【摘要】在冶金行業(yè)的燃?xì)鈴S里，為了充分利用能源及減少大氣污染，把高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣混合后輸送給下游的各個煤氣用戶，那么混合煤氣的熱值直接影響到下游加熱爐的燃燒狀況，熱值數(shù)據(jù)的獲得將顯得尤為重要，但是傳統(tǒng)的熱值儀測量存在很多弊端，諸如響應(yīng)時間長、測量范圍窄、易冰堵等現(xiàn)象，為了解決這個矛盾，本文將介紹通過測量混合煤氣組份體積百分含量來計(jì)算熱值的在線氣體分析成套系統(tǒng)。

       1. 引言節(jié)能環(huán)保是當(dāng)今發(fā)展的主題，為了充分利用能源，節(jié)能減排，在眾多鋼鐵企業(yè)的燃?xì)鈴S里，通常是把高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣混合后輸送給下游的各個煤氣用戶使用，混合煤氣熱值數(shù)據(jù)的獲得將顯 得十分重要，因?yàn)檫@直接影響到以混合煤氣為燃料的加熱爐的燃燒狀況，對它控制的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和能源的有效利用。傳統(tǒng)的熱值儀存在成本高、響應(yīng)時間長、測量范圍窄、易冰堵停機(jī) 等現(xiàn)象，而在線氣體分析成套系統(tǒng)（以下簡稱分析系統(tǒng))通過測量相應(yīng)的氣體組份的百分比濃度來計(jì) 算出熱值的方法能快速、準(zhǔn)確、連續(xù)地獲得混合煤氣的熱值，下面將對應(yīng)用于煤氣熱值計(jì)算的分析系統(tǒng)做詳細(xì)介紹。

       2.  熱值儀在鋼鐵企業(yè)應(yīng)用中存在的問題煤氣熱值儀是應(yīng)用熱平衡原理對燃?xì)鉄嶂颠M(jìn)行連續(xù)測量的，但在鋼鐵企業(yè)應(yīng)用中存在如下問題。

(1)   熱值儀檢測要求煤氣潔凈程度較高，否則節(jié)流孔板易被雜質(zhì)堵塞，導(dǎo)致氣路受阻，煤氣差壓不 能恒定，熱值運(yùn)算精度降低；

(2)   煤氣處理過程中使用醋酸鉛飽和溶液脫硫、去除焦油等腐蝕物，使實(shí)際處理綜合反應(yīng)時間長， 煤氣成分易發(fā)生變化，發(fā)熱量檢出與熱量計(jì)測量值相差較大，醋酸鉛飽和溶液失效，頻繁更換不僅造成熱值檢測中斷，而且工作量大，原料浪費(fèi)也較大。

(3)   熱值儀電源裝置、電氣線路、儀表本身處于腐蝕環(huán)境中，長久造成電氣元件腐蝕，線路電纜老化引起短路，儀器接點(diǎn)易生銹、粘結(jié)或斷裂，而溫控儀、點(diǎn)火器、檢測元件均采用非標(biāo)準(zhǔn)件，訂貨困難，因此不可能得到及時維護(hù)，造成檢測控制中斷，不能及時點(diǎn)火燃燒等現(xiàn)狀。由于存在上述問題，使得熱值儀應(yīng)用困難重重，而煤氣熱值計(jì)算的分析系統(tǒng)能自動、連續(xù)、可 靠地進(jìn)行樣品采集、處理、分析、計(jì)算、顯示，維護(hù)量很小。

