CN114353114A - 一种混合煤气自动配比控制方法 - Google Patents

Abstract

一种混合煤气自动配比控制方法，包括：1)第一PID闭环调节系统：以转炉煤气流量设定量为设定值，以转炉煤气调节阀调节量为输出值；2)第二PID闭环调节系统：以高炉、焦炉、转炉的混合煤气压力设定量为设定值，以高炉二道阀调节量为输出值；3)第三PID闭环调节系统：以焦炉比例系数设定量为设定值，以焦炉二道阀调节量为输出值；所述的方法首先通过转炉柜位变化自动设定控制转炉输送流量，然后根据转炉流量来改变混合点压力设定值，达到自动控制混合压力，最后通过计算转炉煤气占混合煤气百分比的变化，自动改变焦炉配比系数设定，调节焦炉二道调节阀，改变焦炉煤气输送量保证混合热值平稳，从而达到煤气混合系统全自动调节的目的。

Description

一种混合煤气自动配比控制方法

技术领域

本发明涉及能源燃气控制技术领域，特别涉及一种混合煤气自动配比控制方法。

背景技术

钢铁冶金系统混合煤气由高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气组成。由于三种煤气压力、热值的不同，多煤气配比，其压力、热值的波动将影响后续加热炉等用户，间接影响钢材质量、能耗等，同时对煤气的利用效率也有一定的影响，如果压力过低将导致加热炉灭火、严重时将会发生煤气管道回火爆炸等事故，保证加压后煤气的热值和压力的稳定，自动串级调节问题一直是一个技术难题。

混合煤气系统工艺见图1，高炉煤气和焦炉煤气的控制分别由两道调节阀来控制，即焦炉头道调节阀、高炉头道调节阀、焦炉二道调节阀、高炉二道调节阀。高炉头道调节阀和焦炉头道调节阀分别是用来稳定高炉和焦炉煤气本管来源煤气的压力。而高炉二道调节阀、焦炉煤气二道调节阀分别用来控制煤气混合点的压力，混合煤气热值。

混合系统操作程序简介如下：当转炉煤气柜位大于某柜位值后，手动开转炉煤气调节阀门，手动降低混合煤气压力，达到转炉煤气所需输送量。根据配比系数计算公式和煤气的实时热值计算出各煤气的配比系数，进而确定各种煤气配比流量。采用热值比率自动调节，既通过化验室化验或在线热值仪测定各种煤气的热值和人工设定混合煤气的目标热值，算出焦炉煤气应该占混合煤气的百分比，再进行PID调节。

目前影响混合煤气热值及转炉煤气回收主要由以下几个方面：

1)当前，冶金燃气系统所采用的热值仪是基本采取煤气燃烧方式测出煤气热值，但其弱点为滞后时间长，其标称响应时间为3min，而实际应用过程中测算为10min以上。由于其响应时间严重滞后，无法达到在线自动串级调节。

2)由于转炉煤气热值随冶炼钢种、吹氧等因素变化，转炉煤气内CO含量变化大，其低发热值在4MJ～8MJ之间波动。因此只能频繁进行单一煤气热值和混合煤气热值参数修改来进行修正混合热值，故造成混合煤气热值波动大。

3)因转炉煤气是间歇式回收，所以转炉煤气输送量根据转炉煤气柜柜位决定，输送流量随时变化，只能通过频繁手动调节转炉支管调节阀来调节转炉煤气输送量，工作强度大，但效果也不好，混合煤气热值平均偏差高达±0.6MJ，严重影响轧钢系统生产稳定及转炉煤气回收率。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明提供一种混合煤气自动配比控制方法，首先通过转炉柜位变化自动设定控制转炉输送流量，然后根据转炉流量来改变混合点压力设定值，达到自动控制混合压力，最后通过计算转炉煤气占混合煤气百分比的变化，自动改变焦炉配比系数设定，调节焦炉二道调节阀，改变焦炉煤气输送量保证混合热值平稳，从而达到煤气混合系统全自动调节的目的。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种混合煤气自动配比控制方法，所述的方法由如下的闭环调节系统完成：

1)第一PID闭环调节系统：以转炉煤气流量设定量为设定值，以转炉煤气流量实际值为反馈值，以转炉煤气调节阀调节量为输出值；

第一PID闭环调节系统中，转炉煤气流量设定量以转炉煤气柜柜位信号为基础，根据投入运行的两座转炉的柜位“和”的高低变化，通过线性比例自动换算出当前混合煤气中的可配出的转炉煤气设定量；

