高焦煤气混合加压站掺烧天然气的实践

刘 健，蓝仁雷

（马鞍山钢铁股份有限公司能源总厂，安徽马鞍山 243000）

1 引言

马钢新区煤气系统的结构相对简单，且大用户所占比重大，用户的生产负荷波动对系统的平衡影响较大。由于钢轧系统生产均衡性、计划准确性不强，易造成焦炉煤气供应紧张，制限C C P P、2250m m热轧煤气用量时有发生。2013年12月，1580m m热轧投产后，新区焦炉煤气平衡更加趋紧。随着新区钢轧生产线产能的释放、精加工产线的延伸，考虑引进战略性资源——天然气势在必行。

2 天然气市场现状

目前港华燃气公司供新区的天然气主管为D N 300，压力等级0.35M Pa，输送能力约12000 m3/h，规划供新区新建D N 350天然气主管，压力等级0.8M Pa，输送能力超过30000m3/h。现新区连铸切割使用天然气，平均耗量100m3/h，最大耗量1000m3/h，预计2014年8月投产的连铸火焰清理机也将使用天然气，最大耗量5580m3/h。港华与马钢的供气合同中规定，马钢需按周、月、年度分别申报计划用量，实际年度耗量超过年报量的±10%，需额外收费，但暂未执行，目前天然气购入价为3.2元/m3。

3 天然气的基本需求量、最大需求量

分别就新区2014年生产计划、中期生产规划编制煤气平衡表，以充分消耗自有资源为原则，根据平衡表中焦煤空缺量确定天然气的基本需求量，根据常见的生产不均衡造成的焦煤最大缺口量评估天然气最大需求量。

3.12014年生产计划

2014年预计新区钢、材产量均达到600万t，根据煤气平衡表新区正常生产时焦炉煤气的缺口约9000m3/h，可通过老区调配解决，天然气的基本需求为0。常见的短时生产波动为：三座转炉中只有一座转炉生产，人工合成转煤站需补气45000m3/h（高炉煤气30000m3/h，焦炉煤气15000m3/h）；同时2250m m热轧满负荷生产，混合煤气耗量由80000 m3/h增加到130000m3/h（高炉煤气增加30000 m3/h，焦炉煤气增加20000m3/h），新区焦炉煤气缺口约35000m3/h，其中气柜可补充10000m3/h，老区可增加送量5000m3/h，剩余20000m3/h的缺口需引入天然气来平衡。天然气的热值按37053k J/m3、焦炉煤气热值按15282k J/m3考虑，新区最大天然气需求量为8200m3/h。

3.2 中期规划

新区中期规划钢、材产量达到680万t/年时，根据煤气平衡表新区正常生产时焦炉煤气的缺口约18000m3/h，通过老区调配后，新区焦炉煤气仍然缺口8000m3/h，需补充天然气维持平衡。天然气的基本需求为3300m3/h。常见的短时生产不均衡为：只有一座转炉生产，人工合成站需补气51000m3/h（高炉煤气34000m3/h，焦炉煤气17000m3/h）；同时2250m m热轧满负荷生产，混合煤气耗量由95000m3/h增加到140000m3/h（高炉煤气增加27000m3/h，焦炉煤气增加18000m3/h）。新区焦炉煤气系统缺口约43000m3/h，气柜可补充10000m3/h，老区可增加送量5000m3/h，其中剩余28000m3/h的缺口需引入天然气来平衡。新区最大天然气需求量为11500m3/h。

随着新区钢轧产能的提升、产品加工线的延伸，焦炉煤气缺口将更大，新区天然气需求量、最大需求量都将增加。

4 天然气掺烧用户的选择

新区最大的三个焦炉煤气用户为2250m m热轧、1580m m热轧、C C P P机组，首先考虑的天然气掺烧对象应该是这三个用户。

第一掺烧用户应考虑2250m m热轧，原因一是对焦炉煤气的需求量最大，二是生产的波动性较大，三是混合加压工艺成熟。现场无人值守的混合站采用高、焦、天然气三种介质混合在宝钢有过成功的先例，新区2250m m热轧混合系统控制程序在设计时预留了天然气的端口，通过与四钢轧交流，只要煤气热值、压力保持现有参数，加热炉可以使用掺天然气的混合煤气。1580m m热轧由于已经考虑高焦转三种煤气混合，若再混入天然气，四种介质混合控制工艺复杂。C C P P机组掺烧天然气，能源总厂只能根据平衡下达相关指令，调整操作权在电厂，使得动态煤气平衡调整处于被动滞后状态。

