煤气混合加压设施设计

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煤气混合加压设施设计(design of gas mixer and／or booster facilities)
将不同的煤气混合加压或加压混合成符合用户要求的设施设计。

混合加压设施是冶金工厂煤气供应系统组成之一。

根据用户的供热要求，或使用混合煤气，或使用单种煤气(见流体燃料平衡输配设计)。

混合煤气通常以高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气为原料，通过混合装置配制而成。

不论使用何种煤气，均需视用户的压力要求，不设或经济合理地设置加压设施。

煤气混合加压设施的设计内容，主要有混合加压配置方式与选择，混合设施与混合煤气的配比计算；加压设施的选择与机房布置。

混合加压配置方式与选择要结合工厂气源压力，用户对煤气热值和压力的要求以及工厂煤气管网的布置统一确定。

一般有只混合、只加压、先混合后加压、先加压后混合四种配置方式。

(1)只混合。

混合后的煤气压力，无需加压即能满足用户要求。

通常在用户使用低压混合煤气或在输气管道不长时采用。

(2)只加压。

用户仅用单种煤气，但输到用户的煤气压力不足，必须增压。

一般是用户远离气源或对煤气压力有特殊要求时采用。

(3)先混合后加压。

只加压混合煤气，系统简单，投资省。

一般在混合煤气压力不能满足用户要求时采用。

(4)先加压后混合。

大型工厂有时需供几种不同热值的混合煤气，并兼供单种煤气，而这些煤气又必须加压时采用。

通常将其设施按集中布置设计。

其特点是设计的加压机类型和台数少，而供出的煤气热值和压力种类多。

同时，先加压可为调节装置提供足够的压差，有利于提高调节装置的灵敏度。

但当加压与混合不是集中布置时，管网投资增大。

对于中、小厂，设计时须尽量利用气源的原始压力，不加压或仅加压其中压力较低的一种煤气，后混合供给用户。

混合设施与混合煤气的配比计算
(1)混合装置。

主要由两根煤气引入管、混合器和一整套仪表、控制装置组成。

混合装置常用流量配比或热值指数调节系统。

流量配比调节以保持两种不同热值的煤气体积混合比不变作为控制参数，其混合装置有四蝶阀、三蝶阀和二蝶阀等几种形式；对建有干式煤气柜的工厂，管网压力较稳定，在系统中可不设压力调节蝶阀。

用这种系统配出的煤气，其热值波动值一般可控制在±418kJ／m3之内。

热值指数调节是在流量配比调节系统中加入了热值指数调节单元，使煤气燃烧特性易维持恒定。

热值指数也称华白指数(Wobbe index)，w=H/S 1/2。

H为煤气的高位热值，S为煤气的比重(以空气为1)。

热值指数是衡量燃烧装置热流量大小的特性指数。

用它可判别煤气的互换性和互换限度。

其允许范围一般控制在士5％以内。

热值指数计是在线连续测量仪表。

安装有热值指数计的调节系统，特别适用于原料煤气成分波动的场合，或掺混两种以上原料煤气的配制系统。

配出的煤气热值波动值，一般可控制在士209kJ／m3之内。

混合装置的允许压力降，一般控制在980～1960Pa之内。

对有条件的工厂，混合器的结构宜设计成引射器型；也可用30。

～45。

角度的管道汇交。

结构为旋流板式和折流板式的新型混合器已在设计中采用。

(2)混合煤气的配比计算。

混合装置一般须进行两种煤气的混合比计算和混合煤气热值的计算。

混合煤气热值按公式(1)或公式(2)计算。

式中Hn为混合煤气热值，kJ／m3；Hd为低热值煤气热值，kJ／m3；Hg为高热值煤气热值，kJ／m3；Vd为低热值煤气体积，m3；Vg为高热值煤气体积，m3；Qh为混合煤气总热量，kJ／h；Qd为低热值煤气分热量，kJ／h；Qg为高热值煤气分热量，kJ／h。

