CN104043375B - 高压天然气与低压煤气的混合设备与混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种高压天然气与低压煤气的混合设备，包括：低压煤气输送管道、高压天然气管道和减压组件。低压煤气输送管道连接到加压机并输送低压煤气，加压机将低压煤气加压后输送到加热炉。高压天然气管道输送高压天然气。减压组件的一端连接高压天然气管道，一端连接在加压机的输出端，减压组件对高压天然气减压后混入经加压的低压煤气，并输送到加热炉，减压组件包括依次连接的入口切断阀、多级调压器、安全放散阀、调压放散阀、流量调节阀和出口切断阀。本发明还揭示了一种高压天然气与低压煤气的混合方法。本发明能够将高压的天然气通过减压方式减压后混合到低压煤气中，解决了高压天然气混入低压煤气时的压力波动问题。

Description

高压天然气与低压煤气的混合设备与混合方法

技术领域

本发明涉及煤气混合技术，尤其涉及一种高压天然气与低压煤气的混合设备与混合方法。

背景技术

冶金工业的热轧工艺是将较厚的板坯加热炉到一定温度(一般1000℃以上)，然后经过粗轧机组和精轧机组进行轧制，最后变成较薄的带钢，并通过卷取机将带钢卷好。在这一过程当中需要特制的加热炉将板坯加热到需要的温度，加热所使用的燃料大多为冶金所产生的附属煤气，包括高炉、转炉和焦炉煤气。通过煤气混合站将各单一煤气按照需要的比率进行混合后送加热炉作为燃料。通常情况下，选用的加热炉燃料有两种，一种是两种煤气进行混合：“焦炉煤气+高炉煤气”，另外一种是三种煤气混合：“焦炉煤气+高炉煤气+转炉煤气”。国内外绝大部分热轧产线的加热炉和煤气混合站均采用上述模式，这样做不仅可以有效的利用冶金过程中产生的附属品，做到物尽其用，同时该模式下由于煤气属于自产产品，所有应用费用低，取材方便，所以得到了广泛的应用。还有一些小型加热炉，由于不能连续、低价获得加热所需要的各类煤气燃料，有时候会直接采用纯天然气进行加热，这样做的好处是灵活方便，缺点就是成本较高。

对于大型的板坯加热炉来说，最为常用的还是采用焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气作为燃料。随着整个社会对于节能环保以及能源、成本要求逐步的提升时，随着钢铁企业自身生产规模的逐步扩大，往往就会在煤气平衡方面出现困难，特别是焦炉煤气和转炉煤气，本来就较为紧张，一旦焦炉和转炉发生故障，煤气量无法满足整个公司的使用要求，不得不有针对性的对部分厂进行限产甚至停产。解决此问题的途径就是再找到一种气体，将其和现有常规的焦炉、高炉和转炉煤气其中的一种或几种混合，作为燃料供加热炉使用。事实上，随着西气东输工程的逐步实施，天然气依然成为了最为合理的第4种气体。但由于天然气压力很高(约16公斤)，一些企业在使用过程中由于无法快速、稳定的控制压力，从而也就不能连续的使用天然气，而且投运过程复杂、耗时较长。

发明内容

本方法旨在解决现有技术中的问题，做到快速、稳定、连续的投运天然气，将高压天然气按照混入低压煤气中。

根据本发明的一实施例，提出一种高压天然气与低压煤气的混合设备，包括：低压煤气输送管道、高压天然气管道和减压组件。低压煤气输送管道连接到加压机并输送低压煤气，加压机将低压煤气加压后输送到加热炉。高压天然气管道输送高压天然气。减压组件的一端连接高压天然气管道，一端连接在加压机的输出端，减压组件对高压天然气减压后混入经加压的低压煤气，并输送到加热炉，所述减压组件包括依次连接的入口切断阀、多级调压器、安全放散阀、调压放散阀、流量调节阀和出口切断阀。

