制氧系統電力消耗與經濟運行

蔡樹梅

（寶鋼集團新疆八一鋼鐵有限公司能源中心，新疆烏魯木齊830022）

制氧

制氧系統電力消耗與經濟運行

蔡樹梅

（寶鋼集團新疆八一鋼鐵有限公司能源中心，新疆烏魯木齊830022）

制氧機組低負荷運行及“過度”保供意識，提高了能源生產成本。嘗試實現能源綜合管控，產、用能單元密切配合，精細化管理和操作，降低了電力消耗，實現了經濟運行。

壓縮機；電力消耗；氣體供應；經濟運行

1 前言

制氧產品成本的70%是電力消耗費用。如何減少電力消耗，以最小消耗滿足鋼廠各用戶氧、氮氣的需求變化和不間斷供應，是制氧節能降耗、經濟運行目標。

能源供應單位的首要任務是保證安全穩定供應。所以制氧系統氧氣生產理念一直是追求穩定及最大化安全保障。近年鋼鐵產能過剩，鐵、鋼產能不斷壓低，產量與生產組織動態調整。而氧氣的過度保供與鋼廠變化的生產組織不匹配，造成大量能源浪費。新疆八鋼公司2014年上半年氧氣累計放散率5.5%，2014年1～12月氧氣放散率達7%，急需采取措施降低氧氣及能耗。

2 空氣壓縮機組

2.1 空氣壓縮機電力消耗分析

空氣壓縮機是制氧系統中電力消耗最多的設備。根據離心式壓縮機性能曲線（圖1），隨著流量的增加，消耗的功率總是增加的。但轉速一定，為了避免喘振，離心壓縮機流量控制底線是設計流量的75%。這時壓縮機的功率與設計工況點的功率相差20%以內。如果偏離設計工況點運行，空壓機的效率也是下降的。所以保證空壓機在設計工況下運行，是空壓機最經濟運行狀態。

圖1 離心壓縮機性能曲線

表1 兩萬制氧機空氣壓縮機實際運行參數

表1是兩萬制氧機空氣壓縮機實際運行參數。

鋼廠氧、氮用量決定了制氧機組運行組合方式。產能與用能的不匹配對空壓機組電力消耗影響最大。一方面是已固有的大中型制氧機規模，一方面是鋼廠不斷壓低產能、變化靈活的生產組織，制氧機組組合方式很難與用能量匹配。2014年4季度，鋼廠開始大幅度壓產，用氧量從85000 m3/h減到不足50000 m3/h左右，又因氮氣用量較大，無法停運制氧機組，即使所有制氧機保持最小負荷運行，產能仍超出用能30%左右。為了保證生產和氧氣放散指標，犧牲氧氣提取率將一臺機組的氧氣產量壓縮到50%左右，大量氧氣進入污氮氣。制氧電單耗、氧氣放散率大幅上升（見表2）。

表2 壓產前后產量電耗等參數

其次空壓機運行工況點是根據空分機組需求進行調整，空氣壓縮機電力消耗還與氧氣純度、氧的提取率、上塔的壓力、空氣過濾器阻力等有關聯。如：空分機組最小負荷模式運行，空分保持較高氧氣純度，雖然氧氣放散少了，但空壓機的總耗電量沒有減小。空分上塔的操作壓力高、空氣過濾器阻力增大等都會影響空氣壓縮機的經濟運行。

2.2 空氣壓縮機組的經濟運行

2.2.1 產能與用能匹配的機組組合方式

產能與用能供應系統的平衡與鋼廠生產用能的計劃性和日常生產組織關系密切。加強能源管理系統建設，提高能源管理與調度的水平，使產能與用能統籌管理，有效調配，是保證制氧機組最佳組合方式的關鍵。其步驟：

（1）預測月氧、氮用量上下線：鋼廠各用能工序結合計劃生產產量、生產組織模式和設備定修情況，預測氧、氮的用量。

（2）制氧廠制定機組組合方案：根據鋼廠氧、氮用量上、下線范圍，結合制氧機組的規模、液體計劃月銷售量，氣體儲存能力、液體貯存量等確定機組最佳運行組合方式及工況調整模式，其原則：

