国内唯一专业从事煤化工控制技术研发的高科技公司 主要从事焦炉煤气流量系统等开发研究

第一部分  概述
包括焦炉煤气、高炉煤气、混合煤气流量的准确测量在仪表行业被称作高难度气体。
工厂用焦炉煤气、高炉煤气、半水煤气、混合煤气等都是一种混合气体，由于这类气体含有杂质（如焦油、粉尘、萘结晶等等），又称作脏煤气；由于其中含有饱和水汽，又称作“饱和煤气”，其水汽含量随温度的变化而变化，从而造成被测介质组分不断发生变化，这违背了常规流量计“被测介质组分不变”的设计基础，因此，在焦化行业常常听到“煤气流量测不准”、“这是一个很头疼的问题”等说法，结算双方也常常为此而发生争执。
煤气中含有的杂质（如焦油雾、萘结晶、粉尘等）都会黏附在流量传感器上，造成测量失真，也会直接影响测量结果。
CH系列煤气专用流量计量装置很好地解决了上述难题。
第二部分  各种煤气的特点
一  焦炉煤气
1  标况下干煤气组分
Ｈ2-----------------50～59％；
ＣＨ4--------------23～29％；
ＣＯ---------------5.5～8％；
ＣｎＨｍ------------2～4％；
ＣＯ2--------------1.5～3％
Ｎ2------------------3～7％；
Ｏ2-------------------0.3～0.8％；
工厂用焦炉煤气中还含有少量其它杂质，比如焦油雾、萘结晶粉尘等，其含量在各个企业略有不同，但含量很低。
2  标况下干煤气密度
由于配煤和操作制度的差异，各焦化企业所产焦炉煤气的组分构成略有不同，干煤气密度一般在0.45～0.52kg/ｍ３之间。
3  低热值
17000～19000kj／m3（4063-4541大卡）
二  高炉煤气
1  标况下高炉干煤气组分
H2-------------------------------1.5-3.0%
CH4------------------------------0.2-0.5%
CO-------------------------------25-30%
CO2-------------------------------9-12%
N2--------------------------------55-60%
O2--------------------------------0.2-0.4%
工厂用高炉煤气中还含有少量焦油和粉尘等，其含量在各个企业略有不同。
2  标况下高炉干煤气密度
钢铁企业所产高炉煤气的组分构成略有不同，干煤气标况密度一般在1.29～1.30kg/ｍ３之间。
3  低热值
一般在3500kj／m3左右（约836大卡）
三  煤气流量测量的难点
1  水汽含量的变化
工厂用的各种煤气多属于“饱和煤气”，其中的水汽含量随煤气温度的变化而变化，并遵循道尔顿分压定律，煤气中的水分含量可以根据特定的数学模型计算出来。
介质组分变化之后，其密度、低热值等都在发生变化，流量方程的温压补偿功能无法矫正水汽造成的流量失真，因此如果不考虑水汽的影响，煤气流量的测量误差会很大。
如焦炉煤气，在接近洗苯塔出口处，煤气温度一般在35℃左右，远距离输送之后，其温度降低20℃以上的情况很普遍，尤其是在秋冬季节，这种现象就更明显，因此，在同一条煤气管道上的不同管段测量出来的煤气流量差距往往在10%以上。
2  密度的确定
密度是流量测量中的一个重要参数，各企业的高炉煤气、焦炉煤气和混合煤气密度是不同的，实践中发现，许多用户提供的煤气密度是不准确的，这会直接影响煤气流量的测量准确性。
准确的密度值应根据煤气的实际组分采用摩尔定律计算确定。
3  低流速影响
各种煤气都是依靠风机输送的，为了降低风机功率和电力消耗，煤气管道一般设计的比较粗，因此煤气流速都比较低，这意味着以贸易计量为主的煤气流量计，其量程比要求都很宽，以涵盖可能出现的最大流量和最小流量，而常见流量计的量程比一般不会超过1：10，能够准确计量的量程比一般在1：7以下，远远不能满足贸易计量的需要。
4  杂质影响
焦炉煤气中的焦油雾和萘结晶、高炉煤气中的粉尘和焦油都会粘附在传感器上。
煤气中的杂质对煤气流量测量产生两方面的影响，一是造成流量仪表测量精度下降或测量失败；另一方面是影响煤气密度的准确性，从而影响测量精度。
结论：一款实用、精确，可用于贸易结算的煤气流量计必须很好地解决上述问题。

第三部分  CH型煤气专用流量装置
一  简介
CH型煤气专用流量计量装置是根据煤气的流量特性，经数年研究推出的创新的高科技产品，目前已申报4项国家专利，其中包括1项发明专利。

