焦爐煤氣主管網接口期間的混合煤氣保供

鄧萬里，李 霽，陳偉昌

（寶山鋼鐵股份有限公司能源環保部，上海 201900）

前言

為響應國家鋼鐵行業超低排放管控要求和煤氣源頭脫硫指導性意見，寶鋼擬對焦爐煤氣（COG）總管進行精脫硫改造，確保使用混合煤氣的熱軋序列（包括厚板、鋼管）加熱爐SO2達到超低排放標準。對此，需要以合理的方案完成精脫硫系統與原焦爐煤氣管網的主接口作業。

1 主管網接口可行性及保供問題

盡管論證確定了精脫硫的工藝方案和場地，但因為COG 是各混合煤氣用戶的主力燃料，若是接口作業導致熱軋序列全面停產，將嚴重影響冷軋序列乃至前端鐵鋼生產組織，因此要確保將COG 主管網接口作業對生產影響最小。

將寶鋼復雜的COG 管網圖簡化（圖1），對煤氣系統的特點分析如下：

圖1 正常運行時的煤氣管網示意及水封隔斷狀態

（1）一期COG 與三期COG 之間相對獨立又互有聯系［1］，各冷軋單元串為整體，日常使用三期COG，在焦化區配以水封閥組的連通/隔斷，優先向冷軋單元供應品質較優的COG；熱軋序列（4 加壓、9加壓、2加壓、7加壓、10加壓）日常經過W1、W2水封使用一期COG，精脫硫裝置的出入口即設置于W1水封后。

（2）COG 發生量無法滿足深加工的煤氣需求，因此引入天然氣（NG）補充熱量，當COG 平衡緊缺時，可在4 加壓（一熱軋）、9 加壓（厚板）、10 加壓（三熱軋）與高爐煤氣（BFG）、轉爐煤氣（LDG）混合，部分或全部替代該煤氣站所用COG。

（3）煤氣管網的一些關鍵位置上設置的連通水封，可臨時改變氣流走向，如通過W4/W3、W6、W7的操作，可將三期COG 分別引向4 加壓、7 加壓、11加壓，減少NG 的補充量；通過W5 的操作，可在2 加壓年修時以1加壓向混鐵車等用戶供應COG。

基于以上分析，主管道切斷接口是可行的。原計劃利用2021 年底的初軋和鋼管年修安排2 加壓停運，其它熱軋序列單元進行煤氣流路切換和NG補充，實施精脫硫主接口作業。作業期間，W1、W2、W3 封水并加堵盲板，COG 系統隔斷狀態將如圖2所示。

圖2 精脫硫接口期間的煤氣管網示意及水封隔斷狀態

當作業方案準備就緒，上游天然氣供應出現問題，只能支持一個熱軋單元停用COG，公司生產物流難以維持。經研究，精脫硫接口推遲至2022 年3月進行，作業時間包括停復役、置換、堵抽盲板等限定在80 h。考慮到煤氣平衡難度大，公司安排厚板停運、初軋轉入保溫，但要求確保鋼管正常生產，從而基本不影響生產組織。因此，如何在缺少高熱值煤氣的情況下保證鋼管（2 加壓）用氣，成為亟需解決的問題。

3 鋼管混合煤氣保供策略

3.1 2加壓工藝設備概況

2加壓于1985年建成投運，主要服務于初軋，鋼管區域，是寶鋼供氣范圍最廣、控制較為復雜的煤氣站。由于初軋及鋼管使用的熱值不同，零星用戶又使用純焦爐煤氣，2 加壓采用先加壓后混合的工藝滿足多用戶需求［2］。主要設備組成包括：

（1）本管煤氣混合裝置。LDG通過DN550流量調節閥進入供2加壓方向的BFG 主管道，采用“流量比例”方式進行控制，主煤氣流量取自初軋、鋼管煤氣混合裝置的BFG 流量之和，LDG 混入比例在20%～50%可調。

（2）煤氣加壓機。包括BFG 加壓機45 km3/h（3用 1 備），將 BFG（含LDG）由 8 kPa 升壓至 15 kPa，COG 加壓機 30 km3/h（2 用 1 備），將 COG 由 6 kPa 升壓至16 kPa。

（3）初軋煤氣混合裝置。升壓后的COG 通過DN450 調節閥，升壓后的 BFG 通過 DN900 調節閥，采用“壓力～流量比例”方式進行混合控制，BFG 主導混合壓力，COG 按流量比例混入，混合后為12 kPa、7 200 kJ/m3，用氣高峰時流量50 km3/h。

（4）鋼管煤氣混合裝置。COG 通過DN400 和DN300 調節閥，BFG 通過 DN800 和 DN500 調節閥，大小管對應匹配為“1系、2系”兩套混合裝置。采用“大小管～壓力～流量比例”方式進行控制，BFG 主導混合壓力，COG 按流量比例混入，混合后為12 kPa、10 000 kJ/m3，用氣高峰時流量50 km3/h。

