基于熱值計(jì)算的鋼廠混合煤氣系統(tǒng)平衡優(yōu)化研究

劉雙剛 ，溫美德，蘇志強(qiáng)，劉金剛 ，俞文光

（1.浙江中控技術(shù)股份有限公司 優(yōu)化控制事業(yè)部，杭州 310053；2.福建省三鋼（集團(tuán)）有限公司 動力廠，三明 365000）

大中型鋼廠通常擁有焦化、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等生產(chǎn)工序，其中焦?fàn)t、高爐與轉(zhuǎn)爐可供煤氣回收。回收的這三種煤氣除自用外，還作為優(yōu)質(zhì)燃料提供給燒結(jié)機(jī)、軋鋼加熱爐等工業(yè)爐窯和居民使用。但由于煤氣回收利用系統(tǒng)規(guī)劃和投資先天不足，存在加壓設(shè)備老舊、管道鋪設(shè)不合理、儲氣柜容偏小、緩沖用戶不足、在線監(jiān)測系統(tǒng)配置不足等問題，給企業(yè)煤氣系統(tǒng)的平衡管理工作帶來了較大困難。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)張發(fā)展，煤氣的產(chǎn)出量越來越多，各類用戶與開辟新用戶的煤氣需求量也越來越大，同時對煤氣供給質(zhì)量的要求也越來越高[1]。混合煤氣平衡優(yōu)化的困境引起了人們的高度關(guān)注，紛紛提出了模糊控制、解耦控制等智能控制算法，以實(shí)現(xiàn)混合煤氣壓力、熱值的優(yōu)化控制。

1 煤氣混合加壓系統(tǒng)工藝流程與生產(chǎn)要求

混合煤氣在鋼鐵企業(yè)中用途非常廣泛，兩種或三種熱值不同的煤氣經(jīng)混合、加壓之后送至加熱爐等煤氣用戶。本案例中，鋼廠煤氣系統(tǒng)混合工藝流程采用焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣先混合后加壓的工藝。其工藝簡圖如圖1所示，主要涉及加壓機(jī)、氣柜、焦?fàn)t煤氣總管、轉(zhuǎn)爐煤氣總管、高爐煤氣總管及相關(guān)閥門等。

圖1 煤氣系統(tǒng)混合流程示意Fig.1 Schematic diagram of mixed gas system

如圖可見，焦?fàn)t煤氣總管設(shè)置壓力測量P1，流量測量F1，調(diào)節(jié)閥A；高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣混合后總管設(shè)置壓力測量P2，流量F2，調(diào)節(jié)閥C（現(xiàn)場有2個調(diào)節(jié)閥串聯(lián)）；轉(zhuǎn)爐煤氣總管設(shè)置壓力測量P3，流量測量F3，開關(guān)閥D；高爐煤氣總管設(shè)置壓力測量P4，調(diào)節(jié)閥B，無流量測量；加壓機(jī)后設(shè)置壓力測量P5，流量測量F5；加壓機(jī)機(jī)前設(shè)置壓力測量P6。

煤氣混合加壓系統(tǒng)是一個多輸入、雙輸出的復(fù)雜耦合系統(tǒng)，其控制參數(shù)壓力、熱值的波動給混合煤氣的最終用戶帶來很大的安全隱患。壓力波動過大將直接影響用戶裝置尤其是加熱爐的正常運(yùn)行。因其對壓力設(shè)有上下限安全聯(lián)鎖，壓力太低加熱爐會強(qiáng)制切斷煤氣，造成加熱爐熄火；壓力太高則可能造成不完全燃燒[1]。同時，高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣與焦?fàn)t煤氣的3種熱值差異較大，若混合不佳，熱值太低導(dǎo)致最終用戶燃燒效率不佳或熄火，不能滿足生產(chǎn)要求；熱值太高則又浪費(fèi)低熱值煤氣，造成低熱值煤氣的放散。

如何提高煤氣的回收利用水平，做好煤氣系統(tǒng)的綜合平衡，是挖掘氣源潛力，合理分配使用有限的二次能源，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會環(huán)境效益十分重要的途徑[2]。特別是轉(zhuǎn)爐煤氣的充分利用，對耗能大戶的鋼廠來說，有著非常重要的經(jīng)濟(jì)價值。轉(zhuǎn)爐煤氣回收利用得好，可以實(shí)現(xiàn)煉鋼生產(chǎn)的負(fù)能耗。然而，鋼廠煤氣的供氣管線長，裝置啟停頻繁，負(fù)荷變動大，容易出現(xiàn)周期性波動。這些特點(diǎn)決定了采用常規(guī)控制方案無法兼顧快速調(diào)節(jié)與穩(wěn)態(tài)品質(zhì)的需求。