煤气的混合体积百分比按公式(3)和公式(4)计算。

式中X d为低热值煤气在混合煤气中的体积百分比；X g为高热值煤气在混合煤气中的体积百分比。

煤气的混合热量百分比按公式(5)和公式(6)计算。

式中y d为低热值煤气在混合煤气中的热量百分比；y g为高热值煤气在混合煤气中的热量百分比。

加压设施的选择与机房布置
(1)加压机选择。

冶金工厂常用离心式加压机。

单机容量的选择和机组的台数(包括备用台数)要合理配置。

同时还要考虑多台机组并车系数的影响。

加压机的工况点一般常选择在
较高的效率区内。

其出口压力，须满足用户的压力要求和克服输气管道及其附件的全部压力降。

当选用升压不同的加压机时，须进行综合方案比较。

为简化设备，通常尽量选配规格、型号和性能相同的加压机。

当设计条件与加压机产品的规格和性能(如煤气密度、流量或升压)不符时，需进行性能换算。

在升压允许波动值范围内，可适当改变加压机性能曲线上的额定工况点。

为适应用户投产初期和高峰用气负荷变化的需要，国内在加压机上已采用入口静叶可调技术；也可选用单机容量不同的机组，分期设置；或采用回流煤气冷却器等。

对容积式加压机，还可设计成调速型，以节约能耗。

(2)机房布置。

有户内式和露天式两种布置形式。

中国上海宝山钢铁总厂的煤气加压机都是露天式布置。

这种布置投资省，操作人员少。

户内式布置是把加压机布置在厂房内。

机组一般按单列式布置。

机组的布置和连接管道要合理配置，以利操作和检修。

为防止单机在喘震极限量下运转，出现“飞动”现象，在机组的进、出口总管之间，一般设计有大回流管和调节阀。

在加压机和管道的最低部位，须设计煤气冷凝水排出装置。

按机组的结构型式和大小，机房可设计成单层或两层。

加压设施一般还包括控制室、变配电室、通风机室和机修间等辅助间，其配置要求视工厂具
基金会现场总线控制系统在武钢煤气二混合站的应用
本文作者陈健生先生，武汉钢铁集团公司计控公司设备经理、高级工程师；张永清先生，工程师；袁庆平先生，高级工程师；肖汉发先生，工程师。

关键词：冶金控制系统基金会现场总线
一概要
武钢燃气厂煤气第二混合站把炼铁厂生产的高炉煤气(以下简称高煤)和焦化厂生产的焦炉煤气(以下简称焦煤)按用户对热值的要求进行配比混和，然后向大型、轧板、高线等十几个用户提供压力、热值稳定的混合煤气。

由于以前生产控制工艺本身存在缺陷，自混合站投运以来的十几年间均无法实现系统的全自动跟踪调节。

在武钢“二吹二”的系统工程中，由武钢计控公司自主设计、设备选型、编程调试以及施工的“二混”项目，选用了冶金自动化研究院提供的美国Smar公司生产的基金会现场总线控制系统System302，同时采用目前国内所独有的两阀控制方案实现了系统的自动调节与控制。

自投运以来系统运行稳定、调节品质较好。

二系统控制方案的由来
图1是改造前，二混的生产工艺流程以及控制原理示意图。

控制的目标是实现混压稳定，并能按用户对热值的要求通过焦煤和高煤的流量配比，实现热值自动控制。

以前的控制系统采用四阀控制方案。

前两道阀门采用单回路压力调节来调整混合前的压力稳定。

后道高煤阀也采用单回路压力调节以保证混合压力稳定，后道焦煤阀对焦煤和高煤的流量进行配比调节，实现对混合煤气热值的控制。

生产实践中，焦煤的混合前压力为20~24kPa，高煤为21~25kPa，而用户要求的混合压力则为20±1kPa。

但是由于管道中节流件、取压部件、大小头、管道以及阀门翻板的压力损失，使得管道中的这些沿程阻力和局部阻力之和较大，后两道阀门的阀前后可调压差不足1kPa。

而目前国内最好的蝶阀能满足
的可调比约为10:1，即使国外最好的蝶阀可调比可达到30:1，但采用四阀方案很难满足阀门对可调比的要求，在实际生产过程中，四阀控制方案也根本无法实现。