在一个实施例中，低压煤气输送管道包括转炉煤气支管、高炉煤气支管和焦炉煤气支管。

在一个实施例中，减压组件的开启顺序为：首先打开出口切断阀，待出口切断阀打开到位后，开启流量调节阀至小开度并打开调压放散阀，待调压放散阀前端的压力达到预定压力后，打开多级调压阀至小开度，在打开多级调压阀时开始计时并以延时方式打开入口切断阀建立高压天然气的减压通路。

在一个实施例中，多级调压阀包括级联的第一级调压阀和第二级调压阀，第一级调压阀连接到入口切断阀，第二级调压阀连接到调压放散阀；第一级调压阀具有第一压力变送器，第一压力变送器检测第一级调压阀的输出压力并根据输出压力调节第一级调压阀的开度；第二级调压阀具有第二压力变送器，第二压力变送器检测第二级调压阀的输出压力并根据输出压力调节第二级调压阀的开度。

在一个实施例中，该减压组件还包括流量变送器，流量变送器连接在调压放散阀和流量调节阀之间，流量变送器依据天然气流量调节流量调节阀的开度。

在一个实施例中，在安全放散阀和调压放散阀之间设置有第三压力变送器，第三压力变送器检测调压放散阀前端的压力；调压放散阀前端的预定压力为减压组件输出压力的2倍。

根据本发明的一实施例，揭示了一种高压天然气与低压煤气的混合方法，包括：采集低压煤气，对低压煤气加压后输送到加热炉；采集高压天然气，高压天然气送入减压组件，减压组件包括依次连接的入口切断阀、多级调压器、安全放散阀、调压放散阀、流量调节阀和出口切断阀；按照从出口向入口的方向建立高压天然气的减压通路；按照从入口向出口的方向开启减压组件对高压天然气减压，减压后的高压天然气混合到低压煤气中。

低压煤气包括转炉煤气、高炉煤气和焦炉煤气中的一种或者多种。

按照从出口向入口的方向建立高压天然气的减压通路包括：首先打开出口切断阀，待出口切断阀打开到位后，开启流量调节阀至小开度并打开调压放散阀，待调压放散阀前端的压力达到预定压力后，打开多级调压阀至小开度，在打开多级调压阀时开始计时并以延时方式打开入口切断阀建立高压天然气的减压通路。

多级调压阀包括级联的第一级调压阀和第二级调压阀，第一级调压阀连接到入口切断阀，第二级调压阀连接到调压放散阀，第一级调压阀具有第一压力变送器，第一压力变送器检测第一级调压阀的输出压力并根据输出压力调节第一级调压阀的开度，第二级调压阀具有第二压力变送器，第二压力变送器检测第二级调压阀的输出压力并根据输出压力调节第二级调压阀的开度；按照从入口向出口的方向开启减压组件对高压天然气减压包括：入口切断阀打开到位后，第一级减压阀由第一压力变送器控制，第一压力变送器的检测压力值为减压组件输出压力的10倍，第二级减压阀由第二压力变送器控制，第二压力变送器的检测压力值为减压组件输出压力的1.3倍。

本发明能够将高压的天然气通过减压方式减压后混合到低压煤气中，解决了高压天然气混入低压煤气时的压力波动问题，使得由于煤气不足而产生的能源瓶颈得以改善。

附图说明

图1揭示了根据本发明的一实施例的高压天然气与低压煤气的混合设备的结构图。

图2揭示了应用本发明来混合天然气和煤气的混合模式切换图。

具体实施方式

本发明的提出主要是为了缓解能源紧张和煤气平衡，引入天然气作为加热炉燃料之一。由于天然气压力高控制有一定的难度，需要专门设计混合方式及对应的控制方案。

利用天然气来代替短缺的煤气可以缓解能源平衡问题，但是如何利用天然气需要认真考虑和设计，针对于焦炉煤气短缺、转炉煤气短缺和焦炉煤气转炉煤气均短缺的三种现场实际情况，设计了三种对应的混合模式。为了描述方便，以下用字母代替焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气和天然气：C---COG焦炉煤气、B---BFG高炉煤气、L---LDG转炉煤气、N---NG天然气。