鑒于此種情況，福建省三鋼（集團(tuán)）有限公司與浙江中控技術(shù)股份有公司成立了項(xiàng)目組，對鋼廠的煤氣系統(tǒng)進(jìn)行研究，力爭實(shí)現(xiàn)混合煤氣系統(tǒng)的長周期自動優(yōu)化運(yùn)行。

2 鋼廠混合煤氣系統(tǒng)平衡優(yōu)化方案

2.1 熱值優(yōu)化

項(xiàng)目組對已實(shí)現(xiàn)的混合煤氣優(yōu)化控制的部分企業(yè)進(jìn)行了實(shí)地考察，在與鋼廠工藝、管理專家多次交流后，針對熱值儀故障較多，不能長周期運(yùn)行，混合煤氣未裝熱值分析儀等問題，提出了基于熱值計(jì)算的混合煤氣系統(tǒng)平衡優(yōu)化模型[3]，設(shè)：

混合煤氣總量＝1，混合煤氣熱值＝A，

焦?fàn)t煤氣占比＝1，焦?fàn)t煤氣熱值＝B，

高爐煤氣占比＝1-x-y，高爐煤氣熱值＝C，

轉(zhuǎn)爐煤氣占比＝x，轉(zhuǎn)爐煤氣熱值＝D，

混合煤氣熱值通過3種煤氣流量加權(quán)計(jì)算：

當(dāng)轉(zhuǎn)爐煤氣過量，高爐煤氣占比為0時，即：

由式（1）可得 A=B（1-x）+Dx

根據(jù)三鋼公司現(xiàn)場情況，工藝要求：

混合煤氣熱值設(shè)定值A(chǔ)=14654 kJ/m3，

實(shí)測焦?fàn)t煤氣熱值B=17585 kJ/m3，

高爐煤氣熱值C=3349 kJ/m3，

轉(zhuǎn)爐煤氣熱值D=6071 kJ/m3，

分別代入式（1），式（2），式（4），可得：

焦?fàn)t煤氣占比y為

高爐煤氣占比1-x-y為

其模型如圖2所示。

轉(zhuǎn)爐煤氣占比、焦?fàn)t煤氣占比及高爐煤氣占比，三者之和為100%，故實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)三點(diǎn)連線與橫軸垂直。因占比不可為負(fù)值，故轉(zhuǎn)爐煤氣占比實(shí)際運(yùn)行范圍約為0～25.4%。考慮到轉(zhuǎn)爐煤氣價格較低，故接近25.4%為系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)[4]。

圖2 熱值模型Fig.2 Calorific value model

2.2 壓力優(yōu)化

圖3 負(fù)荷前饋曲線Fig.3 Feed forward curve of load

閥門及加壓機(jī)根據(jù)加壓機(jī)前壓力，在正常控制與安全保護(hù)模式之間切換[5]，當(dāng)煤氣供應(yīng)量過低，不能滿足熱值控制需求時，為維持機(jī)前壓力安全范圍，切換為壓力模式，首先加大高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣流量，其次加大焦?fàn)t煤氣流量，最后降低出口壓力，降低煤氣供應(yīng)量，如圖4所示。

加壓機(jī)機(jī)前壓力是系統(tǒng)輸入、輸出之間平衡狀態(tài)的反映。當(dāng)需求大于供給時，機(jī)前壓力會降低，反之則升高。為及時響應(yīng)需求變化，利用機(jī)前壓力對流量控制回路進(jìn)行前饋修正，即壓力接近壓力低限時，流量設(shè)定值增大，如圖3所示。

圖4 運(yùn)行模式切換邏輯Fig.4 Running mode switching logic diagram

3 DCS實(shí)現(xiàn)

優(yōu)化控制系統(tǒng)由浙江中控公司的JX-300XP DCS系統(tǒng)和PCO優(yōu)化控制平臺構(gòu)成。DCS完成信號采集、控制切換、聯(lián)鎖及控制輸出，上位機(jī)優(yōu)化控制軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算，并將控制指令發(fā)送給DCS，二者通過OPC協(xié)議通信。過程控制優(yōu)化PCO（process control optimization）是復(fù)雜控制上位機(jī)軟件平臺，可根據(jù)現(xiàn)場需要定制復(fù)雜控制算法。

