宋中华
摘要:对于中小型冶金企业，混合煤气热值波动的问题一般是难以避免的，而这种波动通常是由于混合比的波动所引起的。准确确定用户处(如加热炉前)的煤气热值，进而确定煤气燃烧的理论空气需要量，是实现最佳燃烧控制的基本条件之一。所以，实现用户处煤气热值的动态实时跟踪，是十分重要的。
在深入分析钢铁企业煤气管网特点的基础上，提出了混合、输送、分流、混合储存和出流等五个基本环节的概念，以及与各个环节相应的混合煤气热值的基本算法。上述的概念与算法可作为“混合煤气热值的动态算法”的基础。而任何复杂的煤气系统均可由这五类环节的组合来描述。
对混合煤气热值与理论空气需要量之间的关系进行分析，论证了煤气热值动态算法的可行性。在对动态算法进行了较系统研究的基础上，对单用户和多用户系统进行了仿真，以考验本算法在煤气热值各种典型波动下的决策能力。
本研究提出的方法以计算为主，在几何条件确定之后，其输入只包括各种相关的流量信息，而这些信息均属于正常计量所必备的。所以，本方法对硬件投资没有额外要求。该方法能够在线实时地推算出各用户处的混合煤气热值和燃烧理论空气需要量，进而调节空燃比，实现最佳燃烧控制。即使在配置了热值仪的系统，本文的方法也有实用意义。
对算法系统的启动和标定所进行的研究，将有助于提高本算法精度和应对实际运行问题的能力。
本文最后研究了煤气流量检测中的温度、压力和密度的综合补偿，并着重研究了由于混合比变化时的密度补偿，这对于提高检测精度是有益的。
关键词：混合煤气热值，理论空气需要量，动态实时算法，燃烧控制
Abstract:The fluctuation of mixed．gas caloric Value．which iS aroused by the mixing—ratio fluctuation,is generally inevitable in mediuln．sized or small iron and steel enterprises．It is one ofthe basic conditions for也e realization of optimum combustion controlling to determine exactly mixed．gas caloriC value ofconsumers(such as reheating famace)and consequently determine血eoretlcai air requirement．So it iS very important to realize dynamic，real-time track to mixed-gas caloric value．
On the basis of in．depth analysis of gas conduit nets in iron and steel enterprises。the coneepts of five basic taches—mixing transporting，diffluence，mixing—deposit and come．out as well as basic corresponding calculating method are Put forward the concepts and corresponding calculating methods narrated above carl be the foundation of‘dynamic caiculating method of mixed．gas caloric Value’and any complicated gas system Can be described by the combination ofthe five taches．
The article analyses the relationship of caloric value and theoretical air
requirement of mixed-gas，demonstrates the feasibility of dynamic method of gas ealode ValDe，studies the dynamic method systematically,makes simulation on single user and multi．user respectively to test decision-making ability of this method under varieties oftypical fluctuations．
nle talculating method put forward in this Paper is based on calculation and after geometrieal condition is determined．the input only ineludes a little information related to flow rate which iS iust the preparation for normai measul'e．So there is no extra requirement on hardware investment．The method is able to calculate reai—time caloric value and theoretical air requiremeut of mixed gas on line，consequently regulates air／fuel ratio to realize optimal combustion controlling．Even if equipped with ealoric value instrument．the calculating method has itS practical significance．
The study of the start-up and calibmtion of the calculating method system will help to improve precision of this calculating method and ability to solve practical problems．
In the last part，the general compensation of gas temperature，pressure and
density iS introduced in which the focus is the compensation of density change caused by mixed ratio，which is beneficial to the inhere ofmeasuring precision．
Key words：mixed—gas caloric value，theoretical air requirement，dynamic real—time calculating method，combustion controlling
钢铁企业在日常生产中会产生大量的副产煤气，其中主要有高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气[1-2]，在冶金工业发展的初期，这些副产煤气并未得到充分利用，只好大量放散，这不仅造成能源的巨大浪费，而且严重污染环境。后来人们逐渐认识到副产煤气的重要性，并广泛加以利用。现在，冶金企业大多数加热设备都燃用副产煤气[1]。从表1—1和表1-2[2]可以看出，燃用单一煤气有很多缺点，所以除了一些煤气用户(如高炉热风炉、锅炉和焦炉等用户燃用高炉煤气，烧结机等用户燃用焦炉煤气)燃用单一煤气外，大部分用户(如锻压、热带、中型等轧钢车问)都燃用混合煤气。这不但能解决焦炉煤气不足和高炉煤气过剩的问题【2】，而且可使厂内较多的燃烧器的燃气热值在设计热值的范围内，从而使煤气利用更趋合理。作为轧钢加热设备的连续加热炉一般也燃用混合煤气。
连续加热炉在轧钢生产中占有十分重要的地位，它的任务是按轧机节奏将钢坯加热到工艺要求的温度水平，并且在保证优质高产的前提下，达到最佳燃烧控制(合理的空燃LL)以降低煤气消耗，减少氧化烧损【4】。
