（中国钢研科技集团吉林工程技术有限公司，吉林 长春 130022）

在实际生产中，高炉所用的燃料及冶炼的生产工艺都会对煤气的产生量及煤气的成分产生一定的影响，这样短期内的就会产生不平衡，影响供需平衡，对煤气的使用造成影响。因此，有必要对煤气的产生、使用、存储等做进一步的动态建模，以支持更细节的煤气的研究、分析和优化。

1 高炉煤气系统的组成和特点

钢铁企业煤气系统涉及煤气生产、输送、分配、消耗诸多环节，管理对象一般包括高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。高炉煤气系统包括:高炉煤气发生源(高炉)，高炉煤气的存储和输送(煤气管道和煤气柜)，高炉煤气的用户(包括基本用户和缓冲用户)。其中高炉煤气基本用户是生产工艺过程中需要使用煤气的用户，煤气的主要作用就是满足这些用户的需求，这些用户在煤气有盈余时使用煤气进行生产，当煤气产量减少时，则需停止使用煤气而调换其它燃料，煤气混合站将两种或两种以上热值不同的煤气混合在一起，以保证用户热工制度的稳定和工艺流程的要求，一般设有热值、压力、流量等调节设备进行调节，调节方式有流量配比调节和热值指数调节。正常情况下煤气的的储存量与高炉生产是息息相关的，生产越稳定，煤气的消耗越均衡，同是对于瞬时的平衡供应越有利。但在现实的钢铁企业生产过程中，高炉会发生故障的时候，或是检修期间等原因会使高炉生产中断，这样就会影响煤气消耗的波动，对供需平衡造成严重的影响。特别是加热炉等煤气消耗较大用户的生产波动，往往是造成放散的主要原因。

2 高炉煤气系统动态模型的建立

2.1 高炉煤气产生和消耗动态模型

高炉煤气动态模型的建立，需要将煤气的动态变化信息表现出来。整个钢铁制造流程是一个既包含连续运行过程、又包含间歇运行过程的准连续运行流程，高炉煤气的动态性主要表现在具有间歇性的工序生产上。因此，动态模型的建立需要考虑生产工序的不同状态和阶段，对不同的生产状态和阶段建立相应的模型。根据煤气的使用和消耗情况将相应的工序划分为生产阶段，不同的生产阶段反映了煤气产生和消耗的不同特点。在生产阶段的基础上，建立了高炉煤气用户的动态消耗模型。

2.2 煤气混合加压站模型

2.2.1 煤气混合加压站高炉煤气消耗为

式中，n 为混合煤气的用户个数;t为时间;qka，混为第k 个混合煤气用户的高炉煤气消耗。发电厂和锅炉一般都使用混合煤气，这里也将其作为混合煤气的一个用户。这是因为发电厂和锅炉为缓冲用户，对煤气的使用具有一定的调节作用，其调节作用表现在对混合煤气的消耗上。

2.2.2 发电厂中煤气消耗设备主要是锅炉，一个发电厂一般有若干个锅炉，其煤气消耗模型与用于供汽的锅炉相同，因此，将发电厂的煤气消耗与锅炉的煤气消耗一起考虑。则锅炉(包括发电厂内锅炉)的煤气消耗为

式中，I 为锅炉的个数;qiα，锅为第i个锅炉的煤气消耗量。对于一般混合煤气的用户，用户的数量是固定的，即混合煤气的消耗与其生产相关，很难针对混合煤气供应的多少进行调节。而发电厂和锅炉的i 值是可以变化的，即可根据煤气供应的量将某些锅炉的燃料进行替换，从而增加或减少煤气的消耗。

2.3 管网系统和煤气柜的存储模型

管网系统压力的变化在一定范围之内，且相对于煤气的产生、消耗量和煤气柜的存储量来说非常有限，而且在煤气的使用过程中，管网系统始终滞留一定的煤气量，因此，忽略其存储量对煤气平衡的影响。煤气柜的主要作用是在煤气产生/消耗量发生短时波动时，及时吞吐煤气，起到以余补欠的作用，同时稳定管网压力、改善煤气用户热工制度。煤气柜既可像发生源一样向管网输送煤气，也可像消耗用户一样，从管网吸取煤气，其煤气的吸入或吐出与管网的压力有关。

煤气柜的存储量为

其中，0≤υ(t)≤Vmax

式中，V0为初始储存量;qβ，高炉(t)为高炉煤气的回收量;qα，i(t)为第i个高炉煤气用户的煤气消耗量;m 为高炉煤气用户个数;Vmax为煤气柜的最大储存量。当高炉煤气供应大于消耗时，煤气柜储存煤气;当消耗大于供应时，煤气柜吐出煤气补充到管网中。

图1 高炉煤气仿真系统功能结构

2.4 高炉煤气动态模型

根据上述分析和高炉煤气平衡原理，可以得到高炉煤气动态平衡方程，表达式为

式中，qr(t)为放散的高炉煤气流量(回收后) 。

3 高炉煤气仿真系统的设计

高炉煤气仿真系统主要用于观察高炉煤气发生量和使用量随时间变化的规律，以及某一时刻高炉煤气的储存量、放散量等，从而判断高炉煤气的平衡状况。煤气仿真系统主要分为系统参数设置、高炉煤气产生仿真、高炉煤气消耗仿真、煤气柜计算和结果处理5 个模块。系统参数设置模块主要用来设置与物流相关的各种参数，如生产计划相关内容、各工序产量等。通过系统参数设置模块，高炉煤气仿真系统与物流数据和生产建立联系。煤气产生仿真主要计算高炉煤气和转炉煤气的回收量。煤气消耗仿真主要计算高炉煤气用户的高炉煤气消耗量。煤气柜计算模块对煤气的存储量及以余补欠功能进行简单计算。结果处理模块将仿真计算的结果进行存储，供进一步分析和研究。

高炉煤气系统功能结构如图1所示。

煤气仿真系统在W indows XP操作系统上开发和运行，开发环境采用Microsoft的Visual Studio.Net，开发语言为C#。

结论

煤气作为高炉的附产品，其产生消耗都不是连续稳定的，压力和成分的变化会改变煤气的可用性，因此为了保证高炉煤气的高效使用，高炉煤气动态仿真系统的应用，不仅可表现煤气某段时间的平衡情况，还可对高炉煤气的瞬间动态平衡情况进行展现，可用来分析高炉及煤气用户生产发生变化对煤气动态平衡带来的影响，为煤气调度提供有效的分析手段和方法。

[1]李文兵，纪扬，李华德.钢铁企业煤气产生消耗动态模型研究 [J].冶金自动化，2008,32(3):28233.