宝钢新日铁汽车板有限公司 俞峰
摘 要：因用户用气量的波动，必然要引发混合煤气的压力与热值的波动。宝钢新日铁汽车板有限公司采用混合优化控制技术，解决了这一难题。简述了该技术中的混合控制、阀门控制、仪表测量及控制，以及其中的操作应用技术。通过改进后该公司的煤气混合装置在流量征程波动时热值波动控制在3%以内；每分钟流量波动量在25 000 m3/h 以内，仍能保证其它用户的正常用气。
关键词：煤气；热值；压力；波动
Coal Gas Mixture Optimization Control Techniques
Baosteel-NSC/Arcelor Automotive Steel Sheets Co., Ltd. Yu Feng
Abstract: Because of gas consumption fluctuation, the gas pressure and its caloric value will fluctuate.Baosteel-NSC/Arcelor Automotive Steel Sheets Co., Ltd. adopts mixture optimization control techniques to conquer this difficult problem. The article briefly discusses this technique about mixture control, valve control,instrument measuring and control, and its operation and application technology. The company’s gas mixture modified equipment can control the caloric value fluctuation under 3% and other consumers can still commonly use gas when its flowrate fluctuate within 25000m3/h.
Key Words: coal gas;caloric value;pressure;fluctuation
冷轧厂作为宝钢钢铁精品基地的主要成品厂，对于煤气品质的要求尤为苛刻，1996～2004年连续从日本JFE和NSC公司引进了3 条煤气加压净化混合机组。宝钢通过参与设计、技术消化及自主攻关，形成了一套先进的煤气混合控制技术，该技术主要包括控制策略、仪表测量及控制技术和操作应用技术。宝钢新日铁汽车板有限公司(BNA)的煤气加压净化混合站采用了该煤气处理系统，以下主要结合该系统探讨煤气的混合优化控制技术。
1 煤气混合技术
BNA煤气站混合装置如图1 所示。
在能源资源日益紧缺的背景下，如何利用低品位煤气和工业尾气成了热门话题。通过高品位煤气和低品位煤气的混合利用，能充分利用现有资源、降低能源成本。在使用混合煤气过程中，由于用户的流量波动，必然会引发混合煤气压力及热值的波动，解决这一问题最好的办法是建造煤气储柜，考虑占地面积及投资成本又很难实施，尤其是短流程企业矛盾更突出。但通过煤气混合优化控制技术，能较好地解决波动问题。
2 混合控制策略
2.1 控制策略的选择
宝钢冷轧厂是利用焦炉煤气(COG)和高炉煤气(BFG)进行混合。只要其中一个发生变化，则既影响混合煤气压力，又影响其热值，可以看作是多输入双输出的多变量系统。热值和压力波动都有很大危害性，压力波动直接影响用户燃烧系统，而且一般炉子对压力上下限均有联锁，波动超出范围会造成跳机。通常热值不参与炉温控制，空煤比也相对固定。但是热值波动不仅会造成炉温控制困难影响产品质量，甚至还会由于不完全燃烧，引起废气管烧红，集气室爆鸣、爆炸。热值和压力波动是一组矛盾，如压力控制响应速度较慢，有利于热值控制，但会造成压力波动；如提高控制响应速度，又会造成热值波动。
一种解决策略是采用模糊智能解耦控制，但控制较为复杂且有局限性。宝钢的解决策略是分两步走：首先解决COG 和BFG 的同步变化问题，如实际混合配比相对固定，热值就能稳定；剩下的就是简单的压力控制。
2.2 混合线设计选择
宝钢混合装置均有大小两根混合线，目的就是精确控制。设计流量较大时，还可以采用多套混合装置。不同混合装置之间和大小混合线的流量设计选择尤为关键，既要有一定的互补性，又要有各自的特点，以便在千变万化的运行工况中组合使用。
2.3 阀门控制策略
为达到精确控制的目的，二冷轧采用了复杂的阀门控制策略，流量较大时如测量值与设定值的偏差大于偏差设定值采用大管道阀门调节，如小于偏差设定值则大管道阀门固定，由小管道阀门调节。该系统控制繁琐，效果却适得其反。采用同步技术及合理选择阀门，三冷轧和BNA 采用了单一阀门控制(见图2)，达到了精确控制、稳定控制的目的。
