CN118129335A - 一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***及方法，属于燃气调节领域；解决了燃料气管网组分不稳定造成的安全性问题；包括进气***和在线分析计算***，进气***包括净煤气、燃料气和氮气气源，净煤气和燃料气分别通过缓冲分液罐接入混合气分液罐，其管线上分别设有流量计和气体比重仪；净煤气管线上还设有调节阀；氮气直接接入混合气分液罐，其管线上设置有调节阀、流量计和气体比重仪；混合气分液罐出口管线上设有流量计和气体比重仪；在线分析计算***分别连接四台气体比重仪、四台流量计和两台调节阀，将上述仪器的数据经过处理分析后计算出燃气组分中的有效组分与无效组分，再调节净煤气或氮气的量；本发明应用于燃气组分调节。

Description

一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***及方法

技术领域

本发明提供了一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***及方法，属于燃气调节技术领域。

背景技术

导热油炉也叫有机热载体炉，俗称导热油锅炉，官方名称为热油炉。其是以煤、油、气为燃料，以导热油为循环介质供热的新型热能设备，导热油炉由于“高温低压、运行平稳”的优势而被广泛应用。

整个导热油***由工艺***及控制***组成，下面对其进行介绍。

一、工艺***

导热油炉***分为三个部分：烟风***、导热油***、燃料气***。

（1）烟风***

如图1所示，烟风***由导热油炉、低氮燃烧器、鼓风机、回流风机、空气预热器、自力式钢烟囱组成。空气经鼓风机加压后，先经空气预热器与导热油炉出口高温烟气换热后，送入设置在导热油炉底部的93100-J401（低氮燃烧器）。燃烧后的高温烟气经内层盘管辐射换热后，从内层盘管上部进入内、中、外层盘管之间所构成的对流换热区，换热后由壳体下部排烟口排出，排出烟气余热经空气预热器回收热量后，进入烟囱排放。

为降低炉膛内的氧气含量，空气预热器出口烟气有一部分通过循环风机加压后随热风送至燃烧器，从而减少进入炉膛的空气量，降低氮氧化物排放量，循环烟气量可根据锅炉负荷按比例进行调节。

（2）导热油***

正常运行时：由导热油循环泵建立导热油加热***的循环，被加热的高温导热油在用户换热设备中与用热工质进行换热，从各用热设备返回的导热油经导热油循环泵，输送到导热油炉进行加热；当用热设备供热负荷变化时，通过旁路气动调节阀自动调节流量，保持主循环流量基本不变。

从各用热设备返回的导热油汇集后进入油气分离器，***内产生的微量气体经膨胀管排入膨胀罐。

溢流、排气：膨胀罐内过剩导热油通过溢流管流入储油罐；膨胀罐内的气体可通过设置的放散管排出。注意：导热油第一次脱气时，如气量较多，应打开辅助排气管排气，并控制排气强度，保持压力稳定。加热炉正常工作时，关闭辅助排气管阀门，***内产生的微量气体通过油气分离器经膨胀管排出。

排油：***更换导热油时，可通过注油泵及管线将设备中或***中的导热油排出；膨胀罐内导热油可通过排油管线排至储油罐。

（3）燃料气***

来自界外的0.4MPa（G）燃料气经过燃料气分液罐分液后，经过自力式调压阀减压至0.03MPa（G）后分为两路进入低氮燃烧器，一路为主燃料气管线，另一路为点火管线。主燃料气管设置有阻火器。通过控制导热油出口温度，调节主燃料气管线燃料气流量，避免导热油超温。主燃料气管线和点火管线均设置有压力测量、报警、联锁，保证导热油炉安全运行。

二、控制***

导热油控制***是基于PLC的自动控制***，其控制部分主要由两部分组成：点火、主燃料气；

（1）点火：在参数设定中，通过对点火位对应的燃料气控制阀、空气阀两台阀门的阀位进行设定，导热油炉***点火后，当两台阀门调整至阀门设定值后，点火器进行点火。

（2）主燃料气：主燃料气***根据导热油炉负荷细分为若干段位，以21段为例，对应的每个段位需要对燃气阀门阀位、空气阀门阀位、鼓风机频率，共计3个参数进行设定，3个参数的设定遵循逐步递增的原则，导热油炉会根据***设定的目标问题调整至合适的段位，进而稳定燃烧。

2、弊端

各个段位参数的设定值在一定时间内是固定不变的（且人为修改，操作繁琐，误操作分险极大），换言之，对于导热油炉来说，燃气与空气的配比是固定的（根据烟气中的烟气含量指标计算，并通过实践修正得来），这也就决定了导热油炉控制***的局限性：只适用于单一气源，气源的选组各个使用者各不相同，LPG等均有使用，但不管选择哪种气源，均必须保证气源的稳定性。

