钢铁企业生产流程中会产生很多余压、余热、余能资源(主要包括高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气)，提高这些能源的利用率对节能减排具有重要意义^[1].很多钢铁联合企业都加强了对余热余能的回收利用，提高其电力转换效率，但却忽视了彼此之间形成的电力网络结构的协同性.电力网络结构的不完善会对电力系统的稳定性产生不良影响^[2]，还会导致余热余能质的使用不够充分，进而降低产电效率，增加了外购电的电力成本.

本文以钢铁企业电力能源管理为背景，应用图论知识构建了钢铁企业分布式发电电力节点的网络拓扑结构，对若干可能的拓扑结构进行了深入分析，建立了电力发电节点网络拓扑结构的评价体系，给出了最适合钢铁企业的电力网络拓扑结构.这种结构实现了钢铁联合企业电力系统的空间优化.

图论是拓扑学的一个分支，主要是通过由点和线组成的图形，构成模拟物理系统的模型，并根据图性质进行分析，提供研究各种系统的巧妙方法^[3].利用图论知识对电力系统网络进行拓扑结构分析能够有效提高分析电力系统问题的效率，如电力系统分析计算中的拓扑分解及网络划分^{[4, 5, 6, 7, 8]}.因此图论成为电力网络系统拓扑分析中最重要的方法.

设电网共有n个发电节点，其实际连接结构可用矩阵 C =(c_ij)_n×n来表示.元素c_ij表示下标所示节点间的连接情况： c_ij=1表示下标所示节点间有支路连接；c_ij=0表示下标所示节点间无支路连接.任何复杂程度不同的电力系统结构都可以用图来表示.设用G表示图，则有G{V，E，I}.式中：V表示图的顶点，相当于电力网络节点；E表示图的边，相当于电力网络的节点路径；I表示顶点和边的关联性，相当于电力网络节点和节点连接的关系,如路径、权值等.环：自身节点出发，回到自身节点的有向边.环表示节点自身的属性，比如燃气-蒸汽联合循环发电(CCPP)发电节点自身的蒸汽管道距离、权值等.若一个图有n个节点，则其具有n(n-1)个网络拓扑结构.

钢铁联合企业的节能发电设备可以构成一个电力系统网络(如图 1所示)：CCPP发电设备利用的是焦炉煤气和高炉煤气，因此节点CCPP与干熄焦发电和高炉炉顶余压发电两个节点的连线 为实线；而那些彼此不关联、无影响的发电设备之间用虚线连接.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图1 发电节点第1种网络拓扑结构 Fig. 1 The first network topological structure of power generation nodes

图 1中电力网络结构共有7个发电节点，具有网络拓扑结构42种，其实际连接情况可用结构矩阵 C 来表示：

在钢铁联合企业里，大部分发电设备是利用余热产生的蒸汽带动发电机(TRT(高炉炉顶煤气余压透平发电装置)除外) 来发电，因此，在矩阵 C 中，对角线上‘1’代表每个发电节点的自身蒸汽管道大小(TRT除外,c₃₃代表高炉煤气出口直至TRT发电设备透平机的管道路径长短)，c₁₄代表提供给CCPP发电设备 的焦炉煤气管道长短，c₃₄代表提供给CCPP发电设备的高炉煤气管道长短.

按照发电设备地理位置顺序组成的配置有14种.除了图 1所示的第1种配置，其他2~14种配置如图 2所示.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图2 发电节点的配置 Fig. 2 Layout of power generation nodes