所谓空燃比就是进入炉内的空气流量与煤气流量之比【4】，即
式中，n为空气消耗系数：L。为煤气燃烧的理论空气需要量，m3-m-3,Fair为空气流量，m3-h-1；鬼为煤气流量，m3,h-1。
从式(1—1)可以看出，影响空燃比的因素有两个，即煤气的理论空气需要量岛和空气消耗系数n，Lo由煤气的化学成分决定，当煤气的化学成分变化时，煤气的热值和理论空气需要量也会随之发生变化：，z值是在设计炉子或燃烧装置时根据需要预先选取的【4】，"选小了，会造成不完全燃烧，使炉子温度下降，单位能耗升高：n选大了，会增加氧化烧损和降低燃烧温度，还会造成设备和动力的浪费。通常对于要求煤气能够完全燃烧的炉子，门值可按表1—3选取。对于要求不完全燃烧的炉子，n值则根据加热工艺的要求选定。炉内实际的空气消耗系数～般不按式(1—1)直接计算，因为即使空气管道上装有流量测量装置，但是，有的炉子在烧嘴处还要卷吸空气，炉门也可能吸入，空气管路系统则可能漏风，因此，厶是难以测准的。所以通常应该实测废气成分，然后按废气成分来计算和控制空气消耗系数[5]。
煤气化学成分的变化使煤气热值和理论空气需要量发生变化，而现有的加热炉燃烧控制中一般都根据需要预先选用一个L。值[4]，当煤气热值增大时，即理论空气需要量Lo增大，造成炉内煤气燃烧的实际空气供给量偏低，致使炉尾冒黑烟，不完全燃烧化学热损失增大；煤气热值减小时，理论空气需要量Lo减小，致使炉内煤气燃烧的实际空气供给量偏高，氧化烧损增多，废气带走的物理热也增大。
当热值波动时，如果不能正确选择Lo将影响炉内气氛，以武钢股份公司冷轧厂冷轧镀锌预热炉为例，该炉在固定空、煤气体积流量的燃烧控制方式下，就无法补偿煤气热值波动所引起的炉内煤气燃烧实际空气供给量的波动，预热炉内的还原性气氛难以得到保证，造成带钢表面氧化及锌层附着力下降，产生露钢现象，出现废品。为了弥补煤气热值波动对镀锌预热炉炉内还原性气氛的影响，不得不将空气消耗系数从原设计的0．97降为0．94(国外一般为0．98，先进的企业达到0．99)。即使这样，由于煤气热值波动范围过大，炉内的还原性气氛还是难以得到保证[6]。此外，煤气热值的波动还直接影响炉温的高低，炉温[4-5]可由式(1-2)估算。
式中T炉为炉温，℃；T理为理论燃烧温度，℃；．η为炉温系数。
各种炉子的炉温系数不同，～般波动于0．65～0．85之间，要根据经验确定。这样一来，当确定了理论燃烧温度之后，便可根据该种炉子的炉温系数，估计实际可能达到的炉温【4】。由燃料燃烧理论计算可知，煤气热值对t理的影响较大，在一定的空气消耗系数下，随着煤气热值的增大，t理增大，炉温系数η的大小与许多因素有关，如炉子结构、容积热强度、烧嘴结构等[4]。在其他因素不变的条件下，η随着煤气量的增大而增大[8]。在镀锌预热炉的实际操作中，为了弥补煤气热值波动对炉温的影响，保证炉温t炉不低于带钢表面的净化温度，只有通过煤气量的增大来提高炉温系数η，致使烟气带走的不完全燃烧化学热和物理热增大，炉子热效率下降。因此必须根据煤气热值的变化，及时调整空燃比，才能保证煤气充分燃烧，炉内气氛符合工艺要求。
混合煤气作为加热炉的主要燃料，其混合比的波动将造成热值的波动，这对加热炉内的燃烧过程有着很大的影响。高、焦炉混合煤气热值可根据式(1—3)进行计算
式中，QD，m为混合煤气热值，kj.m-3；QD．c为焦炉煤气热值，kJ·m-3；QDb为焦炉煤气热值，kJ-m-3。；a为焦炉煤气在混合煤气中占的体积分数。
由式(1—3)可知，引起混合煤气热值波动的原因是高炉与焦炉煤气的热值及高炉、焦炉煤气的配比。在炼焦厂炼焦的过程中，煤在炼焦室中所产生的焦炉煤气成分在不同时期是变化的，但是因为一座炼焦炉有许多处于不同时期的炼焦室，各室产生的煤气汇集在煤气总管中，煤气总管内焦炉煤气成分是相对稳定的。高炉炉况的波动对高炉煤气热值也有影响高炉不同时期冶炼铁种的不同，但是在一个炼铁周期中来看，煤气热值变化不大。目前大部分钢铁企业均采用“先加压后混合”的煤气系统，即高、焦煤气分别从高炉、焦炉经输送管道进入混合加压站加压混合，然后再由总管网将混合煤气输送到各煤气用户。在钢铁企业中，随着生产状态的改变，副产煤气的产量与消耗量经常波动，煤气产量和消耗量不平衡，从而造成高炉煤气管网与焦炉煤气管网压力波动，导致混合煤气的配比和热值时刻发生变化。
由此可见，引起混合煤气热值波动的主要原因并不是高、焦炉煤气热值的变化，而是高炉、焦炉煤气的配比[13]。从高、焦炉煤气的混合到混合煤气在加热炉内燃烧的过程来看，混合煤气一旦从煤气混合站输出，则输出的混合煤气热值就确定了，中途无法对其进行调节。混合煤气送入加热炉后，只有按照煤气热值的真实值，随时调节助燃空气流量，即调节空燃比来控制炉内燃烧。因此，减小混合煤气热值波动对炉内燃烧的影响，可以采用下述方法：
(1) 控制混合煤气热值的波动
煤气化学成分的变化使煤气热值和理论空气需要量发生变化。如果煤气热值能够稳定于某个值，理论空气需要量厶也就基本不发生变化，此时控制炉内的燃烧只要固定空燃比即可。混合煤气热值的控制，即应该在煤气混合站进行。由前面的分析可知，影响高、焦炉混合煤气热值的主要原因是高、焦炉煤气的热值和配比。因，可以以煤气热值为控制目标，以高、焦炉煤气配比为控制参数，采用在线计算机自动控制系统，实现煤气热值的在线闭环控制，以实现煤气热值的稳定。
向武钢冷轧厂输送高、焦炉混合煤气的煤气混合站，采用混合煤气定期取样分析[18]的方法进行热值控制，取得了一定的效果。但是由于取样化验时间较长，一般为两小时，很难补偿高炉、焦炉煤气压力的随机变化及流量阀门调节性能的影响，难于实现实时控制。目前，大部分钢铁企业一般都采用热值仪参与热值控制，热值仪是一种在线测量煤气热值的仪器，它测量速度快(7～45s)，测量准确，可实现在线实时控制。文献[13～17]使用热值仪在线测量混合煤气热值，利用PID、模糊控制等控制手段使煤气热值稳定在一定的范围，以实现最佳燃烧，且取得了较好的效果。
(2) 按照煤气热值的真实值，随时调节助燃空气量
最佳燃烧控制的关键在于合理调节空气、煤气配比，如果我们能够实时得到烧嘴前的煤气热值，即可得其理论空气需要量Lo，就可以根据煤气热值调节空燃比，实现最佳燃烧控制。早期，炉子的燃烧控制是现场操作人员观察炉内燃烧状况根据经验进行手动控制的，在煤气热值交大时，由于炉内煤气燃烧的实际空气供给量偏低，炉尾冒黑烟，操作人员根据炉尾是否冒黑烟，来调节助燃空气量。但是冒黑烟只说明了Lo偏小，而危及加热炉气氛的Lo偏大却较不容易引起注意，只有在出现废品后，才成为人们寻找原因的主要方向[11]。可见光靠现场操作人员的观察来控制炉内燃烧，并不能取得很好的效果。为此，武汉冷轧厂在镀锌车间安装了一台热值仪，为操作人员提供准确的煤气热值的波动信息，采用在线自动控制系统，根据热值仪所测得的煤气热值，及时地调节空燃比，实现实时控制，这不仅可保证预热炉内的还原性气氛，而且还提高了煤气的利用率，取得了提高产品质量与节能的效果[6]。石钢连轧厂、包钢初轧厂、太钢连轧厂、宝钢条钢厂等都采用热值仪在线测量混合煤气热值，参与加热炉的燃烧控制[10-15] ，加热质量明显改善。
从上述讨论的两种措施来看，热值仪参与燃烧控制可以提高产品加热质量，降低炉子能耗。实际上，热值仪本身的一些特点使它在钢铁企业的使用受到了一定的限制[24]，因而没有得到广泛的应用。一方面是在线热值仪价格过高，维护繁琐：另一方面热值仪的运行对煤气的净化要求较高。钢铁企业副产煤气含有很多杂质(如焦油、灰尘、硫、萘和水分等[16]，容易堵塞热值仪，使热值仪不得不经常停用维修，对燃烧控制造成影响。热值仪所测的仅是采样处的煤气热值，并不能对管道全程进行热值跟踪，如果要知道各个用户处的热值，必须安装多个热值仪进行检测，从经济上来说这显然是不合理的。为此，必须开发其他的软件推理方法，用软件的方法动态估算混合煤气热值来弥补热值仪的不足。
本文研究的混合煤气热值动态算法是在深入分析钢铁企业管网特点的基础上提出的在采样信息不完整的情况下实现的，它既可以根据混合站出口处的热值仪所测得热值推算出用户处的煤气热值和Lo，也可以在没有热值仪的情况下直接根据高、焦炉煤气的流量推算出用户处的煤气热值和Lo，炉子燃烧控制系统可根据在线算法得到的Lo调节空燃比，实现最佳燃烧控制。
