胡慧佳 HU Hui-jia

（安徽工業(yè)大學(xué)，馬鞍山 243032）

0 引言

高爐煤氣的智能管控是鋼鐵工業(yè)智慧能源管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。 高爐煤氣輸送管網(wǎng)構(gòu)成了一個(gè)龐大且復(fù)雜的體系，其中各個(gè)環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)并制約著彼此[2]。探究高爐煤氣管網(wǎng)模型對(duì)鋼鐵工業(yè)煤氣智能管控的迫切需求具有重要意義。當(dāng)前，鋼鐵行業(yè)中的煤氣調(diào)度主要依賴(lài)于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度人員實(shí)時(shí)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推測(cè)系統(tǒng)演變狀況以制定調(diào)度方案，這種調(diào)度模式很難精確獲取調(diào)度的最優(yōu)量值[3]。而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，往往多個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量和壓力同時(shí)發(fā)生變化[4]。使得經(jīng)驗(yàn)型的煤氣調(diào)度方式更難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作[5]。當(dāng)煤氣流量或管網(wǎng)壓力超出設(shè)定的范圍時(shí)，依托煤氣管網(wǎng)模型就可以精準(zhǔn)、快速地得到高爐煤氣系統(tǒng)的最佳調(diào)度策略。使煤氣管網(wǎng)快速恢復(fù)安全運(yùn)行狀態(tài)。因此有必要依據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)中各管段和節(jié)點(diǎn)的流量和壓力變化制定明確的調(diào)度方案。高爐煤氣管網(wǎng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣源和用戶(hù)狀態(tài)變化速度快[6]，其調(diào)度的實(shí)時(shí)性要求較高。目前，大部分研究所建立的水力模型計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，響應(yīng)速度慢[7]，不適合在線分析與策略制定[8]。另外，現(xiàn)有研究大多僅根據(jù)管網(wǎng)流量變化趨勢(shì)作粗略調(diào)度分析，調(diào)度效果不理想。

本研究案例中的工廠沒(méi)有高爐煤氣柜，高爐產(chǎn)生的煤氣直接進(jìn)入煤氣管網(wǎng)，管網(wǎng)壓力波動(dòng)較大。工廠對(duì)于管道內(nèi)部壓強(qiáng)的設(shè)定范圍為8-20kPa。這是因?yàn)?，管道?nèi)高爐煤氣壓強(qiáng)低于8kPa 時(shí)會(huì)影響高爐煤氣的運(yùn)輸效率，而超過(guò)20kPa 的壓強(qiáng)則存在安全隱患，需要通過(guò)打開(kāi)放散塔或者調(diào)整煤氣用戶(hù)用量來(lái)釋放高爐煤氣以降低壓力。 目前，工廠的工人通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和觀察管網(wǎng)壓力趨勢(shì)來(lái)手動(dòng)調(diào)整高爐煤氣用戶(hù)的流量使得管網(wǎng)內(nèi)的壓強(qiáng)滿(mǎn)足壓力限制。然而單純靠經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的調(diào)整，不準(zhǔn)確，不及時(shí)。會(huì)對(duì)后續(xù)生產(chǎn)中煤氣分配產(chǎn)生一定的影響。

因此，本研究通過(guò)TGNET 軟件，建立高爐煤氣管網(wǎng)模型，來(lái)實(shí)現(xiàn)高爐煤氣管網(wǎng)壓力模擬，使得煤氣分配更加合理準(zhǔn)確。

1 TGNET 簡(jiǎn)介

TGNET 軟件是由英國(guó)ESI 能源集團(tuán)開(kāi)發(fā)的業(yè)界領(lǐng)先Pipeline Studio 軟件，具備對(duì)輸氣管道單相流進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬的能力。此軟件在管道規(guī)劃設(shè)計(jì)、管徑選擇、末段儲(chǔ)氣分析及調(diào)峰分析等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。該軟件可模擬單一管道輸送模型，同時(shí)亦可模擬涵蓋多個(gè)氣源、用戶(hù)以及其他影響管網(wǎng)操作和運(yùn)行參數(shù)的設(shè)備、閥門(mén)等區(qū)域性集輸系統(tǒng)。

2 模擬過(guò)程

2.1 管網(wǎng)模型的建立

本研究以工廠提供的圖紙和數(shù)據(jù)為依據(jù)，按照1∶1 的比例構(gòu)建高爐煤氣管網(wǎng)模型。在此模型中，我們將1#、2#、3#、4#和5#高爐設(shè)為氣源，將解凍庫(kù)、熱風(fēng)爐、鍋爐、放散、燒結(jié)機(jī)等25 個(gè)煤氣用戶(hù)設(shè)為輸氣站，并將加壓站設(shè)為壓縮機(jī)。所建立的模型如圖1 所示，展現(xiàn)了煤氣管網(wǎng)的整體布局。

圖1 高爐煤氣TGNET 建模

2.2 參數(shù)輸入

設(shè)置管段型號(hào)、長(zhǎng)度、內(nèi)徑及壁厚等條件后，特別注意Knot space 步長(zhǎng)的設(shè)置，模型較小或精度要求較高時(shí)可以使用較小的步長(zhǎng)，模型很大時(shí)需要使用較大的步長(zhǎng)。本次案例的步長(zhǎng)設(shè)定為1。輸入?yún)?shù)時(shí)，軟件使用理想化的約束邏輯控制模擬器的運(yùn)行，并允許為外部調(diào)節(jié)器或設(shè)備指定壓力或流量范圍，即約束條件，同一個(gè)設(shè)備可以指定多個(gè)約束條件和一個(gè)設(shè)定值。本文案例模型設(shè)定的約束條件為最大壓力、最小壓力，設(shè)定值為最大流量。