2)第二PID闭环调节系统：以高炉、焦炉、转炉的混合煤气压力设定量为设定值，以混合煤气压力实际值为反馈值，以高炉二道阀调节量为输出值；

第二PID闭环调节系统中，根据转炉煤气输送量与混合压力的关系，将转炉煤气流量设定量与混合煤气压力设置联锁，根据转炉煤气的流量设定值由实际经验数据确定混合压力设定值；

3)第三PID闭环调节系统：以焦炉比例系数设定量为设定值，以焦炉比例系数实际值为反馈值，以焦炉二道阀调节量为输出值；

第三PID闭环调节系统中，通过计算转炉煤气占混合煤气百分比的变化，自动改变焦炉配比系数设定量。

所述的第三PID闭环调节系统中，焦炉配比系数设定量的计算方法包括如下：

混合煤气的热值：通过混合煤气的工艺系统及能量守恒定律可知，混合煤气的热值计算公式如式(1)所示：

R₀Q₀＝R₁Q₁+R₂Q₂+R₃Q₃ (1)

为简化计算，在常温下，忽略上述煤气混合前后密度变化的影响，可得到公式(2)：

Q₀＝Q₁+Q₂+Q₃ (2)

将(2)代入(1)，消去Q₁得：

R₀Q₀＝R₁(Q₀-Q₂-Q₃)+R₂Q₂+R₃Q₃

整理后得：

(R₂-R₁)Q₂+(R₃-R₁)Q₃＝(R₀-R₁)Q₀

即：

等式两侧同除Q₀，得焦炉煤气比率系数：

式中：Q－煤气流量(Nm³/h)；

R—煤气热值(MJ/Nm³)；

K－煤气配比系数；

式中Q、R、K的下标0、1、2、3分别表示混合、高炉、焦炉、转炉煤气；

根据工艺实际热值情况，热值R₀、R₁、R₂、R₃为已知量，将其输入上述公式，得：

通过上述理论换算公式(4)，已知混合煤气总量和转炉煤气量，即可换算出高炉、焦炉煤气配比系数，进而利用配比系数调节高、焦炉煤气的配出量，进而调整系统压力、热值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该混合煤气系统的改进实现了混合煤气的系统的全自动调节，极大的降低了人员的劳动强度；岗位操作人员由4人减为1人，减少了人工成本；混合煤气热值波动由原来的±0.6MJ减少至±0.25MJ左右，混合煤气热值达到稳定；进而保证轧钢系统煤气热值和压力需求，间接保证钢材质量并降低了能耗，根据调度报表选取前后两年轧线满产、产量相近且同时间段的情况进行对比，在后一年热值稳定后煤气单耗下降0.027GJ/t。转炉煤气回收由120m³/t增加至130m³/t(煤气柜检修除外)；该项改进具有较好的经济效益，对其他冶金企业的混合煤气操作也有较好的借鉴作用。

附图说明

图1是混合煤气系统工艺流程图；

图2是本发明的混合煤气系统控制逻辑图；

图3是本发明的转炉配出量与转炉煤气柜位关系图；

图4是本发明的混合煤气压力调节阀设定与转炉煤气配出量关系图；

图5是本发明的转炉煤气量百分比与焦炉煤气配比系数关系图；

图6本发明的混合煤气热值修正程序界面图；

图7是本发明的混合煤气热值波动曲线前后对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图2所示，一种混合煤气自动配比控制方法，所述的方法由如下的闭环调节系统完成：

1)第一PID闭环调节系统：以转炉煤气流量设定量为设定值，以转炉煤气流量实际值为反馈值，以转炉煤气调节阀调节量为输出值；

第一PID闭环调节系统中，转炉煤气流量设定量以转炉煤气柜柜位信号为基础，根据投入运行的两座转炉的柜位“和”的高低变化，通过线性比例自动换算出当前混合煤气中的可配出的转炉煤气设定量；

2)第二PID闭环调节系统：以高炉、焦炉、转炉的混合煤气压力设定量为设定值，以混合煤气压力实际值为反馈值，以高炉二道阀调节量为输出值；

第二PID闭环调节系统中，根据转炉煤气输送量与混合压力的关系，将转炉煤气流量设定量与混合煤气压力设置联锁，根据转炉煤气的流量设定值由实际经验数据确定混合压力设定值；

3)第三PID闭环调节系统：以焦炉比例系数设定量为设定值，以焦炉比例系数实际值为反馈值，以焦炉二道阀调节量为输出值；

第三PID闭环调节系统中，通过计算转炉煤气占混合煤气百分比的变化，自动改变焦炉配比系数设定量。

本发明的混合煤气自动配比控制方法，1)首先通过转炉柜位变化自动设定控制转炉输送流量，2)然后根据转炉流量来改变混合点压力设定值，达到自动控制混合压力，3)最后通过计算转炉煤气占混合煤气百分比的变化，自动改变焦炉配比系数设定，调节焦炉二道调节阀，改变焦炉煤气输送量保证混合热值平稳，从而达到煤气混合系统全自动调节的目的。具体实施过程包括如下：