1．2研究内容
本文首先介绍引起混合煤气热值波动的原因和调节手段，并分析热值仪的工作原理及其应用的局限性。
本文的主要部分对混合煤气热值与理论空气需要量之间的关系进行分析，论证了煤气热值动态算法的可行性，并对动态算法进行了较系统的研究，主要工作包括：
o定义了五个基本环节，即混合环节、输送环节、分流环节、混合储存环节和出流环节。
0推导了上述五个环节的基本算法，它们的组合构成了混合煤气热值动态算法，可适用于复杂煤气系统。
o应用所提出的动态算法，对单用户和多用户系统进行了仿真，考验本算法在煤气热值各种典型波动下的决策能力。
o对算法系统的启动、标定进行了详细研究。
o对煤气流量检测的温度、压力和密度的综合补偿进行研究。着重研究了由于混合比变化时的密度补偿，而在现有系统中这往往是被忽略的重要问题。
第二章煤气热值波动的原因和调节
钢铁生产过程中，消耗煤和焦炭的同时，生产出大量的副产煤气，这些煤气利用得充分与否，关系着企业能源利用的水平和能耗水平[1]。各钢铁企业的结构不同[3]，副产煤气的种类不尽相同，数量也有很大差异。钢铁联合企业在生产中，大多都有高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气，转化为副产煤气的能源占企业自耗能源的30％～40％，在回收利用的副产煤气中，以高炉煤气的数量最大，约占62％～63％，焦炉煤气约占35％；而转炉煤气的回收利用量不大，占总副产煤气的2％多一点[3]。
2．1钢铁企副产煤气简介
钢铁企业副产煤气主要包括三种，高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。它们分别是炼铁、炼焦和炼钢的副产煤气。
(1)高炉煤气
高炉煤气是高炉炼铁过程中所得到的一种副产品，其主要成分是CO。高炉煤气的化学组成情况及其热工特性与高炉燃料的种类、所炼生铁的品种以及高炉冶炼工艺特点等因素有关。
高炉煤气因含有大量的N2和C02(占63～70％)，所以它的热值不高，只有3762～4180 kJ·m-3。当冶炼特殊生铁时，高炉煤气的热值比冶炼普通炼钢生铁时高418～630 kJ·m-3。高炉煤气的理论发热温度为1400～1500oC，这样低的热值和发热温度，单独应用比较困难。但冶金企业高炉煤气的产量极大，例如年产500万吨钢的联合企业，高炉煤气的产量达到120万m3．h-1，如此大量的煤气应当充分加以利用。所以在钢铁企业常将高炉煤气与焦炉煤气混合使用。个别情况下也有单独使用高炉煤气的，这时就需要将煤气和空气都预热到高温，以保证燃烧温度达到用户要求。
高炉煤气从高炉出来时含有大量的粉尘，为60～80g·m-3。或更多，必须经过除尘处理，将煤气的含尘量降到表2一l中的标准，才符合使用要求。
高炉是冶金生产中燃料的巨大消费者。高炉的燃料的热量约有60％转移到高炉煤气中，据统计，高炉每消耗1t焦炭可产生3800～4000m3高炉煤气。由此可见，充分有效地利用将高炉煤气，对降低吨钢能耗有重大意义。在冶金生产中，高炉煤气主要用于焦炉，在冶金联合企业中，与焦炉煤气混合后用于加热炉。
由于高炉煤气中含有大量CO，在使用中应特别注意防止煤气中毒事故。根据有关资料介绍，大气中一氧化碳的浓度超过16ppm即有中毒危险。
(2)焦炉煤气
焦炉煤气是炼焦生产的副产品。lt煤在炼焦过程中可以得到730—780kg焦炭和300～350m3的焦炉煤气，以及25～45kg焦油。
由焦炉出来的煤气因含有焦油蒸汽，所以称荒焦炉煤气。lm3荒焦炉煤气通常含有300～5009水和100～1259焦油，以及其他可作为化工原料的气态化合物。为了回收焦油和各种化工原料气，必须将荒焦炉煤气进行加工处理，使其中的焦油蒸汽和水蒸气冷凝，并将有关的化工原料收回，然后才送入煤气管网作为燃料使用。煤在炼焦室中在不同时期所产生的煤气成分是变化的，但是因为一座炼焦炉有许多处于不同时期的炼焦室，各室产生的煤气汇集在煤气总管中，所以煤气总管内煤气成分是相对稳定的。
焦炉煤气的可燃成分主要是H2、CH4和CO。焦炉煤气中的惰性气体含量很少，N2和C02占约8～16％，因此焦炉煤气的热值很高，为5890～17140 kJ·m-3。，是冶金联合企业重要的燃料来源之一。因其产量有限而热值又较高，一般多与高炉煤气或发生炉煤气配成热值为8360 kJ·m-3左右的混合煤气用于加热炉【5】。
(3)转炉煤气
纯氧顶吹转炉炼钢法是目前钢铁工业中广泛采用的一种炼钢方法，它具有产量高、质量好、品种多、投资省及原料适应性强等特点。转炉炼钢过程中产生大量转炉气，每吨钢约产气70m3，其主要成分是CO，含量在45～65％，热值为6270～7530 kJ．m-3，是一种非常理想的化工原料气和气体燃料。因此对转炉气的综合利用是十分重要的问题，它不仅有极大的经济价值，而且，通过将转炉气回收和利用，还可以减少环境的污染，防止公害。
2．2煤气管网压力的波动和调节
在钢铁企业中，引起煤气热值波动的原因是多方面的，从气源到混合站，从混合站到用户，任何一方面的波动都会对最终用户的煤气热值产生影响[13]。
2．2．1煤气管网压力的波动
2．2．1．1煤气产量的波动
(1)高炉煤气产量的波动
高炉正常生产时，煤气的产量是稳定的，仅在高炉装料开启料钟时有瞬时的波动。当检修、维护高炉设备(如更换风口、渣口、高炉中、小修)时；在高炉冶炼过程中发生故障(如悬料、铁口渣口堵不上)时；以及出现一些不正常的现象(如待焦、待料、停电、停水)时，将被迫减风操作或休风处理，引起高炉煤气产量不同程度的下降以至停止产生煤气。
根据统计资料，某厂一座中型常压高炉，一年内休风45次。其中计划检修7次，休风延续时间～般约在3小时以上，最长可达16小时：换风口18次，一般休风延续时间为20rain左右。一年内减风操作93次，减风延续时间一般在10～20min之间[4]。
(2)焦炉煤气产量的波动
焦炉在非检修时间内，只要炼焦配煤比及加热制度固定，焦炉煤气产量是比较稳定的。在焦炉集中检修时，焦炉煤气产量波动幅度较大。焦炉集中检修一般每日三次，每次持续时间约2小时。检修初期和中期煤气产量升高，检修末期产量下降。
(3)氧气转炉煤气产量的波动
氧气转炉煤气的生产是间断性的，转炉加料、出钢、吹炼初期和后期均不回收煤气。只在吹炼初、后期之间的一段时间内回收煤气。在吹炼过程中，煤气产量是波动的，吹炼初期和后期产量小，最大煤气量一般产生于吹炼期的1／2～2／3区间内。氧气转炉煤气回收系统皆设置煤气柜，以平衡煤气产量的波动，所以在煤气供应设计中，转炉煤气的生产，可按连续稳定生产考虑。
2．2．1．2煤气消耗量的波动
(1)高炉热风炉煤气消耗量的波动
热风炉在非换炉时间内，煤气消耗量的波动不大，波动幅度一般为5％。由于热风炉换炉，而使煤气消耗量产生周期性的有规律的大幅度波动。每日换炉的次数和每次换炉的时间由热风炉的座数及燃烧制度而定。一座高炉配置三座热风炉时，大约每小时换炉一次，每次换炉时间为6～10min，在此期间一座燃烧的热风炉停止使用煤气，于是在短时间内出现大量的煤气盈余。无煤气贮藏塔的企业，随着热风炉的换炉将有煤气的大量放散。
(2)焦炉煤气消耗量的波动
焦炉加热使用的煤气消耗量的波动是比较小的，波动幅度一般仅为2％左右。由于焦炉加热需定期换向(换向时停止使用煤气)，因此煤气消耗量随焦炉加热换向而周期性地波动。焦炉加热换向次数为每小时2～3次。每次换向延续时间约为40s。没有煤气柜的企业，这部分煤气则将被放散。
(3)轧钢加热炉煤气消耗量的波动
各种型材、板材、管材轧机用加热炉，当轧制的品种、坯料一定，轧机正常生产时，煤气消耗量的波动是不大的。造成煤气消耗量波动的因素主要有两个方面：轧制品种、坯料断面与轧钢产量的改变：轧机的临时检修、换辊与生产中的临时待料、待轧等。
2．2．2煤气管网压力的调节
钢铁企业副产煤气的产量与消耗量，随着工业生产状态的改变而经常波动，从而造成企业高炉煤气管网与焦炉煤气管网的压力的波动。波动的幅度与企业的车间组成、煤气的调配与管理工作的水平有关。例如，一个大型钢铁联合企业虽然有锅炉房作为煤气缓冲用户，但是，由于锅炉调换燃料的灵活性较差，高、焦炉煤气管网的压力经常波动。高炉煤气总管的正常压力为600mmH20，波动在300～800 mmH20之间；焦炉煤气总管的正常压力为400 mmH20，波动范围在150～600mmH20之间[3]。