而在煤化工生产中，通常使用生产废气作为其余燃气用户的气源，称之为燃料气管网，燃料气管网由净煤气、油洗干气、脱碳净化气、PSA排放的解析气等多种组分的混合气作为燃料气供其他***作为燃料使用，以上各种气源的组分会随着气化炉生产工况的不同整体发生大幅度的变化，并且每种气源并入燃料气管网的量会随着生产***的变化不断变化，产生的后果则是燃料气组分的不稳定，尤其是氮气含量的变化尤为明显，少则3%左右，多则45%左右。

在使用以上燃料气气源的背景下，导热油炉在固定的阀门参数的PLC自控运行下，不止无法保证***的稳定运行，在气源发生大幅度变化时，导热油炉频繁熄火，并且固定的燃气阀门无法保证更多的燃气供应，导热油炉的出口温度亦是无法保证。

同时组分多变势必热值多变，对于燃烧器的稳焰盘是极其有害的，稳焰盘无法承受高热值下的***运行，轻者烧坏稳焰盘，装置停车；重者燃气器熄火，大量积聚的燃气极可能造成***等次生事故的发生。

以上带来的问题，不单单影响装置的稳定生产，还极易带来产品质量事故，同时在燃料气组分发生不同幅度变化时，频繁造成炉子熄火，烧坏稳焰盘，极容易造成安全事故，隐藏着巨大的安全隐患。

而如果将导热油炉的燃料气气源改成单一的稳定气源，如技改改成单一的净煤气或者油洗干气，通过更换适合的低氮燃烧器的稳定盘，能够解决问题，但会造成生产效益的下降，本来用于产油品的净煤气当了燃料气使用，而本该用于发挥余热的废气不得不进行废气处理，造成经济效益的降低及带来极大的环保成本；同时不同燃料气组分下的炉子燃烧，势必造成烟气中的氮氧化物大幅度变动，用于配套处理烟气中氮氧化物的半自动化的脱销装置也会因为调整的不及时造成排放烟气的氮氧化物超标，埋藏着极为严重的环保风险。

发明内容

本发明为了解决导热油炉应用于煤化工生产时燃料气管网组分不稳定造成的安全性及低效的问题，提出了一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***，包括进气***和在线分析计算***，所述进气***连接在导热油炉的燃烧器之前，所述进气***包括三个进气源，分别为净煤气、燃料气和氮气管线，所述净煤气通过净煤气管线连接第一缓冲分液罐的入口，所述第一缓冲分液罐的出口通过管路连接混合气分液罐的入口，在净煤气管线上设置有多个手阀，多个手阀的两端并接有第一减压阀，所述第一缓冲分液罐与混合气分液罐相连的管线上设置有第一调节阀FV-01、第一流量计FT-01和第一气体比重仪SG-01；

所述燃料气通过燃料气管线接入第二缓冲分液罐后连接至混合气分液罐的入口，其中第二缓冲分液罐与混合气分液罐相连的管线上设置有第二流量计FT-02和第二气体比重仪SG-02；

所述氮气通过氮气管线连接至混合气分液罐的入口，其中氮气管线上设置有第二调节阀FV-03、第三流量计FT-03和第三气体比重仪SG-03；

所述混合气分液罐的出口连接至导热油炉的燃烧器上，且混合气分液罐与燃烧器相连的管线上设置有第二减压阀、第四流量计FT-04和第四气体比重仪SG-04；

所述在线分析计算***分别连接四台气体比重仪、四台流量计和两台调节阀，在线分析计算***的计算终端将上述仪器的数据经过处理分析后计算出燃气组分中的有效组分与无效组分，根据分析结果，通过并入一定流量的净煤气或氮气稳定气源。

所述第一缓冲分液罐与混合气分液罐相连的管线上还设置有手阀和单向阀。

所述第二缓冲分液罐与混合气分液罐相连的管线上还设置有手阀和单向阀。

所述氮气管线上还设置有手阀和单向阀。

所述第一缓冲分液罐、第二缓冲分液罐和混合气分液罐的排污口均连接至污油***。

所述燃料气管网连接至煤化工生产***的废气排放口，作为主气源。

一种用于多变燃气组分的在线稳定调节方法，基于用于多变燃气组分的在线稳定调节***，包括如下步骤：

S1：计算混合燃气、净煤气和燃料气中氮气和非氮气组分的比值；

S2：在线分析计算***根据混合燃气管线上的第四流量计FT-04的测量值Q4计算出管网需要补充的净煤气或氮气的流量；

S3：通过计算得出的流量进而通过串级控制去调整第一调节阀FV-01或第二调节阀FV-03的开度。

步骤S1中计算混合燃气、净煤气和燃料气中氮气和非氮气组分的比值的过程如下：

设定氮气占比为b，非氮气占比为a，则：

a+b=1；

(a*m+b*28)/29=SGi，i=1,2,4，其中m为煤化工生产***设定的稳定工况下的混合燃气、净煤气或燃料气中非氮气的相对分子质量，通过取样分析计算得到，SGi为第i台气体比重仪测量得到的气体分子质量；

