【摘要】在冶金(jin)行業的(de)(de)燃氣廠里，為(wei)(wei)了充分利用能(neng)源及減(jian)少大氣污(wu)染，把高爐煤(mei)氣與焦爐煤(mei)氣混合(he)后輸送給下游的(de)(de)各個煤(mei)氣用戶(hu)，那么(me)混合(he)煤(mei)氣的(de)(de)熱值(zhi)直接影響到下游加熱爐的(de)(de)燃燒狀況，熱值(zhi)數據的(de)(de)獲得(de)將顯得(de)尤為(wei)(wei)重要，但是傳(chuan)統的(de)(de)熱值(zhi)儀(yi)測(ce)量存在很(hen)多弊端，諸如響應時(shi)間長、測(ce)量范(fan)圍(wei)窄、易冰堵等現象，為(wei)(wei)了解(jie)決這個矛盾，本文將介紹(shao)通過測(ce)量混合(he)煤(mei)氣組份體(ti)(ti)積百分含量來計算(suan)熱值(zhi)的(de)(de)在線氣體(ti)(ti)分析成套系統。

       1. 引(yin)言節(jie)能(neng)環保是(shi)當今發展的(de)(de)主題，為(wei)(wei)(wei)了充(chong)分(fen)利(li)用(yong)能(neng)源(yuan)，節(jie)能(neng)減排，在眾(zhong)多(duo)鋼鐵企業的(de)(de)燃氣(qi)廠里，通常是(shi)把高(gao)爐(lu)煤(mei)氣(qi)與(yu)焦爐(lu)煤(mei)氣(qi)混合(he)后輸送給下(xia)游的(de)(de)各個煤(mei)氣(qi)用(yong)戶(hu)使用(yong)，混合(he)煤(mei)氣(qi)熱(re)(re)值(zhi)(zhi)數據的(de)(de)獲得(de)(de)將顯 得(de)(de)十分(fen)重要，因為(wei)(wei)(wei)這直接(jie)影(ying)響到以(yi)混合(he)煤(mei)氣(qi)為(wei)(wei)(wei)燃料的(de)(de)加熱(re)(re)爐(lu)的(de)(de)燃燒狀(zhuang)況，對它控制(zhi)的(de)(de)好壞(huai)直接(jie)影(ying)響到產品的(de)(de)質量和能(neng)源(yuan)的(de)(de)有(you)效利(li)用(yong)。傳統(tong)的(de)(de)熱(re)(re)值(zhi)(zhi)儀(yi)存在成(cheng)本高(gao)、響應(ying)時間(jian)長、測量范圍(wei)窄、易冰堵停(ting)機 等現象(xiang)，而在線氣(qi)體(ti)分(fen)析(xi)成(cheng)套系(xi)統(tong)（以(yi)下(xia)簡稱分(fen)析(xi)系(xi)統(tong))通過測量相應(ying)的(de)(de)氣(qi)體(ti)組(zu)份的(de)(de)百(bai)分(fen)比濃度(du)來計(ji) 算出熱(re)(re)值(zhi)(zhi)的(de)(de)方法能(neng)快速、準確、連續地獲得(de)(de)混合(he)煤(mei)氣(qi)的(de)(de)熱(re)(re)值(zhi)(zhi)，下(xia)面將對應(ying)用(yong)于煤(mei)氣(qi)熱(re)(re)值(zhi)(zhi)計(ji)算的(de)(de)分(fen)析(xi)系(xi)統(tong)做(zuo)詳細介紹。

       2.  熱值儀在(zai)鋼鐵企業應用(yong)中(zhong)(zhong)存在(zai)的(de)問(wen)題(ti)煤(mei)氣熱值儀是應用(yong)熱平衡原(yuan)理對(dui)燃氣熱值進行連續測量的(de)，但在(zai)鋼鐵企業應用(yong)中(zhong)(zhong)存在(zai)如(ru)下問(wen)題(ti)。

(1)   熱值儀(yi)檢測要求煤氣潔凈程度較高，否則節(jie)流(liu)孔板易被雜(za)質堵塞(sai)，導致氣路受阻(zu)，煤氣差壓不 能恒定，熱值運算精度降低(di)；