1、根据转炉煤气柜位确定输送量

因为转炉煤气柜柜位与转炉煤气输送量、混合压力是一个互动关系，柜位高低与混合压力高低决定转炉煤气送量的多少。以转炉煤气柜柜位信号为基础，根据投入运行的两座转炉的柜位“和”的高低变化，通过线性比例自动换算出当前混合煤气中的可配出的转炉煤气设定量(图3、表3)，根据实际的转炉煤气输送量与设定量进行比较后，通过PID调节器后输出至转炉煤气支管定量调节阀进行调节；实际工程中，在转炉煤气支管增加一台调节阀，做为定量调节，平衡转炉煤气的回收与输送。为避免转炉煤气定量调节阀连续调节造成混合煤气系统波动，相关的函数设定均采用分段函数，所有的柜位值为每3s检测一次，做两次检测取平均值。

表3转炉煤气柜柜位与转炉煤气输送量联锁控制数据

表3说明：(1)以数据为例，当双柜运行时，柜位和在0到10米；单柜运行时，柜位值在0～4米，设定转炉量为0，关闭转炉调节阀。设定转炉量为0，关闭转炉调节阀。

(2)所有的柜位值为每3s检测一次，做两次平均值。

2、由转炉煤气量确定混合压力

由于转炉煤气压力在2.5～3.0kPa左右，混合点压力高低又影响了转炉煤气送量的多少，混合点压力高将导致转炉煤气掺混量减少或无法掺混，所以必须以转炉煤气输送量来控制混合压力。根据转炉煤气输送量与混合压力的关系，将转炉煤气设定量与混合煤气压力设置联锁，根据转炉煤气的流量设定值，具体由实际经验数据确定混合压力设定值(图4、表4)，根据转炉煤气的流量设定值来改变混合压力设定值，在保证加压风机机前压力的同时，达到转炉煤气流量自动控制混合压力的目的；通过此项操作平衡转炉煤气回收与输送，提高转炉煤气回收率。为避免混合压力调节阀连续调节造成混合煤气系统波动，相关的函数设定均采用分段函数，所有的柜位值为每2s检测一次，做两次检测取平均值。

表4转炉煤气流量与混合压力联动参数

表4说明：(1)转炉实际平均流量为每2s检测一次，做两次的平均值。

(2)两座转炉煤气柜位值和在10m以下，单座转炉煤气柜位值在4m以下，转炉支管调节阀的开度小于5时，混合压力延时1s设定为2.0KPa。

3、焦炉比率系数的计算

混合煤气的热值：通过混合煤气的工艺系统及能量守恒定律可知，混合煤气的热值计算公式如式(1)所示：

R₀Q₀＝R₁Q₁+R₂Q₂+R₃Q₃ (1)

为简化计算，在常温下，忽略上述煤气混合前后密度变化的影响，可得到公式(2)：

Q₀＝Q₁+Q₂+Q₃ (2)

将(2)代入(1)，消去Q₁得：

R₀Q₀＝R₁(Q₀-Q₂-Q₃)+R₂Q₂+R₃Q₃

整理后得：

(R₂-R₁)Q₂+(R₃-R₁)Q₃＝(R₀-R₁)Q₀

即：

等式两侧同除Q₀，得焦炉煤气比率系数：

式中：Q－煤气流量(Nm³/h)；

R—煤气热值(MJ/Nm³)；

K－煤气配比系数；

式中Q、R、K的下标0、1、2、3分别表示混合、高炉、焦炉、转炉煤气；

根据工艺实际热值情况，热值R₀＝8.4MJ/Nm³，R₁＝3.4MJ/Nm³，R₂＝17.4MJ/Nm³，R₃＝5.6MJ/Nm³，将其输入上述公式，得：

通过上述理论换算公式(4)可知，已知混合煤气总量和转炉煤气量，即可换算出高炉、焦炉煤气配比系数，进而利用配比系数调节高、焦炉煤气的配出量，进而调整系统压力、热值。