調節閥具有節流效應，鋼管煤氣混合裝置的BFG 有效調節量≤40 km3/h，如果不能摻混高熱值煤氣，BFG的需量將顯著超過管道設備流通能力。

3.2 鋼管混合煤氣保供策略

3.2.1 1加壓COG聯網供氣

路由上可以從1 加壓通過DN700 連通管和W5向2 加壓后的煤氣混合裝置聯網供氣G（如圖2 所示），但兩站之間管線長達4 km，流通量有限，連通管只在以下場景使用：1 加壓（12 kPa）與1 座高爐和煉鋼同步定修時，由2 加壓（16 kPa）向其余高爐供氣；2 加壓與初軋和鋼管同步年修時，由1 加壓（12 kPa）向混鐵車（降壓至10 kPa）等用戶供氣。

鋼管爐窯工況允許2加壓混合煤氣出站壓力低至11 kPa。考慮到COG 混入BFG 需克服調節閥的縮徑阻損，其壓力不能低于12 kPa。COG 參混壓力取決于1 加壓出口壓力和沿途壓降ΔP。對ΔP按（1）式計算：

式中：ΔP——壓力降，kPa；

α——局部阻損系數，取15%；

λ——氣體與管道的摩擦系數，取0.03；

v——氣體流速，m/s；

g——重力加速度，9.81m/s2；

l、d——管道長度、直徑，m；

ρ、ρ0——標態下的煤氣密度、含濕量，kg/m3；

KV——體積校正系數［4］。

為了盡量準確，要先計算DN700 連通管自連鑄節點（參見圖2）至2加壓的壓降，再按節點流量和管徑繼續向上游計算壓降。計算結果如圖3，由此可知，當起點的1 加壓出口壓力在15.3 kPa、末端的2加壓COG 參混壓力為10 kPa，連通管的最大流量約13 km3/h，扣除途中混鐵車等零星用氣，可有10 km3/h的COG供鋼管使用。

圖3 起點壓力與連通管流量的關系

3.2.2 9加壓倒流供NG

由于有煤氣混合裝置的存在，理論上只要壓力參數和流向匹配、管道沒有阻斷，任一種煤氣可以在龐大的煤氣管網內流通抵達任一用氣點。

9 加壓采用先混和后加壓的工藝，以BFG、COG、NG先混合，再加壓后送往厚板，其中加壓具備BFG+COG、BFG+NG、BFG+COG+NG三種模式［3］。

在COG 主管網接口作業期間，9 加壓的加壓站停運，只要閥門在手動模式下適當組合，壓力較高的NG 就可以倒流入BFG 管道。這無疑是一種反常規甚至是冒險的做法，因為正常情況下煤氣混合系統有嚴格的工藝保護，規定煤氣的流向，防止煤氣亂竄而影響主管網上的其它用戶；但似乎也是可行的方案，因為BFG 會源源不斷地被2 加壓抽送到鋼管方向，控制好流量，NG 并不會在大口徑的BFG 管道中逆流流向上游的4加壓。

9 加壓的NG 通過煤氣混合裝置倒流入BFG 主管道混合時，混合點的BFG 沒有流量檢測，若是手動調節NG 流量，或是NG 按定流量控制，會導致鋼管混合煤氣熱值波動。圖4 模擬了COG 按20%比例混入，NG 按定流量控制下的混合煤氣熱值，隨混合煤氣流量變化產生不同的偏差，這種結果顯然不利于鋼管生產。

圖4 不同NG流量的混合煤氣熱值

應當采取自動控制手段使混合煤氣熱值相對穩定，以2 加壓檢測的BFG 流量作為9 加壓NG 混入的依據。經過反復試算，圖5 給出鋼管在給定熱值11 300 kJ/m3、NG 和 COG 各按 20% 混入比時的流量變化范圍：NG在4 km3/h～8 km3/h，COG在5 km3/h～10 km3/h，均處于流量調節閥可調范圍內。計算表明，在合理的兩次混合比例下，出站熱值可以達到預設值。從這個角度來看，不推薦在兩次混合之間再混入LDG，不僅是因為加大了控制復雜度，而且NG 流量因此減少，NG 流量調節閥會進入小流量的難控范圍。

圖5 不同混合煤氣用量下NG和COG的混入量

3.2.3 混合煤氣熱值調整

上節所述對鋼管給定熱值11 300 kJ/m3，雖然較正常熱值（10 000kJ/m3）有所提高，但降低了混合煤氣需求量，可以使BFG 流量不超過40 km3/h，有助于避免出現BFG 在鋼管煤氣混合裝置的流通瓶頸，使得流量和壓力調節受控。

1 加壓的聯網供COG 量貢獻給了鋼管，初軋煤氣混合裝置沒有COG 可用，這意味著初軋所用的混合煤氣熱值將由9 加壓NG 一次混入BFG 時確定。通過計算，預計供給初軋的混合煤氣熱值最低在9 600 kJ/m3。