有鉴于此，为降低管道压力损失，从而实现自动控制，本计控公司大胆采用国内尚无任何成功经验的两阀控制方案，取消前两道压力调节阀，并选用环型节流孔板来降低节流件上的压力损失，以提高阀门前后的压差来实现系统的自动控制方案。

考虑到整个系统的安全以及FF现场总线在过程控制领域的优势，我们选用美国Smar公司的现场总线控制系统——System302。

三控制系统硬件配置
本系统由单操作站作为HMI(人机接口)，PCI卡作为操作站SCADA的接口。

考虑到煤气混合站的安全要求而选用了总线安全栅SB-302，同时为了便于总线的数字信号与普通模拟信号间的转换和采集，采用Smar公司的带有万能现场总线接口模块的PLC 产品LC-700。

总线采用的是适合热工过程自动化的H1低速总线，网络拓扑采用的是较为安全可靠的树型
结构，整个控制系统硬件配置如图2所示。

每个总线可挂4台安全栅，每个安全栅后可挂3~4台变送器或阀门定位器，较DCS系统节省70%电缆，这对于像控制室距现场远达2km的工程(如我公司四混、三混)确有明显
节省材料和施工费用的效益。

控制和计算功能分布在变送器和阀门定位器中，系统硬件简洁，没有仪表盘柜，少量硬件仅布置在操作台下，节省了控制室面积。

由于是总线系统，布线极少且简单。

四系统控制策略
系统控制策略如图3所示，图中虚线框是物理的现场总线设备，实线框是下装的软件功能块，设备间联线表示通过现场总线的通信。

这是一个压力、流量串级调节和热值配比调节系统，而且两者间要实现零耦合，互不影响。

这种控制完全分散的模式被称为“鸡脑神经”网络，是一种高可靠的自控模式。

目前国内像武钢这样的工况，每小时用量达5~10万立方米的大型混合站，尚无成功的两阀控制方案，宝钢采用的是四阀分层调节。

我们的控制方案关键在于首先通过热值配比在计算块中运算来避免流量的大幅波动，其次是采用了动态交叉
限幅输出选择模块，通过它来减小压力和流量调节中带来的相互间大的干扰，避免系统出现振荡。

控制策略是实现系统自动控制的基础，同时它要保证把调节输出信号间的干扰减小到最小，然后是通过参数的整定来避免调节信号间的耦合，使自动调节达到较好的品质。

五工程调试中的问题和解决方法
1. 系统的互可操作
工程中实现了FF现场总线下System302与Fisher阀门定位器的互可操作。

由于工程设计者选用了支持基金会总线协议的Fisher数字阀门定位器，这样就存在一个System302与
Fisher阀门定位器之间互可操作的问题。

互可操作是现场总线技术的重要特点之一。

它包括两方面的的含义：(1)设备的可互换性，指对于具有同一功能但来自不同厂家的设备可以实现互换；(2)设备的可互操作性，指不同厂家的设备可以实现互相通信，正确理解和交换数据的含义，完成系统所要求的功能。

FF 现场总线实现互可操作性有两大关键技术：功能块和设备描述(DD)。

完成互可操作的具体步骤如下：
(1)安装DD(设备描述文件)
由现场总线基金会定义的设备描述的路径结构如下：
.../xxxxx/yyy/rrddvv.eee
其中：.../是主机系统所执行的访问DD结构的路径；
xxxxx是由现场总线基金会所确定的制造商识别号；
yyy是制造商定义的设备型号；
rr是制造商定义的设备版本号；
dd是由制造商确定的其设备所用设备描述(DD)的版本号；
vv是由制造商确定的其设备所用设备描述(DD)或通用文件(CFF)版本号；
eee是文件的的扩展名。