根据比率计算公式(4)调整焦炉煤气设定值。由于热值仪故障率高及检测滞后等原因，无法将热值仪投入到控制中，故采取基于热值比率计算的优化措施，同时根据转炉流量测量值占混合煤气总流量的百分比，按焦炉煤气比率公式(公式1)自动换算出当前焦炉煤气比率设定值(图5)，根据设定值通过PID自动控制焦炉二道阀，进而改变焦炉煤气输送量控制混合热值平稳。为避免焦炉煤气二道调节阀调节阀连续调节造成混合煤气系统波动，进行分段改变焦炉比率设定值，比率自动调节为每7S检测一次，对设定的比率和实际的比率进行比较，当设定比率SV—实际比率PV≥0.01，自动把焦炉热值设定值减小0.2MJ/Nm³，从而增加焦炉煤气混合量；当设定比率—实际比率≤0.01，自动把焦炉热值设定值增加0.2MJ/Nm³，从而减少焦炉煤气混合量；从而实现混合煤气系统的“串联自动程序控制”操作，保证混合煤气热值稳定。

4、热值修正开发

在混合煤气系统实现自动调节前提下，焦炉煤气比率系数作为反馈信号至焦炉煤气调节阀，实现热值控制模块的串级调节；当任一煤气热值组分发生大幅变化，造成混合热值偏离设定值后，增加了一键修正功能。混合热值长时间低于某一设定值时，可按“+”号一次，每次焦炉煤气比率系数上调0.01，混合热值增加0.4MJ；混合热值长时间高于某一设定值时，可按“-”号一次，每次比值整体下调0.01，混合热值降低0.4MJ。热值修正操作面板见图6。

该混合煤气系统的改进实现了混合煤气的系统的全自动调节，极大的降低了人员的劳动强度；岗位操作人员由4人减为1人，减少了人工成本；如图7所示，混合煤气热值波动由原来的±0.6MJ减少至±0.25MJ左右，混合煤气热值达到稳定；进而保证轧钢系统煤气热值和压力需求，间接保证钢材质量并降低了能耗，根据调度报表选取前后两年轧线满产、产量相近且同时间段的情况进行对比，在后一年热值稳定后煤气单耗下降0.027GJ/t。转炉煤气回收由120m³/t增加至130m³/t(煤气柜检修除外)；该项改进具有较好的经济效益，对其他冶金企业的混合煤气操作也有较好的借鉴作用。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (2)

1.一种混合煤气自动配比控制方法，其特征在于，所述的方法由如下的闭环调节系统完成：

1)第一PID闭环调节系统：以转炉煤气流量设定量为设定值，以转炉煤气流量实际值为反馈值，以转炉煤气调节阀调节量为输出值；

第一PID闭环调节系统中，转炉煤气流量设定量以转炉煤气柜柜位信号为基础，根据投入运行的两座转炉的柜位“和”的高低变化，通过线性比例自动换算出当前混合煤气中的可配出的转炉煤气设定量；

2)第二PID闭环调节系统：以高炉、焦炉、转炉的混合煤气压力设定量为设定值，以混合煤气压力实际值为反馈值，以高炉二道阀调节量为输出值；

第二PID闭环调节系统中，根据转炉煤气输送量与混合压力的关系，将转炉煤气流量设定量与混合煤气压力设置联锁，根据转炉煤气的流量设定值由实际经验数据确定混合压力设定值；

3)第三PID闭环调节系统：以焦炉比例系数设定量为设定值，以焦炉比例系数实际值为反馈值，以焦炉二道阀调节量为输出值；

第三PID闭环调节系统中，通过计算转炉煤气占混合煤气百分比的变化，自动改变焦炉配比系数设定量。

2.根据权利要求1所述的一种混合煤气自动配比控制方法，其特征在于，所述的第三PID闭环调节系统中，焦炉配比系数设定量的计算方法包括如下：

混合煤气的热值：通过混合煤气的工艺系统及能量守恒定律可知，混合煤气的热值计算公式如式(1)所示：

R₀Q₀＝R₁Q₁+R₂Q₂+R₃Q₃ (1)

为简化计算，在常温下，忽略上述煤气混合前后密度变化的影响，可得到公式(2)：

Q₀＝Q₁+Q₂+Q₃ (2)

将(2)代入(1)，消去Q₁得：

R₀Q₀＝R₁(Q₀-Q₂-Q₃)+R₂Q₂+R₃Q₃

整理后得：

(R₂-R₁)Q₂+(R₃-R₁)Q₃＝(R₀-R₁)Q₀

即：

等式两侧同除Q₀，得焦炉煤气比率系数：

式中：Q－煤气流量(Nm³/h)；

R—煤气热值(MJ/Nm³)；

K－煤气配比系数；

式中Q、R、K的下标0、1、2、3分别表示混合、高炉、焦炉、转炉煤气；

根据工艺实际热值情况，热值R₀、R₁、R₂、R₃为已知量，将其输入上述公式，得：

通过上述理论换算公式(4)，已知混合煤气总量和转炉煤气量，即可换算出高炉、焦炉煤气配比系数，进而利用配比系数调节高、焦炉煤气的配出量，进而调整系统压力、热值。

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