5 天然气实施方案

5.1 天然气减压

实施方案工艺布置见图1。目前港华供新区天然气压力等级为0.35M Pa，减压阀1暂不投运，打开旁通即可（将来新区天然气总管压力等级提升至0.8M Pa时，减压阀1具有将0.8M Pa天然气减压至0.35M Pa的功能）。减压阀2将0.35M Pa天然气减压至20k Pa。主管调节阀将阀后压力稳定在目标压力设定值。减压阀1、2都具备直接将0.35或0.8 M Pa天然气减压至20k Pa的能力，但最高或最低流量有所影响，可作为设备故障下的应急措施。由于减压阀不能有效切断气源，在停止掺烧时，需关闭主管切断阀。天然气的压力等级远高于煤气管道的耐压能力，为防止混合站管系超压，设定安全阀。

图1 工艺布置图

5.2 混合方式

考虑到混合系统阀门调节的灵敏性及计量准确性，先采用大小管控制，再与高、焦炉煤气混合后加压送2250m m热轧。混合站在现有高煤/焦煤配比混合的基础上增加高煤/焦煤/天然气配比混合以及高煤/天然气配比混合功能，即具有三种运行模式：

Case1：高炉煤气+焦炉煤气

Case2：高炉煤气+焦炉煤气+天然气

Case3：高炉煤气+天然气

新区焦炉煤气基本平衡时，混合站选择Case1模式，即高煤、焦煤混合，以高煤稳定混合后压力，根据高煤/焦煤之间的比例设定，控制焦煤流量，维持混合煤气热值。当新区焦炉煤气平衡出现较大缺口，混合站考虑选择Case2模式，即高煤、焦煤、天然气混合。高炉煤气流量保证混合后压力稳定，焦煤、天然气按一定比例计算出的流量掺入，保证混合后热值稳定。极端情况下焦炉煤气非常紧张时，混合站可选择Case3模式，即高煤、天然气混合，仍以高煤稳定混合后压力，根据高煤/天然气之间的比例设定，控制天然气流量，维持混合煤气热值。

5.3 控制说明

5.3.1 混合方式的选择、切换和保压

为减少切换对混合煤气热值的扰动，三种混合方式之间的切换顺序为Case1→Case2→Case3→Case2→Case1，Case2始终作为过渡方式，不能跨越切换。

若处于Case1或Case2模式时，加压机全停则进入焦煤保压；若处于Case3模式时，加压机全停则进入高煤保压。考虑减压阀不能有效切断气源，无论焦煤保压、高煤保压，天然气主管切断阀需关闭，天然气大、小管切断阀保持不动。

5.3.2 天然气主管切断阀

控制模式分为“手动”和“自动”两种。在“自动”模式下，开阀条件为处于Case2或Case3，关阀条件为处于高煤保压或焦煤保压或处于Case1。

5.3.3 天然气主管调节阀

控制模式分为“手动”、“半自动”和“自动”三种。在“自动”模式下根据压力设定值对阀后压力进行自动调节。

5.3.4 天然气大管切断阀

控制模式分为“手动”和“自动”两种。在“自动”模式下根据混合方式、流量设定值开关阀门。

5.3.5 天然气小管切断阀

控制模式分为“手动”和“自动”两种。在“自动”模式下根据混合方式开关阀门。正常情况下，控制模式选择“手动”，保持全开，防止天然气主管切断阀关闭不严，造成天然气大小管压力超高。

5.3.6 天然气大小管调节阀

控制模式分为“手动”、“半自动”、“自动”和“比例”四种模式。在“自动”模式下根据流量设定值进行自动调节。在“比例”模式下则根据控制逻辑进行比例调节和大、小管切换（与C O G大小管调节阀切换逻辑类似）。

5.4 天然气混合站投运原则

天然气作为一种价高质优能源，只能作为能源平衡的补充措施。受供气合同及外部管网状况的影响，天然气不可能随时都满足生产的需求。每日需根据生产计划进行煤气平衡预测，在内部平衡调整措施到位后系统仍有缺口且持续时间较长，则适量投入天然气，保证焦炉煤气柜位不下降或下降速度较慢，实现用户煤气的连续供应，减少对其生产计划的干扰。设定天然气低流量报警，提醒运行人员用户煤气需求量已降低，通过核实、判断后，可将天然气退出运行。

5.5 混合煤气密度计算

天然气密度0.717k g/m3，高炉煤气密度1.363 k g/m3，焦炉煤气密度0.54k g/m3。混合站选择Case1模式时，混合煤气密度为1.034k g/m3；选择Case3模式时，混合煤气密度为1.260k g/m3；选择Case2模式时，混合煤气密度为1.034～1.260k g/m3。现有2250m m热轧煤气加压机输送介质的密度范围为1.0 k g/m3，可以满足不同混合模式的混合煤气升压需要。

6 结论

2250m m热轧天然气掺烧系统是在现有高煤、焦煤混合站的基础上，结合近年的控制思想、运行经验，建设的一个多种运行模式的混合站。以充分消耗自有资源、运行安全、经济节能为原则，实现现场无人值守、远程集中监控，有效地缓解1580m m热轧投运后新区焦炉煤气紧张的局面。