（a）產能以略低于平均用量的“微欠量”來考慮機組組合。“微欠量”以液體貯存能力、鋼廠各工序的檢修時間、液體銷售計劃量來綜合考慮。

（b）多機組運行，確定機組的調整順序、不同條件下的工況選擇。盡可能只在一套機組做不同工況的調整，其他機組在設計工況下運行。

（c）鋼廠計劃性檢修，啟動液化裝置液化多余的氮氣和氧氣，進入液體貯槽。

（3）對預測月氧、氮平均用量再次調整：能源管控單位對超出機組組合可調范圍的氧、氮用量再次對鋼廠用能單位進行微調整。筆者鋼廠采用對減產的高爐實行富氧停供、對部分用戶采用壓縮空氣置換氮氣等方式，盡可能達到產能與用能匹配的最佳機組組合方式。

（4）實際用能的管控：生產調度與能源管控結合共同安排系統生產組織。將計劃用能量作為實際用能和機組產能的基準，起雙向約束作用。合理經濟考核不但提高用能單位計劃用能的水平，還會使用能單位提高經濟用能的意識。只有將用能單位與產能單位生產信息量的及時準確交換，才能實現用能與產能的大致平衡，避免產、用能蹺蹺板模式。

2.2.2 機組精細化操作

空壓機運行時，將空氣過濾器阻力及空壓機各級間冷卻器效果納入操作范圍。制氧機組操作時，應盡可能降低上塔的工作壓力；提高氧氣提取率；降低空氣量以保證產品產量而不追求較高純度為準則?？傊３种蒲鯔C過于穩定操作，變工況調節只調節氧氣產量，對空氣壓縮機的調整不到位，對降低空壓機的電力消耗助益不大。

2.2.3 把握空分機組工況調整時段

利用電網工業用電峰、谷電價的不同，在不同時段對制氧機組進行調整。谷或平時，增加空壓機的負荷，加大膨脹量，多生產液體。而峰值時，以最小負荷減少用電消耗為原則。

3 產品壓縮機與供應方式

產品氧氣壓縮機和氮氣壓縮機是僅次于空壓機電力消耗的機組。其氣體供應方式也影響著壓縮機的電力消耗。

3.1 電力消耗分析

（1）產品壓縮機的運行狀況

產品壓縮機的電力消耗與壓縮量和壓力比關系最大。而國產的透平壓縮機都沒有防喘線，在壓縮量調節上很謹慎也很模糊，進口導葉的調整范圍一般保持較大的安全開度。同時因鋼廠間斷性的用能特點，為了保證調峰，氣體球罐一般保證較高的儲存壓力。壓縮機在較高的排壓下運行，減少導葉開度就意味著增加喘振風險。所以管網壓力高時采用高壓旁通低壓進口或機組高壓放空等方式來保證設備的安全運行。降低運行負荷而電力消耗減少甚微。

壓縮機機后較高的儲存及管網壓力對產品壓縮機的電力消耗影響較大。大致計算：假設壓縮機入口壓力0.11 MPa，當排氣壓力2.0 MPa與1.5 MPa兩種壓力下的壓縮單耗理論上相差11%左右（因1.5 MPa偏離設計工況，實際上相差比這小一些），即：

ln（2.0/0.11）/ln（1.5/0.11）=1.11

（2）產品氣體的供應方式

鋼廠高爐富氧與煉鋼吹氧壓力等級相差較大。高爐鼓風機后富氧壓力～0.45 MPa，而煉鋼氧氣壓力～1.2 MPa。氮氣除煉鐵高爐噴煤和煉鋼轉爐濺渣需要～1.2 MPa的氮氣，其他工序密封氣、吹掃氣、保安氣、儀表氣等壓力均在0.3～0.8 MPa范圍。

產品氣體供應系統采用不同的壓力等級供應，其電力消耗差別較大。查閱資料及實際電力消耗比較，同規模的氮氣壓縮機，排氣壓力2.0 MPa和1.0 MPa，每立方氣體壓縮電耗相差至少0.04 kW·h。按此計算，供應2萬m3/h氮氣，每年電力消耗相差700萬kW·h，按0.45元/kW·h，一年多增加電力消耗費用300多萬元。

3.2 產品壓縮機及供氣方式的經濟運行

（1）產品壓縮機壓送量與鋼廠用量的匹配

根據鋼廠用量組合產品壓縮機的運行臺數，適宜的匹配是最省電的配置。但實際中很難合適，除非產品壓縮機規格很多，可根據需求任意組合運行模式。筆者單位一季度氧氣用量～3.5萬m3/h，運行兩套2萬的氧氣透平壓縮機，在高爐、轉爐年修近15天的時間，氧氣用量減到～2.5～2.9萬m3/h，就啟用了停運多年的活塞式壓縮機，再通過低溫液體泵在不同階段進行調峰運行模式。停運一臺透平壓縮機，使先前兩臺都在最低負荷運行還需要高壓放空的狀態得到了改善，同時15天中節省氧氣壓縮電力消耗約40萬kW·h，見表3。