煤气管网压力大幅度的波动，将给钢铁生产带来一定的影响。当煤气不足时，必然要限制一部分煤气用户的生产；而当煤气盈余时，又将有大量煤气被放散，既浪费燃料又污染环境。煤气管网压力的波动将使工艺生产的热工制度得不到保证，既影响产品质量，又增加产品单位热耗，有时甚至引起爆炸和冒煤气事故，威胁企业的安全生产。在煤气供应设计中，必须采取有效的稳定管网压力的措施，保证稳定地供应煤气，确保安全生产。
2．2．2．1缓冲用户的稳压作用
在煤气平衡中，留出一定数量的高炉、焦炉煤气作为缓冲煤气。缓冲煤气在正常生产中供缓冲用户使用，当高炉或焦炉煤气产量减少时，抽出缓冲煤气，满足主要用户使用。缓冲用户所需的煤气，由其他燃料补充。
在一般情况下，钢铁企业都以电厂锅炉车间或供热锅炉作为煤气缓冲用户。锅炉调换燃料需要一定的时间，时间的长短与操作管理水平和使用燃料的品种有关。用固体燃料的锅炉一般需10～15 min，管理水平较高的企业需5～10 min。因此，锅炉使用缓冲煤气，只可调节一些延续时间较长的波动，对于一些延续时间较短的波动则难以调节。
高炉煤气缓冲量一般为企业内一座有效容积最大的高炉煤气产量扣除自身热风炉消耗及柜前损失的煤气量(即一座最大高炉的商品煤气量)。当企业内设有其他燃料补充措旌或建有煤气柜时，煤气缓冲量可酌情减少。
焦炉煤气缓冲量一般为企业内生产能力最大的一组焦炉在检修末期煤气产量的减少值。当企业内引入其他燃料，并对焦炉煤气产量波动有调节作用或企业内设有焦炉煤气柜时，可酌情减少或不留。
2．2．2．2采用煤气柜稳压
采用缓冲用户稳压，由于受到锅炉调换燃料过程的限制，对于经常出现的，延续时间较短的波动，尚不能有效地加以调节[3]。高炉煤气总管压力在缓冲用户的调节下尚有+100～—200mmmH20的波动。采用煤气柜稳压，即使是延续时间很短的波动，亦可进行有效的调节。应当指出，煤气柜由于受到容积的限制，也不能解决幅度大且延续时间长的波动[17]。
2．2．2，3采用剩余煤气放散装置稳压
采用剩余煤气放散装置稳定管网压力是建立在煤气产量超过煤气消耗量基础上的一种特定的稳压措施。即以放散量的多少来控制管网压力的稳定。这种措施必然要造成煤气的浪费和环境的污染。因此，不应作为正常生产时调节煤气、稳定管网压力的一种手段，而仅在一些特殊情况下使用，例如在钢铁企业建设过程中，产生煤气的车间已投产而使用煤气的车间尚未投产时，出现临时性的剩余煤气或企业建成投产后几个煤气用户车间同时检修及在一些特殊情况下出现剩余煤气时使用。
确定煤气放散量也应考虑企业建设过程中出现的煤气最大剩余量，还应考虑正常生产时临时出现的煤气剩余量。高炉煤气放散量可根据下列情况中最大的一种确定。
(1)企业建设过程中高炉煤气的最大剩余量。例如，企业建设初期，当一座高炉投入生产时，煤气除供热风炉加热外，剩余煤气尚不能稳定供应锅炉房，此时放散管的放散量应不小于一座高炉煤气的剩余量加一座热风炉的煤气消耗量。
(2)企业建成后，在生产过程中可能出现的高炉煤气最大剩余量。例如使用高炉煤气最大的用户(热风炉除外)停止生产时，高炉煤气的剩余量。
2．3煤气混合站简介
高、焦炉煤气混合系统工艺从理论上可以选择直接混合、先混合后加压、先加压后混合工艺[7]，它们各自有其优缺点。直接混合工艺可以有效地节约能源，操作、维护简单，但由于受高、焦炉煤气主管网压力波动影响混合煤气热值合格率较低，同时，混合后压力一般较低，并且受高、焦炉煤气主管网压力波动的影响，也容易波动，在用户使用压力要求高的情况下不能满足要求。对混合煤气压力要求较高的用户来说，采用先混合后加压工艺和先加压后混合工艺在理论上混合系统选择什么工艺都是可行的，但是在实际运行中需要针对混合煤气的要求进行选择，并且先加压后混合工艺优于先混合后加压工艺[27-28]。
2．3．1煤气混合加压站的配置方式
煤气混合站和加压站之间相互配置的方式，应视企业煤气压源、用户对煤气压力的要求和总图布置情况而定。
(一) 先混合后加压
此种方式的特点是加压系统简单，投资省；便于生产维护和气量调节。它适用于以下几种情况：
(1)用户需要的混合煤气压力较高；
(2)压源的煤气压力较低；
(3)混合站至用户的距离较远。
(二) 先加压后混合
先加压后混合的配置方式，有三种不同的系统，如图2—2所示
(1)第一种系统适用于两种煤气压源的压力均较低或混合站至压源的距离较远的情况。此种系统的缺点：
o加压设备多、管路复杂，不便于操作及维护；
o当混合站与加压站不是集中布置时，两根高压煤气管道的长度增加，投资增大。
(2)第二种系统与第～种系统的区别仅在于其中一种煤气压源的压力较高，不需加压即可参与混合，输送至用户。
此种系统的特点是只需加压一种煤气，减少了动力消耗。当企业有条件时，应尽量采用这种配置系统，而不宜采用第一种系统。
(3)第三种系统适用于企业(用户)需要三种以上不同热值的混合煤气，而又必须增压的情况。
此种系统的特点是加压设备的类型少，系统简单，投资省。
(三) 单独混合或单独加压的方式
(1) 单独混合的方式
进入混合站的两种煤气压力，不仅可以克服混合站区的压力降，而且还可直接送至用户满足使用。这种方式，一般适用于用户要求混合煤气的压力较低(如烧结煤气混合站)，或压源至用户的距离较近时(如高炉热风炉煤气混合站)的情况。
此种方式的特点是系统最为简单，不需要加压设备。
(2)单独加压的方式
这种方式适用于下列情况：
0用户不使用混合煤气，只用单～品种的煤气；
o压源的煤气压力不能满足用户要求。
2．3．2煤气混合站的允许压力降
混合站的允许压力降，不宜取得过大，否则将影响整个管网系统的输送压力。尤其是对于混合站前、后没有加压设施的情况，设计时更需注意。混合站压力降的大小，主要取决于孔板和蝶阀上不可恢复的压力降的大小。一般，孔板和蝶阀的压力降值(按管道最大流量计算)如表2—4。
2．3．3工艺布置
(一)煤气混合站两根混合管道的设计总长度，主要取决于热工测量和调节装置安装长度的要求，同时也需满足附属设备的合理装设及操作、检修的方便条件。当总图布置确有困难时，可适当缩小管段长度。
(二)两根混合管道，一般多采用并排布置的方式。
此种布置的优点是对于管道和附属设备(闸阀、人孔、放散管等)以及热工测量和调节装置的操作、维护及检修均较方便。当煤气混合站只有一组混合管道时，尤以此种布置为最佳。
两根混合管道重叠布置时，在管径相差较大的情况下，小直径管道一般布置在大直径管道的上边。管径相差不大的情况下，较小直径的管道宜布置在较大直径的管道下面。
为便于操作和检修，两根混合管道的距离，一般不应小于800mm。
2．3．4煤气混合器的结构形式与选择
合理地选择混合器的结构形式和混入角度，可减少管网系统的压力降。目前，各企业焦炉煤气管网压力均较高炉煤气管网压力为低，据此列出三种不同的汇交型式，结构如表2—5所示。
焦炉煤气管道不宜采用弯头汇交，宜采用直线段，以便减少焦炉煤气的压力降。
根据五种不同汇交型式的比较，混合器的结构型式应优先选用A型，其次是B型，再次是C型。
混合器采用A型汇交有困难，而必须采用角度汇交时，混入角度一般可按300～450选用。
煤气混合站一般采用流量配比调节系统和热值指数调节系统[3]。
2．4．1流量配比调节系统
根据对混合煤气的压力和两种煤气流量的配比的要求，进行自动调节的系统，其目的是保持两种煤气的体积混合比和混合后的煤气压力不变。
(一) 四个蝶阀的流量配比调节系统
四个蝶阀调节系统的特点是调节性能较稳定、操作可靠，既有稳压的作用，又有调节配比的作用。一般均采用此种调节系统。
(二) 三个蝶阀的流量配比调节系统
在高炉煤气管道上设有两个蝶阀，在焦炉煤气管道上设有一个蝶阀。其调节方式是取两个流量孔板的压差保持两种煤气流量比例不变的方法，自动调节高炉煤气的配入量，以保证混合煤气热值稳定。
此种系统的特点是：由于在高炉煤气和焦炉煤气管道上均装设了压力调节系统，因此适应管网负荷变化的能力较强。但是，由于孔板具有固定孔径的特点，其调节范围比双蝶阀(可视为活动的孔板)调节系统窄，故调节效果受到一定的影响。
2．4．2热值指数调节系统
根据混合煤气热值指数[16]进行自动调节的系统，其方法是当混合煤气热值发生变化时，通过热值指数自动调节装置的作用，保持其热值不变。
一般情况下企业副产的各种煤气的热值是经常变化的。因此，虽然保持一定的体积混合比，有同等的煤气流量通过混合站，但是由于热值的波动，供给用户的热量仍然会发生较大的变化，这无疑将对用户的热工制度产生不良的影响。
