
系统应该具有友好高效的应用界面，便于企业人员与系统进行人机交互，直观的预测和调度等画面的显示。用户在操作时设计相关提示，当用户出现错误操作或操作流程不对时，应弹出相应的警告来指导用户。
（5）可维护性
为加强系统的可维护性，系统在功能上应按模块分别设计，在软件架构上分层设计，软件系统需要严格前后端分离，各模块和各层的耦合性很低，代码条理清晰，满足正常的编写规范。
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结论
本文以某钢铁企业能源管控系统为背景，研究钢铁企业压缩空气系统优化调度问题，对系统进行调研分析之后，提出的空压机系统优化调度的局限性和存在的问题，对需求进行仔细的讨论和梳理，并明确问题的解决方案，设计并实现空压机优化调度系统。同时，将预测和调度模型应用至系统中。空压机优化调度系统是对压缩空气供应和消耗进行实时预测、监控、管理和调度等功能的软件管理系统，集成在钢铁企业能源管控系统中。
主要工作包括以下内容：通过对某钢铁企业的调研和对空压机系统结构和调度工艺流程分析之后，针对空压机优化调度问题，以满足生产工艺要求和设备能力为边界约束，建立了面向经济成本最优的目标函数。然后应用遗传算法求解，给出结果分析。然后从整个系统出发，全面研究需求和功能，进行软件系统设计和开发。从系统结构、软件平台架构设计、数据库设计和各模块功能具体实现做了详细的描述，并给出了系统主要的一些界面展示。经过充分的测试和在钢铁企业的应用，针对一些具体问题和细节做了一些优化和修改。空压机优化调度系统能实时查看各项数据和预测调度等情况，信息及时准确，为调度人员提供了有效的决策支持。
关于钢铁企业对空压机系统调度的研究只是初步尝试，还有很大的发展空间，本文在模型建立上考虑不周全，算法也有待优化。空压机系统是一个很复杂的系统，设计更加完善的空压机调度系统是一个值得研究的课题。
参考文献（略）