焦炉煤气主管网接口期间的混合煤气保供

邓万里，李 霁，陈伟昌

（宝山钢铁股份有限公司能源环保部，上海 201900）

前言

为响应国家钢铁行业超低排放管控要求和煤气源头脱硫指导性意见，宝钢拟对焦炉煤气（COG）总管进行精脱硫改造，确保使用混合煤气的热轧序列（包括厚板、钢管）加热炉SO2达到超低排放标准。对此，需要以合理的方案完成精脱硫系统与原焦炉煤气管网的主接口作业。

1 主管网接口可行性及保供问题

尽管论证确定了精脱硫的工艺方案和场地，但因为COG 是各混合煤气用户的主力燃料，若是接口作业导致热轧序列全面停产，将严重影响冷轧序列乃至前端铁钢生产组织，因此要确保将COG 主管网接口作业对生产影响最小。

将宝钢复杂的COG 管网图简化（图1），对煤气系统的特点分析如下：

图1 正常运行时的煤气管网示意及水封隔断状态

（1）一期COG 与三期COG 之间相对独立又互有联系［1］，各冷轧单元串为整体，日常使用三期COG，在焦化区配以水封阀组的连通/隔断，优先向冷轧单元供应品质较优的COG；热轧序列（4 加压、9加压、2加压、7加压、10加压）日常经过W1、W2水封使用一期COG，精脱硫装置的出入口即设置于W1水封后。

（2）COG 发生量无法满足深加工的煤气需求，因此引入天然气（NG）补充热量，当COG 平衡紧缺时，可在4 加压（一热轧）、9 加压（厚板）、10 加压（三热轧）与高炉煤气（BFG）、转炉煤气（LDG）混合，部分或全部替代该煤气站所用COG。

（3）煤气管网的一些关键位置上设置的连通水封，可临时改变气流走向，如通过W4/W3、W6、W7的操作，可将三期COG 分别引向4 加压、7 加压、11加压，减少NG 的补充量；通过W5 的操作，可在2 加压年修时以1加压向混铁车等用户供应COG。

基于以上分析，主管道切断接口是可行的。原计划利用2021 年底的初轧和钢管年修安排2 加压停运，其它热轧序列单元进行煤气流路切换和NG补充，实施精脱硫主接口作业。作业期间，W1、W2、W3 封水并加堵盲板，COG 系统隔断状态将如图2所示。

图2 精脱硫接口期间的煤气管网示意及水封隔断状态

当作业方案准备就绪，上游天然气供应出现问题，只能支持一个热轧单元停用COG，公司生产物流难以维持。经研究，精脱硫接口推迟至2022 年3月进行，作业时间包括停复役、置换、堵抽盲板等限定在80 h。考虑到煤气平衡难度大，公司安排厚板停运、初轧转入保温，但要求确保钢管正常生产，从而基本不影响生产组织。因此，如何在缺少高热值煤气的情况下保证钢管（2 加压）用气，成为亟需解决的问题。

3 钢管混合煤气保供策略

3.1 2加压工艺设备概况

2加压于1985年建成投运，主要服务于初轧，钢管区域，是宝钢供气范围最广、控制较为复杂的煤气站。由于初轧及钢管使用的热值不同，零星用户又使用纯焦炉煤气，2 加压采用先加压后混合的工艺满足多用户需求［2］。主要设备组成包括：

（1）本管煤气混合装置。LDG通过DN550流量调节阀进入供2加压方向的BFG 主管道，采用“流量比例”方式进行控制，主煤气流量取自初轧、钢管煤气混合装置的BFG 流量之和，LDG 混入比例在20%～50%可调。

（2）煤气加压机。包括BFG 加压机45 km³/h（3用 1 备），将 BFG（含LDG）由 8 kPa 升压至 15 kPa，COG 加压机 30 km³/h（2 用 1 备），将 COG 由 6 kPa 升压至16 kPa。

（3）初轧煤气混合装置。升压后的COG 通过DN450 调节阀，升压后的 BFG 通过 DN900 调节阀，采用“压力～流量比例”方式进行混合控制，BFG 主导混合压力，COG 按流量比例混入，混合后为12 kPa、7 200 kJ/m3，用气高峰时流量50 km³/h。

（4）钢管煤气混合装置。COG 通过DN400 和DN300 调节阀，BFG 通过 DN800 和 DN500 调节阀，大小管对应匹配为“1系、2系”两套混合装置。采用“大小管～压力～流量比例”方式进行控制，BFG 主导混合压力，COG 按流量比例混入，混合后为12 kPa、10 000 kJ/m3，用气高峰时流量50 km³/h。