采用热值指数调节系统，是根据混合煤气热值的变化，自动调节商热值(或低热值)煤气的配入量，以保持混合煤气的热值恒定。若进入炉子的混合煤气流量与热值均能保持不变，即可达到供应工业炉的热量不变，从而保证了产品的加热质量。
(一) 两个蝶阀的热值指数调节系统
如图2—6所示，在高炉煤气和焦炉煤气管道上各设一个蝶阀。当混合煤气热值发生变化时，热值指数调节器输出改变，作用于执行机构，使焦炉煤气蝶阀开大或关小，增加或减少焦炉煤气的配入量，使其热值恢复到原来的给定值为止。同时，在热值指数调节系统中，附加了两种煤气流量配比的副环串级调节[23]。当用户减量时，混合煤气压力偏离给定值，压力调节器输出改变，作用于执行机构，使高炉煤气蝶阀关小，减小高炉煤气流量，这时，由于高炉煤气流量与焦炉煤气流量不能保持给定的比例。致使压差调节器输出改变，作用于执行机构，使焦炉煤气蝶阀关小，减少焦炉煤气流量，直至流量孔板上高、焦炉煤气的压差比例恢复到原来的给定值为止。
此种系统适用于企业焦炉煤气管网压力较为稳定和用户较少的情况。
(二) 三个蝶阀的热值指数调节系统
系统的动作原理与两个蝶阀的热值指数调节系统相同。此种系统，由于在高、焦炉煤气管道上均装设了压力调节蝶阀，因此适应管网压力波动的能力较强。当进入混合站的两种煤气压力不同时，应在压力较高的煤气管道上装设两个蝶阀，在压力较低的煤气管道上装设一个蝶阀，以减少该种煤气的压力降。
煤气热值是煤气最主要的质量指标，及时准确地测量煤气热值，对于生产中合理和有效地利用煤气有着重要的意义。因此，冶金行业历来都很重视对煤气燕值的监测。热值仪是煤气混合站中较为关键的设备，担负着煤气混合站自动调节过程中一个重要工艺值——煤气热值的检测，对于保证燃用气体燃料的工艺设备正常运行、提高燃烧效率有重要的意义。
图3—1为热值仪的结构图。取样煤气和空气通过输送管道，并经由过滤、稳压和恒温装置后，再经节流孑L板进入燃烧装置。在燃烧装置内，空气被分成三路，第1路与取样燃气混合后在烧嘴上部燃烧。第2路作为补充，使未燃尽的燃气进一步燃烧。第3路空气与燃烧产物充分混合，吸收燃烧释放的热量而升温，经气流反转筒外侧向上流动，最后从外筒顶端排出。燃烧装置安放了两套热电偶，一套安装在空气入口处：另一套设置于排出气体温度最高处。两套热电偶测得的温度之差，即表征由于煤气燃烧的热量使得排放气体温度的升高值Δt。
式中，Q为煤气的热值，kJ·m-3；Fg，FS分别为煤气的流量和煤气燃烧稀释后排放气体的流量，m3-s-1；Cps，—燃烧稀释后排放气体的定压比热，kJ·m-3．K-1。
由于
，即所排放的混合气体中绝大部分是空气，于是
有
于是有
但是利用上述原理测量热值，必须同时测出气体的密度，为避免密度因素的影响，引入了热值指数即华白指数[31]的概念。
测得温差△t、空气差压△pa和煤气差压△[g之后，便可用单片机来计算煤气的热值指数。仪表备有密度计信号入口，如果想要直接得到热值，加上密度计的信号即可。当流量不变时(△pa／△pg=常数)，热值指数与温差血成比例；测定单一煤气(如高炉煤气、焦炉煤气或天然气)时，测得的热值指数就是热值，因密度基本不变。
3．2热值仪系统组成
热值仪一般分为两部分，一部分为燃气预处理装置，另一部分为热值仪分析室。
(1)燃气预处理装置
图3-2示出了热值仪的预处理装置，图3-3为热值仪器检测原理图。
(2)热值仪的热值分析室
热值仪的热值分析室有两大单元：
0燃烧检测热电堆
热电堆是热值仪的核心部分，该热电堆由若干只支热电偶经过特殊处理后串联而成，外侧为冷端，内侧为热端，用它可测出过程气燃烧后放出的热量即热负荷。
0密度传感器
该传感器没有可动部件，可以很精确地测量出煤气和空气的密度，它输出的电压信号经过A／D转换输入到CPU，可在显示器上显示出来，也可输出DC420mA信号给DCS系统。热值仪的主要组成部分如图3—2。
3．3热值仪的分类
国内国外均有生产热值仪，在国内钢铁企业中应用主要有以下几种热值仪。
(1)FLO-CAL5000系列热值仪
FLO---CAL5000系列热值仪【3l】是一个高速响应仪器(约为6～8s)。连续燃烧的气体产生的废气上升与来自隔层筒的空气混合，经风叶混合器混合，产生均匀热气，通过排气管排入大气，在排气管中间设置有金属膨胀杆，它受热膨胀，向自由端位移，推动喷嘴挡板。喷嘴背压增大，直接作用在空气控制阀上，将引起通过阀的空气流量增加。增大的空气流量使混合气温度下降，膨胀杆收缩，空气流量减小，稳定时的空气流量正比例于燃烧产物的发热量，即热值。
(2)KFl00型煤气热值仪[32]
KFl00型煤气热值(指数)仪用于连续测量高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气、发生炉煤气、液化气和天然气等各种可燃气体的热值或热值指数。该仪表价格要比进口仪表便宜，备品、备件购置方便，容易安装，一般工厂都能接受[33]。
KFl00型煤气热值仪的主要技术性能指标：
测量范围： 3000～60000 kJ·m-3
测量精度： 测量范围上限的士1．5％
响应时间： 5～8s；负载能力：900Ω
输出直流信号：1～5v 4～40mA
交流供电电源：220V 50Hz 600W
(3)RLB—l型气体热值仪[34]
(4)CW95型热值分析仪[35]
(5)CWD2000热值仪【36】
3．4热值仪的应用及其局限性
虽然热值仪在很多企业都有应用，但是由于它存在的问题较多，使它在应用中有较大局限，据现场调查，热值仪一般使用不到3个月就开始出现堵塞现象而影响运行[30]，甚至不能使用，随着使用时间的增长，堵塞现象会更频繁发生，从而给生产造成了较大的损失，同时也浪费了资源【35】。以下是热值仪的主要缺点：
(1) 由于测量过程中气体内杂质较多，尤其是新管道，灰尘较多，经常造成预处理装置中减压阀和精过滤器堵塞，进气压力过低，最终导致分析值降低，并且造成熄火，使分析中止，完全不能进行连续在线分析测量。
(2) 由于煤气热值分析仪响应时间较长(T=7～45s)，在P1D控制中是一个
大惯性环节，当煤气热值波动较大时，如系统PID参数调整不当，易引起系统震谢[21]。
(3) 日常维护不方便【30]。
(4) 投资较高【30】。
可见，热值仪测量准确关键在于预处理装置[34】，生产热值仪的厂家采用了各种各样的预处理装置，但是由于冶金企业中使用的焦炉煤气和高炉煤气含有很多
杂质，如焦油、灰尘、硫、萘和水分等【l]，经常造成分析仪中断检修。测量失败的最主要原因是预处理装置中的减压阀和精过滤器堵塞，而且，如果煤气含有很多杂质，节流孔板也容易被堵塞，导致气路受阻，煤气差压不能恒定，影响热值仪测量精度。
实际测量时，预处理装置中使用醋酸铅饱和溶液脱硫、去除焦油等腐蚀物。由于实际处理中综合反应时间长，煤气成分易发生变化。检出热值与热量计(标定仪器)测量值相差较大。一段时间后，醋酸铅饱和溶液失效，频繁更换不仅造成热值检测中断，而且工作量大，原料浪费也较大[35]。
因此，虽然利用热值仪参与燃烧控制，对于稳定煤气热值是一种有效的办法，但是它对煤气净化品质的要求较高和昂贵的价格，成为热值仪尚未在钢铁企业中得到广泛的应用的主要原因。
第四章混合煤气热值的动态算法
4．1混合煤气热值及其燃烧的理论空气需要量
当煤气的化学成分变化时，其热值和燃烧理论空气需要量都会发生变化。作为加热炉的主要燃料之一，混合煤气由于混合比的波动，其成分发生了改变，燃烧热值和理论空气需要量也发生相应变化。
4．1．1单一煤气化学成分和热值的计算
一般技术资料中都用气体燃料的干成分来表示其化学成分。而在炉内燃烧时实际使用的是包括水分在内的煤气，因此在进行燃烧计算时，必须用气体燃料的湿成分作为计算的依据[9]。气体燃料的热值即是按照气体燃料的湿成分进行计算的。其中所含的水分在常温下等于该温度下的饱和水蒸气量，当温度变化时，气体中的饱和水蒸气量也随之变化，气体燃料的湿成分也将发生变化。煤气的干成分与湿成分的换算公式为
式中，xs为煤气湿成分，％；xd为煤气干成分，％；g为1m3干气体所吸收的水蒸气的质量，g-m-3·，见附录B。
式中，QD为煤气的热值，kJ·m-3；Lo为煤气燃烧的理论空气需要量，m3·m-3。表4—1为本文算例中使用的三种煤气的特性表[4]。