把Fisher的DD 拷贝到系统路径下即可。

(2)完成系统配置
在070101.cff中加入：
MaximumNumber of linkage objects=50
MaximumNumber of linkage objects=2
在Standard.ini中加入:
005100 fisher
[005100 device by code ]:fisher device types
5400=DVC.5000f
005100 5400 07 01 80020310=RES
005100 5400 07 01 80020530=TRD
005100 5400 07 01 800201F0=AO
005100 5400 07 01 800202B0=PID
做完以上的工作，经过对功能块间的数值传递测试和功能测试，就基本完成了Fisher
阀门与Smar控制系统的互可操作。

2. 提高了系统的数据响应时间
系统共有设备16台，挂在两条总线上。

调试中发现，理论上一条总线最多可挂16台设备，但在实际中，由于策略复杂或总线上链接通信多，都可能导致系统数据响应较慢的问题。

系统组态软件SYSCON可显示总线扫描的宏周期(Macro-cycle)，即所有功能块和链接通信执行一次的时间，以500ms以下为宜。

实际中使用了两条总线，把相互关联的设备置于同一条总线下，其中一条总线挂12台设备，另一条挂5台设备。

若干个宏周期构成一个监控周期即所有和操作站交换的信息执行一次，需要3~5s，完全满足了生产的要求。

(经试验，如16台设备同挂在一条总线下，由于控制策略复杂，在操作站修改一个现场数据大约长达30s才能完成，显然太慢。

)
3. 系统参数的整定
系统投运开始阶段，出现了阀门无法稳定，有大约10%的来回波动，自动投运时系统稳定性差，准确性不好的问题。

经分析发现造成问题的原因为：(1)阀门本身的PID与系统PID作用迭加后造成了阀门的振荡；(2)流量的滤波时间较短，是系统的稳定性差的一个原因；(3)流量和压力之间有一定的耦合使得系统振荡；(4)用户不稳定，系统的扰动大；(5)加压机的出口压力变化较大，即阀前压力波动大。

针对这些问题，从系统的角度综合考虑稳定性、准确性、快速性来整定系统的参数，做了以下的工作：(1)把阀门本身的PID整定至最佳，力求稳定不振荡，适当放弃快速性；(2)尽可能加长流量的滤波时间，以求得系统的稳定；(3)压力调节回路和流量配比调节回路的PID参数整定应考虑被调对象的流程时间，通过整定时间常数来实现调节作用间的零耦合。

通过这样一番整定，系统取得了非常好的效果。

混压稳定在设定值的±0.3kPa，流量配比误差为±500m3。

六基金会现场总线技术的优越性
现场总线技术促使现场设备向数字化、智能化、网络化发展，数字化和开放性是各种现场总线的基本特点。

而现场设备的智能化，现场设备丰富的信息则是FF现场总线技术对比DCS/PLC的远程I/O及其他类型现场总线的突出优势。

而这些优点又可通过“功能块参数”来理解。

FF现场总线的几十个功能块可分为3类(如表所示)。

每个功能块有几十个参数，所谓丰富的现场设备信息均在其中。

按用途又可把功能块参数分成系统用，过程变量、标定调整用，诊断报警、管理记录用，于是在DCS概念的操作站和工程师站的原有功能上又增加了对现场设备管理的功能。

基金会现场总线过程变量参数由“数值”和“状态”两部分构成，其状态表达数值是：“好”、“坏”、“不确定”和“未使用”；如果是坏，则系统不予采用该数值并采取措施，如自动转手动、报警等。