这是一款高精度的流量计量装置，采用西门子PLC控制，触摸屏操作显示，集智能流量积算仪与探头清洗控制于一体，在干煤气流量基础上测量饱和煤气流量，保证了煤气流量的测量精度。
二  技术指标与功能
1  用于常规气体测量时，传感器精度0.5～1级，系统精度１～1.5级；
2  用于饱和煤气流量测量时，系统精度1～3级；
3  量程比最大可达到1：100，全量程高精度；
4  具有约定流量功能，小于流量下限（最小流量）时，执行约定流量（瞬时流量）；
约定流量由供气方与煤气使用方协商确定，需方不能确定约定流量的，系统默认最小流量为约定流量，即当检测出的流量数据小于最小流量时，系统按最小流量计算煤气流量。
5  具有停气切断控制接口和强制停气授权操作功能。
6  具有压力、温度、压差、瞬时流量显示功能，同时具有累积流量显示、查询、统计报表和打印输出功能；
可根据需要显示干煤气流量和饱和煤气流量。
7  本装置适合壁挂安装，防水设计。   
8  本装置具有网络通讯功能，如果多台同时使用，配合计算机技术和网络通讯技术可以组成工厂能源管理系统。
三  工厂能源计量管理系统
多台CH型煤气流量专用计量装置可以组成工厂能源计量管理系统，采用计算机技术进行综合管理和控制。
可实现计量报表、即时监控、查询、打印等多种功能
网络拓扑示意图如下

第四部分  CH型煤气专用流量装置是如何解决测量难题的
一  技术创新
1  专用流量积算装置—发明专利
常规流量积算仪测量混合气体有一个重要的设计基础：被测气体的组分必须是稳定的。
饱和煤气中的水汽含量随温度的变化而变化，但常规流量计默认介质组分不变，打破了常规流量计的设计基础，因此不可能提供准确的测量。
高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气等都属于饱和煤气，其中的水分含量随温度变化而变化，并遵循“道尔顿分压定律”，下表是饱和煤气温度与煤气密度关系的部分数据。
由下表看出，在饱和煤气中，无论是工况密度ρ1，还是标况密度ρo，都随温度的变化而变化。

温度/℃	干煤气标况密度为0.4959kg/m3时，一個大气压下，不同溫度下的工况密度（ρ1）	干煤气标况密度为0.4959kg/m3时，不同温度时煤气的标况密度（ρo）
0	0.4978	0.4978
15	0.4751	0.5012
30	0.4586	0.5090
45	0.4510	0.5253
60	0.4568	0.5571

式中：
Qvo --标况（0℃、1标准大气压）体积流量,单位：Nm3/h
ΔP --压差，单位：Pa
 --气体工作状态下的密度，单位：Kg/m3
 --气体标准状态下的密度，单位：Kg/m3
K--仪表系数（流量计实流标定时得出的系数）
这是气体流量计量的基础方程式，现代气体流量数学模型都是对这一方程式的完善和补充。
从方程式和上面数据表看出，温度对煤气密度影响极大，从而直接影响流量测量的准确性。
CH型煤气专用流量计量装置，采用现代控制技术和独有的流量模型，根据不同温度点的水汽分压进行补偿计算，保证了对煤气流量的准确计量。
为了保证测量的准确性，CH要求用户提供准确的组分数据，由CH装置自行计算相关的参数，这些参数不仅仅包括密度，还包括对流量测量有重要影响的粘度系数、雷诺数等等。
2  旋风式吹扫装置—专利
旋风式吹扫装置是一个特制的蒸气吹入装置，通过此装置可以将高温蒸汽旋转着喷入传感器内部，定时将传感器测量部加热至一定温度，并保持适当的时间（10～20S），焦油和萘结晶会在短时间内融化或蒸发流走，保证传感器始终保持必要的测量精度；
3  专用导压集液装置—专利
导压集液装置实际上一个专用的防堵取压装置，可以有效地防止取压管堵塞，确保压力信号传输准确稳定；
4  量程倍增设计—专利
这是适应煤气贸易计量需要，针对宽量程计量需要专门开发的一项专利技术。
如山东雷奥外供煤气计量，要求煤气流量从100～10000Nｍ３/h之间都要做到准确计量，量程比为1：100，就采用了量程倍增设计。
二  高品质的配套元件
1  高精度传感技术
我公司与资深传流量感器制造商建立了长期稳定的技术合作关系，充分利用传感器技术发展的最新成果，流量传感器出厂前逐台标定，多段补偿，各个测量段精度均可达到0.5级。
2  高品质的控制元件
CH型煤气流量专用计量装置采用的控制检测元件均为进口或合资产品，（如差压变送器选用EJA或罗斯蒙特产品、PLC采用西门子产品、电磁阀采用了重庆耐仕产品等），保证产品的长期可靠运行；
三  现场考察
高精度的计量建立在对现场的细致考察和深入理解。
CH需在此基础上确定以下事项，以保证计量装置稳定可靠实用。
1  协助需方准确确定一系列可能影响计量精度的参数；
2  所有的流量传感器都有其最适合的应用范围，CH装置需要根据现场工艺状况选择最适合的流量传感器。
CH配用的流量传感器都是特制的专利产品，经常选用的流量传感器包括V锥、楔形、平衡式和威力巴等。
四  实流标定
CH配用的流量传感器均经实流标定，并可提供标定证书。
第五部分  基本配置