b=29*SGi/(28-m)；

修正后得到氮气的实际占比b1’=k*b，其中k为修正系数。

步骤S2中计算管网需要补充的净煤气或氮气的流量的过程如下：

当前混合燃气的氮气含量b1’高于目标氮气含量n时，需要补充一定量的净煤气，则计算公式如下：

Q1’+Q2’=Q4；

Q1’*b2+Q2’*b3=Q4*n；

Q1’=Q4(n-b3)/(b2-b3)；

Q2’= Q4(b2-n)/(b2-b3)；

上式中：Q1’为需要通入的净煤气流量，Q2’为需要通入的燃料气流量，Q4为第四流量计FT-04的测量值；

当前混合燃气的氮气含量b1’低于目标氮气含量n时，需要补充一定量的氮气，则计算公式如下：

Q2’+Q3’=Q4；

Q2’*b2+Q3’=Q4*n；

Q2’=Q4(1-n)/(1-b2)；

Q3’=Q4(b2-n)/(b2-1)；

上式中：Q2’为需要通入的燃料气流量，Q3’为需要通入的氮气流量，Q4为第四流量计FT-04的测量值。

燃料气的补充或减少通过计算得到的需要通入的燃料气流量减去第二流量计FT-02的测量值由导热油炉的PLC控制专用的阀门开度实现流量调节。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明在现有废气的基础上，通过在线分析计算***，计算出燃气组分中的有效组分与无效组分，根据分析结果，通过并入一定流量的净煤气或氮气达到稳定气源、调节热值的目的，不仅能够实现炉子的正常燃烧，不再发生因燃气突变造成的故障熄火的情况，保证了稳焰盘的稳定运行，保证了本质安全；同时又能够最大程度的利用废气，提高生产***的工艺效益，减少废气处理带来的环保压力。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为现有的燃气供应***的结构示意图；

图2为本发明***的结构示意图；

图3为本发明方法的流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明提供了一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***，包括进气***和在线分析计算***，其中进气***连接在导热油炉的燃烧器之前，进气***包括三个进气源，分别为净煤气自管网、燃料气自管网和氮气自管网，净煤气自管网连接第一缓冲分液罐的入口，第一缓冲分液罐的出口通过管路连接混合气分液罐的入口，在净煤气管线上设置有多个手阀，多个手阀的两端并接有第一减压阀，第一缓冲分液罐与混合气分液罐相连的管线上设置有手阀、单向阀、第一调节阀FV-01、第一流量计FT-01和第一气体比重仪SG-01；燃料气自管网通过第二缓冲分液罐后连接至混合气分液罐的入口，其中第二缓冲分液罐与混合气分液罐相连的管线上设置有手阀、单向阀、第二流量计FT-02和第二气体比重仪SG-02；氮气自管网连接至混合气分液罐的入口，其中氮气管线上设置有手阀、单向阀、第二调节阀FV-03、第三流量计FT-03和第三气体比重仪SG-03；第一缓冲分液罐和第二缓冲分液罐的排污口均连接至污油***中；混合气分液罐的出口连接至导热油炉的燃烧器上，且混合气分液罐与燃烧器相连的管线上设置有第二减压阀、第四流量计FT-04和第四气体比重仪SG-04，混合气分液罐的排污口连接至污油***。

三路进气源中燃料气为主气源、净煤气及氮气为辅助气源：

（1）主气源：燃料气为煤化工生产***排放的废气，首先通过第一缓冲分液罐达到脱除组分的液相、缓冲管网压力的目的，后续流程配置有手阀及单向阀，起到隔离、防止介质倒窜的目的，FT-02用于测量燃料气的用气流量，SG-02为气体比重仪，用于在线测量燃料气组分，辅助修正***的参数调整。

（2）辅助气源1：净煤气为煤化工企业油品生产的主要原料，由煤粉通过气化、净化而来，换言之，净煤气的产量以一定的比例对应着油品的产量，故以净煤气作为燃气气源，与经济效益背道而驰。与燃料气管线不同的是，其上配置有减压阀组件，通过减压阀组件将净煤气的压力降低至与低压氮气相持平，以确保两路辅助气源能够顺利补充至燃气管道中，其余配置均相同。