第一种混合模式为B+L+N的方式，即高炉煤气+转炉煤气+天然气，在WI值为11500(常用值)时的配比为：NG20％左右，BFG50％左右，LDG25％，在WI值为10448时的配比为：NG15％左右，BFG55％左右，LDG25％。该混合方式主要用在COG限量或短缺时使用。

第二种混合模式为B+C+N的方式，即高炉煤气+焦炉煤气+天然气，在WI值为11500(常用值)时的配比为：NG15％左右，BFG65％左右，COG15％左右，在WI值为10448时的配比为：NG15％左右，BFG70％左右，COG10％左右。该混合方式主要用在LDG限量或短缺时的情况，而且该方式COG的比例也较小，对于能源的平衡有较好的作用和意义。

第三种混合模式为B+N的方式，即高炉煤气+天然气，在WI值为11500(常用值)时的配比为：NG25％左右，BFG75％左右，在WI值为10448时的配比为：NG20％左右，BFG80％左右。该混合方式可以用在LDG、COG其中一种限量或两种都限量的情况，实用性和适用性都很强。

在天然气引入之前，除初始状态的焦炉煤气(COG)状态外共有3种混合方式，分别为CASE1焦炉煤气(COG)+高炉煤气(BFG)、CASE2焦炉煤气(COG)+高炉煤气(BFG)+转炉煤气(LDG)以及CASE3焦炉煤气(COG)+转炉煤气(LDG)。加上引入天然气后新增的3种模式，CASE4高炉煤气(BFG)+转炉煤气(LDG)+天然气(NG)、CASE5高炉煤气(BFG)+天然气(NG)和CASE6高炉煤气(BFG)+焦炉煤气(COG)+天然气(NG)，共计有6种模式，图2揭示了在该6种模式时间进行切换的示意图。

图1揭示了根据本发明的一实施例的高压天然气与低压煤气的混合设备的结构图。如图1所示，该高压天然气与低压煤气的混合设备100包括：低压煤气输送管道102、高压天然气管道108和减压组件200。在图1所示的实施例中，低压煤气输送管道102包括三个支管，分别是转炉煤气支管112、高炉煤气支管114和焦炉煤气支管116，分别用于接收转炉煤气、高炉煤气和焦炉煤气，这三种煤气均为低压煤气。低压煤气输送管道的三个支管连接到加压机104并输送低压煤气，加压机104将低压煤气加压后输送到加热炉106。高压天然气管道108输送高压天然气。高压天然气通过减压组件200后混合到经过加压机104加压的低压煤气中。减压组件200的一端连接高压天然气管道108，另一端连接在加压机104的输出端，减压组件200对高压天然气减压后混入经加压的低压煤气，并输送到加热炉106。减压组件200包括依次连接的入口切断阀202、多级调压器204、安全放散阀206、调压放散阀208、流量调节阀210和出口切断阀212。减压组件200的工作过程分为两个阶段，首先是建立减压通路，然后是开始减压运行。建立减压通路的过程中，减压组件200的开启顺序为：首先打开出口切断阀212，待出口切断阀212打开到位后，开启流量调节阀210至小开度并打开调压放散阀208，待调压放散阀208前端的压力达到预定压力后，打开多级调压阀204至小开度，在打开多级调压阀204时开始计时并以延时方式打开入口切断阀202建立高压天然气的减压通路。多级调压阀204包括级联的第一级调压阀242和第二级调压阀244，第一级调压阀242连接到入口切断阀202，第二级调压阀244连接到调压放散阀208。第一级调压阀242具有第一压力变送器241，第一压力变送器241检测第一级调压阀242的输出压力并根据输出压力调节第一级调压阀242的开度。第二级调压阀244具有第二压力变送器243，第二压力变送器243检测第二级调压阀244的输出压力并根据输出压力调节第二级调压阀244的开度。继续参考图1所示的实施例，该减压组件200包括流量变送器209，流量变送器209连接在调压放散阀208和流量调节阀210之间，流量变送器209依据天然气流量调节流量调节阀210的开度。在安全放散阀208和调压放散阀206之间设置有第三压力变送器207，第三压力变送器207检测调压放散阀208前端的压力。在一个实施例中，调压放散阀208前端的预定压力为减压组件200输出压力的2倍。在图1所示的实施例中，减压组件200输出压力由第四压力变送器211来测量，第四压力变送器211设置在减压组件200的输出端，即天然气混入低压煤气之处。开始减压运行的方向与建立减压通道的过程方向相反，入口切断阀202打开到位后，第一级减压阀242由第一压力变送器241控制，第一压力变送器241的检测压力值为减压组件200输出压力的10倍，第二级减压阀244由第二压力变送器243控制，第二压力变送器243的检测压力值为减压组件200输出压力的1.3倍。