序号	名称	型号规格
1	专用流量控制箱	含PLC、触摸屏、专用软件
2	特制流量传感器	含导压缓冲装置等
3	智能微差压变送器
4	智能压力变送器
5	温度传感器
6	清洗控制设备
7	实流标定证书

第五部分  造成流量争议的其他因素
燃气设备都有一个额定用气量，这个额定用气量是根据煤气的标准低热值计算确定的。下列因素会造成实际用气量偏离额定用气量。
一  煤气的有效热值
煤气的有效热值是在煤气低热值基础上，去除了CO2、N2、H2O等不可燃气体带走的热量之后实际可利用的热量，对设备的实际用气量有直接影响，不可燃气体组分比例越大，有效热值越低，煤气用量越大。
1  根据某厂提供的组分数据如下：
CO-----------------23%
CO2-----------------12%
H2-----------------2.4%
CH4-----------------0.3%
N2-----------------60%
据此计算的煤气低热值数据为3300 KJ/m3左右，正常供气温度是60℃

1. 60℃时该焦炉煤气热值大约2637 kj/m3，计算依据如下

60℃时该高炉煤气的组分大约如下：
CO-----------------18.4%
CO2-----------------9.6%
H2-----------------1.92%
CH4-----------------0.24%
N2-----------------48%
H2O-----------------20%（约130g）
Q热=（12730*CO+10840 H2+35840 CH4）/100kj/m3
=2637 kj/m3

3  另外，加热过程中，那些不燃烧的气体会带走大量的热，带走热量的数量按比热容计算：CO2约为0.8 kj/(kg.℃)；N2约为1.04 kj/(kg.℃)；水蒸气约为2.1kj/(kg.℃)…

二  煤气压力
如果用气设备的内部阻力是确定的，供风量是固定的，那么进入用气设备的煤气压力将直接影响设备的用气量。
压力越高进入用气设备的煤气就越高，反之则越少。
这种情况下，稳定压力就是稳定流量，务必引起重视，一旦煤气压力高于需要的压力，就会造成煤气过量供应，煤气燃烧不充分生成大量的CO随废气排入大气，发热量不足，燃气设备内部温度不升反降，造成煤气浪费。
 三  空燃比
空燃比是指空气流量和煤气流量的比例。合适的空燃比可以有效地保证煤气的利用效果。
如果空气量过大，多余空气必然造成废气量相应增加，会有相当一部分热量随多余废气逸入大气，造成热量损失，用气量就会增加。
如果煤气量过大，多余的煤气不能充分燃烧，废气中CO量增加，也会造成煤气的浪费。

一  概述
在多焦炉共用一套鼓冷系统的情况下，各集气管的压力波动相互影响，具有耦合严重、非线性、时变性、扰动激烈的特点，对环保排放要求和生产有直接影响，是焦化行业的控制难题之一。
焦炉集气管压力波动的根本原因有两个:
一是各焦炉所产生的煤气量（体积）与煤气管道吸力不能随时保持匹配所致，当集气管内的煤气量增加时，负压管道的吸力不能及时加大，当集气管内的煤气量减少时，负压管道的吸力又不能及时降下来，从而造成集气管压力的剧烈升高或降低；
二是当多集气管共用一套化产系统时，风机吸力在任何一瞬间都可以认为是一个固定的“常量”。
此时，集气管负压管道上任何一个调节翻板位置发生变化，都是对这个 “常量”的重新分配，任一集气管负压管道吸力增大（或减小），都意味着其它集气管负压管道吸力的减小（或增大），吸力的变化必然引起集气管压

