煤氣混合加壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要

摘要：結(jié)合工程實(shí)例，介紹了煤氣混合加壓系統(tǒng)的幾大關(guān)鍵點(diǎn)及解決辦法，包括煤氣管徑、調(diào)節(jié)閥大小的確定，熱值與壓力的穩(wěn)定控制。關(guān)鍵詞：煤氣混合；熱值；壓力Optimal Design of Coal Gas
摘要：結(jié)合工程實(shí)例，介紹了煤氣混合加壓系統(tǒng)的幾大關(guān)鍵點(diǎn)及解決辦法，包括煤氣管徑、調(diào)節(jié)閥大小的確定，熱值與壓力的穩(wěn)定控制。
關(guān)鍵詞：煤氣混合；熱值；壓力
Optimal Design of Coal Gas Mixing and Pressurization System
LV Jian-peng，LEI Zhong-ming
Abstract：Combined with an engineering example，the several key points and solutions of coal gas mixing pressurization system including determination of pipe diameter and regulator valve size and stable control of calorific value and pressure are introduced.
Key words：coal gas mixing；calorific value；pressure
1 概述
    石灰是煉鋼生產(chǎn)中最重要的輔助原料，分為活性石灰和普通石灰。通常將活性度在300ml以上的石灰稱為活性石灰?；钚允遗c普通石灰相比，具有體密度小、氣孔率高、比表面積大、化學(xué)純度高、活性度高等優(yōu)點(diǎn)。采用活性石灰煉鋼，造渣速度快，脫磷脫硫效率高，能提高鋼的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，因此采用活性石灰煉鋼成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
    目前活性石灰主要靠K-K型回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)，回轉(zhuǎn)窯需要的煤氣熱值比較高，一般在12.56MJ/m3以上，而鋼廠內(nèi)高熱值的焦?fàn)t煤氣一般比較緊缺，低熱值的高爐煤氣比較充裕。為了降低成本和節(jié)省優(yōu)質(zhì)能源，一般在建設(shè)K—K型回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)活性石灰時，也建設(shè)煤氣混合加壓系統(tǒng)。
    2006年和2007年，鞍鋼集團(tuán)和通鋼三友公司分別投產(chǎn)750t/d和800L/d的活性石灰生產(chǎn)線各1條，這2條線都配有煤氣混合加壓系統(tǒng)[1]，這部分由筆者負(fù)責(zé)工藝設(shè)計(jì)、安裝指導(dǎo)、調(diào)試點(diǎn)火。目前這2個煤氣混合加壓系統(tǒng)的熱值和壓力穩(wěn)定，運(yùn)行良好。
    混合煤氣的熱值和壓力穩(wěn)定與否，影響煤氣的質(zhì)量、設(shè)備的壽命、生產(chǎn)的環(huán)境，進(jìn)而影響活性石灰的質(zhì)量和產(chǎn)量。煤氣混合過程中存在多種影響煤氣熱值和壓力穩(wěn)定的因素，如氣源壓力的波動、用氣負(fù)荷的變化、大流量閥門操作的非線性、煤氣支管上4個閥門操作上的相互影響、煤氣支管之間的相互影響以及熱值儀測量滯后等，給混合煤氣熱值和壓力的調(diào)節(jié)控制帶來很大的困難。我公司建設(shè)的這種煤氣混合加壓系統(tǒng)，將硬件(電動調(diào)節(jié)閥門、流量計(jì)、熱值分析儀、壓力變送器等)和軟件(PLC控制系統(tǒng))有機(jī)結(jié)合，適應(yīng)性非常強(qiáng)，2種煤氣的壓力差值最高可達(dá)8～10kPa，混合煤氣的流量不受限制，熱值調(diào)控范圍最高可達(dá)5.024MJ/m3，且不需要煤氣儲氣罐?；旌虾髩毫Ψ€(wěn)定，熱值精度高，可以達(dá)到±104.67kJ/m3以內(nèi)，甚至更高?？刂圃砗唵?，控制程序易懂易編。
