副产煤气是钢铁企业中重要的二次能源,占企业能源消耗总量的30%左右。钢铁企业煤气系统包括了高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气三种副产煤气的生产、输送、储存、调配、缓冲等多个环节,其煤气压力与流量并不是很稳定,尤其是富余煤气频繁波动,造成了大量的放散损失。所以,正确地认识钢铁企业中煤气产耗的变化规律,科学地规划、实施煤气的调配利用,特别是富余煤气的动态预测和优化调配策略,对合理利用钢铁企业的煤气资源,降低吨钢能耗、减少二氧化碳排放都有十分重要的意义。论文从“钢铁企业煤气产耗不平衡”的观点出发,系统地研究了钢铁企业副产煤气的产耗机理和富余煤气波动、缓冲和调配的规律；将复杂的煤气系统进行分解简化并分析了煤气系统运行的动态特性,描述了各个偏离参数改变对煤气系统运行模式的影响程度,指出维持煤气系统运行稳定性、安全性和经济性的关键在于：不仅要具备与煤气富余程度相匹配的缓冲存储设备、能源管理中心等“硬件”条件,还要有相应的“软件”手段对其波动影响程度作出预测,进而对其引起的波动进行调节,软硬件一起抓,论文针对两者之间的耦合关系进行研究,建立了煤气系统动态预测数学模型,并开发了煤气动态仿真系统用于调试煤气系统运行和求解动态预测模型,进而开发了富余煤气在各级调节用户和缓冲存储设备上的优化调配数学模型,最终探讨了依托能源管理中心的煤气系统预测与优化模型的应用,为钢铁企业消减煤气系统波动带来的危害、优化调配富余煤气提供了理论依据和分析工具。主要研究内容如下：(1)以“钢铁企业煤气产耗不平衡”的观点,将煤气系统划分为三大组成环节：即煤气产生环节、主工序消耗环节和缓冲存储环节。根据典型高炉-转炉生产流程中高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气三种副产煤气的生产、输送、存储、使用和放散过程,从设备层面分析了三种煤气的产耗与缓冲机理以及原燃料条件、热工操作、回收工艺等对副产煤气产生、回收、消耗与缓冲存储的影响。提出了富余煤气利用的基本原则,并将富余煤气的调节用户进行了分类。(2)对煤气系统进行分解：将包含了三种单一煤气以及多种混合煤气的复杂系统处理为只有三种单一煤气的简单系统。根据钢铁企业煤气系统的物理结构与逻辑结构,探讨了分解后单一煤气子系统的结构特点,并对典型企业的煤气系统结构进行分析。利用统计数据研究富余煤气波动规律对煤气系统运行的影响：对富余煤气总量的波动特性进行分析；对单座设备不同工况下的煤气波动量进行分析,分设备建立不同工况下的AR (M, N)时序模型,时间序列法将无规律的富余煤气波动分解成了有规律的若干个设备单元。定性定量地分析了引起煤气系统波动的原因和波动的程度：提出了煤气系统理想运行模式和引起偏离现象的两类事件,并分析不同企业不同事件引起的偏离总量、偏离周期和偏离度变化。通过实例分析探讨偏离的解决对策：采用单座小高炉轮换检修可以降低偏离度到5.6%,有效避免了偏离；分析锅炉在不同时间启动对煤气柜柜位的影响,确定了最佳启动时间为检修前45分钟到1小时之间；探讨相同偏离量的最优选择应该以总偏离量最小；对于突发事件引起的偏离,主要是讨论能源管理中心及其配套管理手段对于解决煤气系统偏离运行的作用。(3)针对我国钢铁企业煤气富余的现状,采用统计学方法对煤气系统各个环节煤气产耗及缓冲量的动态变化进行分析建模,将煤气系统动态预测模型分为富余量计算模型、稳定富余量动态调配模型、波动富余量缓冲调节模型,用于描述煤气系统各设备单元之间的动态关系。根据煤气系统三大动态模型的特点,采用Matlab/Simulink工具箱建立煤气动态仿真系统,可以满足求解复杂动态数学模型的要求。利用该仿真系统深入研究煤气产生量、使用量、存储量和缓冲量随时间变化的规律,进而分析煤气放散量随时间变化的规律。基于调度问题中皇后问题的基本建模思想,以动态预测模型为基础,以24小时为统计期,建立了富余煤气动态优化调配模型,模型主要包括波动分解以及稳定富余量的优化调配两部分,在追求“零放散”的同时,兼顾综合效益的最大化：富余煤气的波动分解模型根据存储缓冲单元的工作特点,将煤气的波动分解为瞬时波动和若干个稳定的状态,采用煤气柜消减瞬时小量波动,充分发挥煤气柜的调节功能,煤气系统实现“零放散”；稳定富余量的动态优化调配模型对各个稳定状态的动态周期进行分析建模,引入罚函数方法,充分考虑了发电效益、抽汽惩罚以及设备损耗等,以达到煤气系统运行综合效益最大化。(4)探讨煤气动态预测与优化方法在钢铁企业的应用。首先,结合典型企业“煤气资源优化利用管理软件的开发”项目,探讨预测与优化方法在钢铁企业的实现方式：按时间进程,在计划事件发生时,同步实现煤气系统仿真和动态调度,调整优化运行方式。然后,根据该480万t企业的生产流程、煤气富余度、富余煤气调节手段,分析了相关指标和存在的问题。模型应用结果表明：①实例计算出的富余煤气总量、煤气固定用户消耗总量、可调用户总用量、掺烧锅炉总掺烧量误差均在5%以下,高炉煤气总富余量波动次数无偏差,模型真实地反应出了富余煤气波动和调节的时变规律；设备单元预测数据与实时数据累计58次差值异常,能够预测大部分的计量仪表故障；该企业通过动态预测结果分析,调整了高炉检修完全撞车8小时和热风炉部分撞车1小时的异常波动。②选取样本数据进行波动分解后,三种煤气的状态空间波动次数分别为5、4、4次,瞬时波动的统计方差分别为3.3×104m3/h、1.5×104m3/h和3.7x104m3/h,在煤气柜的有效吞吐范围内,此时煤气系统达到零放散；算法改进后,报警次数从15次减少到6次,高炉煤气、焦炉煤气达到“零放散”,转炉煤气回收量也有增加,效果明显优于预测值；该企业二期将增加2650m3高炉一座,220t/h转炉一座,同时增设15万m3干式煤气柜及8万m3/h掺烧锅炉的方案能够满足系统零放散的需求；采用气柜联网或5万立柜扩容到8万m3的方案偏离度超限次数由23次分别减少到1次和8次,转炉煤气回收量分别增加517万m3和330万m3,气柜联网效果更好；1#、2#焦炉改造后,焦炉煤气柜应扩容到10万m3以上才能确保“零放散”。②采用欧几里得算法对三种煤气样本数据的动态周期进行合并,合并后的状态空间S有6个状态,12个周期；优化调配算法能综合考虑富余煤气及其产生的电、蒸汽所产生的效益,以及各缓冲环节的惩罚费用、燃料费用,优化计算的结果与预测值比较,偏离度超限次数下降了2次,6个状态的偏离总量下降了13%,企业总费用降低9.1%,燃气蒸汽联合循环发电机组在额定负荷下工作,其调节量由调节用户消纳,有效减小了运行费用10274元。