邓万里,李 霁,陈伟昌
(宝山钢铁股份有限公司能源环保部,上海 201900)
为响应国家钢铁行业超低排放管控要求和煤气源头脱硫指导性意见,宝钢拟对焦炉煤气(COG)总管进行精脱硫改造,确保使用混合煤气的热轧序列(包括厚板、钢管)加热炉SO2达到超低排放标准。对此,需要以合理的方案完成精脱硫系统与原焦炉煤气管网的主接口作业。
尽管论证确定了精脱硫的工艺方案和场地,但因为COG 是各混合煤气用户的主力燃料,若是接口作业导致热轧序列全面停产,将严重影响冷轧序列乃至前端铁钢生产组织,因此要确保将COG 主管网接口作业对生产影响最小。
将宝钢复杂的COG 管网图简化(图1),对煤气系统的特点分析如下:
图1 正常运行时的煤气管网示意及水封隔断状态
(1)一期COG 与三期COG 之间相对独立又互有联系[1],各冷轧单元串为整体,日常使用三期COG,在焦化区配以水封阀组的连通/隔断,优先向冷轧单元供应品质较优的COG;热轧序列(4 加压、9加压、2加压、7加压、10加压)日常经过W1、W2水封使用一期COG,精脱硫装置的出入口即设置于W1水封后。
(2)COG 发生量无法满足深加工的煤气需求,因此引入天然气(NG)补充热量,当COG 平衡紧缺时,可在4 加压(一热轧)、9 加压(厚板)、10 加压(三热轧)与高炉煤气(BFG)、转炉煤气(LDG)混合,部分或全部替代该煤气站所用COG。
(3)煤气管网的一些关键位置上设置的连通水封,可临时改变气流走向,如通过W4/W3、W6、W7的操作,可将三期COG 分别引向4 加压、7 加压、11加压,减少NG 的补充量;通过W5 的操作,可在2 加压年修时以1加压向混铁车等用户供应COG。
基于以上分析,主管道切断接口是可行的。原计划利用2021 年底的初轧和钢管年修安排2 加压停运,其它热轧序列单元进行煤气流路切换和NG补充,实施精脱硫主接口作业。作业期间,W1、W2、W3 封水并加堵盲板,COG 系统隔断状态将如图2所示。
图2 精脱硫接口期间的煤气管网示意及水封隔断状态
当作业方案准备就绪,上游天然气供应出现问题,只能支持一个热轧单元停用COG,公司生产物流难以维持。经研究,精脱硫接口推迟至2022 年3月进行,作业时间包括停复役、置换、堵抽盲板等限定在80 h。考虑到煤气平衡难度大,公司安排厚板停运、初轧转入保温,但要求确保钢管正常生产,从而基本不影响生产组织。因此,如何在缺少高热值煤气的情况下保证钢管(2 加压)用气,成为亟需解决的问题。
2加压于1985年建成投运,主要服务于初轧,钢管区域,是宝钢供气范围最广、控制较为复杂的煤气站。由于初轧及钢管使用的热值不同,零星用户又使用纯焦炉煤气,2 加压采用先加压后混合的工艺满足多用户需求[2]。主要设备组成包括:
(1)本管煤气混合装置。LDG通过DN550流量调节阀进入供2加压方向的BFG 主管道,采用“流量比例”方式进行控制,主煤气流量取自初轧、钢管煤气混合装置的BFG 流量之和,LDG 混入比例在20%~50%可调。
(2)煤气加压机。包括BFG 加压机45 km³/h(3用 1 备),将 BFG(含LDG)由 8 kPa 升压至 15 kPa,COG 加压机 30 km³/h(2 用 1 备),将 COG 由 6 kPa 升压至16 kPa。
(3)初轧煤气混合装置。升压后的COG 通过DN450 调节阀,升压后的 BFG 通过 DN900 调节阀,采用“压力~流量比例”方式进行混合控制,BFG 主导混合压力,COG 按流量比例混入,混合后为12 kPa、7 200 kJ/m3,用气高峰时流量50 km³/h。
(4)钢管煤气混合装置。COG 通过DN400 和DN300 调节阀,BFG 通过 DN800 和 DN500 调节阀,大小管对应匹配为“1系、2系”两套混合装置。采用“大小管~压力~流量比例”方式进行控制,BFG 主导混合压力,COG 按流量比例混入,混合后为12 kPa、10 000 kJ/m3,用气高峰时流量50 km³/h。
调节阀具有节流效应,钢管煤气混合装置的BFG 有效调节量≤40 km³/h,如果不能掺混高热值煤气,BFG的需量将显著超过管道设备流通能力。