2 工藝配置
煤氣混合加壓系統(tǒng)工藝流程見圖1。煤氣混合部分的關(guān)鍵技術(shù)是：
根據(jù)2種煤氣的壓力、流量確定2路煤氣管道的管徑；確定2路煤氣管道上主調(diào)節(jié)閥和輔調(diào)節(jié)閥的大小。
 
    ① 確定2路煤氣管道的管徑
    煤氣混合加壓系統(tǒng)中管徑的確定方法與直接輸送煤氣時管徑的確定方法不同，前者選擇12m/s左右的流速即可[2、3]，且必須考慮2種煤氣的壓力和流量范圍。例如：在鞍鋼集團(tuán)配備的煤氣混合加壓系統(tǒng)中，焦?fàn)t煤氣的壓力為1～4kPa，高爐煤氣的壓力為3～6kPa，煤氣的壓力波動頻繁，有時2min內(nèi)2種煤氣壓力就能完全對調(diào)?？偯簹饬繛?2500m3/h，其中焦?fàn)t煤氣量為7750m3/h，高爐煤氣量為4750m3/h。焦?fàn)t煤氣管道的公稱直徑選為600mm(也考慮了單燒焦?fàn)t煤氣的可能)，高爐煤氣管道的公稱直徑選為500mm。
    ② 確定2路煤氣管道主、輔調(diào)節(jié)閥的大小
    這4個閥門的選擇關(guān)系到煤氣混合后熱值是否滿足設(shè)計(jì)要求，為了降低高爐煤氣管道上2個電動調(diào)節(jié)閥門與焦?fàn)t煤氣管道上2個電動調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)時的相互影響，采用單支管并聯(lián)的組合方式，見圖1。調(diào)節(jié)閥的大小由2種煤氣的壓力、流量及混合后的熱值等因素確定，論證和計(jì)算過程比較繁瑣，主、輔調(diào)節(jié)閥門通過的流量基本按照6:4確定，還要考慮閥門的最佳調(diào)節(jié)區(qū)間等因素。經(jīng)過論證和計(jì)算，焦?fàn)t煤氣主調(diào)節(jié)閥和輔調(diào)節(jié)閥的公稱直徑分別為400mm和300mm；高爐煤氣主調(diào)節(jié)閥和輔調(diào)節(jié)閥的公稱直徑分別為350mm和250mm。
3 工藝控制
    ① 熱值穩(wěn)定控制
    穩(wěn)定熱值的工作，并不是剛開始就順利的，我們走了很多彎路。開始采用德國UNION(尤尼)高速熱值分析儀，利用混合煤氣的熱值反饋，調(diào)節(jié)焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣的主調(diào)節(jié)閥和輔調(diào)節(jié)閥，但是這樣系統(tǒng)運(yùn)行起來很不穩(wěn)定，熱值波動很大，窯內(nèi)的溫度波動也很大，24h內(nèi)的溫度波動能達(dá)到±150℃，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。原因是從調(diào)節(jié)閥門引起2種煤氣流量變化致使混合煤氣的熱值變化，到熱值分析儀檢測到變化后的熱值之間有一個約90s的滯后時間。由于2種煤氣的壓力波動頻繁，從檢測熱值，并與設(shè)定熱值比較，發(fā)現(xiàn)檢測到的熱值不在設(shè)定范圍內(nèi)從而需要調(diào)節(jié)，到此次調(diào)節(jié)后的熱值再次反饋到控制系統(tǒng)上需要90s，在這90s內(nèi)2種煤氣的壓力早已發(fā)生了改變。因此此種穩(wěn)定熱值的方法在2種煤氣壓力波動頻繁的情況下是不適用的。
