淺談鋼鐵企業(yè)高爐煤氣系統(tǒng)特點(diǎn)及動(dòng)態(tài)模型建立

（中國鋼研科技集團(tuán)吉林工程技術(shù)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130022）

在實(shí)際生產(chǎn)中，高爐所用的燃料及冶煉的生產(chǎn)工藝都會(huì)對(duì)煤氣的產(chǎn)生量及煤氣的成分產(chǎn)生一定的影響，這樣短期內(nèi)的就會(huì)產(chǎn)生不平衡，影響供需平衡，對(duì)煤氣的使用造成影響。因此，有必要對(duì)煤氣的產(chǎn)生、使用、存儲(chǔ)等做進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)建模，以支持更細(xì)節(jié)的煤氣的研究、分析和優(yōu)化。

1 高爐煤氣系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

鋼鐵企業(yè)煤氣系統(tǒng)涉及煤氣生產(chǎn)、輸送、分配、消耗諸多環(huán)節(jié)，管理對(duì)象一般包括高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。高爐煤氣系統(tǒng)包括:高爐煤氣發(fā)生源(高爐)，高爐煤氣的存儲(chǔ)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(chǎn)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(shí)使用煤氣進(jìn)行生產(chǎn)，當(dāng)煤氣產(chǎn)量減少時(shí)，則需停止使用煤氣而調(diào)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(wěn)定和工藝流程的要求，一般設(shè)有熱值、壓力、流量等調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式有流量配比調(diào)節(jié)和熱值指數(shù)調(diào)節(jié)。正常情況下煤氣的的儲(chǔ)存量與高爐生產(chǎn)是息息相關(guān)的，生產(chǎn)越穩(wěn)定，煤氣的消耗越均衡，同是對(duì)于瞬時(shí)的平衡供應(yīng)越有利。但在現(xiàn)實(shí)的鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中，高爐會(huì)發(fā)生故障的時(shí)候，或是檢修期間等原因會(huì)使高爐生產(chǎn)中斷，這樣就會(huì)影響煤氣消耗的波動(dòng)，對(duì)供需平衡造成嚴(yán)重的影響。特別是加熱爐等煤氣消耗較大用戶的生產(chǎn)波動(dòng)，往往是造成放散的主要原因。

2 高爐煤氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的建立

2.1 高爐煤氣產(chǎn)生和消耗動(dòng)態(tài)模型

高爐煤氣動(dòng)態(tài)模型的建立，需要將煤氣的動(dòng)態(tài)變化信息表現(xiàn)出來。整個(gè)鋼鐵制造流程是一個(gè)既包含連續(xù)運(yùn)行過程、又包含間歇運(yùn)行過程的準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)行流程，高爐煤氣的動(dòng)態(tài)性主要表現(xiàn)在具有間歇性的工序生產(chǎn)上。因此，動(dòng)態(tài)模型的建立需要考慮生產(chǎn)工序的不同狀態(tài)和階段，對(duì)不同的生產(chǎn)狀態(tài)和階段建立相應(yīng)的模型。根據(jù)煤氣的使用和消耗情況將相應(yīng)的工序劃分為生產(chǎn)階段，不同的生產(chǎn)階段反映了煤氣產(chǎn)生和消耗的不同特點(diǎn)。在生產(chǎn)階段的基礎(chǔ)上，建立了高爐煤氣用戶的動(dòng)態(tài)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(gè)數(shù);t為時(shí)間;qka，混為第k 個(gè)混合煤氣用戶的高爐煤氣消耗。發(fā)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(gè)用戶。這是因?yàn)榘l(fā)電廠和鍋爐為緩沖用戶，對(duì)煤氣的使用具有一定的調(diào)節(jié)作用，其調(diào)節(jié)作用表現(xiàn)在對(duì)混合煤氣的消耗上。

2.2.2 發(fā)電廠中煤氣消耗設(shè)備主要是鍋爐，一個(gè)發(fā)電廠一般有若干個(gè)鍋爐，其煤氣消耗模型與用于供汽的鍋爐相同，因此，將發(fā)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(fā)電廠內(nèi)鍋爐)的煤氣消耗為

式中，I 為鍋爐的個(gè)數(shù);qiα，鍋為第i個(gè)鍋爐的煤氣消耗量。對(duì)于一般混合煤氣的用戶，用戶的數(shù)量是固定的，即混合煤氣的消耗與其生產(chǎn)相關(guān)，很難針對(duì)混合煤氣供應(yīng)的多少進(jìn)行調(diào)節(jié)。而發(fā)電廠和鍋爐的i 值是可以變化的，即可根據(jù)煤氣供應(yīng)的量將某些鍋爐的燃料進(jìn)行替換，從而增加或減少煤氣的消耗。