(2)   煤氣(qi)處理過程中(zhong)使(shi)(shi)用醋酸鉛(qian)飽和(he)溶液脫(tuo)硫(liu)、去除焦油等腐蝕物，使(shi)(shi)實(shi)際處理綜合反應時(shi)間長， 煤氣(qi)成(cheng)分(fen)易發(fa)生變(bian)化(hua)，發(fa)熱(re)量(liang)(liang)檢出與(yu)熱(re)量(liang)(liang)計測量(liang)(liang)值(zhi)相差(cha)較(jiao)(jiao)大，醋酸鉛(qian)飽和(he)溶液失效，頻(pin)繁更換不僅造成(cheng)熱(re)值(zhi)檢測中(zhong)斷，而且工作量(liang)(liang)大，原料浪費也較(jiao)(jiao)大。

(3)   熱值(zhi)儀(yi)(yi)(yi)電源裝置、電氣(qi)線路(lu)、儀(yi)(yi)(yi)表本身(shen)處于(yu)腐蝕環境中(zhong)，長(chang)久(jiu)造成電氣(qi)元件腐蝕，線路(lu)電纜老化引起短路(lu)，儀(yi)(yi)(yi)器接點易生銹、粘結或斷裂，而溫控儀(yi)(yi)(yi)、點火(huo)器、檢測元件均采用非標準(zhun)件，訂貨困難，因(yin)此不可(ke)能(neng)得到及時(shi)維(wei)護(hu)，造成檢測控制中(zhong)斷，不能(neng)及時(shi)點火(huo)燃燒(shao)等現狀。由于(yu)存在上述問題，使得熱值(zhi)儀(yi)(yi)(yi)應用困難重重，而煤氣(qi)熱值(zhi)計(ji)算的分析系統能(neng)自(zi)動(dong)、連續(xu)、可(ke) 靠地(di)進行樣(yang)品采集、處理、分析、計(ji)算、顯示，維(wei)護(hu)量很(hen)小(xiao)。