此外，采用单一阀门控制时大小阀门控制范围必须有一个重叠区域。一方面小阀门开度接近上限和大阀门开度较小时调节性能均较差，合理的选择重叠区可以做到互相弥补，以确保控制精度。另一方面通过设置重叠区域可以有效地减少临界状态。避免工况处于临界状态时出现大小阀门控制状态反复变化，影响系统的稳定性，造成热值波动。(见图3)
3 仪表测量及控制技术
3.1 流量计量
在混合装置流量设计时，必须考虑计量问题，尤其是小流量问题。此外，孔板安装位置也较为关键，宝钢分公司二冷轧将孔板分别安装在大小混合线上，累加后作为控制流量，在大管道微开时会由于小信号切除及小流量计量不准确造成控制流量误差，引起热值波动。三冷轧和BNA 则将孔板安装在小管和总管上，流量较小时采用小管道流量，大管道打开后采用总管计量，在控制流量的选择上采用了无扰动切换技术。为确保测量精度在小管道流量孔板上设置了2 个变送器，小变送器最大流量为大变送器的一半。(见图4)
当大、小变送器检测流量切换时：
Q＝QB＋△e ； △e＝QA－QB
其中：QA——小管道流量孔板小变送器的测量值；
QB——小管道流量孔板大变送器的测量值；
QD——修正后的流量；
△e——切换时的计算值。
当大、小管道检测流量切换时：
QE＝QC＋△f ； △f＝QD－QC
其中：C——小管道流量孔板的测量值；
D——大管道流量孔板的测量值；
E——修正后的流量；
△f——切换时的计算值。
3.2 同步控制技术
实际COG和BFG的同步变化就能基本保证热值稳定，首先必须保证流量设定值的同步变化，宝钢应用了一些同步技术，如在燃烧系统应用较多的“双交叉控制”技术。COG和BFG的设定值只能在一定范围内同步变化，否则将相互限制；其次是测量值的同步变化，可以通过PID调整来实现，但前提是设计流量和阀门选择时已考虑此因素。
3.3 混合配比模型
宝钢分公司二冷轧混合配比采用的是简单变量，不同工况下的流量计量误差将造成热值波动。三冷轧和BNA采用了数学模型，在调试阶段采集标准热值时不同工况下对应的混合配比，并输入数学模型，实际控制按照数学模型进行，这就消除了由于计量偏差造成的热值波动。此外，也解决了小流量情况下的混合控制难题，最大限度地降低控制能力下限。现场可以根据需求建立不同的数学模型，较为简单的如日本横河CS3000系统中标准的模拟量计算模块中的“FUNC－VAR”模块也能一定程度上满足需求。
3.4 热值修正
宝钢混合系统热值修正的定位是精调和微调。作为反馈控制，必须提高热值数据采集的时效性，在线热值仪应就地设置在采样点附近，并采取措施缩短采样时间。热值修正范围不宜过大，否则反而会加剧热值波动。由于气源在一段时间内较为稳定，因此气源热值并不参与控制，气源的热值波动由热值修改自动补偿，也可以人为进行干预。
4 操作应用技术
混合控制策略是前提，仪表测量及控制技术是基础，而操作应用技术则是保证。再先进的技术如忽略了人的因素，也难以发挥原有的作用。
4.1 缓冲功能
宝钢冷轧厂混合煤气的热值为7 537 kJ/m3，与转炉煤气热值接近，当用户流量急剧波动时通过旁通阀向转炉煤气管网释放。由于近年宝钢COG资源紧张，通过攻关改进了混合控制功能，已很少使用该功能。
4.2 无扰动操作
加压机切换操作，混合装置的停复役，混合控制手动、自动及串级的模式切换等很多操作都会对压力、热值带来波动，宝钢通过自主管理，形成了一套稳定的操作方法，并以标准化形式予以规范。
4.3 合理运行组织，优化控制参数
根据运行工况及设备特点合理组织运行，确保设备在最佳点运行，避免临界点及盲区；通过运用质量管理工具，不断优化控制参数，完善控制功能。如PID参数、延时计时器的设定等。
4.4 实时监控，人为干预
对所有用户进行实时监控，班前了解各用户当班用气计划，加强沟通及时调整。当用户发生异常情况时，及时人工干预。人为干预必须缩短响应时间并提高干预效果。如原来用户紧急停供时，一套混合装置采用自动或手动控制降低供气量，操作步骤较多而且效果不佳。改进后仍采用串级控制，调整出口压力控制器设定值，或将压力控制器打至手动调整输出值，这样操作简化，而且仍然保持热值修正等功能，保证压力稳定的同时还能保证热值稳定。
5 结语
通过不断改进，BNA煤气站混合装置控制下限已能达到600m3/h，流量稳定时热值波动能稳定在1%以内，流量正常波动时热值波动控制在3%以内，异常时能控制在6%以内。用户异常时，每分钟波动量在25000 m3/h 以内(最大设计能力的55%)时仍能保证其它用户正常用气。宝钢煤气混合控制技术对其它工业企业有一定借鉴作用。
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