4．1．2混合煤气热值及其燃烧的理论空气需要量
以高、焦混合煤气为例，焦炉煤气流量FC，高炉煤气流量Fb，混合煤气总流量Fm=Fb=Fc，则焦炉煤气在混合煤气中占的体积分数为
以上各式中， Fb，Fc和Fm分别为高炉煤气、焦炉煤气和混合煤气流量，m3．h-1；Qdb,QDc，QD，m。分别为高炉煤气、焦炉煤气和混合煤气热值，kJ。m-3。
由式(4一11)可知，两种煤气混合的煤气的理论空气需要量是混合煤气热值的～次函数，与构成混合煤气的煤气种类有关。高一焦和高一转混合煤气的Lo-QD关系示于图4—1，由图可以看出，当QD相等时，高一焦混合煤气的LD大于高一转混合煤气的Lo。
4．1．3煤气含湿量的影响
钢铁企业产生的副产煤气一般都要经过洗涤，因此用户使用的煤气一般是含湿饱和的煤气[36】。当煤气温度升高时，其饱和含湿量增加，所以同一种煤气的可燃成分百分比变小，热值和理论空气需要量也随之降低；反之，当煤气温度降低时，其饱和含湿量减少，同一种煤气的可燃成分百分比增大，热值和理论空气需要量也随之增大。可见，煤气温度的变化会对煤气热值和燃烧理论空气需要量产生影响。
4．2钢铁企业煤气系统的分析
4．2．1环节的定义
“环节”的提法不一定很准确。但考虑到煤气系统比较庞大，它包括煤气的生产、输送、储存和使用等部分，定义了环节之后，便可以对整个煤气系统进行分解，并根据其特征进行抽象和简化，这为定量分析煤气系统中各部分的热值及其变化与“输送”创造了十分便利的条件。为此定义了以下五类环节：
在这里，输送环节由没有分支的管道组成，这意味着在输送环节的起点和终点之间(不包括端点)，没有煤气流进和流出。
对于不可压缩的流体，在同一时刻，通过本环节任意截面的体积流量为定值(也就是处处相等)。
分流点也是无源节点，因而进出该节点的净流量为0，这和混合环节是相同的。但要注意，二者的差异在于：
o混合节点有两路流入，它们的成分是不同的；有一路流出，其成分取决于流入的成分和混合比。
o分流环节有一路流入和两路流出，但三者的成分是相同的。
(4) 混合储存环节
煤气柜中储存的煤气可在一定范围内变化，也就是说煤气柜是有容的，流入的煤气增加了煤气柜的储存量，通常还会改变柜内的煤气成分，但由于气柜的容量相对较大，所以此改变一般是缓慢的。
(5) 出流环节
出流环节是混合储存环节反环节，“反”的含义是指流入和流出的方向不同，出流的成分就是柜内的成分，出流只影响柜内的煤气储量，不影响柜内煤气的成分。
以上五类环节是最基本的。尽管煤气系统可能很复杂，它由煤气的生产、储存、输送和使用等部分组成，可能包括多气源，多气柜，多用户和复杂管网等情况，但均可用上述五类环节及其组合来描述，并在此基础上进行定量分析。
4．2．2主要假定
为了使算法能够实现，根据煤气系统本身的特点做出如下假定：
(1) 单一煤气(即非混合煤气)的成分是稳定的，所以其热值Qb和燃烧的理论空气需要量Lo也是稳定的。
此假定并不排除单一煤气成分的变化，只是此变化不是依靠实时采样来确定，而是通过标定来改变。而标定的周期可以较长，通常只在生产工艺有重大变化的情况下进行。
(2) 不考虑混合储存环节的混合速度。
对于管道混合，这是真实的。
对于单管式煤气柜，在入流与出流的交替阶段此假定会有偏离。
对于双管式煤气柜和单管式煤气柜非进出交替阶段，此假定比较接近实际。
(3) 煤气在输送管道中的流动为柱塞流，即平推流。这意味着不考虑混合煤气在输送过程中的自我均匀化。
(4) 在上述假定的基础上可以推论，任何两种已知气源的混合煤气，在混合处的成分只取决于混合比。于是，对于输送管线某处的混合煤气用户(如加热炉)，其成分还要受管道的几何参数和有关用户的煤气使用量的影响。
4．3煤气热值的“输送”
煤气热值的“输送”是指，当源头(例如混合站)煤气热值波动时，此波动将伴随着煤气的输送，被“传递”、“传播”、“传送”或“输送”到煤气管道的游，本文称此过程为煤气热值的“输送”。
4．3．1煤气热值的“输送”的算法
如图4-7所示，高、焦炉煤气进入混合站混合后直接经输送管道供给用户。这是煤气混合输送中最简单的情况，它由一个混合环节和一个输送环节组成。
本方法把输送管道等分为很多小段，如图4—8所示，这些小段称为“管道段”。当段的划分足够小时，可以认为管道段内的煤气成分是均匀的。输送管道的所有管道段内煤气的热值可用一个一维数组来存储。
在煤气输送过程中，管道段静止不动，但段内的煤气一直在流动和更新，因此管道段内煤气热值的变化可根据入口处的热值的变化和流速来确定。由于煤气流量的在线检测的周期(即采样周期)比较短，可认为在一个采样周期内管道内的煤气流量不变，于是管道内的煤气以同一速度前进，根据这一特性，我们可以算出煤气在一个采样周期内前进的距离或段数，这样周而复始，就可以连续地到管道出口处当前时刻的煤气热值。
尽管钢铁企业煤气管道中的压力一般不太大13i，但煤气压力每增加l kPa，误差将增加1％。以沈阳的气象条件为例(一20～+30。C)，如果不考虑温度的影响，冬天和夏天的最大误差将为一9％～+l l％。所以，在进行煤气热值沿输送管道“传播”的跟踪计算中，应采用实际状态下的流速和体积流量。
以上各式中，v为煤气流速，m·S-1； Fa为混合煤气流量，m3．h-1；Fb为高炉煤气流量，m3·h-1；只为焦炉煤气流量，m3．h-1(以上均为实际状态下的量)； A为管道截面积，m2；d为管道直径，m。
由式(4—21)计算可得煤气段在一个采样周期内前移的段数^图4—9为混合煤气热值“输送”计算原理图。
图4—10～图4—24示出了管道长度L=100m，d=-1．Om时三种典型情况下的管道出口煤气热值的计算结果。
1．阶跃波动
2．方波波动
3．正弦波动
4．随机波动
4．3．2关于△x的选取
如果混合煤气流量恒定，煤气从进入管道到流出管道所用的时间是不变的，混合煤气热值以什么样的变化规律进入管道，也必然会以同样的规律流出管道，只是有时间的滞后。因此可以利用这个特性来检测管道段的大小对计算结果的影响，以合理地划分管道段。
虽然△x选得很小，在流速很小的情况下也能准确描述管道出口出QD的变化，但计算工作量较大。当血选得太大时，将会丢失一些信息，如图4—25和图4—26所示。
4．4多用户系统的计算
在管网系统中，A点的热值可由混合环节算法确定，B点为输送环节A—B的出口，其热值可由输送环节的算法确定。而B点又同时是输送环节B—c和B—D的入口，由于B点的热值已算得，c点和D点得热值可分别由各自环节的参数，按输送环节算法确定，从而确定了用户1和用户2处的热值。尽管本例仍比较简单，但已给出了复杂系统所有煤气用户热值跟踪计算的原理和具体算法。
4．4．1阶跃波动
为了简化问题，在本例中保持用户2流量不变，而以Qc的增加来触发Qd的阶跃变化，
所增加的流量只供用户1使用。
从图4-28 图4-36可以看到两种典型波动情况下的管道出口输出热值的变化，管道分流处(B)比混合站出口处(A)热值的变化滞后一段时间，用户1(c)和用户2(D)处的热值变化又滞后于分流处(B)，而其中以用户2滞后的时间更长，这是因为BC=BD，Vl>V2。
4．5管网内部含有煤气柜时的算法
在这里，“管网内部”是区别于“边缘”或“末端”的。煤气柜能够贮存煤气、调节煤气管网压力、合理使用能源以及减少环境污染【39】。煤气柜在煤气管网中的运行方式一般有两种[40]，一种是煤气柜和煤气管网只有一根管连接，煤气进出煤气柜都经这根管道，称为单管方式；另一种是煤气柜有两根管道与煤气管网连接，煤气从一根管进柜，从另一根管出柜，这称为双管方式。
4．5．1单管工作方式
图4—37所示的煤气系统包括一个混合储存环节(煤气柜)。其实进入混合站的高炉煤气和焦炉煤气通常也有各自的储柜，但由于§4．2．2的假定条件(1)，它们不必作为混合储存环节处理，所以图中未予表示。应该指出，图4—37的方案在工艺上未必合理，但本文的模拟对象(河北涉县天津天铁公司煤气系统)新增煤气柜的设计方案未定，所以在设计算例时要考虑最复杂的情况，也就是说，包括此煤气柜也是出于使本文的算法更具一般性的考虑。
以上各式中,Qdstr(τ)为煤气柜内煤气当前时刻热值，kJ·m一3；QD,str(r-Δt)一煤气柜内煤气前一时刻热值，kJ·m一3；Fm为来自混合站的煤气流量，m3·h-3；Vstr为煤气柜所储存煤气体积，m3；Δr为采样周期，s：Qdu为从储存环节出去的煤气的热值，kJ·m-3。；QD。为来自混合站到达储存环节的煤气的热值，kJ·m。-3。