2.3 管網(wǎng)系統(tǒng)和煤氣柜的存儲(chǔ)模型

管網(wǎng)系統(tǒng)壓力的變化在一定范圍之內(nèi)，且相對(duì)于煤氣的產(chǎn)生、消耗量和煤氣柜的存儲(chǔ)量來說非常有限，而且在煤氣的使用過程中，管網(wǎng)系統(tǒng)始終滯留一定的煤氣量，因此，忽略其存儲(chǔ)量對(duì)煤氣平衡的影響。煤氣柜的主要作用是在煤氣產(chǎn)生/消耗量發(fā)生短時(shí)波動(dòng)時(shí)，及時(shí)吞吐煤氣，起到以余補(bǔ)欠的作用，同時(shí)穩(wěn)定管網(wǎng)壓力、改善煤氣用戶熱工制度。煤氣柜既可像發(fā)生源一樣向管網(wǎng)輸送煤氣，也可像消耗用戶一樣，從管網(wǎng)吸取煤氣，其煤氣的吸入或吐出與管網(wǎng)的壓力有關(guān)。

煤氣柜的存儲(chǔ)量為

其中，0≤υ(t)≤Vmax

式中，V0為初始儲(chǔ)存量;qβ，高爐(t)為高爐煤氣的回收量;qα，i(t)為第i個(gè)高爐煤氣用戶的煤氣消耗量;m 為高爐煤氣用戶個(gè)數(shù);Vmax為煤氣柜的最大儲(chǔ)存量。當(dāng)高爐煤氣供應(yīng)大于消耗時(shí)，煤氣柜儲(chǔ)存煤氣;當(dāng)消耗大于供應(yīng)時(shí)，煤氣柜吐出煤氣補(bǔ)充到管網(wǎng)中。

圖1 高爐煤氣仿真系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.4 高爐煤氣動(dòng)態(tài)模型

根據(jù)上述分析和高爐煤氣平衡原理，可以得到高爐煤氣動(dòng)態(tài)平衡方程，表達(dá)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(tǒng)的設(shè)計(jì)

高爐煤氣仿真系統(tǒng)主要用于觀察高爐煤氣發(fā)生量和使用量隨時(shí)間變化的規(guī)律，以及某一時(shí)刻高爐煤氣的儲(chǔ)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(tǒng)主要分為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、高爐煤氣產(chǎn)生仿真、高爐煤氣消耗仿真、煤氣柜計(jì)算和結(jié)果處理5 個(gè)模塊。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊主要用來設(shè)置與物流相關(guān)的各種參數(shù)，如生產(chǎn)計(jì)劃相關(guān)內(nèi)容、各工序產(chǎn)量等。通過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊，高爐煤氣仿真系統(tǒng)與物流數(shù)據(jù)和生產(chǎn)建立聯(lián)系。煤氣產(chǎn)生仿真主要計(jì)算高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的回收量。煤氣消耗仿真主要計(jì)算高爐煤氣用戶的高爐煤氣消耗量。煤氣柜計(jì)算模塊對(duì)煤氣的存儲(chǔ)量及以余補(bǔ)欠功能進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算。結(jié)果處理模塊將仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，供進(jìn)一步分析和研究。

高爐煤氣系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

煤氣仿真系統(tǒng)在W indows XP操作系統(tǒng)上開發(fā)和運(yùn)行，開發(fā)環(huán)境采用Microsoft的Visual Studio.Net，開發(fā)語言為C#。

結(jié)論

煤氣作為高爐的附產(chǎn)品，其產(chǎn)生消耗都不是連續(xù)穩(wěn)定的，壓力和成分的變化會(huì)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(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅可表現(xiàn)煤氣某段時(shí)間的平衡情況，還可對(duì)高爐煤氣的瞬間動(dòng)態(tài)平衡情況進(jìn)行展現(xiàn)，可用來分析高爐及煤氣用戶生產(chǎn)發(fā)生變化對(duì)煤氣動(dòng)態(tài)平衡帶來的影響，為煤氣調(diào)度提供有效的分析手段和方法。

[1]李文兵，紀(jì)揚(yáng)，李華德.鋼鐵企業(yè)煤氣產(chǎn)生消耗動(dòng)態(tài)模型研究 [J].冶金自動(dòng)化，2008,32(3):28233.