焦?fàn)t煤氣主管網(wǎng)接口期間的混合煤氣保供

鄧萬(wàn)里，李 霽，陳偉昌

（寶山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，上海 201900）

前言

為響應(yīng)國(guó)家鋼鐵行業(yè)超低排放管控要求和煤氣源頭脫硫指導(dǎo)性意見，寶鋼擬對(duì)焦?fàn)t煤氣（COG）總管進(jìn)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(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此，需要以合理的方案完成精脫硫系統(tǒng)與原焦?fàn)t煤氣管網(wǎng)的主接口作業(yè)。

1 主管網(wǎng)接口可行性及保供問(wèn)題

盡管論證確定了精脫硫的工藝方案和場(chǎng)地，但因?yàn)镃OG 是各混合煤氣用戶的主力燃料，若是接口作業(yè)導(dǎo)致熱軋序列全面停產(chǎn)，將嚴(yán)重影響冷軋序列乃至前端鐵鋼生產(chǎn)組織，因此要確保將COG 主管網(wǎng)接口作業(yè)對(duì)生產(chǎn)影響最小。

將寶鋼復(fù)雜的COG 管網(wǎng)圖簡(jiǎn)化（圖1），對(duì)煤氣系統(tǒng)的特點(diǎn)分析如下：

圖1 正常運(yùn)行時(shí)的煤氣管網(wǎng)示意及水封隔斷狀態(tài)

（1）一期COG 與三期COG 之間相對(duì)獨(dú)立又互有聯(lián)系［1］，各冷軋單元串為整體，日常使用三期COG，在焦化區(qū)配以水封閥組的連通/隔斷，優(yōu)先向冷軋單元供應(yīng)品質(zhì)較優(yōu)的COG；熱軋序列（4 加壓、9加壓、2加壓、7加壓、10加壓）日常經(jīng)過(guò)W1、W2水封使用一期COG，精脫硫裝置的出入口即設(shè)置于W1水封后。

（2）COG 發(fā)生量無(wú)法滿足深加工的煤氣需求，因此引入天然氣（NG）補(bǔ)充熱量，當(dāng)COG 平衡緊缺時(shí)，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(zhuǎn)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(wǎng)的一些關(guān)鍵位置上設(shè)置的連通水封，可臨時(shí)改變氣流走向，如通過(guò)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(bǔ)充量；通過(guò)W5 的操作，可在2 加壓年修時(shí)以1加壓向混鐵車等用戶供應(yīng)COG。

基于以上分析，主管道切斷接口是可行的。原計(jì)劃利用2021 年底的初軋和鋼管年修安排2 加壓停運(yùn)，其它熱軋序列單元進(jìn)行煤氣流路切換和NG補(bǔ)充，實(shí)施精脫硫主接口作業(yè)。作業(yè)期間，W1、W2、W3 封水并加堵盲板，COG 系統(tǒng)隔斷狀態(tài)將如圖2所示。

圖2 精脫硫接口期間的煤氣管網(wǎng)示意及水封隔斷狀態(tài)

當(dāng)作業(yè)方案準(zhǔn)備就緒，上游天然氣供應(yīng)出現(xiàn)問(wèn)題，只能支持一個(gè)熱軋單元停用COG，公司生產(chǎn)物流難以維持。經(jīng)研究，精脫硫接口推遲至2022 年3月進(jìn)行，作業(yè)時(shí)間包括停復(fù)役、置換、堵抽盲板等限定在80 h?？紤]到煤氣平衡難度大，公司安排厚板停運(yùn)、初軋轉(zhuǎn)入保溫，但要求確保鋼管正常生產(chǎn)，從而基本不影響生產(chǎn)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(wèn)題。

3 鋼管混合煤氣保供策略

3.1 2加壓工藝設(shè)備概況

2加壓于1985年建成投運(yùn)，主要服務(wù)于初軋，鋼管區(qū)域，是寶鋼供氣范圍最廣、控制較為復(fù)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?fàn)t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(shè)備組成包括：

（1）本管煤氣混合裝置。LDG通過(guò)DN550流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入供2加壓方向的BFG 主管道，采用“流量比例”方式進(jìn)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(diào)。

（2）煤氣加壓機(jī)。包括BFG 加壓機(jī)45 km3/h（3用 1 備），將 BFG（含LDG）由 8 kPa 升壓至 15 kPa，COG 加壓機(jī) 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(guò)DN450 調(diào)節(jié)閥，升壓后的 BFG 通過(guò) DN900 調(diào)節(jié)閥，采用“壓力～流量比例”方式進(jìn)行混合控制，BFG 主導(dǎo)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(shí)流量50 km3/h。