图1所示的高压天然气与低压煤气的混合设备以下述的方式工作，即本发明提出的一种高压天然气与低压煤气的混合方法：采集低压煤气并对低压煤气加压后输送到加热炉。采集高压天然气，高压天然气送入减压组件，减压组件包括依次连接的入口切断阀、多级调压器、安全放散阀、调压放散阀、流量调节阀和出口切断阀。按照从出口向入口的方向建立高压天然气的减压通路。按照从入口向出口的方向开启减压组件对高压天然气减压，减压后的高压天然气混合到低压煤气中。

采集的低压煤气包括转炉煤气、高炉煤气和焦炉煤气中的一种或者多种。在某一种煤气资源不足时，可以以天然气作为补充，所用的气体的组合在图2所示的状态之间切换。在进行切换时，首先按照从出口向入口的方向建立高压天然气的减压通路，包括：首先打开出口切断阀，待出口切断阀打开到位后，开启流量调节阀至小开度并打开调压放散阀，待调压放散阀前端的压力达到预定压力后，打开多级调压阀至小开度，在打开多级调压阀时开始计时并以延时方式打开入口切断阀建立高压天然气的减压通路。

多级调压阀包括级联的第一级调压阀和第二级调压阀，第一级调压阀连接到入口切断阀，第二级调压阀连接到调压放散阀，第一级调压阀具有第一压力变送器，第一压力变送器检测第一级调压阀的输出压力并根据输出压力调节第一级调压阀的开度，第二级调压阀具有第二压力变送器，第二压力变送器检测第二级调压阀的输出压力并根据输出压力调节第二级调压阀的开度。

在按照从入口向出口的方向开启减压组件对高压天然气减压时，包括：入口切断阀打开到位后，第一级减压阀由第一压力变送器控制，第一压力变送器的检测压力值为减压组件输出压力的10倍，第二级减压阀由第二压力变送器控制，第二压力变送器的检测压力值为减压组件输出压力的1.3倍。

进一步结合图1和图2说明本发明的实例：

最为常用的是状态是CASE2，即焦炉煤气+高炉煤气+转炉煤气的混合方式，当需要投运天然气时，首先需要将混合模式从CASE2切换为CASE1：焦炉煤气+高炉煤气，待稳态后将混合模式从CASE1切换为CASE6焦炉煤气+高炉煤气+天然气，这样就投入了天然气。在考虑了设备配置后需要对控制方案进行设计，包括各联锁以及阀门开闭顺序、开度和控制方式等。首先在混合方式切换之前，必须确保所涉及到的管路上的阀门必须为“自动”模式，确保所有的阀门无报警无故障且动作正常，所有的流量、压力检测设备处于良好工作状态，另外一个重要的条件就是对混合煤气总用量的下限进行设定，该值作为投入的充分条件之一进行联锁控制，不满足不得也不能投入天然气。