调节阀具有节流效应，钢管煤气混合装置的BFG 有效调节量≤40 km³/h，如果不能掺混高热值煤气，BFG的需量将显著超过管道设备流通能力。

3.2 钢管混合煤气保供策略

3.2.1 1加压COG联网供气

路由上可以从1 加压通过DN700 连通管和W5向2 加压后的煤气混合装置联网供气G（如图2 所示），但两站之间管线长达4 km，流通量有限，连通管只在以下场景使用：1 加压（12 kPa）与1 座高炉和炼钢同步定修时，由2 加压（16 kPa）向其余高炉供气；2 加压与初轧和钢管同步年修时，由1 加压（12 kPa）向混铁车（降压至10 kPa）等用户供气。

钢管炉窑工况允许2加压混合煤气出站压力低至11 kPa。考虑到COG 混入BFG 需克服调节阀的缩径阻损，其压力不能低于12 kPa。COG 参混压力取决于1 加压出口压力和沿途压降ΔP。对ΔP按（1）式计算：

式中：ΔP——压力降，kPa；

α——局部阻损系数，取15%；

λ——气体与管道的摩擦系数，取0.03；

v——气体流速，m/s；

g——重力加速度，9.81m/s2；

l、d——管道长度、直径，m；

ρ、ρ0——标态下的煤气密度、含湿量，kg/m3；

KV——体积校正系数［4］。

为了尽量准确，要先计算DN700 连通管自连铸节点（参见图2）至2加压的压降，再按节点流量和管径继续向上游计算压降。计算结果如图3，由此可知，当起点的1 加压出口压力在15.3 kPa、末端的2加压COG 参混压力为10 kPa，连通管的最大流量约13 km³/h，扣除途中混铁车等零星用气，可有10 km³/h的COG供钢管使用。

图3 起点压力与连通管流量的关系

3.2.2 9加压倒流供NG

由于有煤气混合装置的存在，理论上只要压力参数和流向匹配、管道没有阻断，任一种煤气可以在庞大的煤气管网内流通抵达任一用气点。

9 加压采用先混和后加压的工艺，以BFG、COG、NG先混合，再加压后送往厚板，其中加压具备BFG+COG、BFG+NG、BFG+COG+NG三种模式［3］。

在COG 主管网接口作业期间，9 加压的加压站停运，只要阀门在手动模式下适当组合，压力较高的NG 就可以倒流入BFG 管道。这无疑是一种反常规甚至是冒险的做法，因为正常情况下煤气混合系统有严格的工艺保护，规定煤气的流向，防止煤气乱窜而影响主管网上的其它用户；但似乎也是可行的方案，因为BFG 会源源不断地被2 加压抽送到钢管方向，控制好流量，NG 并不会在大口径的BFG 管道中逆流流向上游的4加压。

9 加压的NG 通过煤气混合装置倒流入BFG 主管道混合时，混合点的BFG 没有流量检测，若是手动调节NG 流量，或是NG 按定流量控制，会导致钢管混合煤气热值波动。图4 模拟了COG 按20%比例混入，NG 按定流量控制下的混合煤气热值，随混合煤气流量变化产生不同的偏差，这种结果显然不利于钢管生产。

图4 不同NG流量的混合煤气热值

应当采取自动控制手段使混合煤气热值相对稳定，以2 加压检测的BFG 流量作为9 加压NG 混入的依据。经过反复试算，图5 给出钢管在给定热值11 300 kJ/m3、NG 和 COG 各按 20% 混入比时的流量变化范围：NG在4 km³/h～8 km³/h，COG在5 km³/h～10 km³/h，均处于流量调节阀可调范围内。计算表明，在合理的两次混合比例下，出站热值可以达到预设值。从这个角度来看，不推荐在两次混合之间再混入LDG，不仅是因为加大了控制复杂度，而且NG 流量因此减少，NG 流量调节阀会进入小流量的难控范围。

图5 不同混合煤气用量下NG和COG的混入量

3.2.3 混合煤气热值调整

上节所述对钢管给定热值11 300 kJ/m3，虽然较正常热值（10 000kJ/m3）有所提高，但降低了混合煤气需求量，可以使BFG 流量不超过40 km³/h，有助于避免出现BFG 在钢管煤气混合装置的流通瓶颈，使得流量和压力调节受控。

1 加压的联网供COG 量贡献给了钢管，初轧煤气混合装置没有COG 可用，这意味着初轧所用的混合煤气热值将由9 加压NG 一次混入BFG 时确定。通过计算，预计供给初轧的混合煤气热值最低在9 600 kJ/m3。

