高爐煤氣管網TGNET 建模及調度策略

胡慧佳 HU Hui-jia

（安徽工業大學，馬鞍山 243032）

0 引言

高爐煤氣的智能管控是鋼鐵工業智慧能源管理的關鍵環節[1]。 高爐煤氣輸送管網構成了一個龐大且復雜的體系，其中各個環節相互關聯并制約著彼此[2]。探究高爐煤氣管網模型對鋼鐵工業煤氣智能管控的迫切需求具有重要意義。當前，鋼鐵行業中的煤氣調度主要依賴于現場調度人員實時觀測的數據，并根據經驗推測系統演變狀況以制定調度方案，這種調度模式很難精確獲取調度的最優量值[3]。而工業現場情況復雜，往往多個節點的流量和壓力同時發生變化[4]。使得經驗型的煤氣調度方式更難實現精準操作[5]。當煤氣流量或管網壓力超出設定的范圍時，依托煤氣管網模型就可以精準、快速地得到高爐煤氣系統的最佳調度策略。使煤氣管網快速恢復安全運行狀態。因此有必要依據管網系統中各管段和節點的流量和壓力變化制定明確的調度方案。高爐煤氣管網規模龐大、結構復雜，氣源和用戶狀態變化速度快[6]，其調度的實時性要求較高。目前，大部分研究所建立的水力模型計算時間長，響應速度慢[7]，不適合在線分析與策略制定[8]。另外，現有研究大多僅根據管網流量變化趨勢作粗略調度分析，調度效果不理想。

本研究案例中的工廠沒有高爐煤氣柜，高爐產生的煤氣直接進入煤氣管網，管網壓力波動較大。工廠對于管道內部壓強的設定范圍為8-20kPa。這是因為，管道內高爐煤氣壓強低于8kPa 時會影響高爐煤氣的運輸效率，而超過20kPa 的壓強則存在安全隱患，需要通過打開放散塔或者調整煤氣用戶用量來釋放高爐煤氣以降低壓力。 目前，工廠的工人通過經驗和觀察管網壓力趨勢來手動調整高爐煤氣用戶的流量使得管網內的壓強滿足壓力限制。然而單純靠經驗實現的調整，不準確，不及時。會對后續生產中煤氣分配產生一定的影響。

因此，本研究通過TGNET 軟件，建立高爐煤氣管網模型，來實現高爐煤氣管網壓力模擬，使得煤氣分配更加合理準確。

1 TGNET 簡介

TGNET 軟件是由英國ESI 能源集團開發的業界領先Pipeline Studio 軟件，具備對輸氣管道單相流進行穩態和動態模擬的能力。此軟件在管道規劃設計、管徑選擇、末段儲氣分析及調峰分析等方面具有重要應用價值。該軟件可模擬單一管道輸送模型，同時亦可模擬涵蓋多個氣源、用戶以及其他影響管網操作和運行參數的設備、閥門等區域性集輸系統。

2 模擬過程

2.1 管網模型的建立

本研究以工廠提供的圖紙和數據為依據，按照1∶1 的比例構建高爐煤氣管網模型。在此模型中，我們將1#、2#、3#、4#和5#高爐設為氣源，將解凍庫、熱風爐、鍋爐、放散、燒結機等25 個煤氣用戶設為輸氣站，并將加壓站設為壓縮機。所建立的模型如圖1 所示，展現了煤氣管網的整體布局。

圖1 高爐煤氣TGNET 建模

2.2 參數輸入

設置管段型號、長度、內徑及壁厚等條件后，特別注意Knot space 步長的設置，模型較小或精度要求較高時可以使用較小的步長，模型很大時需要使用較大的步長。本次案例的步長設定為1。輸入參數時，軟件使用理想化的約束邏輯控制模擬器的運行，并允許為外部調節器或設備指定壓力或流量范圍，即約束條件，同一個設備可以指定多個約束條件和一個設定值。本文案例模型設定的約束條件為最大壓力、最小壓力，設定值為最大流量。