（3）辅助气源2：氮气通常用于煤化工企业置换***、漏点掩护等，与其余气源不同的是，洁净氮气无需进行分液缓冲，直接通过阀门使用即可。

在线分析计算***分别连接四台气体比重仪、四台流量计和两台调节阀，在线分析计算***的计算终端将上述仪器的数据经过处理分析后计算出燃气组分中的有效组分与无效组分，根据分析结果，通过并入一定流量的净煤气或氮气达到稳定气源、调节热值的目的。

本发明还提出了一种用于多变燃气组分的在线稳定调节方法，如图3所示，其前提条件为煤化工生产***的煤粉气化是在某一设定的稳定生产工况下的，本发明中的燃气（包括作为主气源的煤化工生产***排放的废气即燃料气以及作为辅助气源的净煤气）主要是由一氧化碳(相对分子质量28)、甲烷(相对分子质量16)、氢气(相对分子质量2)、氮气(相对分子质量28)组成，在煤化工生产***设定的稳定生产工况下的燃料气中的一氧化碳、甲烷、氢气具有固定的比值（该比值可以通过在不同工况下取样进行定期分析得到），将该具有固定比值的一氧化碳、甲烷、氢气的混合气称为非氮气混合气，根据取样计算得到该非氮气混合气的相对分子质量，非氮气混合气的相对分子质量可以根据煤化工生产***生产工况人为进行修正，空气相对分子质量29。且净煤气中的非氮气混合气的相对分子质量也是固定的，可以通过采样分析计算得到。

本发明的用于多变燃气组分的在线稳定调节的步骤如下：

首先计算混合燃气、净煤气和燃料气中氮气和非氮气组分的比值；

其中混合燃气中氮气和非氮气组分的比值计算过程如下：

设定为混合燃气中氮气占比为b1，非氮气占比为a1，则：

a1+b1=1；

(a1*m+b1*28)/29=SG4，其中m为燃气中非氮气的相对分子质量，SG4为第四气体比重仪测量得到的气体分子质量；

b1=29*SG4/(28-m)；

通过以上分析计算，在线计算***可以计算出混合燃气中的氮气组分占比b1，修正后得到混合燃气中氮气的实际占比b1’=k*b1，其中k为修正系数，定期通过取样分析进行修正。

同理，通过第一气体比重仪测量得到的气体分子质量SG1能够计算出净煤气中氮气占比为b2、非氮气占比为a2，通过第二气体比重仪测量得到的气体分子质量SG2能够计算出燃料气中氮气占比为b3，非氮气占比为a3。

根据混合燃气管线上的第四流量计FT-04的测量值Q4计算出管网需要补充的净煤气或氮气的流量，其具体计算过程如下：

当前混合燃气的氮气含量b1’高于目标氮气含量n时，需要补充一定量的净煤气，则计算公式如下：

Q1’+Q2’=Q4；

Q1’*b2+Q2’*b3=Q4*n；

Q1’=Q4(n-b3)/(b2-b3)；

Q2’=Q4(b2-n)/(b2-b3)；

上式中：Q1’为需要通入的净煤气流量，Q2’为需要通入的燃料气流量，Q4为第四流量计FT-04的测量值；

当前混合燃气的氮气含量b1’低于目标氮气含量n时，需要补充一定量的氮气，则计算公式如下：

Q2’+Q3’=Q4；

Q2’*b2+Q3’=Q4*n；

Q2’=Q4(1-n)/(1-b2)；

Q3’=Q4(b2-n)/(b2-1)；

上式中：Q2’为需要通入的燃料气流量，Q3’为需要通入的氮气流量，Q4为第四流量计FT-04的测量值；

通过计算得出的流量进而通过串级控制去调整第一调节阀FV-01或第二调节阀FV-03的开度，补充净煤气后氮气，燃料气的补充或减少通过计算得到的需要通入的燃料气流量减去第二流量计FT-02的测量值由导热油炉的PLC控制专用的阀门开度实现流量调节，最终实现气源的稳定。

本发明提出的调节***和方法不仅能够合理的利用煤化工生产的废气，还能够实现气源的稳定供气，实现炉子的正常燃烧，提高了生产***的工艺效益。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***，其特征在于：包括进气***和在线分析计算***，所述进气***连接在导热油炉的燃烧器之前，所述进气***包括三个进气源，分别为净煤气、燃料气和氮气管线，所述净煤气通过净煤气管线连接第一缓冲分液罐的入口，所述第一缓冲分液罐的出口通过管路连接混合气分液罐的入口，在净煤气管线上设置有多个手阀，多个手阀的两端并接有第一减压阀，所述第一缓冲分液罐与混合气分液罐相连的管线上设置有第一调节阀FV-01、第一流量计FT-01和第一气体比重仪SG-01；