针对某特定钢铁联合企业(该公司发电机组是固定的)，采集了上述不同配置下路径的数据，见表 1.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 14种配置的比较 Table 1 Comparison of 14 kinds of layout 配置类型 c11 c14 c22 c33 c34 c44 c55 c66 c77 总长/km 发电量/(kW · d-1) 第1种 1 3 0.8 1 4 2 0.5 0.6 0.7 13.6 35660 第2种 0.8 1 3 1 4 2 0.5 0.6 0.7 13.6 35660 第3种 1 3 0.8 1 4 2 0.6 0.5 0.7 13.6 35660 第4种 0.8 1 3 1 4 2 0.6 0.5 0.7 13.6 35660 第5种 0.8 1 2 1 3 2 0.5 0.6 0.7 11.6 38800 第6种 1 2 0.8 1 3 2 0.5 0.6 0.7 11.6 38800 第7种 1 3 0.8 1 4 2 0.7 0.6 0.5 13.6 35660 第8种 1 3 0.8 1 4 2 0.7 0.5 0.6 13.6 35660 第9种 0.8 1 3 1 4 2 0.7 0.5 0.6 13.6 35660 第10种 0.8 1 3 1 4 2 0.7 0.6 0.5 13.6 35660 第11种 1 2 0.8 1 3 2 0.7 0.6 0.5 11.6 38800 第12种 1 2 0.8 1 3 2 0.7 0.5 0.6 11.6 38800 第13种 0.8 1 2 1 3 2 0.7 0.6 0.5 11.6 38800 第14种 0.8 1 2 1 3 2 0.7 0.5 0.6 11.6 38800

表1 14种配置的比较 Table 1 Comparison of 14 kinds of layout

第2种配置中，c₁₄用c₂₂替代，c₂₂用c₂₄替代；第5种配置中，c₂₂用c₂₄替代；第9种配置中，c₁₄用c₂₂替代，c₂₂用c₂₄替代；第13种配置中，c₁₄用 c₂₂替代，c₂₂用c₂₄替代；第14种配置中，c₁₄用c₂₂替代，c₂₂用c₂₄替代.

通过表 1可以看出，第5，6，11，12，13和14种配置的总长度发生了变化，且发电量也比其他配置有明显优势；而其他配置的总长度没有变化，发电量也没有明显变化.从表中数据还可以看出，干熄焦设备、CCPP设备、高炉彼此之间的地理位置对发电量有重要影响.经过验证，蒸汽在地域相隔2km的管网里压差为1.37MPa，温差为 20℃，从而导致压力、焓值都降低，进而影响做功能力，导致发电量降低.干熄焦设备、CCPP设备、高炉三者之间的距离过远，会导致焓值降低，蒸汽参数不匹配，能级降低，进而降低发电量.在数学上，有三角形中两边之和大于第三边的定理，因此干熄焦设备、CCPP、高炉设备地理位置在一条直线上最好.综上可知，第5，6，11，12，13和14种配置最好.

以第6种配置为例，缩短TRT高炉煤气出口至发电设备透平机的管道路径及转炉饱和蒸汽发电设备、轧钢加热炉、热电联产的蒸汽管道距离后的发电量如表 2所示.

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 第6种配置缩短管道距离前后发电量的比较 Table 2 Comparison of power generation before/after shortening pipeline of the sixth layout 管道状态 c11 c14 c22 c33 c34 c44 c55 c66 c77 总长/km 发电量/(kW · d-1) 缩短前 1 2 0.8 1 3 2 0.5 0.6 0.7 11.6 38800 缩短后 1 2 0.8 1 3 1.9 0.4 0.5 0.6 11.2 40980

表2 第6种配置缩短管道距离前后发电量的比较 Table 2 Comparison of power generation before/after shortening pipeline of the sixth layout

通过表 2可以看出，缩短管道距离后，每天发电量增加了2180kW，可见各自设备蒸汽管道、煤气管道的距离是影响发电量的重要因素.

1) 在钢铁联合企业中，余热余能发电节点之间(指干熄焦发电、CCPP、高炉三者)和各自设备蒸汽管道、煤气管道的距离是一个重要因素，还要考虑热工中温度、压力、焓因素.由于节点之间及管道距离过远会导致焓值降低，蒸汽参数不匹配，进而影响发电量；因此节点之间的距离越近越好，从而实现最大能级阶梯式利用.

2) 干熄焦设备、CCPP、高炉设备地理位置在一条直线上较好.

3) 在蒸汽使用环节上，高、中温蒸汽用来发电，低温蒸汽供给相应的用户.