经过与用户沟通，以上热值调整得到了认可。

4 实施和效果

4.1 自控功能模块设计

钢管/初轧煤气混合装置、9 加压各自采用西门子PLC（S7-400）控制，并通过能源中心计算机控制平台（EMS 系统，基于西门子Wincc 开发）进行上位集成控制。为了避免人工控制带来的热值偏差、保障钢管生产和初轧保温，在控制系统中临时搭建功能模块，以实现闭环控制，这也是保供钢管用气品质的重要环节。

控制功能模块如图6 所示，对煤气两次混合过程控制仍在各自PLC 的“FIC”回路完成。所需开展的工作是设计EMS 系统服务器热值计算、将热值信号通过服务器向9加压PLC传递、实现NG混入比例外设定等程序，基本路线如下：

图6 不同混合煤气用量下NG和COG的混入量

（1）计算钢管混合煤气热值。在EMS 系统的Wincc 服务器中建立内部临时变量——钢管混合煤气热值，脚本程序按（2）式作短周期计算：

式中：H钢——钢管混合煤气热值，kJ/m3；

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

FB——钢管 1 系、2 系 BFG 合计流量，FB=FB1+FB2，km3/h；

FC——钢管 1 系、2 系 COG 合计流量，FC=FC1+FC2，km3/h；

FN——9 加压NG 大小管合计流量，FN=FN1+FN2，km3/h；

N钢——NG分配至钢管的比例，按（3）式计算。

式中：FB3——初轧BFG流量，km3/h。

（2）热值偏差报警。热值计算结果实时显示在EMS 系统的 2 加压与 9 加压监控画面中，按 11 300±1 000 kJ/m3设置热值正负偏差报警，便于必要时人工干预。

（3）改变介入9 加压NG 混入比例。9 加压PLC原本构建了煤气比例计算模块（FRC），自动根据目标热值和参混煤气热值计算出参混煤气比例。在PLC 中退出 FRC 模块，NG 的 FIC 回路接受临时热值计算模块给定的NG 参混比例a，a在EMS 操作画面可开放设定。

（4）BFG 流量修正。正常运行时，2加压的BFG中掺混了来自本管煤气混合装置的LDG，由于LDG密度（1.35 kg/m3）与BFG密度（1.38 kg/m3）相近，LDG混入比例的变化对BFG 的流量测量影响不大。但NG（0.74 kg/m3）掺混入 BFG 后，“BFG”密度降为1.25 kg/m（3按NG 占比20%），密度差将造成BFG 的流量测量产生偏差，需要以系数b补正。

不考虑湿度变化，根据GB/T 18215.1-2000《城镇人工煤气主管道流量测量差压式流量计》所附示值修正公式，对BFG 流量检测值需乘以密度比的倒数开方（1.35/1.25）1/2，即b=1.05，将此修正系数b在监控画面上开放设定。

4.2 操作过程

经过充分的准备，焦炉煤气主管网接口于2022年3 月1 日至4 日实施。对于加压站包括煤气混合装置的操作全程由能源中心远程操作，大致步骤为：

（1）厚板停运，9加压进入BFG保压方式。

（2）将临时控制程序向 9 加压、2 加压 PLC 导入，设置NG 混入比例a=20%、BFG 流量修正系数b=1.05。

（3）手动将9 加压COG 调节阀、切断阀关闭；BFG调节阀、切断阀全开。

（4）初轧转入保温后，钢管以混合煤气热值11 300 kJ/m3为控制目标，实施9 加压、钢管、初轧煤气混合装置联调操作：①手动控制NG 大小管工况，逐步将NG 经BFG 大小管混入BFG 系统，在达到目标流量后将NG 调节阀切至自动控制；②手动逐步减少钢管混合装置COG 混入量至10 km3/h 以下，将COG比例设定为20%；③逐步停止初轧COG混入。

（5）提升1 加压出站压力至15.3 kPa，完成向2加压的COG供应。

（6）全面转入自动控制模式。

其它停复役和施工等现场作业略。

4.3 保供效果

接口作业80 h 期间钢管煤气流量和热值情况如图7 所示：小时平均热值为11 316 kJ/m3，最高热值12 700 kJ/m3，最低热值9 721 kJ/m3。最低热值出现时，钢管混合煤气用量低至22 km3/h，应该是调节阀在低负荷下的控制精度不能确保所致。总体效果满意。

图7 接口作业期间钢管煤气流量和热值

5 结语

本次焦炉煤气精脱硫与主管网的接口作业，由于要解决主煤气切断期间向钢管区域的保供问题，成为宝钢煤气系统技术难度最大的作业之一。项目团队通过严谨分析、周密计算，并得益于煤气加压和混合系统的灵活性、可靠性，以反常规的方案和操作完成了既定目标。