在收到混合方式切换命令的同时将管路上的压力开关屏蔽，由于天然气压力较高，在投入初期压力波动剧烈，如果不进行联锁屏蔽，很容易造成联锁切断来气、加压机跳机的故障发生。在阀门的打开顺序上和常规气体的控制模式不同，不能够按照从左至右，从前到后的方式进行，原因同样也是由于天然气压力较高，一旦先打开入口切断阀202，由于调压放散阀208和流量调节阀210本身有一定的泄露，所以压力直接传递到出口切断阀212前的管路，容易造成其前方的膨胀节发生膨胀，且一旦出口切断阀212打开，压力较高的天然气马上进入混合煤气当中，对系统造成扰动，根本无法进行压力和流量的调节，从而引起加热炉熄火。正确的方式在投入的第一步先建立泄压通路，确保设备和管路的安全。详细的做法是在受到混合方式切换命令时首先打开天然气管路出口切断阀212，当收到出口切断阀212“开到位”位置反馈信号后，打开流量调节阀210，预设一定的小开度，将调压放散阀208设置为自动，这样可以消除来气压力太高时的隐患，起到泄压稳压的作用，该阀门的控制测量值来源于前方的第三压力变送器207，第三压力变送器207的设定值为最终混合压力，即出口切断阀212的输出压力的2倍左右，接着延时打开第二级减压阀244和第一级减压阀242，同样预设一小开度。从第二级减压阀244和第一级减压阀242开命令发出起开始计时，延时打开入口切断阀202，这样整个通路就建立了起来。当收到入口切断阀202“开到位”位置反馈信号后，将第一级减压阀242投自动，控制反馈值来源于第一压力变送器241，第一压力变送器241设置一较高的设定值，约为最终混合压力，即出口切断阀212的输出压力的10倍左右，同时将第二级减压阀244设为自动，控制反馈值来源于第一压力变送器243，考虑到压力损失等原因第二压力变送器243设定值比最终混合压力高30％左右，即为出口切断阀212的输出压力的1.3倍左右。从收到入口切断阀202“开到位”位置反馈信号起开始计时，延时把流量调节阀210设为自动(设定值根据比例计算来定)，延时解除屏蔽，投入连锁，至此完成天然气投运和CASE切换。其中各延时需要根据不同产线具体调试确定，原则上是流量调节阀的延时要比压力调节阀的长。特别需要注意的是每一个阀门的PID参数需要反复调整、优化，PID参数设置的恰当与否直接关系到控制是否稳定和投运能否成功。原则上压力调节阀的增益大于流量调节阀，积分时间则正好相反，两个减压阀的耦合关系需要合理处理，主要是通过压力控制设定值和PID参数来优化。安全放散阀206的控制测量值来源于第二压力变送器207的压力检测，设定值应该高于调压放散阀208的预设值。

在一个具体实现中，应用了三种不同的混合方式，第一种混合模式为B+L+N的方式，即高炉煤气+转炉煤气+天然气，该混合方式主要用在COG限量或短缺时的情况。第二种混合模式为B+C+N的方式，即高炉煤气+焦炉煤气+天然气，该混合方式主要用在LDG气限量或短缺时的情况，而且该方式COG的比例也较小，对于能源的平衡有较好的作用和意义。第三种混合模式为B+N的方式，即高炉煤气+天然气，该混合方式可以用在LDG、COG其中一种限量或两种都限量的情况，实用性和适用性都很强。通过多次的试验和不断的优化，较好的实现方式是CASE6(B+C+N)和CASE5(B+N)。

本发明能够将高压的天然气通过减压方式减压后混合到低压煤气中，解决了高压天然气混入低压煤气时的压力波动问题，使得由于煤气不足而产生的能源瓶颈得以改善。

Claims (10)

1.一种高压天然气与低压煤气的混合设备，其特征在于，包括：

低压煤气输送管道，低压煤气输送管道连接到加压机并输送低压煤气，加压机将低压煤气加压后输送到加热炉；

高压天然气管道，高压天然气管道输送高压天然气；

减压组件，减压组件的一端连接高压天然气管道，一端连接在加压机的输出端，减压组件对高压天然气减压后混入经加压的低压煤气，并输送到加热炉，所述减压组件包括依次连接的入口切断阀、多级调压器、安全放散阀、调压放散阀、流量调节阀和出口切断阀。