图4-37已标明各管段的流量和各点的热值。这里要强调的是，Fstr的值取正、负和零的可能性都存在，其流向和流量将对QD,str和QD,u产生影响，而炉子所使用的煤气热值Qdf，，可由Q,Du按输送环节算法算得。
4．5．1．1阶跃波动
4．5．1．2随机波动
由以上各图可以看出，阶跃波动和随机波动下，带有煤气柜的管道终端热值输出情况，可见煤气柜在单根管工作方式下，煤气柜稳定终端混合煤气热值的作用并不大，而只起到稳压作用。
4．5．2双管工作方式
以上各式中,Qdstr(τ)为煤气柜内煤气当前时刻热值，kJ·m一3；QD,str(r-Δt)一煤气柜内煤气前一时刻热值，kJ·m一3；Fm为来自混合站的煤气流量，m3·h-3；Vstr为煤气柜所储存煤气体积，m3；Δr为采样周期，s：Qdf为从储存环节出去的煤气的热值，kJ·m-3。；QD。g为来自混合站到达储存环节的煤气的热值，kJ·m。-3。
4．5．2．1阶跃波动
气柜初始标定值=7900 kJ．m-3
煤气柜采用双管方式不但可以稳定管网的压力，从图4—45～图4—51看出，无论柜前煤气热值如何变化，柜后的煤气热值变化的都很缓慢，这说明它还有助于稳定管网的煤气热值。
4．6动态算法系统的启动
系统的启动可分为初始启动和恢复启动。前者指系统的第一次启动，或系统停止运行相当长时间(例如炉子大修)后的启动；后者指工艺系统仍在运行，但计算机系统由于某故障停止运行，但很快又重新启动。
对于初次启动，储存混合煤气的煤气柜的煤气成分和储量要标定。
对于初次启动和停运足够长的恢复启动，要求煤气热值跟踪计算系统进行初始化，这段时间称为系统启动阶段。
在系统启动时，已在管道中的煤气的热值(或混合比)是未知的，因为它在监控程序运行之前就已进入管道内，而其混合比的检测信息并未进入计算机系统，即系统尚未对其实行跟踪，这一段是系统的盲区，在此阶段实际空气消耗量Ln可转为手动给定，直至所跟踪的煤气被输送到用户为止。
“手动”就是司炉工人用肉眼观察，根据炉内的燃烧状况对实际空气消耗量Ln做出调整，以取得较好的燃烧效果。要强调指出的是，虽然这时空燃比是手动的，但回路却可以实现自动，也就是说，人工给定的厶不仅适用于某个燃烧器，而是适用于全炉所有燃烧器的，图4—52为空燃比手动和自动控制切换的示意图。
4．7动态算法系统的标定
系统的标定可分为初始标定和中期标定。
(1) 初始标定是给一组初值，以作为煤气热值动态跟踪系统的运行初值。
(2) 中期标定是实现运行中的参数校正，目的在于提高本方法的计算精度。
标定的方法是测量与观察相结合。测量包括成分的采样与化学分析等。观察的做法是，给定一个热值阶跃(例如较大幅度地增加热值)，记录此变化从输送环节的入口到出口的滞后时间，和热值动态算法计算出的热值变化规律进行比较，同时观察炉内燃烧情况的变化(如冒黑烟)，并根据其时间差来修正有关参数(这里主要指管道几何参数的修正)。
根据§4．2．2假定条件(1)，单一煤气的热值是给定的，因此在启动标定时，来自单一煤气源的成分和热值不必标定，但来自混合煤气柜的煤气要标定。
中期标定时，单一煤气柜中煤气成分的标定，应采用分时多次采样求其平均值，并与旧值加权平均，即采用平推滤波的办法，这是基于煤气系统工艺的周期稳定性来考虑的。
(1) 对于双管式煤气柜由出流管采样；
(2) 对于单管式煤气柜，由于入流与出流均通过同一个管，但入流与出流不会同时发生，
以应在出流时(即出流阶段)采样。这意味着采样的难度较大，而且样品的代表性也不如前者。
在数据处理时，对于代表性较差的采样，新值应取较低小的权值。
管道容积的标定，可消除管道积灰引起的几何参数失准而造成的计算误差。煤气柜储量的标定，可消除流量测量误差的积累所产生的现存煤气量的误差，以提高混合储存环节的计算精度。
上述措施对于本算法十分重要，是本算法得以准确运行的基本保证。顺便指出，即使不采用本算法，仪表系统的标定也是要定期进行的。
对于本算法来说，获得用户处的热值和理论空气需要量的关键就是得到准确的混合站前高、焦炉煤气流量和混合站后各用户所用煤气的流量，因此煤气流量的准确测量与修正十分重要。
孔板流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的最常用的流量仪表[45]。这是因为孔板流量计结构简单、工作可靠、又具有一定准确度，能满足工程测量的需要。而且设计加工已经标准化，按标准加工安装的孔板流量计不需要进行标定也能在已知的不确定度范围内进行流量测量[46]。
5．1孔板流量计测量原理
如图5—1所示，充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，流束将在节流件处形成局部收缩。因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差，流体流量愈大，产生的压差愈大，因而可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流量连续方程(质量守恒方程)和伯努利方程(能量守恒方程)为基础的。
当设计者完成孔板设计后，可以认为口和s恒量，dt=d20[1 +λd(t-20)]，在温度变化不太大的场合，近似为恒量[47]。因此，体积流量F只与△P及ρ有关。△p是我们需要检测的量，而ρ在一般孔板中无检测，为此，气体密度的变化对体积流量影响很大【47]，根据上述，式(5—1)可写成：
5．2温度补偿和压力补偿
式中，P，T，ρ分别为工作状态下的气体的压力、温度和密度；R，瓦，岛分别为标准状态下气体的压力、温度和密度；z一工作状态下的气体的压缩因子。
压力不太大时近似为z=1[37]，将式(5--3)代入式(5--2)中，可得
由式(5--4)可见，若能检测出工作状态下的温度和压力，并按式(5—4)进行运算，则可得经过补偿后的气体体积流量。
式(5--5)表示在设计状态(Pn、Tn)下，孔板差压△P对应的流量En，此Fn即为二次仪表的显示值。而式(5--4)的F即为实际工作情况下流过孔板的流量，由式(5--4)和式(5--5)得
由式(5-6)可见，实际工作情况(P、T)与设计情况(Pn、Tn)下，相同差压ΔP测得的流量值是有差别的，即T增高或P减小，则实际流过孔板的流量大于二次仪表的显示值。
由于工作条件下的压力P和温度T与设计条件下的压力Pn和温度Tn不同，因此，在相同的体积流量的情况下，所检测的差压ΔP值是不同的，必须对ΔP进行修正，由式(5-4)和式(5—5)得
经式(5—7)运算，即可解决流量的温度补偿和压力补偿问题。
5．3混合比变化的密度补偿
由式(5—1)可见，密度与差压处于同等重要的地位，如果密度测不准，则即使差压测量为高精度，测量结果的精度也不会高，但这点实际上往往易被忽视。流经孔板流量计的煤气流量与密度平方根成反比，当其他参数不变时，密度越大(小)，流量越小(大)。而在孔板流量计实际工作中，却把煤气密度取为定值，因此，孔板流量计显示的流量大小，只与设计密度P。有关，而与实际煤气的密度P无关。这对于单一气源的流量测量影响不大，本文假定高炉煤气和焦炉煤气成分不变，只需进行温度和压力修正即可。但是混合站后的混合煤气由于高、焦炉煤气配比的变化，其密度也变化。使用孔板流量计时，如仍把混合煤气密度取为定值，就将产生很大的计量误差，该误差的大小为
。如以设计热值为8000 kJ·m-3的混合煤气的流量测量为例，混合煤气成分从纯焦炉煤气到纯高炉煤气变化时，流量计会因混合煤气密度变化产生最大为40％的计量误差，因此要对混合煤气由于混合比变化引起的密度变化进行修正。
式中，下标：m为混合煤气，b为高炉煤气，c为焦炉煤气，口为标定气体，一般是空气。
式中，R为流量计显示的煤气流量，F为实际的煤气流量。
流量的温度修正和压力修正已为人们所注意，但是，对于混合煤气的流量测量，由于混合比的波动引起煤气密度偏离孔板设计值的影响并未引起重视。为了准确测量流量，对此加以修正是十分重要的。
结论
煤气热值动态算法是测量与推算相结合的方法，本文基本点是在管网几何参数确定和流量测量信息基本完整的条件下，采用计算的方法确定管网各处的热值。主要研究结论如下：