    經(jīng)過2個多月的摸索，也參觀了鋼廠的其他煤氣混合系統(tǒng)，效果仍不理想。最后徹底否定了原來利用熱值分析儀的熱值反饋來調(diào)節(jié)煤氣混合熱值的方法，熱值分析儀不參與控制，所檢測的熱值僅作為參考數(shù)據(jù)。
    先利用焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣上的流量計(jì)測出2種煤氣的流量，根據(jù)2種煤氣的熱值和流量通過控制系統(tǒng)計(jì)算出}昆合煤氣的熱值，并與設(shè)定的混合熱值進(jìn)行比較，根據(jù)計(jì)算出的熱值是否在設(shè)定范圍內(nèi)，決定是否調(diào)節(jié)。如果需要調(diào)節(jié)，根據(jù)我們的需要確定最低±209kJ/m3為一檔，以±209kJ/m3的整數(shù)倍依次調(diào)節(jié)，最大檔為±2.09MJ/m3。超過±2.09MJ/m3的，統(tǒng)一按照±2.09MJ/m3最大檔處理。根據(jù)計(jì)算值和設(shè)定值的差值的大小，進(jìn)行相應(yīng)幅度的調(diào)節(jié)。
    在這個控制系統(tǒng)中，高爐煤氣的熱值、焦?fàn)t煤氣的熱值、混合煤氣的給定熱值、閥門調(diào)節(jié)的周期、閥門調(diào)節(jié)的步長都可以在操作界面上直接輸入，見圖2。此控制系統(tǒng)使用起來非常方便，調(diào)節(jié)后的熱值也可以即時顯示。通過WCC系統(tǒng)軟件，可以調(diào)出任何時刻的煤氣混合情況。
 

    經(jīng)過改進(jìn)，混合后煤氣的熱值非常穩(wěn)定，基本在設(shè)定范圍內(nèi)。但是因?yàn)榱髁坑?jì)測出的流量有誤差，且焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣的熱值也不十分穩(wěn)定，所以通過煤氣流量和熱值計(jì)算出來的混合煤氣熱值與實(shí)際混合熱值存在誤差。我們利用熱值分析儀測出的熱值與計(jì)算熱值進(jìn)行對比，經(jīng)過10多天的對比觀察，發(fā)現(xiàn)二者的誤差是有規(guī)律的。由于煤氣的流量測量值不好改動，便把2種煤氣的給定計(jì)算熱值稍作修改，這樣計(jì)算的混合熱值和檢測得到的熱值完全吻合。
    在這個混合系統(tǒng)中，還存在一個創(chuàng)新點(diǎn)，即閥門調(diào)節(jié)的周期、閥門調(diào)節(jié)的步長都可以隨時給定。操作工可以根據(jù)自己的操作經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣對閥門調(diào)節(jié)的周期和步長進(jìn)行設(shè)定，用最低的調(diào)節(jié)頻率達(dá)到最佳的調(diào)節(jié)效果。不像其他的煤氣}昆合系統(tǒng)，閥門調(diào)節(jié)的周期和步長都做在程序里，控制界面上不能顯示給定，程序做好之后，操作工在操作過程中，遇到不合適的情況也不會改動，更沒法改動。
   ② 壓力穩(wěn)定控制
   在這種安裝有變頻控制系統(tǒng)的情況下，控制壓力穩(wěn)定比較簡單，即通過變頻器改變電源的頻率進(jìn)而改變煤氣鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，來調(diào)整風(fēng)機(jī)出口的壓力。
參考文獻(xiàn)：
[1] GB 6222—2005，工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程[S].
[2] 項(xiàng)友謙.燃?xì)鉄崃こ坛Ｓ脭?shù)據(jù)手冊[M].北京：國建筑工業(yè)出版社，2003.
[3] 姜正侯.燃?xì)夤こ碳夹g(shù)手冊[M].上海：同濟(jì)大學(xué)版社，1997.
 
(本文作者：呂健鵬 雷中明 洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039)