優(yōu)化控制方案以回路控制為中心，由模型計(jì)算、負(fù)荷前饋、回路監(jiān)視、非線性補(bǔ)償、多機(jī)協(xié)調(diào)等共同組成，如圖5所示。供氣量正常時，熱值運(yùn)行于（設(shè)定值±418.68）kJ/m3范圍的時間超過97%，混合煤氣出口壓力運(yùn)行于（設(shè)定值±0.3）kPa范圍的時間超過97%。實(shí)現(xiàn)了優(yōu)先使用轉(zhuǎn)爐煤氣，少用高爐煤氣，并優(yōu)先保障壓力的工藝需求。

圖5 控制方案結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of control scheme

自2014年9月投運(yùn)以來，面臨現(xiàn)場負(fù)荷波動經(jīng)常達(dá)60%的現(xiàn)象，系統(tǒng)采用基于熱值計(jì)算的混合煤氣平衡優(yōu)化系統(tǒng)控制算法，長期維持在（設(shè)定值±209.34）kJ/m3以內(nèi)，壓力設(shè)定值 9.5 kPa左右，波動小于0.1 kPa，運(yùn)行平穩(wěn)，好于設(shè)計(jì)預(yù)期，如圖6所示，因此解決了煤氣系統(tǒng)控制失效的問題，取得了良好的控制效果。

圖6 控制效果趨勢Fig.6 Trend of control effect

4 結(jié)語

通過調(diào)研，行業(yè)內(nèi)大部分用戶的煤氣混合加壓系統(tǒng)仍然采用常規(guī)PID等基本控制方案，系統(tǒng)波動大，抗擾能力弱。經(jīng)過多年努力，具備了較強(qiáng)的行業(yè)控制難點(diǎn)攻關(guān)能力，希望上述工作對行業(yè)內(nèi)同類裝置有積極的參考借鑒價值。

[1]唐新義.三鋼煤氣平衡基本思路與原則[J].福建能源開發(fā)與節(jié)約，1999，18（4）：17.

[2]宋玉泉.按鞍鋼主要產(chǎn)品編制煤氣平衡的方法[J].鞍鋼技術(shù)，1985，22（10）：27.

[3]曹衛(wèi)華，吳敏，侯少云.煤氣混合加壓過程的智能解耦控制方法與應(yīng)用[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，37（4）：780-785.

[4]萬磊.基于混合煤氣加壓站熱值及壓力控制的研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39（3）：171.

[5]朱芬梅，周雙喜，于飛.煤壓站混合煤氣熱值智能控制的實(shí)現(xiàn)[J].甘肅冶金，2013，35（5）：38-40.

[6]路天恩，盧三忠，董尉民，等.安鋼煤氣平衡模式的分析與探討[J].河南冶金，2013，21（2）：54.

[7]郭江.智能控制高爐、焦?fàn)t混合煤氣壓力和熱值[J].新疆大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，18（2）：231-235.

[8]孫貽公.對大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)煤氣平衡問題的探討[J].鋼鐵，2003，38（6）：59.

[9]熊永華，杜友武，曹衛(wèi)華，等.基于數(shù)據(jù)校正的煤氣平衡認(rèn)證方法及其應(yīng)用[J]，科技通報(bào)，2010，26（5）：730.

[10] 黃樂天.梅鋼煤氣平衡及對策初探[J].寶鋼技術(shù)，2002，20（5）：55.[11]聶秋平，吳敏，曹衛(wèi)華，等.一種基于消耗預(yù)測的鋼鐵企業(yè)煤氣平衡與數(shù)據(jù)校正方法[J].化工自動化及儀表，2010，37（2）：14-18.

[12]邱東，陳爽，仝彩霞，等.鋼鐵企業(yè)高爐煤氣平衡與綜合優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009，19（3）：196.

[13]呂成軍.過程級工業(yè)軟件平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].冶金自動化，2012，36（4）：33.

[14]卞和營，李宏偉.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤氣回收系統(tǒng)預(yù)測控制[J].工礦自動化，2009，32（8）：69.