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2016

重庆市映天辉氯碱化工有限公司关于氯碱生产错峰用电的探讨

作者：

Peak load shifting of chlor-alkali production
HU Hong-ming
(Chongqing Wintinwe Chlor-alkali Chemical Co.Ltd ,Changshou 401221,China)

　　Abstract: With the social development, China's energy issue will become more prominent, the rational use of energy, science and use of energy is our business continue to explore and pursue. Chlor-alkali production is power-hungry, how to make good use of scientific and reasonable electricity worth exploring chlor-alkali enterprises. Chongqing Wintinwe Chlor-alkali Chemical Co.Ltd, electricity peak load shifting, this paper presents the possibility of peak load shifting operation, running on the peak shifting and analyzed a mathematical model, obtained under different load how to run to peak load shifting to maximize economic benefits. And proposed management measures, how to implement the recommendations given.
　　Key Words: Peak shifting Mathematical model Load adjustment

　　一、前言
　　能源是氯碱企业主要的费用支出，在离子膜烧碱生产中，电占了生产成本的70%，如何加强能源管理，降低能源费用是企业生存与发展的重要工作之一，随着社会的发展，我国能源问题将变得更加突出，合理使用能源，科学使用能源是我们企业不断探索和不断追求的目标。
　　重庆市映天辉氯碱化工有限公司离子膜法烧碱装置能力为15万吨/年。如果按70%负荷生产，每年耗电大概27300万度电，如果电价的平均价格每下降0.01元，每年就要节约273万元，有明显的经济效益。如果不自建发电厂，直接降低电的价格不是受企业所支配的，只能从合理利用不同时段对应不同电价上下功夫。在日本，也是实行错峰电价，日本许多氯碱生产厂实行错峰运行，以使企业产生最大的经济效益。现重庆市映天辉氯碱化工有限公司不是全年都满负荷生产，为错峰用电提供了可能。为此，本文就如何采取措施，实行错峰用电上进行了探讨。
　　二、错峰分析
　　错峰用电是指根据电网负荷特性，通过行政、技术、经济等手段将电网用电高峰时段的部分负荷转移到用电低谷时段，从而减少电网的峰谷负荷差，按照“以发定供、以供定用”的原则，最大限度提高发、供电设备的利用率，优化资源配置，提高电网安全性和经济性。其中的经济手段是指实行错峰电价，低谷时低电价，高峰时高电价，下表为2010年我公司电价一览表。

　　从上面电价一览表可以看出，各峰段电价相差巨大，利用好后有很大的经济效益。现在多数氯碱厂的开工率都没有达到满负荷，可以利用错峰大大节约成本，所以实行错峰运行是很有必要的。
　　错峰运行能降低成本，但怎样去错峰运行，才能达到最大程度的节约成本，风险又相对较低等等，这些问题都需要解决，现将问题整理如下:
　　◎怎样进行错峰运行？即什么时候升降电流，各升降多少才能取得最大的经济效益？
　　◎ 氯压机等大型机组该怎么办？即是开一台还是两台，还是一台与两台之间进行切换？
　　◎库存是怎么考虑的，如何与销售接洽？即怎样保证库存不胀库，销售有产品销售？
　　◎如何考虑风险，如果出现了风险，该怎么办？即出现倒氯压机时系统跳停、氯氢压差波动较大、尾氯不平衡等情况，该如何处理？
　　◎组织措施如何保障？如何进行错峰运行管理？
　　针对以上问题，建立错峰运行模型，进行求解和分析，最终回答以上问题，寻找到解决方案。

三、错峰数学模型的建立

电价是在一天范围内波动，我们就研究一天内如何组织错峰运行。首先研究错峰的目标。错峰的目的是在风险尽量低的情况下，节约成本最大化，即尽可能在电价最低时负荷最高，电价最高时负荷最低。建立目标函数如下：

目标函数 Max：平均电流运行成本－错峰运行成本－风险成本

其中平均电流运行成本是指在不错峰情况下，一天的生产成本。错峰运行成本指的是在错峰运行下，一天的运行成本。风险成本指的是因频繁调整负荷，升降电流，可能会给氯碱系统带来一定的风险，将风险折算为价值摊销到每天的成本。

