淺談鋼鐵企業高爐煤氣系統特點及動態模型建立

（中國鋼研科技集團吉林工程技術有限公司，吉林 長春 130022）

在實際生產中，高爐所用的燃料及冶煉的生產工藝都會對煤氣的產生量及煤氣的成分產生一定的影響，這樣短期內的就會產生不平衡，影響供需平衡，對煤氣的使用造成影響。因此，有必要對煤氣的產生、使用、存儲等做進一步的動態建模，以支持更細節的煤氣的研究、分析和優化。

1 高爐煤氣系統的組成和特點

鋼鐵企業煤氣系統涉及煤氣生產、輸送、分配、消耗諸多環節，管理對象一般包括高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣。高爐煤氣系統包括:高爐煤氣發生源(高爐)，高爐煤氣的存儲和輸送(煤氣管道和煤氣柜)，高爐煤氣的用戶(包括基本用戶和緩沖用戶)。其中高爐煤氣基本用戶是生產工藝過程中需要使用煤氣的用戶，煤氣的主要作用就是滿足這些用戶的需求，這些用戶在煤氣有盈余時使用煤氣進行生產，當煤氣產量減少時，則需停止使用煤氣而調換其它燃料，煤氣混合站將兩種或兩種以上熱值不同的煤氣混合在一起，以保證用戶熱工制度的穩定和工藝流程的要求，一般設有熱值、壓力、流量等調節設備進行調節，調節方式有流量配比調節和熱值指數調節。正常情況下煤氣的的儲存量與高爐生產是息息相關的，生產越穩定，煤氣的消耗越均衡，同是對于瞬時的平衡供應越有利。但在現實的鋼鐵企業生產過程中，高爐會發生故障的時候，或是檢修期間等原因會使高爐生產中斷，這樣就會影響煤氣消耗的波動，對供需平衡造成嚴重的影響。特別是加熱爐等煤氣消耗較大用戶的生產波動，往往是造成放散的主要原因。

2 高爐煤氣系統動態模型的建立

2.1 高爐煤氣產生和消耗動態模型

高爐煤氣動態模型的建立，需要將煤氣的動態變化信息表現出來。整個鋼鐵制造流程是一個既包含連續運行過程、又包含間歇運行過程的準連續運行流程，高爐煤氣的動態性主要表現在具有間歇性的工序生產上。因此，動態模型的建立需要考慮生產工序的不同狀態和階段，對不同的生產狀態和階段建立相應的模型。根據煤氣的使用和消耗情況將相應的工序劃分為生產階段，不同的生產階段反映了煤氣產生和消耗的不同特點。在生產階段的基礎上，建立了高爐煤氣用戶的動態消耗模型。

2.2 煤氣混合加壓站模型

2.2.1 煤氣混合加壓站高爐煤氣消耗為

式中，n 為混合煤氣的用戶個數;t為時間;qka，混為第k 個混合煤氣用戶的高爐煤氣消耗。發電廠和鍋爐一般都使用混合煤氣，這里也將其作為混合煤氣的一個用戶。這是因為發電廠和鍋爐為緩沖用戶，對煤氣的使用具有一定的調節作用，其調節作用表現在對混合煤氣的消耗上。

2.2.2 發電廠中煤氣消耗設備主要是鍋爐，一個發電廠一般有若干個鍋爐，其煤氣消耗模型與用于供汽的鍋爐相同，因此，將發電廠的煤氣消耗與鍋爐的煤氣消耗一起考慮。則鍋爐(包括發電廠內鍋爐)的煤氣消耗為

式中，I 為鍋爐的個數;qiα，鍋為第i個鍋爐的煤氣消耗量。對于一般混合煤氣的用戶，用戶的數量是固定的，即混合煤氣的消耗與其生產相關，很難針對混合煤氣供應的多少進行調節。而發電廠和鍋爐的i 值是可以變化的，即可根據煤氣供應的量將某些鍋爐的燃料進行替換，從而增加或減少煤氣的消耗。

2.3 管網系統和煤氣柜的存儲模型

管網系統壓力的變化在一定范圍之內，且相對于煤氣的產生、消耗量和煤氣柜的存儲量來說非常有限，而且在煤氣的使用過程中，管網系統始終滯留一定的煤氣量，因此，忽略其存儲量對煤氣平衡的影響。煤氣柜的主要作用是在煤氣產生/消耗量發生短時波動時，及時吞吐煤氣，起到以余補欠的作用，同時穩定管網壓力、改善煤氣用戶熱工制度。煤氣柜既可像發生源一樣向管網輸送煤氣，也可像消耗用戶一樣，從管網吸取煤氣，其煤氣的吸入或吐出與管網的壓力有關。

煤氣柜的存儲量為

其中，0≤υ(t)≤Vmax

式中，V0為初始儲存量;qβ，高爐(t)為高爐煤氣的回收量;qα，i(t)為第i個高爐煤氣用戶的煤氣消耗量;m 為高爐煤氣用戶個數;Vmax為煤氣柜的最大儲存量。當高爐煤氣供應大于消耗時，煤氣柜儲存煤氣;當消耗大于供應時，煤氣柜吐出煤氣補充到管網中。

圖1 高爐煤氣仿真系統功能結構

2.4 高爐煤氣動態模型

根據上述分析和高爐煤氣平衡原理，可以得到高爐煤氣動態平衡方程，表達式為

式中，qr(t)為放散的高爐煤氣流量(回收后) 。

3 高爐煤氣仿真系統的設計

高爐煤氣仿真系統主要用于觀察高爐煤氣發生量和使用量隨時間變化的規律，以及某一時刻高爐煤氣的儲存量、放散量等，從而判斷高爐煤氣的平衡狀況。煤氣仿真系統主要分為系統參數設置、高爐煤氣產生仿真、高爐煤氣消耗仿真、煤氣柜計算和結果處理5 個模塊。系統參數設置模塊主要用來設置與物流相關的各種參數，如生產計劃相關內容、各工序產量等。通過系統參數設置模塊，高爐煤氣仿真系統與物流數據和生產建立聯系。煤氣產生仿真主要計算高爐煤氣和轉爐煤氣的回收量。煤氣消耗仿真主要計算高爐煤氣用戶的高爐煤氣消耗量。煤氣柜計算模塊對煤氣的存儲量及以余補欠功能進行簡單計算。結果處理模塊將仿真計算的結果進行存儲，供進一步分析和研究。

高爐煤氣系統功能結構如圖1所示。

煤氣仿真系統在W indows XP操作系統上開發和運行，開發環境采用Microsoft的Visual Studio.Net，開發語言為C#。

結論

煤氣作為高爐的附產品，其產生消耗都不是連續穩定的，壓力和成分的變化會改變煤氣的可用性，因此為了保證高爐煤氣的高效使用，高爐煤氣動態仿真系統的應用，不僅可表現煤氣某段時間的平衡情況，還可對高爐煤氣的瞬間動態平衡情況進行展現，可用來分析高爐及煤氣用戶生產發生變化對煤氣動態平衡帶來的影響，為煤氣調度提供有效的分析手段和方法。

[1]李文兵，紀揚，李華德.鋼鐵企業煤氣產生消耗動態模型研究 [J].冶金自動化，2008,32(3):28233.