而且每种状态还细分为若干子状态，如传感器故障、超越量程、通信错误、组态错误等。

这事实上是将系统置于连续的自诊断状态下，将减少停车检查时间和维护量，提高系
统可靠性。

又如阀门定位器的功能块参数中包括了实际阀位，在操作站上很容易同时看到设定和实际阀位，而在DCS系统则要增加一根电缆和一个I/O点才行。

阀门定位器的功能块参数中还包括了阀位小闭环的调节参数(P，I)，这样在操作站上就
可以将阀门本身品质调好。

阀门定位器的功能块参数中还包括特性选择、自动标定等，这给系统调试和运行带来很
大方便。

电容式压力变送器中传感器的电容值是判断传感器是否损坏最直接的证据，本系统所使用的现场总线电容式压力变送器LD302的电容值就可以显示到操作站上，这对现场设备诊断非常方便。

到目前为止，我们只使用了功能块参数中的一小部分，通过对它们的深入理解和发掘，其优越性的发挥还有很大潜力。

现场总线自动读取设备，不必像DCS系统那样一根根校对现场电缆。

只要在操作站上读到的设备即为通信正常，仅需检查那些没有读到的设备就行了，节省了大量的校线工作。

我们感到节省电缆只是现场总线直观的优点，而丰富的信息给管理维护带来的优越性却是它本质的且往往是DCS所不具备的优点。

当然现场总线作为一项新技术目前也存在一些制约因数，如H1(低速总线)层的不冗余；HSE(100M带宽高速总线)产品尚未成型；现场的逻辑控制尚不能实现本安；总线产品的互可操作的使用尚有一些难度等。

七系统展望
目前，二混工程已经成功投运。

对总线技术的应用已具备了一定的基础，在以后的技改中可以考虑对它的推广应用。

现场总线控制系统是由许多带控制功能的设备垒砌而成，具有易扩展性，系统规模变化通常只是设备数量的变化，在小系统上被证明的技术可以简单地推论到大系统上，而且系统越大，其优越性和效益将越突出。

除了应用外，我们考虑到本公司的人才优势，将做一些现场总线软硬件产品的研发工作，在发展新技术自主知识产权的工作中，作出我们应有的贡献。

UMC800 控制器在煤气混压站中的应用
陈兴莉
陈兴莉女士，新钢钒股份有限公司攀钢动力厂燃气车间助理工程师。

关键词：UMC 控制器解耦串级调节前馈补偿滞后 Smith 预估补偿器
攀钢烂枣马煤气加压站将高炉煤气(BFG)与焦炉煤气(CFG)按一定比例混和
后，经加压机加压送至攀钢东部片区用户。

由于生产线工况不稳而造成用量大幅度频繁波动，同时由于气源管网方面状况较差，高炉煤气压力波动范围3～10kPa，焦炉煤气压力波动范围1.5～6.5kPa，仅靠仪表调节产生震荡，无法通过人工调节。

经常出现长时间低压，造成混压困难，甚至造成高炉煤气蝶阀关闭、机前负压的险兆。

本文介绍一种小型DCS 控制器在混合煤气热值控制系统中的应用，解决了混合煤气热值控制的难题，在使用过程中取得了较好效果。

控制系统工艺流程(如图1)：高炉煤气经头道翻板阀调节高煤支管压力，高煤
二道翻板阀调节混和煤气压力(机前压力)，焦炉煤气头道翻板阀调节焦煤支管压力，焦煤二道翻板阀调节焦煤支管流量，进行高/焦煤气的配比及热值串级控制。

一控制系统组成
控制系统如图2，采用Honeywell UMC800 控制器作为下位机，上位机为研
华工控机，两者通过RS-232(UMC800 组态程序Download/Upload)和RS-485(数据通信)串口相连接。

UMC800 是小型模块化DCS 控制器，具有丰富模拟和数字控制算法，可完成
数据采集和PID 控制等功能，控制组态软件是LeaderLine Control Builder。