3.2.1 1加压COG联网供气
路由上可以从1 加压通过DN700 连通管和W5向2 加压后的煤气混合装置联网供气G(如图2 所示),但两站之间管线长达4 km,流通量有限,连通管只在以下场景使用:1 加压(12 kPa)与1 座高炉和炼钢同步定修时,由2 加压(16 kPa)向其余高炉供气;2 加压与初轧和钢管同步年修时,由1 加压(12 kPa)向混铁车(降压至10 kPa)等用户供气。
钢管炉窑工况允许2加压混合煤气出站压力低至11 kPa。考虑到COG 混入BFG 需克服调节阀的缩径阻损,其压力不能低于12 kPa。COG 参混压力取决于1 加压出口压力和沿途压降ΔP。对ΔP按(1)式计算:
式中:ΔP——压力降,kPa;
α——局部阻损系数,取15%;
λ——气体与管道的摩擦系数,取0.03;
v——气体流速,m/s;
g——重力加速度,9.81m/s2;
l、d——管道长度、直径,m;
ρ、ρ0——标态下的煤气密度、含湿量,kg/m3;
KV——体积校正系数[4]。
为了尽量准确,要先计算DN700 连通管自连铸节点(参见图2)至2加压的压降,再按节点流量和管径继续向上游计算压降。计算结果如图3,由此可知,当起点的1 加压出口压力在15.3 kPa、末端的2加压COG 参混压力为10 kPa,连通管的最大流量约13 km³/h,扣除途中混铁车等零星用气,可有10 km³/h的COG供钢管使用。
图3 起点压力与连通管流量的关系
3.2.2 9加压倒流供NG
由于有煤气混合装置的存在,理论上只要压力参数和流向匹配、管道没有阻断,任一种煤气可以在庞大的煤气管网内流通抵达任一用气点。
9 加压采用先混和后加压的工艺,以BFG、COG、NG先混合,再加压后送往厚板,其中加压具备BFG+COG、BFG+NG、BFG+COG+NG三种模式[3]。
在COG 主管网接口作业期间,9 加压的加压站停运,只要阀门在手动模式下适当组合,压力较高的NG 就可以倒流入BFG 管道。这无疑是一种反常规甚至是冒险的做法,因为正常情况下煤气混合系统有严格的工艺保护,规定煤气的流向,防止煤气乱窜而影响主管网上的其它用户;但似乎也是可行的方案,因为BFG 会源源不断地被2 加压抽送到钢管方向,控制好流量,NG 并不会在大口径的BFG 管道中逆流流向上游的4加压。
9 加压的NG 通过煤气混合装置倒流入BFG 主管道混合时,混合点的BFG 没有流量检测,若是手动调节NG 流量,或是NG 按定流量控制,会导致钢管混合煤气热值波动。图4 模拟了COG 按20%比例混入,NG 按定流量控制下的混合煤气热值,随混合煤气流量变化产生不同的偏差,这种结果显然不利于钢管生产。
图4 不同NG流量的混合煤气热值
应当采取自动控制手段使混合煤气热值相对稳定,以2 加压检测的BFG 流量作为9 加压NG 混入的依据。经过反复试算,图5 给出钢管在给定热值11 300 kJ/m3、NG 和 COG 各按 20% 混入比时的流量变化范围:NG在4 km³/h~8 km³/h,COG在5 km³/h~10 km³/h,均处于流量调节阀可调范围内。计算表明,在合理的两次混合比例下,出站热值可以达到预设值。从这个角度来看,不推荐在两次混合之间再混入LDG,不仅是因为加大了控制复杂度,而且NG 流量因此减少,NG 流量调节阀会进入小流量的难控范围。
图5 不同混合煤气用量下NG和COG的混入量
3.2.3 混合煤气热值调整
上节所述对钢管给定热值11 300 kJ/m3,虽然较正常热值(10 000kJ/m3)有所提高,但降低了混合煤气需求量,可以使BFG 流量不超过40 km³/h,有助于避免出现BFG 在钢管煤气混合装置的流通瓶颈,使得流量和压力调节受控。
1 加压的联网供COG 量贡献给了钢管,初轧煤气混合装置没有COG 可用,这意味着初轧所用的混合煤气热值将由9 加压NG 一次混入BFG 时确定。通过计算,预计供给初轧的混合煤气热值最低在9 600 kJ/m3。
经过与用户沟通,以上热值调整得到了认可。