力发生相应的变化，当多个集气管负压管道的吸力和集气管内煤气总量不匹配时，就会发生耦合震荡现象，从而造成集气管压力的剧烈变化。
集气管压力人工智能控制装置（系统）的主要任务就是通过一定的控制模型，协调各集气管调节翻板的动作，使各集气管负压管道的吸力与相应集气管内的煤气量（或压力）及时协调匹配；调节风机转速，保证风机吸力与焦炉所产生的煤气总量及时匹配，从而保证集气管压力的稳定控制。
当采用液力耦合器调速时，由于速度调整过于频繁会造成液力耦合器故障偏高，往往以大回流或者小回流为主要调节手段，液力耦合器作为辅助调节手段。
我公司开发的SM-YL600A多集气管压力人工智能控制装置（系统）采用了神经网络控制技术和人工智能控制技术，成功地解决了上述问题，较好地实现了焦炉集气管压力的稳定控制。
二 现场工况
煤焦化企业焦炉为2×55孔5.5米捣固焦炉；
4集气管共用一套冷鼓系统2台离心风机（一开一备）；
风机调速采用液力耦合器带动，大回流管道设有自动调节阀；
上煤采用无烟装煤技术—以向集气管内喷高压氨水形成负压为主要手段的临室负吸工艺--配有四只高压氨水流量计与四只集气管相对应。
根据现场工况，应采用SM-YL600A四集气管压力人工智能控制装置（系统）。
焦炉四集气管配置及煤气流程示意如图1。
三  控制原理(见图2)
    该系统的基本思想是：将焦炉、风机、机后用户等看作一个有机的整体，将对集气管压力波动有关键影响的可控设备（主要是风机、集气管负压管道上的自动调节翻板、大回流翻板等）看作一个个的“神经元”（如图1中的Z1、Z2 、Z3、Z4、Z5翻板和风机F1、F2），利用现代计算机技术将这些“神经元”构成一个具有“互动”功能的神经网络控制系统（见图2），以动制动，当集气管压力发生变化时，系统根据一个模糊数学模型对集气管压力（Y1～Ｙ4）、初冷前吸力（Y5）和机后压力（Y7）的变化进行综合解析，智能地确定各“神经元”（Z1、Z2 、Z3、 Z4、 Z5 、F1或F2）之间的函数关系，紧紧围绕各集气管压力设定值计算出各“神经元”之间的“互动”参数，自动平衡、调配翻板阀位和风机转速，始终保持各焦炉集气管压力高精度控制所需要的最佳吸力，神经网络和人工智能共同作用，自动平衡，智能解耦，实现了多焦炉共用一套鼓冷系统条件下集气管压力的平衡控制。
四  系统特点
1  该系统设有风机调速和大回流调速两种总量调节手段。
风机调速的好处是可以节约风机电力消耗，但根据本公司的经验，风机采用液力耦合器调速时，风机调速往往造成液力耦合器频繁故障，此种工况下，建议厂家以大回流调节为主，风机调节为辅。
在煤气总量（体积）变化不大的情况下，风机转速或大回流基本保持不变,只通过调节集气管翻板阀位即可实现集气管压力的稳定；
如果以大回流调节为总量调节的日常手段，那么，当煤气总量(体积)变化较大(如喷高压氨水等),造成集气管压力剧烈升高或降低时，系统才会自动调节大回流调节阀，使风机吸出总量与煤气体积总量随时保持匹配,只有在焦炉产量大幅变动时才会调整风机转速，以适应煤气总量的变化。
2  总量调节（风机调节或大回流调节）往往滞后于压力的变化，本系统引入高压氨水流量(Q1～Q４)作为风机转速调节或大回流调节的前置信号,快速抑制喷高压氨水对集气管压力的影响，使得集气管压力更趋稳定；
3  本系统引入了机前和机后压力信号，可以有效地规避离心风机喘震区和不灵敏区，对风机安全运行有重要意义。
五  系统技术指标及功能
1、系统具有自动和手动运行功能，自动运行时，系统对各焦炉集气管压力、风机转速、大回流等进行全自动控制，集气管压力控制精度可达到设定值±20Pa，合格率达到90%以上；
2、由出焦、上煤、交换、喷高压氨水等因素使集气管压力超标时，集气管压力控制在设定值±60Pa之间，并在20秒以内调回，有效避免炮眼冒火或负压运行；
3、具有鼓风机转速高低限报警、机后压力高低限报警、机前吸力高低限报警等功能；
4、全汉语操作, 参数异常对话框提示，具有报表打印输出功能。
5、通过组态实时监测相关参数，进行参数实时趋势显示和历史趋势记录，工艺流程图形象直观。
6、集气管压力设定值可在线修改，单个设定值修改后10秒左右恢复正常，全部集气管压力设定值同时修改后60秒内恢复正常。