1．本文所提出的煤气系统五个基本环节的定义及相应的基本算法可以作为煤气系统各节点煤气热值动态跟踪算法的基础。复杂煤气系统均可由这五个基本环节的组合来描述。
2．本文提出的方法以计算为主，在几何条件确定之后，其输入只包括各种相关的流量信息，而这些信息均属于正常计量所必备的。所以，本方法对硬件投资没有额外要求。
3．采用本文提出的方法能够在线实时推算出用户处的混合煤气热值和燃烧理论空气需要量， 从而调节空燃比，实现最佳燃烧控制。
4．本文所提出的系统的启动的方法可避免启动时系统的盲区，而标定的方法是减小误差的有效方法。
5．即使在配置了热值仪的系统，本文的方法也有实用有意义。
例如，当热值仪设在混合站时，本方法可根据输送环节的特性实现用户处热值与L。的动态实时确定，即在热值仪测量结果的基础上解决输送管路中的滞后问题。当热值仪在用户处，本方法的结果是无滞后的，它可与热值仪检测结果通过滤波处理，以取得更接近最优的估计。这有助于消除热值仪检测的滞后。
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气柜分为湿式和干式两种结构。建国以来，国内建造了大量的湿式气柜，这种气柜是靠水密封的一种螺旋式塔节结构，具有结构简单、造价低、省钢材的特点。其不足在于气柜靠塔节经常升降，处于干湿交替状念，容易腐蚀，尤其在夏季，要防止水封的水蒸发，冬天还要防止水封的水冻结。根据气柜的连接特点，气柜高径比h／D(h-气柜高、D一气柜直径)一般在0．7～0．8，占地面积大，使用寿命短，通常在20～25年进行大修或者报废。
自80年代以后，干式煤气柜广泛用于城市民用和钢铁厂生产。这种气柜为正多边形，在活塞与柜壁接触的周边用稀油密封，其结构使用起来操作简单，运转安全可靠，贮气压力高、稳定。特别是在北方地区不需要防冻处理，气柜高径比h／D=1．5左右，占地面积小，由于气柜内壁有油膜保护，其使用寿命可达50年以上。干式煤气柜在制造工艺上要求精度高，但随着现代加工工艺水平的提高，对构件高精度制做已不成问题。由于干式气柜比湿式气柜具有很多优点，因此，它已成为我国今后煤气柜发展的趋向【43]。
目前，干式煤气柜的形式、容积已形成系列化，见表一所示。
从表A一1可见，干式煤气柜容积大，消耗的钢材量相对经济。国内目前最大直径的干式煤气柜为30万m3，在亚洲也是容积较大的一台，并于1995年2月已在上投产【43]。干式煤气柜今后的发展将是普遍的，随着国民经济的建设和发展它将起着重要的作用。但从气柜结构容积上考虑，其容积和高度不会增加太多。
干式煤气柜：
干式煤气柜因密封方式不同可分为三种形式，现已被世界各国广泛采用。
1．威金斯(WIGGINS)型煤气柜
威金斯型干式柜是美国约翰·威金斯(JOHNWIGGINS)创造的，1940年在美国建造了第一台(容积1480m3)。它是不使用干油或稀油密封的干式柜，在侧板与活塞之间采用合成橡胶薄膜密封。日本的威金斯干式柜是日本月岛机械株式会社和美国通用运输公司的技术合作产品，称月岛一威金斯型。
2．(M·A·N)型干式柜
1915年由德国查格斯契兹博士创造的，侧板为正多边形，侧板与活塞之间采用稀油密封。三菱重工于1968年由西德引进专利后，经过改进建造了M·A·N—MHI型干式柜。
3．(KLONNE)型干式柜
1927年德国可隆公司创造，侧板为圆筒形，侧板于活塞之间采用干油密封。日本三菱重工于1965年由西德引进专利，对密封装置进行改革，提高了储气压力，称为三菱重工干式柜。
4．新型柜
新型柜的进气方式由柜侧边进气改为柜中心进气，大大改善了气流对活塞的影响，使进柜的气流分布较均匀，不形成旋转气流，消除气流单边作用造成活塞倾斜时导轮对立柱侧板焊缝的压力增大，避免焊缝受到破坏，同时还起到防止活塞倾斜和水平方向旋转的作用。
新型煤气柜是属于干式煤气柜，但它不同于上述三种，它综合了上述的三种煤气柜的优点，由曼型千式柜改良而来的，在国内同行业属独创。但由于新型煤气柜不同于湿式柜，它开发时间较晚，设计方面在国内还没有形成统～的标准，只能参照国外的资料，对它的强度和刚度以及其他方面的安全因素并未加以详细规范，现阶段只能依照设计人员的经验来设计。
活塞是气柜的主要构件，也是核心，气柜使用的好坏取决它。在气柜运行中，随煤气压力大小的变化而上下升降，利用活塞上的配重块来调整气柜贮气压力的设计要求。
活塞到达上限时，煤气柜的放散阀要打开；活塞到达下限时，煤气柜底部要充入混合煤气，防止气柜抽瘪。
湿式技术老，干式是90年代以来的先进技术。其优缺点如下[43]：
1．湿式煤气柜贮气压力低，最高压力约3．5kP。，不能直接与煤气管网连接，柜后需增设升压装置，从而增加基础建设和运行耗电费用。而且贮气压力也不稳定，经常随柜节升降而波动。干式煤气柜贮气压力高，压力可按需要设计，最高可达lOkP。，由于压力高，柜后不需增设升压装置，可直接并网使用，而且贮气压力稳定，波动较小。
2．湿式气柜柜节在升降过程中经常浸水，处于干、湿交替状态，柜壁极易腐蚀，需要经常进行防腐处理，一般投产五年就需要涂漆，维护费用高。干式气柜内壁有密封油膜保护，外壁只受大气影响，防腐维护费用较低。一般寿命可达50年以上。
3．湿式煤气柜升降速度小，最大lm·min-1左右，煤气吞吐量小。干式气柜活塞升降速度大，最大可达5 m-min-1左右，煤气吞吐量大，对非正常情况反应及时。
4．湿式有较大的水封槽，槽内水重占总重的96％，大大加重了基础荷重。干式没有水槽，径比大，占地面积小。
5．湿式煤气柜水封槽内有大量的水，在北方寒冷季节，为防止水冻结，需要耗用大量的蒸汽保温，耗汽量约为5t·h-1。左右。干式气柜在寒冷季节只需对密封油加保温，防止其因温度低而粘度增大，保温所用的蒸汽量很少，仅为0．5t．h-1。
6．湿式气柜经常有污水排放，特别是当气柜停运检修时，要排放大量的污水，排放量约为3．9万吨。干式气柜只有少量的冷却水外排，处理简便，不污染环境。湿式气柜需要经常向水封槽内补水，保持一定的水位，防止气体泄漏，寒冷季节还要防止水冻结，操作复杂且安全系数低。干式气柜一般是随管网压力变化活塞自动升降。可在室内遥控操作，甚至自动操作，每周只需进柜检查一次，操作简便，安全可靠。
建国以来，我国设计建造了许多种容积的湿式煤气柜，主要用于工业生产上。而干式煤气柜起步晚，在80年代初我国自行设计、建造了第1台2万m3干式煤气柜，随后又设计建造了3万m3、5万m3、10万m3、L万m3、20万m3、30万m3的干式煤气柜【39]。它不仅用于城市民用，缓解城市煤气供应紧张的状况，而且广泛地用于现代钢铁厂生产建设上，如用于唐钢、广钢、昆钢等，并在钢铁厂中起着重要的作用,[48-50]。
附录A煤气柜简介
参考文献
式中，F为工作状态下的体积流量，m3．h－1；α为流量系数；ε流束膨胀系数：dt为工作状态下节流装置的开孔直径，m；△P为孔板差压，Pa；ρ为工作状态下被测流体的密度(流量计上游处)，kg·m-3。
第五章煤气流量的综合补偿
除了启动阶段之外，当软件的参数标定和修正时，也可能要暂时转为手动。要指出的是，热值手动时只是决策值不投入使用，但跟踪计算是照常进行的，以便为系统随时转入自动创造条件。
式中，Fi为各用户煤气流量，m3·h一1；艺为混合煤气总流量，m3．h-1。
图4—27所示的煤气系统包括一个混合环节、三个输送环节(A—B、B—c和B—D)和一个分流环节。考虑到干管和支管的关系，有
从图4—10～图4—24中可知，在煤气热值的“输送”中，输送环节是一个纯滞后环节，由于流量变化，滞后时间也在发生变化。
由式(4—18)可知，随着煤气温度的变化，g发生变化，从而影响Lom。本文中混合煤气理论空气需要量可按式(4--18)计算，再根据式(4—17)进行修正。
式中,WI为热值指数(又称为华白指数)。
式中，ΔPa、ΔPg分别为空气和煤气管道孔板前后的压差，Pa；ρa，ρg分别为空气、煤气的密度，kg·m-3；Ka、Kg分别为空气、煤气管道的孔板常数，m2；cpa为空气的定压比热，kJm-3．K-1。
热值仪是一种高速数字式燃气热值测量装置，能够连续在线测量可燃气体的热值，并且能同时输出这三种参数的4～20mA信号。
3．1热值仪的工作原理
第三章热值仪在煤气系统中的应用
2．4混合站煤气热值的调节
1．1研究背景
第一章引言
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