新世纪以来,各国钢铁工业都面临着新的发展机遇和挑战。一方面,科技的进步使大数据和云计算在各行各业相继取得突破,冶金行业正经历着蓬勃的发展时期;另一方面,生态环境的变化向钢铁工业提出新的时代命题,使钢铁行业自身发展与新时代科学技术相适应,通过以钢铁制造流程物理系统的结构改进和数字化信息系统相互融合,实现钢铁企业生产过程中物质流与能量流的协同优化将势在必行。本文将钢铁企业煤气系统作为研究对象,采用信息系统和物理系统的协同优化方法开展研究工作。（1）全面总结钢铁企业煤气系统的发展过程、研究现状及存在问题。从煤气系统物理结构、功能、研究观点、指导思想等方面进行阐述。指出煤气系统优化过程要以物质流与能量流协同运行理论为基础、以动态的非平衡思想为指导、采用开放系统的观点开展研究工作。结合冶金热能工程专业的发展过程,系统分析了煤气系统研究的不同阶段,包括单体设备煤气产耗的节能研究阶段、系统节能阶段、能量流行为与能量流网络研究阶段及煤气信息物理系统的运行模式研究阶段。（2）建立钢铁企业煤气系统优化研究数学模型,包括煤气流预测模型、煤气资源优化分配模型、煤气信息物理系统硬件体系优化模型。其中,煤气流预测作为煤气系统研究工作的基础,依据物质流与能量流之间的协同关系,提出基于钢铁厂物质流的煤气产耗量预测因果关系法对煤气流进行预测。利用数学规划法建立煤气系统优化调度模型指导煤气资源分配。通过分析钢铁厂煤气系统物理结构优化潜力,建立煤气系统网络节点优化模型和煤气缓冲区域网物理结构优化模型,指导煤气物理系统改进。（3）开展钢铁企业煤气系统物理结构优化研究,分析对煤气流运行的影响。通过对煤气流运行波动特性分析,利用所建两类参数追踪煤气流网络节点和煤气管网系统各管段的煤气波动情况,得到钢铁企业煤气系统网络结构缓冲节点的最佳位置。经研究,改进后的煤气输配系统相比较于原系统运行费用降低约768元/h。煤气系统网络节点容量优化方面,提出基于锅炉燃料负荷调节周期配合条件下的煤气柜柜容设计方法。当锅炉发挥动态调节能力,其调节周期低于2h时,计算得到煤气柜柜容优化值相比于企业实际情况减少约50%,使煤气缓冲节点调节能力更加灵活,降低系统建设成本。煤气缓冲系统物理结构优化方面,研究锅炉燃料负荷和煤气柜柜容的优化设计关系曲线。得到煤气柜与锅炉优化过程应遵循的最佳设计规则,指导钢铁厂煤气系统物理结构优化。（4）研究钢铁企业煤气信息物理系统协同优化。依据钢铁厂物质流与能量流的协同关系,采用因果关系法预测煤气流变化。以协同运行思想、动态的非平衡观点结合煤气物理系统的结构改进指导煤气系统优化运行。相比于企业实际方案,在煤气系统范围内采用系统管控方案开展研究,使煤气系统发电燃耗由503 gce/kWh下降到396gce/kWh,年发电量提高约4.08亿度。以开放系统观点和系统高效益运行思想指导下的协同优化方案,年发电效益相比于企业实际方案提高约3.5亿元,相比于系统管控方案提高约1.5亿元。因此,钢铁企业煤气信息物理系统的研究工作要以物质流与能量流的协同理论为指导、采用开放系统的观点、通过煤气物理系统改进和信息系统运行程序的相互融合来实现,使钢铁企业煤气系统获得更高的经济效益。