上位
机对工艺过程进行监视和控制，监控软件为美国TA 公司AIMAX V4.2 软件。

打
印机用于打印参数报表、报警清单等。

由于控制系统是一个连续工作系统，为保证系统运行可靠性，在UMC800 控
制器输出端增加后备手动操作单元(KMM 调节器)，当UMC800 控制器故障时，
可自动切换到后备手动操作单元进行调节。

二热值检测滞后问题
混合煤气热值是用气体热值指数仪进行检测，它将一定量混合煤气，先经过
洗涤净化，冷却除去杂质，在燃烧室中与一定量空气混合后燃烧，通过测量燃烧室进出口温差，用微机进行数据运算和处理，最后测量出混合煤气热值。

从热值指数仪工作原理可看出，混合煤气热值测量存在严重滞后，应对此进
行补偿，否则调节系统将出现很大超调，热值波动很大，控制系统动态品质极差。

对于纯滞后系统，一般采用Smith 预估补偿法进行补偿，其原理如图3。

虚框内为Smith 预估补偿器Gk(s)，Gc(s)为调节器的传递函数，Go(s)为广义
对象的传递函数，近似为一阶惯性环节
补偿前系统闭环传递函数为：
采用Smith 预估补偿器补偿后系统闭环传递函数为：
则系统闭环传递函数为：
可见，经补偿后，系统闭环特征方程中已不含e-ts 项，可完全消除滞后对系
统动态性能影响。

补偿器G k(s)的算法在UMC800 控制器中调用相应标准控制算法即可实现。

参数K、T0、τ为经验值，在调试过程中反复试凑，最后得到K=2，T0=1.5s，τ=20s。

从理论上说，采用Smith 补偿器补偿后系统动态品质能得到显著提高。

但该
方法对广义对象动态特性(传递函数)精确度要求较高，即须保证广义对象传递函数
T 1
K
oS +
的准确，而广义对象数学模型又难以准确获得，因此直接应用效果并不
佳。

本控制系统核心是使混合煤气热值稳定，减小波动。

为此采用热值串级调节
和BFG/CFG 流量配比调节相结合的调节方式，如图4。

热值调节器输出作为焦炉煤气流量调节器设定值，副环(流量调节)起“粗调”作用，克服副环内扰动，主环(热值调节)起“细调”作用，最终使混合煤气热值稳定。

由于热值检测的滞后，如直接将主环(热值调节)输出作为副环(流量调节)的设定，系统超调将会很大，造
成调节阀频繁动作，混合煤气热值波动很大，系统调节品质不佳。

因BFG 流量可检测，所以在热值调节器与流量调节器间增加一个加法器A，
将BFG 流量乘配比系数(Ratio)，即CFG 流量配比给定值乘系数(80%)后的值F1，与热值调节器输出值乘系数(20%)后的值H0 相加，得到F r，作为CFG 流量调节
器的设定值(即F r=F1+H0)，这样可减少调节阀的频繁动作，系统控制品质提高了，混合煤气热值更加稳定。

三结语
混合煤气热值控制系统采用小型DCS 控制器进行自动控制，比采用常规仪表
进行控制，操作更方便、直观，减小操作工人劳动强度，当DCS 控制器出现故障时，系统能自动切换到后备手动操作状态进行调节。

同时，运用UMC800 控制器内的标准控制算法，对系统存在的耦合现象进行静态解耦，对热值检测滞后进行动态补偿，消除它们对控制的不利影响，使整个控制系统的静态性能和动态品质都得到改善，高炉煤气和焦炉煤气本管压力、流量波动减小。

通过热值串级/配比
调节，混合煤气热值稳定，波动较小( 50kcal)。

系统自2000 年8 月投运以来，运
行可靠，达到预期控制效果。

（全文完）
来源：《世界仪表与自动化》
出版日期：2004 年9 月__。