（4）鋼管煤氣混合裝置。COG 通過(guò)DN400 和DN300 調(diào)節(jié)閥，BFG 通過(guò) DN800 和 DN500 調(diào)節(jié)閥，大小管對(duì)應(yīng)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(jìn)行控制，BFG 主導(dǎo)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(shí)流量50 km3/h。

調(diào)節(jié)閥具有節(jié)流效應(yīng)，鋼管煤氣混合裝置的BFG 有效調(diào)節(jié)量≤40 km3/h，如果不能摻混高熱值煤氣，BFG的需量將顯著超過(guò)管道設(shè)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(lián)網(wǎng)供氣

路由上可以從1 加壓通過(guò)DN700 連通管和W5向2 加壓后的煤氣混合裝置聯(lián)網(wǎng)供氣G（如圖2 所示），但兩站之間管線長(zhǎng)達(dá)4 km，流通量有限，連通管只在以下場(chǎng)景使用：1 加壓（12 kPa）與1 座高爐和煉鋼同步定修時(shí)，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(shí)，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?？紤]到COG 混入BFG 需克服調(diào)節(jié)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(duì)ΔP按（1）式計(jì)算：

式中：ΔP——壓力降，kPa；

α——局部阻損系數(shù)，取15%；

λ——?dú)怏w與管道的摩擦系數(shù)，取0.03；

v——?dú)怏w流速，m/s；

g——重力加速度，9.81m/s2；

l、d——管道長(zhǎng)度、直徑，m；

ρ、ρ0——標(biāo)態(tài)下的煤氣密度、含濕量，kg/m3；

KV——體積校正系數(shù)［4］。

為了盡量準(zhǔn)確，要先計(jì)算DN700 連通管自連鑄節(jié)點(diǎn)（參見圖2）至2加壓的壓降，再按節(jié)點(diǎn)流量和管徑繼續(xù)向上游計(jì)算壓降。計(jì)算結(jié)果如圖3，由此可知，當(dāng)起點(diǎn)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(diǎn)壓力與連通管流量的關(guān)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(shù)和流向匹配、管道沒(méi)有阻斷，任一種煤氣可以在龐大的煤氣管網(wǎng)內(nèi)流通抵達(dá)任一用氣點(diǎn)。

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(wǎng)接口作業(yè)期間，9 加壓的加壓站停運(yùn)，只要閥門在手動(dòng)模式下適當(dāng)組合，壓力較高的NG 就可以倒流入BFG 管道。這無(wú)疑是一種反常規(guī)甚至是冒險(xiǎn)的做法，因?yàn)檎Ｇ闆r下煤氣混合系統(tǒng)有嚴(yán)格的工藝保護(hù)，規(guī)定煤氣的流向，防止煤氣亂竄而影響主管網(wǎng)上的其它用戶；但似乎也是可行的方案，因?yàn)锽FG 會(huì)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(huì)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(guò)煤氣混合裝置倒流入BFG 主管道混合時(shí)，混合點(diǎn)的BFG 沒(méi)有流量檢測(cè)，若是手動(dòng)調(diào)節(jié)NG 流量，或是NG 按定流量控制，會(huì)導(dǎo)致鋼管混合煤氣熱值波動(dòng)。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(chǎn)生不同的偏差，這種結(jié)果顯然不利于鋼管生產(chǎn)。

圖4 不同NG流量的混合煤氣熱值

應(yīng)當(dāng)采取自動(dòng)控制手段使混合煤氣熱值相對(duì)穩(wěn)定，以2 加壓檢測(cè)的BFG 流量作為9 加壓NG 混入的依據(jù)。經(jīng)過(guò)反復(fù)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(shí)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(diào)節(jié)閥可調(diào)范圍內(nèi)。計(jì)算表明，在合理的兩次混合比例下，出站熱值可以達(dá)到預(yù)設(shè)值。從這個(gè)角度來(lái)看，不推薦在兩次混合之間再混入LDG，不僅是因?yàn)榧哟罅丝刂茝?fù)雜度，而且NG 流量因此減少，NG 流量調(diào)節(jié)閥會(huì)進(jìn)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(diào)整

上節(jié)所述對(duì)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(guò)40 km3/h，有助于避免出現(xiàn)BFG 在鋼管煤氣混合裝置的流通瓶頸，使得流量和壓力調(diào)節(jié)受控。

1 加壓的聯(lián)網(wǎng)供COG 量貢獻(xiàn)給了鋼管，初軋煤氣混合裝置沒(méi)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(shí)確定。通過(guò)計(jì)算，預(yù)計(jì)供給初軋的混合煤氣熱值最低在9 600 kJ/m3。

經(jīng)過(guò)與用戶溝通，以上熱值調(diào)整得到了認(rèn)可。

4 實(shí)施和效果

4.1 自控功能模塊設(shè)計(jì)