在建立模型之前，先需要知道一些已知条件，描述如下：

①每天的销售量，需要生产的产量，即每天的平均负荷；

②调整负荷时各产品的库存量；

③各运转设备的状态，是否能够满足负荷调整。

约束条件：

①负荷必须在最低负荷与最高负荷之间，有可调节范围；氯工程电槽范围是50%~120%；

②随时保证各种产品的库存在适中范围，不能太低，满足不了销售的要求，不能太高，出现胀库现象；

由低负荷向高负荷需满足（主要考虑胀库）：库存量+生产量－销售量<库存上限值

由高负荷向低负荷需满足（主要考虑无货源）：库存量+生产量－销售量>0

③尽可能的使风险降到最低；如氯压机倒机的次数尽量少，操作尽量的平稳；

④尾氯的平衡，产生的尾氯盐酸、次钠必须能消耗掉；

⑤设备的稳定性，高负荷时冰机不得跳停，盐酸不得跳停，不然尾氯处理不了，如果出现跳停，必须要及时的解决。

在建立数学模型以前，先做一些设定：

①假设因频繁升降电流造成风险，平均每调整一次增加风险成本C₁元；

②假设因倒氯压机造成风险，平均每倒一次增加风险成本为C₂元；

③液氯库存上限为K_1H吨；次钠库存上限为K_2H吨（需留有余量防止意外），盐酸库存上限K_3H吨，32%碱液库存上限为K_4H吨；实际液氯库存为K₁吨，次钠库存为K₂吨，盐酸库存为K₃吨，32%库存为K₄吨，销售液氯量为K_1S吨，销售次钠量为K_2S吨，销售盐酸量为K_3S吨，销售32%量为K_4S吨；生产液氯量为K_1P吨，生产次钠量为K_2P吨，生产盐酸量为K_3P吨，生产32%量为K_4P吨；液氯的液化效率为90%，次钠的有效氯含量为12%，盐酸的浓度为31%；

④实际生产时电槽允许的最低负荷为L_minKA，最高负荷为L_maxKA；

⑤根据生产计划，每天的平均负荷为L_aKA；4个电槽回路运行，在10万吨/年烧碱规模情况下电流为：16.194KA/回路，直流电耗为：2150Kwh/吨碱，动力电耗为：450 Kwh/吨碱，总电耗为：2600 Kwh/吨碱，即每小时烧碱的产量为：10×10⁴/8000×L_a/16.194=0.7719 L_a（在4个回路运行的情况下每KA电流每小时产0.7719吨烧碱）

⑥氯压机每台功率220KW，氯压机无低负荷要求，单台最高负荷可达5万吨/年烧碱的要求；平均负荷下氯压机运行台数为t_a，最低负荷下运行台数为t_LL，低负荷运行下为t_L，高负荷下运行台数为t_H；

⑦电的价格见表1，谷段价格为P_LL元，平段价格为P_L元，高峰价格为P_H元，尖峰价格为P_HH元，在负荷相同的情况下一天的平均价格为P_a元（不考虑办公用电、照明用电等因素的影响），P_a=(8P_LL+8P_L+6P_H+2P_HH)／24

⑧在产量不变的情况下，原材料消耗和水汽消耗变化不大，所以这里的成本主要考虑电的成本和风险带来的成本；

⑨从表1中可以看出，一天有4个段价格都不一样，而且平段和高峰段时间是交叉的，从生产实际角度考虑，结合到可操作性，将时段划分为3个来调整负荷，23：00~7：00这8个小时为一段，负荷为L_HKA，全为谷段电价P_LL元；7：00~19：00这12个小时为一段，负荷为L_IKA，其中有8小时为平段电价P_L元，4小时为高峰电价P_H元；19：00~23：00这4个小时为一段，负荷为L_LKA，其中有2小时为高峰电价P_H元，2小时为尖峰电价P_HH元；

⑩每天调整负荷的次数为T₁，每天倒氯压机的次数为T₂（只考虑增加设备的次数）；

数学模型的建立：

目标函数（每天相对于不错峰运成本节约最大化）：

Max0.7719×2600×（24L_aP_a－8L_HP_LL－8L_IP_L－4L_IP_H－2L_LP_H－2L_LP_HH）－T₁C₁+2200×（24t_aP_a－8t_HP_LL－8t_LP_L－4t_LP_H－2t_LLP_H－2t_LLP_HH）－T₂C₂