      3.系統(tǒng)的組成及熱值計(jì)算原理高爐煤氣是在高爐內(nèi)焦炭與熱風(fēng)爐反應(yīng)生成的氣體，是一種低熱值的氣體燃料，主要成份包括 CO2(11.2%?18.8%)、CO(23.2%?27%)、H2(2%?2.4%)、CH4(0?0.1%)、N2(55.5%?59.8%);焦?fàn)t煤氣是煉焦?fàn)t在產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時所得到的可燃?xì)怏w，是一種高熱值氣體燃料，主要成份包括C02(1.5%?3%)、C0(5%?8%)、H2(55%?60%)、CH4(23?27%)、N2 (3%?7%);混合煤氣是 在高爐煤氣中加入焦?fàn)t煤氣而得到的相對熱值較高的氣體燃料，經(jīng)加壓后輸送給各加熱爐以提高綜合利用效率.混合煤氣熱值計(jì)算的分析系統(tǒng)（如圖一）是由取樣探頭、取樣伴熱單元、吹掃單元、取樣預(yù)處 理單元、流量調(diào)節(jié)單元、氣路切換單元、氣體分析儀器、PLC程序控制單元、模擬量輸入輸出單元、 顯示單元、標(biāo)氣單元等部份組成，能夠連續(xù)測量被測氣體組份體積百分濃度，計(jì)算出混合煤氣熱值的分析系統(tǒng)。分析系統(tǒng)通過取樣探頭把混合煤氣從工藝管道中抽取出來，經(jīng)過一級過濾、穩(wěn)壓、冷凝除水、 精細(xì)過濾獲得能夠滿足氣體分析儀器要求的干燥樣氣，通過流量調(diào)節(jié)進(jìn)入紅外、熱導(dǎo)氣體分析儀器測出混合煤氣中CO，H2，CH4，C02等組份的體積百分含量，系統(tǒng)整個工作過程都通過可編程控制器(PLC)來實(shí)現(xiàn)自動控制，各組份體積百分含量對應(yīng)的4?20mA電流信號接入PLC模擬量輸入輸出模塊， 由于C0、CH4、H2各個組份具有不同的熱值，根據(jù)組份體積百分含量與對應(yīng)的單一組份熱值之間存在的關(guān)系，通過搭建數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過數(shù)學(xué)公式運(yùn)算即可獲得混合煤氣的熱值。熱值的計(jì)算過程通過 可編程控制器（PLC)軟件編程實(shí)現(xiàn)。各個組份的體積百分含量對應(yīng)的電流信號通過可編程控制器(PLC)從PLC模擬量輸入輸出模塊不斷讀取，經(jīng)過計(jì)算得到在線混合煤氣的熱值，熱值量對應(yīng)的模擬4?20mA電流信號通過PLC模擬量輸入輸出模塊傳送到CCR系統(tǒng)中，同時通過液晶顯示屏可直觀地監(jiān) 測到各個組份體積百分含量值及熱值量（KJ/M3)。實(shí)踐證明，使用氣體組份體積百分含量計(jì)算熱值所得到的結(jié)果與熱值儀測量出的結(jié)果趨勢基本一致，但計(jì)算熱值要比熱值儀的測量輸出對過程變化

圖一：氣體分析成套系統(tǒng)的組成框圖

4.實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)熱值計(jì)算的步驟
4.1混合煤氣熱值計(jì)算數(shù)學(xué)模型的搭建
分析系統(tǒng)通過紅外、熱導(dǎo)氣體分析儀器可測得混合煤氣中各組份的體積百分濃度值，根據(jù)組份 體積百分濃度與對應(yīng)的單一組份熱值之間存在的關(guān)系，首先搭建數(shù)學(xué)模型，獲得數(shù)學(xué)公式，然后通 過數(shù)學(xué)公式運(yùn)算即可獲得混合煤氣的熱值。
4.2使用可編程控制器（PLC)計(jì)算熱值并輸出
熱值數(shù)學(xué)公式通過可編程控制器（PLC)軟件編程來實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能。
(1)組份含量對應(yīng)的4-20mA電流轉(zhuǎn)換為實(shí)際值
PLC可編程控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值低3位和最高位為0，右移3位后，0-20mA的電流對應(yīng) 0-4096 的數(shù)字，因此，4-20mA 對應(yīng) 819-4096。
假設(shè)實(shí)際值的零點(diǎn)為ZERO，量程點(diǎn)為SPAN，實(shí)際的模數(shù)轉(zhuǎn)換值為COUNT。
           實(shí)際值=(SPAN-ZERO) x (COUNT-819)/4096-819

 (2)實(shí)際值轉(zhuǎn)換為4-20mA電流 PLC可編程控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換需要的數(shù)字量在數(shù)字的第4-14位，其它位為0，因此，分辯率為11 位，模擬輸出的范圍為0—32000，即2進(jìn)制的0—0000 0111 1101 0000 0000。右移4位后為0-2000， 因此，可以認(rèn)為0-20mA的電流輸出與0-2000對應(yīng)，4-20mA與400-2000對應(yīng)。
      假設(shè)實(shí)際值的零點(diǎn)為ZERO，量程點(diǎn)為SPAN，實(shí)際值為VALUE。式中將VALUE擴(kuò)大100倍是因?yàn)樵赑LC 中的計(jì)算為整數(shù)計(jì)算，為提高計(jì)算精度！
（2000-400）X（VALUEx100）/(SPAN-ZERO)+400

4.3混合煤氣組份體積百分濃度及熱值（KJ/M3)的顯示通過可編程序控制器（PLC)的編程，把混合煤氣的組份體積百分濃度和熱值量在文本顯示器 上顯示，以使用戶更直觀地監(jiān)測到混合煤氣中各組份的體積百分渡度值和熱值量，更好的控制混合 煤氣的燃燒狀況。

5.結(jié)束語
      混合煤氣熱值計(jì)算的分析系統(tǒng)已在湘鋼、漣鋼、新鋼等諸多大型鋼鐵企業(yè)投入使用多套，實(shí)踐 證明，本系統(tǒng)響應(yīng)時間短、操作方便，直觀，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，根據(jù)組份體積濃度計(jì)算熱值的方法得到廣泛認(rèn)可，完全能替代傳統(tǒng)的熱值儀測量熱值的方式?；旌厦簹獾挠行Ю眉忍岣吡思訜嵝?，減少了大氣污染，又增加了經(jīng)濟(jì)效益。