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(guò)能源中心計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)（EMS 系統(tǒng)，基于西門子Wincc 開發(fā)）進(jìn)行上位集成控制。為了避免人工控制帶來(lái)的熱值偏差、保障鋼管生產(chǎn)和初軋保溫，在控制系統(tǒng)中臨時(shí)搭建功能模塊，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，這也是保供鋼管用氣品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。

控制功能模塊如圖6 所示，對(duì)煤氣兩次混合過(guò)程控制仍在各自PLC 的“FIC”回路完成。所需開展的工作是設(shè)計(jì)EMS 系統(tǒng)服務(wù)器熱值計(jì)算、將熱值信號(hào)通過(guò)服務(wù)器向9加壓PLC傳遞、實(shí)現(xiàn)NG混入比例外設(shè)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(jì)算鋼管混合煤氣熱值。在EMS 系統(tǒng)的Wincc 服務(wù)器中建立內(nèi)部臨時(shí)變量——鋼管混合煤氣熱值，腳本程序按（2）式作短周期計(jì)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(jì)流量，F(xiàn)B=FB1+FB2，km3/h；

FC——鋼管 1 系、2 系 COG 合計(jì)流量，F(xiàn)C=FC1+FC2，km3/h；

FN——9 加壓NG 大小管合計(jì)流量，F(xiàn)N=FN1+FN2，km3/h；

N鋼——NG分配至鋼管的比例，按（3）式計(jì)算。

式中：FB3——初軋BFG流量，km3/h。

（2）熱值偏差報(bào)警。熱值計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在EMS 系統(tǒng)的 2 加壓與 9 加壓監(jiān)控畫面中，按 11 300±1 000 kJ/m3設(shè)置熱值正負(fù)偏差報(bào)警，便于必要時(shí)人工干預(yù)。

（3）改變介入9 加壓NG 混入比例。9 加壓PLC原本構(gòu)建了煤氣比例計(jì)算模塊（FRC），自動(dòng)根據(jù)目標(biāo)熱值和參混煤氣熱值計(jì)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(shí)熱值計(jì)算模塊給定的NG 參混比例a，a在EMS 操作畫面可開放設(shè)定。

（4）BFG 流量修正。正常運(yùn)行時(shí)，2加壓的BFG中摻混了來(lái)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(duì)BFG 的流量測(cè)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(cè)量產(chǎn)生偏差，需要以系數(shù)b補(bǔ)正。

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

4.2 操作過(guò)程

經(jīng)過(guò)充分的準(zhǔn)備，焦?fàn)t煤氣主管網(wǎng)接口于2022年3 月1 日至4 日實(shí)施。對(duì)于加壓站包括煤氣混合裝置的操作全程由能源中心遠(yuǎn)程操作，大致步驟為：

（1）厚板停運(yùn)，9加壓進(jìn)入BFG保壓方式。

（2）將臨時(shí)控制程序向 9 加壓、2 加壓 PLC 導(dǎo)入，設(shè)置NG 混入比例a=20%、BFG 流量修正系數(shù)b=1.05。

（3）手動(dòng)將9 加壓COG 調(diào)節(jié)閥、切斷閥關(guān)閉；BFG調(diào)節(jié)閥、切斷閥全開。

（4）初軋轉(zhuǎn)入保溫后，鋼管以混合煤氣熱值11 300 kJ/m3為控制目標(biāo)，實(shí)施9 加壓、鋼管、初軋煤氣混合裝置聯(lián)調(diào)操作：①手動(dòng)控制NG 大小管工況，逐步將NG 經(jīng)BFG 大小管混入BFG 系統(tǒng)，在達(dá)到目標(biāo)流量后將NG 調(diào)節(jié)閥切至自動(dòng)控制；②手動(dòng)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(shè)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(yīng)。

（6）全面轉(zhuǎn)入自動(dòng)控制模式。

其它停復(fù)役和施工等現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)略。

4.3 保供效果

接口作業(yè)80 h 期間鋼管煤氣流量和熱值情況如圖7 所示：小時(shí)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(xiàn)時(shí)，鋼管混合煤氣用量低至22 km3/h，應(yīng)該是調(diào)節(jié)閥在低負(fù)荷下的控制精度不能確保所致?？傮w效果滿意。

圖7 接口作業(yè)期間鋼管煤氣流量和熱值

5 結(jié)語(yǔ)

本次焦?fàn)t煤氣精脫硫與主管網(wǎng)的接口作業(yè)，由于要解決主煤氣切斷期間向鋼管區(qū)域的保供問(wèn)題，成為寶鋼煤氣系統(tǒng)技術(shù)難度最大的作業(yè)之一。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)分析、周密計(jì)算，并得益于煤氣加壓和混合系統(tǒng)的靈活性、可靠性，以反常規(guī)的方案和操作完成了既定目標(biāo)。