六  调控方法与作用
1、稳定集气管压力，以集气管压力设定值为目标值，控制集气管调节翻板阀位，随时跟随集气管压力的变化，实现集气管压力的稳定，当集气管压力升高时，加大翻板开度；当集气管压力降低时，减小翻板开度，当集气管压力过高时，同时调控风机转速或大回流翻板阀位，三者相互配合，实现集气管压力的平稳控制。
2、SM-YL600A系统是以神经网络技术为基础的人工智能控制技术，大部分情况下，只通过集气管调节翻版就可以实现集气管压力的稳定，风机调节（包括变频调速、液藕调速、回流调速等）完全模拟人工调节方式，风机调控量比较缓慢，对风机起到了有效的保护作用。
3、风机转速报警控制可以有效地保证风机安全，当风机转速接近临界转速时，系统将发出报警，同时无论集气管压力怎样，系统这时候将不会继续提高或者降低风机转速,只能进行人工调整。
4、机前吸力报警控制主要是为了保证电捕焦油器的安全，当机前吸力过高时，有可能造成煤气氧含量过高，这时候系统将进行报警提示，系统将逐渐恢调整风机转速是机前吸力处于安全状态。
5、机后压力报警控制主要用于当机后用户煤气用量突然调整用量，机后压力过高或过低时提示进行煤气放散或者其他处理。
七  关于风机调节
在SM-YL600A控制系统中，风机调节主要目的是保证风机吸力与煤气体积总量相适应，保证集气管压力的稳定。
风机调节手段有很多，包括入口节流、出口节流、大（小）循环调节和调速等几种，在这几种调节手段中，调速是最科学的——有系统稳定、喘振区随着转速的降低而降低、煤气温升减小和耗电量降低等优点。
但因高压变频器价格昂贵，大型高压风机多采用液力耦合器调速，调速所带来的风险和损失要大于调速所带来的好处，此种工况下往往采用大循环调节或者小循环调节。
（1）小循环与大循环调节
大、小循环调节各有优缺点。
大循环调节是将风机转速相对固定在一个速度点上，将风机后一部分煤气重新返回到初冷前，调节这个返回量的大小以平衡煤气总量的变化，保证集气管压力的稳定；当风机处于最低转速而煤气总量依然过低时也常常采用，其优点是可以有效的降低风机故障，缺点是增加初冷器的负担，增加了冷却能源消耗。
小循环调节也是将风机转速固定在一个速度点上，不同的是将风机后一部分煤气直接返回到风机前，调节这个返回量的大小以平衡煤气总量的变化，保证集气管压力的稳定，其作用和优点与大循环相同，其缺点是会造成机后煤气温度升高，煤气体积增大，增加了后续工段对煤气降温冷却的能源消耗。
（2）关于变频调速和液耦调速
380V变频调速器与液力耦合器的价格相差不是太大，所以380V的电机一般用变频调速器进行调速；而6000V以上电机的变频调速器价格远远高于液力耦合器，另一方面，目前常用的高压变频器一旦出现故障，维护困难，影响生产，因此高压大功率风机多采用液力耦合器，可实现风机的软启与调速。
液力耦合器一般通过一个电动执行机构调整“勺管”位置进行调速，其控制精度一般为数十转甚至上百转，很难满足集气管压力高精度控制的需要。
在SM-YL600A中，我们可以对液力耦合器上的执行器进行改造，经改造后其控制精度达到20转左右，调速效果已接近变频器。
但在实际使用中已发现，液力耦合器频繁调节往往会造成较高的故障率，因此，当系统必须采用液力耦合器调节时，SM-YL600A系统一方面采用模拟人工调节方式，尽量避免快速调节对液力耦合器的冲击，但这种调节方式有时候不能及时跟随压力的变化。因此，我们常常建议增加大回流或小回流调控手段，以便更好地保护风机。
当然，最理想的调控手段是风机采用变频调速，既可以节约电力，又可以实现理想的调速目的。
（3）煤气放散
风机速度调节是有限度的，当集气管压力居高不下，而风机转速已接近“喘振区”或“不灵敏区”极限状态时，系统将提示进行煤气放散或转为手动操作。
煤气放散一般由焦炉的其他系统进行控制。
八　系统构成

SM-YL600A系统硬件由1套PLC、1台工控机和1套仪表操作盘构成（见图3）、工控机和仪表盘互为备用。 正常情况下由PLC实施控制和调节，数据上传到工控机进行记录。仪表盘一套备用的辅助控制设备，当系统检修时可以转入智能仪表控制，同样具有风机和集气管压力的自动或手动控制。

 

九  功能界面
1、主画面

2、 实时曲线

3  报警事件记录

4  历史曲线