      3.系統的(de)組(zu)成及(ji)熱值計算(suan)原理(li)高(gao)爐煤氣是(shi)在(zai)高(gao)爐內焦(jiao)炭(tan)與熱風爐反應生成的(de)氣體(ti)，是(shi)一種低熱值的(de)氣體(ti)燃料，主要成份(fen)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(jiao)爐煤氣(qi)是(shi)煉焦(jiao)爐在產(chan)出焦(jiao)炭和焦(jiao)油(you)產(chan)品的同時所得到的可燃氣(qi)體，是(shi)一種高熱值(zhi)氣(qi)體燃料，主要成份包(bao)括C02(1.5%?3%)、C0(5%?8%)、H2(55%?60%)、CH4(23?27%)、N2 (3%?7%);混(hun)合(he)(he)煤(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)是(shi) 在高爐(lu)煤(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)中(zhong)加(jia)入(ru)焦爐(lu)煤(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)而得到的(de)(de)相(xiang)對(dui)熱(re)(re)值(zhi)(zhi)較高的(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)燃料，經加(jia)壓后輸(shu)送給各(ge)加(jia)熱(re)(re)爐(lu)以提高綜合(he)(he)利用效(xiao)率.混(hun)合(he)(he)煤(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)熱(re)(re)值(zhi)(zhi)計(ji)(ji)算的(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)系(xi)(xi)(xi)統（如(ru)圖一(yi)）是(shi)由取(qu)樣探頭、取(qu)樣伴熱(re)(re)單元(yuan)、吹(chui)掃單元(yuan)、取(qu)樣預處(chu) 理(li)單元(yuan)、流量(liang)調(diao)節單元(yuan)、氣(qi)(qi)(qi)(qi)路切換單元(yuan)、氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)分(fen)析(xi)(xi)儀(yi)(yi)器(qi)、PLC程(cheng)序(xu)控制(zhi)單元(yuan)、模擬量(liang)輸(shu)入(ru)輸(shu)出單元(yuan)、 顯(xian)示單元(yuan)、標氣(qi)(qi)(qi)(qi)單元(yuan)等(deng)部份組(zu)成，能(neng)夠(gou)連續測(ce)量(liang)被測(ce)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)組(zu)份體(ti)(ti)(ti)積百分(fen)濃度(du)，計(ji)(ji)算出混(hun)合(he)(he)煤(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)熱(re)(re)值(zhi)(zhi)的(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)系(xi)(xi)(xi)統。分(fen)析(xi)(xi)系(xi)(xi)(xi)統通(tong)過(guo)(guo)取(qu)樣探頭把混(hun)合(he)(he)煤(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)從工(gong)藝(yi)管道中(zhong)抽(chou)取(qu)出來，經過(guo)(guo)一(yi)級過(guo)(guo)濾(lv)、穩壓、冷凝除(chu)水、 精(jing)細(xi)過(guo)(guo)濾(lv)獲得能(neng)夠(gou)滿足氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)分(fen)析(xi)(xi)儀(yi)(yi)器(qi)要求的(de)(de)干燥樣氣(qi)(qi)(qi)(qi)，通(tong)過(guo)(guo)流量(liang)調(diao)節進入(ru)紅外、熱(re)(re)導氣(qi)(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)分(fen)析(xi)(xi)儀(yi)(yi)器(qi)測(ce)出混(hun)合(he)(he)煤(mei)(mei)氣(qi)(qi)(qi)(qi)中(zhong)CO，H2，CH4，C02等(deng)組(zu)份的(de)(de)體(ti)(ti)(ti)積百分(fen)含量(liang)，系(xi)(xi)(xi)統整個工(gong)作(zuo)過(guo)(guo)程(cheng)都通(tong)過(guo)(guo)可(ke)編程(cheng)控制(zhi)器(qi)(PLC)來實現自動控制(zhi)，各(ge)組(zu)份體(ti)(ti)(ti)積百分(fen)含量(liang)對(dui)應的(de)(de)4?20mA電(dian)流信(xin)號(hao)接入PLC模(mo)(mo)(mo)擬量(liang)(liang)(liang)輸(shu)入輸(shu)出模(mo)(mo)(mo)塊， 由于C0、CH4、H2各(ge)個(ge)組份(fen)具有不(bu)同的(de)(de)熱(re)值，根據組份(fen)體(ti)積(ji)百(bai)分含量(liang)(liang)(liang)與對應(ying)的(de)(de)單一(yi)組份(fen)熱(re)值之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)的(de)(de)關(guan)系，通過(guo)(guo)搭(da)建(jian)數(shu)學模(mo)(mo)(mo)型，經過(guo)(guo)數(shu)學公式運算即可獲得(de)混合煤(mei)氣的(de)(de)熱(re)值。熱(re)值的(de)(de)計算過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)通過(guo)(guo) 可編(bian)程(cheng)(cheng)控(kong)制(zhi)器（PLC)軟件編(bian)程(cheng)(cheng)實現。各(ge)個(ge)組份(fen)的(de)(de)體(ti)積(ji)百(bai)分含量(liang)(liang)(liang)對應(ying)的(de)(de)電(dian)流信(xin)號(hao)通過(guo)(guo)可編(bian)程(cheng)(cheng)控(kong)制(zhi)器(PLC)從PLC模(mo)(mo)(mo)擬量(liang)(liang)(liang)輸(shu)入輸(shu)出模(mo)(mo)(mo)塊不(bu)斷讀取，經過(guo)(guo)計算得(de)到在(zai)線混合煤(mei)氣的(de)(de)熱(re)值，熱(re)值量(liang)(liang)(liang)對應(ying)的(de)(de)模(mo)(mo)(mo)擬4?20mA電流信號通過PLC模擬量(liang)(liang)(liang)輸(shu)入(ru)輸(shu)出模塊傳(chuan)送(song)到CCR系統(tong)中，同時通過液晶(jing)顯示屏可直觀(guan)地監 測到各個組份體(ti)積百分含量(liang)(liang)(liang)值(zhi)(zhi)及(ji)熱值(zhi)(zhi)量(liang)(liang)(liang)（KJ/M3)。實(shi)踐證明，使用氣體(ti)組份體(ti)積百分含量(liang)(liang)(liang)計(ji)算熱值(zhi)(zhi)所得到的(de)結果與(yu)熱值(zhi)(zhi)儀測量(liang)(liang)(liang)出的(de)結果趨勢基本一(yi)致，但計(ji)算熱值(zhi)(zhi)要(yao)比(bi)熱值(zhi)(zhi)儀的(de)測量(liang)(liang)(liang)輸(shu)出對(dui)過程變化