2.如权利要求1所述的高压天然气与低压煤气的混合设备，其特征在于，所述低压煤气输送管道包括转炉煤气支管、高炉煤气支管和焦炉煤气支管。

3.如权利要求1所述的高压天然气与低压煤气的混合设备，其特征在于，所述减压组件的开启顺序为：

首先打开出口切断阀，待出口切断阀打开到位后，开启流量调节阀至小开度并打开调压放散阀，待调压放散阀前端的压力达到预定压力后，打开多级调压阀至小开度，在打开多级调压阀时开始计时并以延时方式打开入口切断阀建立高压天然气的减压通路。

4.如权利要求3所述的高压天然气与低压煤气的混合设备，其特征在于，

所述多级调压阀包括级联的第一级调压阀和第二级调压阀，第一级调压阀连接到入口切断阀，第二级调压阀连接到调压放散阀；

第一级调压阀具有第一压力变送器，第一压力变送器检测第一级调压阀的输出压力并根据输出压力调节第一级调压阀的开度；

第二级调压阀具有第二压力变送器，第二压力变送器检测第二级调压阀的输出压力并根据输出压力调节第二级调压阀的开度。

5.如权利要求4所述的高压天然气与低压煤气的混合设备，其特征在于，减压组件还包括流量变送器，流量变送器连接在调压放散阀和流量调节阀之间，流量变送器依据天然气流量调节流量调节阀的开度。

6.如权利要求4所述的高压天然气与低压煤气的混合设备，其特征在于，

安全放散阀和调压放散阀之间设置有第三压力变送器，第三压力变送器检测调压放散阀前端的压力；

调压放散阀前端的预定压力为减压组件输出压力的2倍。

7.一种高压天然气与低压煤气的混合方法，其特征在于，包括：

采集低压煤气，对低压煤气加压后输送到加热炉；

采集高压天然气，高压天然气送入减压组件，所述减压组件包括依次连接的入口切断阀、多级调压器、安全放散阀、调压放散阀、流量调节阀和出口切断阀；

按照从出口向入口的方向建立高压天然气的减压通路；

按照从入口向出口的方向开启减压组件对高压天然气减压，减压后的高压天然气混合到低压煤气中。

8.如权利要求7所述的高压天然气与低压煤气的混合方法，其特征在于，

所述低压煤气包括转炉煤气、高炉煤气和焦炉煤气中的一种或者多种。

9.如权利要求7所述的高压天然气与低压煤气的混合方法，其特征在于，按照从出口向入口的方向建立高压天然气的减压通路包括：

首先打开出口切断阀，待出口切断阀打开到位后，开启流量调节阀至小开度并打开调压放散阀，待调压放散阀前端的压力达到预定压力后，打开多级调压阀至小开度，在打开多级调压阀时开始计时并以延时方式打开入口切断阀建立高压天然气的减压通路。

10.如权利要求7所述的高压天然气与低压煤气的混合方法，其特征在于，多级调压阀包括级联的第一级调压阀和第二级调压阀，第一级调压阀连接到入口切断阀，第二级调压阀连接到调压放散阀，第一级调压阀具有第一压力变送器，第一压力变送器检测第一级调压阀的输出压力并根据输出压力调节第一级调压阀的开度，第二级调压阀具有第二压力变送器，第二压力变送器检测第二级调压阀的输出压力并根据输出压力调节第二级调压阀的开度；

按照从入口向出口的方向开启减压组件对高压天然气减压包括：入口切断阀打开到位后，第一级减压阀由第一压力变送器控制，第一压力变送器的检测压力值为减压组件输出压力的10倍，第二级减压阀由第二压力变送器控制，第二压力变送器的检测压力值为减压组件输出压力的1.3倍。