所述燃料气通过燃料气管线接入第二缓冲分液罐后连接至混合气分液罐的入口，其中第二缓冲分液罐与混合气分液罐相连的管线上设置有第二流量计FT-02和第二气体比重仪SG-02；

所述氮气通过氮气管线连接至混合气分液罐的入口，其中氮气管线上设置有第二调节阀FV-03、第三流量计FT-03和第三气体比重仪SG-03；

所述混合气分液罐的出口连接至导热油炉的燃烧器上，且混合气分液罐与燃烧器相连的管线上设置有第二减压阀、第四流量计FT-04和第四气体比重仪SG-04；

所述在线分析计算***分别连接四台气体比重仪、四台流量计和两台调节阀，在线分析计算***的计算终端将上述仪器的数据经过处理分析后计算出燃气组分中的有效组分与无效组分，根据分析结果，通过并入一定流量的净煤气或氮气稳定气源。

2.根据权利要求1所述的一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***，其特征在于：所述第一缓冲分液罐与混合气分液罐相连的管线上还设置有手阀和单向阀。

3.根据权利要求1所述的一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***，其特征在于：所述第二缓冲分液罐与混合气分液罐相连的管线上还设置有手阀和单向阀。

4.根据权利要求1所述的一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***，其特征在于：所述氮气管线上还设置有手阀和单向阀。

5.根据权利要求1所述的一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***，其特征在于：所述第一缓冲分液罐、第二缓冲分液罐和混合气分液罐的排污口均连接至污油***。

6.根据权利要求1所述的一种用于多变燃气组分的在线稳定调节***，其特征在于：所述燃料气管网连接至煤化工生产***的废气排放口，作为主气源。

7.一种用于多变燃气组分的在线稳定调节方法，基于如权利要求1-6任一项所述的用于多变燃气组分的在线稳定调节***，其特征在于：包括如下步骤：

S1：计算混合燃气、净煤气和燃料气中氮气和非氮气组分的比值；

S2：在线分析计算***根据混合燃气管线上的第四流量计FT-04的测量值Q4计算出管网需要补充的净煤气或氮气的流量；

S3：通过计算得出的流量进而通过串级控制去调整第一调节阀FV-01或第二调节阀FV-03的开度。

8.根据权利要求7所述的一种用于多变燃气组分的在线稳定调节方法，其特征在于：步骤S1中计算混合燃气、净煤气和燃料气中氮气和非氮气组分的比值的过程如下：

设定氮气占比为b，非氮气占比为a，则：

a+b=1；

(a*m+b*28)/29=SGi，i=1,2,4，其中m为煤化工生产***设定的稳定工况下的混合燃气、净煤气或燃料气中非氮气的相对分子质量，通过取样分析计算得到，SGi为第i台气体比重仪测量得到的气体分子质量；

b=29*SGi/(28-m)；

修正后得到氮气的实际占比b1’=k*b，其中k为修正系数。

9.根据权利要求8所述的一种用于多变燃气组分的在线稳定调节方法，其特征在于：步骤S2中计算管网需要补充的净煤气或氮气的流量的过程如下：

当前混合燃气的氮气含量b1’高于目标氮气含量n时，需要补充一定量的净煤气，则计算公式如下：

Q1’+Q2’=Q4；

Q1’*b2+Q2’*b3=Q4*n；

Q1’=Q4(n-b3)/(b2-b3)；

Q2’=Q4(b2-n)/(b2-b3)；

上式中：Q1’为需要通入的净煤气流量，Q2’为需要通入的燃料气流量，Q4为第四流量计FT-04的测量值；

当前混合燃气的氮气含量b1’低于目标氮气含量n时，需要补充一定量的氮气，则计算公式如下：

Q2’+Q3’=Q4；

Q2’*b2+Q3’=Q4*n；

Q2’=Q4(1-n)/(1-b2)；

Q3’=Q4(b2-n)/(b2-1)；

上式中：Q2’为需要通入的燃料气流量，Q3’为需要通入的氮气流量，Q4为第四流量计FT-04的测量值。

10.根据权利要求9所述的一种用于多变燃气组分的在线稳定调节方法，其特征在于：燃料气的补充或减少通过计算得到的需要通入的燃料气流量减去第二流量计FT-02的测量值由导热油炉的PLC控制专用的阀门开度实现流量调节。