圖一：氣體(ti)分析成套系統的組成框圖

4.實現(xian)系統熱值計算的步驟
4.1混(hun)合煤氣熱值計(ji)算數學模型的搭建
分(fen)析系統通(tong)過紅外、熱導氣體(ti)分(fen)析儀器可測得(de)混合煤(mei)氣中(zhong)各組(zu)份的體(ti)積百分(fen)濃(nong)度值，根(gen)據組(zu)份 體(ti)積百分(fen)濃(nong)度與(yu)對應(ying)的單一組(zu)份熱值之(zhi)間存在的關系，首先搭(da)建數學(xue)模型，獲得(de)數學(xue)公式，然后通(tong) 過數學(xue)公式運算即可獲得(de)混合煤(mei)氣的熱值。
4.2使(shi)用(yong)可編程控制(zhi)器（PLC)計算熱(re)值并輸出
熱值數(shu)學公式通過(guo)可(ke)編(bian)程(cheng)控制器（PLC)軟件(jian)編(bian)程(cheng)來實現計算(suan)功(gong)能。
(1)組(zu)份含量對應的4-20mA電流轉換為實際值
PLC可(ke)編程控(kong)制器模數轉換后(hou)的(de)數字(zi)值低3位和最高位為0，右(you)移(yi)3位后(hou)，0-20mA的(de)電流對應 0-4096 的(de)數字(zi)，因此，4-20mA 對應 819-4096。
假設實際值的零點為ZERO，量程點為SPAN，實際的模(mo)數轉換值為COUNT。
           實際值=(SPAN-ZERO) x (COUNT-819)/4096-819

 (2)實際(ji)值轉換為(wei)4-20mA電流(liu) PLC可編(bian)程(cheng)控制器模數(shu)轉換需要的(de)數(shu)字量在數(shu)字的(de)第4-14位(wei)(wei)，其它(ta)位(wei)(wei)為(wei)0，因(yin)此(ci)，分辯率為(wei)11 位(wei)(wei)，模擬輸出(chu)的(de)范(fan)圍(wei)為(wei)0—32000，即2進制的(de)0—0000 0111 1101 0000 0000。右(you)移4位(wei)(wei)后為(wei)0-2000， 因(yin)此(ci)，可以(yi)認為(wei)0-20mA的(de)電流(liu)輸出(chu)與(yu)0-2000對應，4-20mA與(yu)400-2000對應。
      假設實(shi)際(ji)值的零點為ZERO，量程點為SPAN，實(shi)際(ji)值為VALUE。式中將(jiang)VALUE擴大(da)100倍是(shi)因為在PLC 中的計(ji)算(suan)為整數計(ji)算(suan)，為提高(gao)計(ji)算(suan)精度！
（2000-400）X（VALUEx100）/(SPAN-ZERO)+400

4.3混合(he)煤氣組份體(ti)積百(bai)分(fen)濃度及熱值(zhi)（KJ/M3)的(de)顯示通過可編(bian)程序控制器（PLC)的(de)編(bian)程，把混合(he)煤氣的(de)組份體(ti)積百(bai)分(fen)濃度和熱值(zhi)量在文本顯示器 上顯示，以使用戶更直觀地(di)監測(ce)到混合(he)煤氣中各組份的(de)體(ti)積百(bai)分(fen)渡度值(zhi)和熱值(zhi)量，更好的(de)控制混合(he) 煤氣的(de)燃燒(shao)狀況。

5.結束語
      混合煤氣(qi)熱值(zhi)計(ji)算的分(fen)析系統已在湘(xiang)鋼、漣(lian)鋼、新鋼等諸多大型鋼鐵企業投入使(shi)用多套，實(shi)踐 證明，本系統響(xiang)應時間短、操作方(fang)便，直觀(guan)，數據準確，根(gen)據組份體(ti)積濃度計(ji)算熱值(zhi)的方(fang)法得(de)到廣泛認可，完全能替(ti)代傳(chuan)統的熱值(zhi)儀(yi)測量熱值(zhi)的方(fang)式。混合煤氣(qi)的有(you)效(xiao)利用既提高了(le)(le)(le)加熱效(xiao)率，減少了(le)(le)(le)大氣(qi)污(wu)染，又增加了(le)(le)(le)經濟(ji)效(xiao)益(yi)。