钢管/初轧煤气混合装置、9 加压各自采用西门子PLC(S7-400)控制,并通过能源中心计算机控制平台(EMS 系统,基于西门子Wincc 开发)进行上位集成控制。为了避免人工控制带来的热值偏差、保障钢管生产和初轧保温,在控制系统中临时搭建功能模块,以实现闭环控制,这也是保供钢管用气品质的重要环节。
控制功能模块如图6 所示,对煤气两次混合过程控制仍在各自PLC 的“FIC”回路完成。所需开展的工作是设计EMS 系统服务器热值计算、将热值信号通过服务器向9加压PLC传递、实现NG混入比例外设定等程序,基本路线如下:
图6 不同混合煤气用量下NG和COG的混入量
(1)计算钢管混合煤气热值。在EMS 系统的Wincc 服务器中建立内部临时变量——钢管混合煤气热值,脚本程序按(2)式作短周期计算:
式中:H钢——钢管混合煤气热值,kJ/m3;
HB、HC、HN——BFG、COG、NG 热 值 ,3 200、17 500、36 000 kJ/m3;
FB——钢管 1 系、2 系 BFG 合计流量,FB=FB1+FB2,km3/h;
FC——钢管 1 系、2 系 COG 合计流量,FC=FC1+FC2,km3/h;
FN——9 加压NG 大小管合计流量,FN=FN1+FN2,km3/h;
N钢——NG分配至钢管的比例,按(3)式计算。
式中:FB3——初轧BFG流量,km3/h。
(2)热值偏差报警。热值计算结果实时显示在EMS 系统的 2 加压与 9 加压监控画面中,按 11 300±1 000 kJ/m3设置热值正负偏差报警,便于必要时人工干预。
(3)改变介入9 加压NG 混入比例。9 加压PLC原本构建了煤气比例计算模块(FRC),自动根据目标热值和参混煤气热值计算出参混煤气比例。在PLC 中退出 FRC 模块,NG 的 FIC 回路接受临时热值计算模块给定的NG 参混比例a,a在EMS 操作画面可开放设定。
(4)BFG 流量修正。正常运行时,2加压的BFG中掺混了来自本管煤气混合装置的LDG,由于LDG密度(1.35 kg/m3)与BFG密度(1.38 kg/m3)相近,LDG混入比例的变化对BFG 的流量测量影响不大。但NG(0.74 kg/m3)掺混入 BFG 后,“BFG”密度降为1.25 kg/m(3按NG 占比20%),密度差将造成BFG 的流量测量产生偏差,需要以系数b补正。
不考虑湿度变化,根据GB/T 18215.1-2000《城镇人工煤气主管道流量测量差压式流量计》所附示值修正公式,对BFG 流量检测值需乘以密度比的倒数开方(1.35/1.25)1/2,即b=1.05,将此修正系数b在监控画面上开放设定。
经过充分的准备,焦炉煤气主管网接口于2022年3 月1 日至4 日实施。对于加压站包括煤气混合装置的操作全程由能源中心远程操作,大致步骤为:
(1)厚板停运,9加压进入BFG保压方式。
(2)将临时控制程序向 9 加压、2 加压 PLC 导入,设置NG 混入比例a=20%、BFG 流量修正系数b=1.05。
(3)手动将9 加压COG 调节阀、切断阀关闭;BFG调节阀、切断阀全开。
(4)初轧转入保温后,钢管以混合煤气热值11 300 kJ/m3为控制目标,实施9 加压、钢管、初轧煤气混合装置联调操作:①手动控制NG 大小管工况,逐步将NG 经BFG 大小管混入BFG 系统,在达到目标流量后将NG 调节阀切至自动控制;②手动逐步减少钢管混合装置COG 混入量至10 km3/h 以下,将COG比例设定为20%;③逐步停止初轧COG混入。
(5)提升1 加压出站压力至15.3 kPa,完成向2加压的COG供应。
(6)全面转入自动控制模式。
其它停复役和施工等现场作业略。
接口作业80 h 期间钢管煤气流量和热值情况如图7 所示:小时平均热值为11 316 kJ/m3,最高热值12 700 kJ/m3,最低热值9 721 kJ/m3。最低热值出现时,钢管混合煤气用量低至22 km3/h,应该是调节阀在低负荷下的控制精度不能确保所致。总体效果满意。
图7 接口作业期间钢管煤气流量和热值
本次焦炉煤气精脱硫与主管网的接口作业,由于要解决主煤气切断期间向钢管区域的保供问题,成为宝钢煤气系统技术难度最大的作业之一。项目团队通过严谨分析、周密计算,并得益于煤气加压和混合系统的灵活性、可靠性,以反常规的方案和操作完成了既定目标。