煤氣混合加壓控制方式研究

彭岱峻

（廣東韶鋼松山股份有限公司，廣東 韶關512123）

1 某鋼廠煤氣混合加壓站的發展

為節能環保，鋼鐵企業生產的副產品高爐、焦爐、轉爐煤氣一般作為二次能源輸送給生產系統再利用。為了充分利用低熱值的高爐煤氣，需將低熱值的高爐煤氣與高熱值的焦爐煤氣混合后再輸送給用戶。混合煤氣加壓站一般有先混合后加壓和先加壓后混合2種工藝選擇。某鋼廠在20世紀90年代建成了第一座混合煤氣加壓站，該加壓站只有高爐、焦爐2種煤氣，采用的是先混合再加壓工藝，2003年該鋼廠建成了第二座混合煤氣加壓站，該加壓站有高爐、焦爐、轉爐3種煤氣，采用高爐煤氣與焦爐煤氣先混合后加壓，再與已經單獨加壓的轉爐煤氣混合的生產工藝。2011年在總結前2座加壓站經驗的基礎上，采用了將3種煤氣先分別加壓后再混合的生產工藝，并建成第三座混合煤氣加壓站。

2 2種混合加壓工藝對比

某鋼廠三柜區加壓站采用先混合后加壓工藝流程，在高爐煤氣管道入口安裝了A、B 2個調節閥，在焦爐煤氣管上安裝了C調節閥。該廠高爐煤氣管網壓力隨高爐生產狀況變化較大，一般在5～14 k Pa間波動，通常為10 k Pa，波動比較頻繁。焦爐煤氣壓力在4 k Pa左右，相對穩定。通常高爐煤氣壓力遠高于焦爐煤氣壓力，為了順利實現高爐、焦爐煤氣混合，先通過安裝高爐煤氣管道上的A、B調節閥對高爐煤氣進行降壓將高壓力的高爐煤氣降壓到5 k Pa以下，使之與焦爐煤氣壓力相近，之后二者再混合。接下來，通過調節A、B、C閥，改變高焦爐煤氣流量配比，使高爐、焦爐混合煤氣熱值接近轉爐煤氣熱值，最后再與加壓后的轉爐煤氣混合得到三混煤氣，通過混合煤氣管網輸送給用戶。

某鋼廠四柜區加壓站采用先加壓再混合工藝流程，高爐、焦爐、轉爐等3臺煤氣加壓機均采用變頻調速控制，通過調節轉速改變3種煤氣的壓力。先通過調節高爐煤氣加壓機的轉速起到調節三混煤氣管網壓力的作用，再通過改變焦爐煤氣與高爐煤氣流量比例達到調節熱值的目的，最后與加壓后的轉爐煤氣混合得到三混煤氣。其中，轉爐煤氣不直接參與三混氣壓力和熱值的自動調節，只是根據轉爐煤氣柜位的高低和轉爐生產節奏，來控制轉爐煤氣輸出流量。

3 三、四柜區混合煤氣壓力和熱值控制原理

3.1 三柜區三混氣壓力和熱值控制原理

三柜區混合加壓站煤氣壓力、熱值控制系統設置了三路閉環控制，如圖1所示。

圖1 三柜區控制調節系統圖

（1）二混風機以混合氣管道壓力為控制對象，風機轉速根據三混氣管道壓力而自動調整，以維持三混氣壓力穩定。

（2）高爐煤氣調節主閥以高爐、焦爐煤氣瞬時流量的比值為控制對象，其開度隨二者比值的變化而自動調整，以維持三混氣熱值穩定在轉爐煤氣理論熱值。

（3）轉爐煤氣風機以轉爐煤氣流量為控制對象，以確保轉爐煤氣流量穩定，從而確保轉爐煤氣柜柜位變化處于可控和可預期狀態。

3.2 四柜區混合煤氣壓力和熱值控制原理

四柜區混合加壓站煤氣壓力、熱值控制系統也設置了三路閉環控制，如圖2所示。

圖2 四柜區控制調節系統圖

（1）高爐煤氣加壓風機以混合氣管道壓力為控制對象，風機轉速根據三混氣管道壓力而自動調整，以維持三混氣壓力穩定。

（2）焦爐煤氣風機以焦爐、高爐煤氣瞬時流量比為控制對象，風機轉速適時自動調整，以確保焦爐煤氣流量與高爐煤氣流量的比值穩定，從而確保三混氣熱值穩定在轉爐煤氣理論熱值。