氣源數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 氣源數(shù)據(jù)設(shè)置

此外，我們采用了BWRS 狀態(tài)方程來(lái)構(gòu)建高爐煤氣模型，并將這種氣體命名為BFG。根據(jù)工廠提供的數(shù)據(jù)，BFG 中各成分的占比分別為：二氧化碳占18.72%，氮?dú)庹?3.27%，氫氣占2.51%，一氧化碳占25.5%。氣體方程采用Colebrook 方程，大氣溫度為20℃。

2.3 運(yùn)行模擬

本研究針對(duì)低壓、中壓和高壓狀態(tài)下的十組管道壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了一小時(shí)的模擬。結(jié)果顯示，三組模擬的平均精度分別為92.1%、97.2%和92.5%。這三組模擬的精度都超過(guò)了92%，表明TGNET 軟件模擬效果較高，可作為高爐煤氣調(diào)度策略的有效依據(jù)。圖2 展示了其中一組模擬情況的實(shí)例。

圖2 模擬結(jié)果與實(shí)際對(duì)比圖

對(duì)于管道內(nèi)壓力過(guò)高或過(guò)低的狀況，通常通過(guò)調(diào)整煤氣用戶(hù)用量以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的調(diào)節(jié)。由于調(diào)整生產(chǎn)用戶(hù)煤氣用量可能影響工廠的正常生產(chǎn)計(jì)劃，因此，一般情況下，優(yōu)先調(diào)整非生產(chǎn)用戶(hù)。在本研究案例中，工廠選擇調(diào)整鍋爐的煤氣用量以調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力。當(dāng)管網(wǎng)壓力保持穩(wěn)定時(shí)，340t 鍋爐和130t 鍋爐的平均流量分別為150000m3/h 和40000m3/h，最大流量分別為240000m3/h 和100000m3/h ，75t 鍋爐在正常生產(chǎn)過(guò)程中不啟動(dòng)，最大流量為40000m3/h。針對(duì)鍋爐使用高爐煤氣流量的調(diào)整，進(jìn)一步展開(kāi)如下實(shí)驗(yàn)：

當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到上限20kPa 時(shí)，調(diào)整340t 鍋爐、130t鍋爐、75t 鍋爐的流量，模擬壓力變化情況。模擬結(jié)果如圖3-圖6 所示。

圖3 340t 鍋爐流量變化時(shí)管網(wǎng)壓力變化

圖4 130t 鍋爐流量變化時(shí)管網(wǎng)壓力變化

圖5 75t 鍋爐流量變化時(shí)管網(wǎng)壓力變化

圖6 75t+130t 鍋爐流量變化時(shí)管網(wǎng)壓力變化

由圖分析來(lái)看，將340t 鍋爐的流量調(diào)整至21000m3/h，以及將130t 鍋爐的流量調(diào)整至10000m3/h，可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的降低至13Kpa 以下。然而，僅將75t 鍋爐調(diào)整至最大流量40000m3/h 時(shí)，管網(wǎng)壓力仍處于較高狀態(tài)，因此，單獨(dú)調(diào)整75t 鍋爐無(wú)法有效降低管網(wǎng)壓力。相反，同時(shí)調(diào)整75t 鍋爐和340t 鍋爐可以使得管網(wǎng)壓力迅速降至平穩(wěn)狀態(tài)。在工廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)固定用戶(hù)的煤氣消耗量減少，或者高爐出現(xiàn)休風(fēng)等現(xiàn)象，管網(wǎng)壓力可能超出預(yù)定范圍。通過(guò)單獨(dú)調(diào)節(jié)340t 鍋爐、130t 鍋爐，或同時(shí)調(diào)整75t 鍋爐、130t 鍋爐，可以確保管網(wǎng)壓力在正常運(yùn)行范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

①通過(guò)分析高爐煤氣管網(wǎng)中各設(shè)備的運(yùn)行特性，綜合考慮流量與壓力的相互作用，建立了高爐煤氣TGNET 管網(wǎng)模型。模擬結(jié)果表明，壓力相對(duì)誤差＜10%。這一結(jié)果為工廠員工在調(diào)整煤氣用戶(hù)流量時(shí)提供了有力的支持，使他們不再僅依靠經(jīng)驗(yàn)判斷。②在高壓情況下通過(guò)調(diào)整三個(gè)鍋爐的高爐煤氣使用量，觀察管網(wǎng)壓力變化情況可得單獨(dú)調(diào)整340t 鍋爐、130t 鍋爐流量，使得管網(wǎng)壓力降至平穩(wěn)狀態(tài)。調(diào)整75t 鍋爐流量至最大流量還是沒(méi)法使得管網(wǎng)壓力降至較低狀態(tài)。同時(shí)調(diào)整75t 鍋爐和130t 鍋爐可以快速恢復(fù)壓力到合理范圍。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)鍋爐流量的調(diào)整策略，有助于在高壓力條件下使管網(wǎng)壓力恢復(fù)至允許范圍。工廠可結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)狀況，制定更為合理的調(diào)整策略。