约束条件：

⑴ 24L_a=8L_H+12L_I+4L_L；总负荷相等

⑵ L_min＜L_L≤L_a≤L_H＜L_max 负荷约束关系

⑶ 0＜K₁+ K_1P－K_1S＜K_1H 液氯库存约束

⑷ 0＜K₂+ K_2P－K_2S＜K_2H次钠库存约束

⑸ 0＜K₃+ K_3P－K_3S＜K_3H盐酸库存约束

⑹ 0＜K₄+ K_4P－K_4S＜K_4H 碱液库存约束

⑺ 12%K_2P+ 31%×35.5／36.5K_3P＞10%×32%×71／80 K_4P 尾氯平衡

⑻ K_1P +12%K_2P+ 31%×35.5／36.5K_3P＝32%×71／80 K_4P 总氯相等

⑼ L_H=L_I=L_L，T₁=0

L_H＝L_I≠L_L或L_H≠L_I＝L_L，T₁=1；调整电流次数与负荷的关系

L_H≠L_I≠L_L，T₁=2；

⑽t_LL≤t_L≤t_a≤t_H 氯压机运行台数关系

四、数学模型求解

氯压机的倒机在目标函数中表现为：2200×（24t_aP_a－8t_HP_LL－8t_LP_L－4t_LP_H－2t_LLP_H－2t_LLP_HH）－T₂C₂，现设定C₂=10000，有以下几种情况：

⑴初始氯压机2台，错峰时在7：00倒机1次，取一月份电价，上面函数值为：12522.58元；

⑵初始氯压机2台，错峰时在19：00倒机1次，取一月份电价，上面函数值为：-2934.09元；

⑶初始氯压机2台，错峰时不倒机，上面函数值为：0；

⑷初始氯压机1台，错峰时倒机1次，取一月份电价，上面函数值为：-14416.19元；

⑸初始氯压机1台，错峰时不倒机，上面函数值为：0；

下表为氯压机倒机各种情况的计算表：

从上表反应出，在平均负荷大于8KA，高峰负荷L_H大于8KA，平段L_I和低段L_L小于8KA时，倒氯压机是获利的，其它情况考虑到风险因素情况下，是不获利的。

在剩下的目标函数中0.7719×2600×（24L_aP_a－8L_HP_LL－8L_IP_L－4L_IP_H－2L_LP_H－2L_LP_HH）－T₁C₁，其中L_a、P_a、P_LL、P_L、P_H、P_HH、C₁为已知量，L_H、L_I、L_L、T₁为未知量，通过约束条件（1）可以得：L_I=（24L_a－8L_H－4L_L）/12;通过约束条件（9）也可以得出T₁值，现在就剩下2个变量：L_H、L_L。

该目标函数是一个关于L_H、L_L的线性函数，通过极限求解法和试探法求解，现将已知数据设定进行求解：L_min=5，L_max=16，取3月份电价进行求解，C₂=5000，库存假设能满足约束条件要求（实际操作时根据真实值调整）。

极限求解法和试探求解法：两个变量分别取极限最大值和最小值，然后对每个约束条件进行判别，如果不满足，确定一幅度值，按照此幅度值减小或增大极值，再一次求解，直到满足所有约束条件为止。

平均负荷为整数时，模型的解见下表格：

五、错峰管理

从上面错峰模型求解的结果可以看出，错峰的经济效益是非常可观的，在10万吨/年碱的生产能力，75%负荷全年运行时，每年相对不错峰运行要节约800万元左右，所以，实行错峰运行势在必行。但因负荷的频繁调整，各大型机组的频繁开停，风险也十分巨大，现就如何组织好、管理好错峰运行提出以下建议：

①提高认识，统一思想，建立完善的错峰运行管理制度。因负荷的频繁调整，而且最低电价是在深夜，一是改变了操作工、维修工的习惯，二是增加了他们的责任和压力，所以需要做好宣传和学习，统一员工的思想，提高他们的认识，才能做好错峰工作。在宣传教育的同时还需要建立完善错峰用电的制度，对程序、责任、考核等进行明确，以保证错峰用电的实施。

②错峰前期设专人负责错峰运行，进行协调、计算、指导、监督、分析、总结等工作。

③加强学习和管理，让每个参与错峰运行的员工意识和技能都到位。

④有专门的针对错峰运行的应急预案，并要进行演练和掌握，出现意外情况后能立即处理。

⑤调整负荷前计算一定要准确，每个约束条件都要一一核对。（库存允许的最大和最小负荷，尾氯的处理能力，各大型机组的运行能力等）