經過與用戶溝通，以上熱值調整得到了認可。

4 實施和效果

4.1 自控功能模塊設計

鋼管/初軋煤氣混合裝置、9 加壓各自采用西門子PLC（S7-400）控制，并通過能源中心計算機控制平臺（EMS 系統，基于西門子Wincc 開發）進行上位集成控制。為了避免人工控制帶來的熱值偏差、保障鋼管生產和初軋保溫，在控制系統中臨時搭建功能模塊，以實現閉環控制，這也是保供鋼管用氣品質的重要環節。

控制功能模塊如圖6 所示，對煤氣兩次混合過程控制仍在各自PLC 的“FIC”回路完成。所需開展的工作是設計EMS 系統服務器熱值計算、將熱值信號通過服務器向9加壓PLC傳遞、實現NG混入比例外設定等程序，基本路線如下：

圖6 不同混合煤氣用量下NG和COG的混入量

（1）計算鋼管混合煤氣熱值。在EMS 系統的Wincc 服務器中建立內部臨時變量——鋼管混合煤氣熱值，腳本程序按（2）式作短周期計算：

式中：H鋼——鋼管混合煤氣熱值，kJ/m3；

HB、HC、HN——BFG、COG、NG 熱 值 ，3 200、17 500、36 000 kJ/m3；

FB——鋼管 1 系、2 系 BFG 合計流量，FB=FB1+FB2，km3/h；

FC——鋼管 1 系、2 系 COG 合計流量，FC=FC1+FC2，km3/h；

FN——9 加壓NG 大小管合計流量，FN=FN1+FN2，km3/h；

N鋼——NG分配至鋼管的比例，按（3）式計算。

式中：FB3——初軋BFG流量，km3/h。

（2）熱值偏差報警。熱值計算結果實時顯示在EMS 系統的 2 加壓與 9 加壓監控畫面中，按 11 300±1 000 kJ/m3設置熱值正負偏差報警，便于必要時人工干預。

（3）改變介入9 加壓NG 混入比例。9 加壓PLC原本構建了煤氣比例計算模塊（FRC），自動根據目標熱值和參混煤氣熱值計算出參混煤氣比例。在PLC 中退出 FRC 模塊，NG 的 FIC 回路接受臨時熱值計算模塊給定的NG 參混比例a，a在EMS 操作畫面可開放設定。

（4）BFG 流量修正。正常運行時，2加壓的BFG中摻混了來自本管煤氣混合裝置的LDG，由于LDG密度（1.35 kg/m3）與BFG密度（1.38 kg/m3）相近，LDG混入比例的變化對BFG 的流量測量影響不大。但NG（0.74 kg/m3）摻混入 BFG 后，“BFG”密度降為1.25 kg/m（3按NG 占比20%），密度差將造成BFG 的流量測量產生偏差，需要以系數b補正。

不考慮濕度變化，根據GB/T 18215.1-2000《城鎮人工煤氣主管道流量測量差壓式流量計》所附示值修正公式，對BFG 流量檢測值需乘以密度比的倒數開方（1.35/1.25）1/2，即b=1.05，將此修正系數b在監控畫面上開放設定。

4.2 操作過程

經過充分的準備，焦爐煤氣主管網接口于2022年3 月1 日至4 日實施。對于加壓站包括煤氣混合裝置的操作全程由能源中心遠程操作，大致步驟為：

（1）厚板停運，9加壓進入BFG保壓方式。

（2）將臨時控制程序向 9 加壓、2 加壓 PLC 導入，設置NG 混入比例a=20%、BFG 流量修正系數b=1.05。

（3）手動將9 加壓COG 調節閥、切斷閥關閉；BFG調節閥、切斷閥全開。

（4）初軋轉入保溫后，鋼管以混合煤氣熱值11 300 kJ/m3為控制目標，實施9 加壓、鋼管、初軋煤氣混合裝置聯調操作：①手動控制NG 大小管工況，逐步將NG 經BFG 大小管混入BFG 系統，在達到目標流量后將NG 調節閥切至自動控制；②手動逐步減少鋼管混合裝置COG 混入量至10 km3/h 以下，將COG比例設定為20%；③逐步停止初軋COG混入。

（5）提升1 加壓出站壓力至15.3 kPa，完成向2加壓的COG供應。

（6）全面轉入自動控制模式。

其它停復役和施工等現場作業略。

4.3 保供效果

接口作業80 h 期間鋼管煤氣流量和熱值情況如圖7 所示：小時平均熱值為11 316 kJ/m3，最高熱值12 700 kJ/m3，最低熱值9 721 kJ/m3。最低熱值出現時，鋼管混合煤氣用量低至22 km3/h，應該是調節閥在低負荷下的控制精度不能確保所致。總體效果滿意。

圖7 接口作業期間鋼管煤氣流量和熱值

5 結語

本次焦爐煤氣精脫硫與主管網的接口作業，由于要解決主煤氣切斷期間向鋼管區域的保供問題，成為寶鋼煤氣系統技術難度最大的作業之一。項目團隊通過嚴謹分析、周密計算，并得益于煤氣加壓和混合系統的靈活性、可靠性，以反常規的方案和操作完成了既定目標。