（3）轉爐煤氣風機以轉爐煤氣流量為控制對象，以確保轉爐煤氣流量穩定，從而確保轉爐煤氣柜柜位變化處于可控和可預期狀態。

4 三、四柜區煤氣輸送效果對比

（1）通過實際運行發現，四柜區采用了先加壓后混合的工藝與控制模式，壓力、熱值參數均很穩定。而三柜區采用的是先混合再加壓的工藝控制模式，只能保證壓力、熱值2個參數之一保持穩定。

（2）在三柜區的實際運行中，只有轉爐煤氣實現了閉環控制，使得轉爐煤氣出口流量穩定，實際輸出量與設定值間誤差小于1 000 m3／h。而三混煤氣的壓力環和熱值環則無法同時投入，只能單獨投入，只能保證壓力穩定或熱值穩定。如壓力環和熱值環同時投入，則易受三混煤氣終端用戶使用量改變、高爐煤氣管網壓力改變等外因干擾，壓力和熱值極不穩定，甚至陷入大幅振蕩。三柜區煤氣加壓站實際運行時的壓力實時曲線如圖3所示，可見煤氣的出口壓力不是很穩定。

圖3 三柜區加壓站壓力實時曲線

（3）四柜區煤氣加壓站輸出混合煤氣的壓力、熱值和轉爐煤氣流量均實現了自動閉環控制。圖4為四柜區實際運行中壓力、熱值的實時曲線，可以看出，不論高爐、焦爐煤氣如何波動，出口壓力與設定值相差在0.1 k Pa以內，熱值在7 100～7 600 kJ／m3間波動，波幅約為±250 kJ／m3，誤差控制小于3.4%，控制效果非常理想。

圖4 四柜區壓力、熱值調節實時曲線

（4）四柜區可以根據高、焦爐煤氣管網壓力和混合煤氣用量靈活地設定焦爐煤氣與高爐煤氣配比，其高爐煤氣、焦爐煤氣比值可在4∶1～1∶1之間靈活設定，熱值調節靈活，適應生產變化能力強。而三柜區高爐煤氣、焦爐煤氣混合比值無法實現自動控制，當出現煤氣用戶用量增加的外因時，為保證管網壓力系統將配入更多的高爐煤氣，時常出現高爐煤氣串入焦爐煤氣管網的事故，導致焦爐煤氣用戶無法正常生產，甚至熄火。

（5）由于高爐煤氣壓力遠高于焦爐煤氣，先混合再加壓工藝控制方式必須將高爐煤氣壓力先降至焦爐煤氣壓力，混合后再進行升壓，這樣一個反復的過程浪費大量電能。而先加壓再混合，高壓的高爐煤氣可直接進行使用，省去了升壓步驟，能耗相應也大幅減少，節能效果顯著。

5 實際效果差異原因分析

通過分析2種工藝控制方式的控制原理圖可以看出，2種控制方式均有三路閉環調節，均應能很好地達到控制目的，但事實卻大相徑庭。原因如下：三柜區煤氣加壓站壓力調節環與熱值調節環串聯，相互影響，而四柜區加壓站的三路閉環相互獨立，互不影響。

（1）在三柜區煤氣加壓站，在調節混合煤氣管網壓力時必然影響二混氣混合點（加壓機前）壓力，進而影響高爐煤氣（或焦爐煤氣）管網壓力及壓力差，同時影響高爐煤氣和焦爐煤氣流量，導致高、焦煤氣流量配比變化，使熱值自動調節系統進入到調節過程。

當焦爐煤氣不變，通過調節高爐煤氣流量以調節高、焦配比時，又將影響到加壓機前壓力和進氣量，傳遞到加壓機后，壓力閉環調節系統隨即進入到調節過程。

可見，任何波動都會導致2個閉環系統同時進入調節進程，而2個調節系統各有不同的執行元件，壓力調節由風機轉速調節，熱值調節由電動閥門執行，風機加減速率受風機慣性和變頻器性能的限制，電動閥動作快慢受其驅動電機轉速的限制，二者難以實現理想的配合，進入振蕩狀態。

（2）在四柜區煤氣加壓站，當管網壓力波動時，高爐煤氣風機會進入自動調節過程，高爐煤氣流量變化又將導致焦爐煤氣與高爐煤氣配比發生變化，焦爐煤氣風機隨即進入自動調節轉速過程，為保持熱值不變，焦爐風機與高爐風機的加、減速同步，而焦爐風機加、減速調節熱值的過程同時也是輔助高爐風機調節管網壓力的過程，壓力、熱值調節均能協調統一。

6 結語

通過理論分析與生產實踐摸索，先加壓后混合的工藝控制方式能夠實現煤氣混合加壓系統的穩定運行，不僅輸出的混合煤氣壓力、熱值穩定，而且節能效果明顯，值得推廣。