氣源數據如表1 所示。

表1 氣源數據設置

此外，我們采用了BWRS 狀態方程來構建高爐煤氣模型，并將這種氣體命名為BFG。根據工廠提供的數據，BFG 中各成分的占比分別為：二氧化碳占18.72%，氮氣占53.27%，氫氣占2.51%，一氧化碳占25.5%。氣體方程采用Colebrook 方程，大氣溫度為20℃。

2.3 運行模擬

本研究針對低壓、中壓和高壓狀態下的十組管道壓力數據進行了一小時的模擬。結果顯示，三組模擬的平均精度分別為92.1%、97.2%和92.5%。這三組模擬的精度都超過了92%，表明TGNET 軟件模擬效果較高，可作為高爐煤氣調度策略的有效依據。圖2 展示了其中一組模擬情況的實例。

圖2 模擬結果與實際對比圖

對于管道內壓力過高或過低的狀況，通常通過調整煤氣用戶用量以實現管網壓力的調節。由于調整生產用戶煤氣用量可能影響工廠的正常生產計劃，因此，一般情況下，優先調整非生產用戶。在本研究案例中，工廠選擇調整鍋爐的煤氣用量以調節管網壓力。當管網壓力保持穩定時，340t 鍋爐和130t 鍋爐的平均流量分別為150000m3/h 和40000m3/h，最大流量分別為240000m3/h 和100000m3/h ，75t 鍋爐在正常生產過程中不啟動，最大流量為40000m3/h。針對鍋爐使用高爐煤氣流量的調整，進一步展開如下實驗：

當管網壓力達到上限20kPa 時，調整340t 鍋爐、130t鍋爐、75t 鍋爐的流量，模擬壓力變化情況。模擬結果如圖3-圖6 所示。

圖3 340t 鍋爐流量變化時管網壓力變化

圖4 130t 鍋爐流量變化時管網壓力變化

圖5 75t 鍋爐流量變化時管網壓力變化

圖6 75t+130t 鍋爐流量變化時管網壓力變化

由圖分析來看，將340t 鍋爐的流量調整至21000m3/h，以及將130t 鍋爐的流量調整至10000m3/h，可以實現管網壓力的降低至13Kpa 以下。然而，僅將75t 鍋爐調整至最大流量40000m3/h 時，管網壓力仍處于較高狀態，因此，單獨調整75t 鍋爐無法有效降低管網壓力。相反，同時調整75t 鍋爐和340t 鍋爐可以使得管網壓力迅速降至平穩狀態。在工廠實際生產過程中，當固定用戶的煤氣消耗量減少，或者高爐出現休風等現象，管網壓力可能超出預定范圍。通過單獨調節340t 鍋爐、130t 鍋爐，或同時調整75t 鍋爐、130t 鍋爐，可以確保管網壓力在正常運行范圍內。

3 結論

①通過分析高爐煤氣管網中各設備的運行特性，綜合考慮流量與壓力的相互作用，建立了高爐煤氣TGNET 管網模型。模擬結果表明，壓力相對誤差＜10%。這一結果為工廠員工在調整煤氣用戶流量時提供了有力的支持，使他們不再僅依靠經驗判斷。②在高壓情況下通過調整三個鍋爐的高爐煤氣使用量，觀察管網壓力變化情況可得單獨調整340t 鍋爐、130t 鍋爐流量，使得管網壓力降至平穩狀態。調整75t 鍋爐流量至最大流量還是沒法使得管網壓力降至較低狀態。同時調整75t 鍋爐和130t 鍋爐可以快速恢復壓力到合理范圍。模擬實驗結果表明，針對鍋爐流量的調整策略，有助于在高壓力條件下使管網壓力恢復至允許范圍。工廠可結合實際生產狀況，制定更為合理的調整策略。