表3 兩種運行方式壓氧電耗比較

（2）氣體儲存系統與壓縮機排壓的控制

產品壓縮機降低背壓是較為經濟運行的方式。但低背壓運行使壓縮機后3.0 MPa的儲存系統的調峰功能大大降低，運行中可能還會直接影響到鋼廠的用能需要。但根據各單位氣體儲罐、液體貯槽的能力和鋼廠峰谷用能范圍，適當降低壓縮機背壓是可行的。

另一方面改善儲存系統既可以保證儲存系統的能力，又可做到產品壓縮機低背壓運行。一般的儲存系統由中壓貯罐、調壓閥組構成。習慣上有儲罐單管制、雙管制布置。鋼廠貯存系統多采用單管制，采用低背壓運行后，將對此貯存能力產生影響。但將貯存系統改為雙管制，在儲罐單管制上加裝一個調節旁路于貯罐吞吐閥的兩端，將原吞吐作用的截止閥改變為常閉閥或更換成單向閥（見圖2）。實現大中型產品壓縮機長時間處于用戶工作壓力區域運行，可實現經濟運行。

圖2 貯存系統改雙管制示意

（3）氣體供應壓力的改善

鋼廠不同用能工序對氧、氮氣壓力需求雖相差較大，但多年的習慣性配置，氧氣基本選擇～3.0 MPa等級的壓縮機及供氣管網。氮氣多選擇～2.5 MPa等級和～1.0 MPa等級的壓縮機及供氣管網。筆者鋼廠因過多考慮中壓儲存能力將氮氣全部采用～2.0 MPa供應，60%外供氮氣量屬于高壓低用。目前已提出管網優化方案，準備實施。

運行不同壓力等級的產品壓縮機分別供應用戶，是減少電力消耗最直接的方式。

4其他用電設備的經濟運行

4.1 分子篩電加熱器

過高加熱溫度及過大的加熱氣量，及較長的加熱時間均增加正常運行中的電力消耗。

（1）控制滿足分子篩再生的最佳工作氣量與加熱溫度

分子篩電加熱器是穩定間斷性用能設備。正常加熱期間通往電加熱器的污氮氣量決定著電加熱器的電力消耗。過高的溫度和較大的加熱氣量對分子篩再生是過剩的。冷吹時峰值溫度過高，就應該減少污氮氣量，降低再生氣量的加熱溫度。不同廠家的填料，對再生過程峰值的控制溫度有差別，應與供應廠家聯系，提供該填料再生數據進行控制，避免能源浪費。

（2）充分利用熱量

分子篩再生加熱階段轉入冷吹階段前1～2 min提前斷電，將電加熱器中余熱帶出。筆者單位儀控人員在分子篩程序中加入此控制，已實現經濟運行。2×2萬制氧機分子篩純化器根據實際運行數據，每組分子篩純化器每次加熱少用電量～35 kW·h，兩套機組每月可節約電力消耗～1.2萬kW·h。

日常保養維護中應關注電加熱器及加熱管道的保溫，減少熱量與外界換熱的損失。

4.2 循環水系統

以汽輪機拖動空壓機的制氧系統，因設備汽輪機凝汽器冷卻水量大，其循環水泵及冷卻塔風扇的耗電量消耗也較大。

循環水泵及冷卻塔風扇開啟的數量及組合方式是電力消耗的主要因素。循環水量大于設備冷卻所需水量及循環水冷卻溫度控制過高，均會增加電力消耗。

各機組冷卻水量不過剩，水泵出水能力與機組冷卻水量平衡，盡量減少循環水泵的運行臺數。筆者單位嘗試在循環水泵電機增加變頻調速，減小水泵的供水量，調節效果明顯，運行電流比前期下降10%左右。循環水冷卻塔水池水溫制定溫度控制范圍，2014年一季度將水池水溫由原20℃提高到28℃，減少冷卻塔風扇的運行臺數和運行時間，降低電力消耗。

5 結束語

在鋼廠范圍內將能源監控、能源計劃管理、能源調度相結合，通過合理的管理導向使鋼廠各工序精細化用能。用能與產供能單元充分交換生產信息，圍繞用能計劃量組織生產，是制氧系統降低電力消耗的關鍵。其次發揮空分裝置變負荷能力、液化裝置、氣液體的大貯存能力，精心生產組織與操作，實現制氧系統的經濟運行。

Electricity Consum ption and Econom ical Operation of Oxygen Generation System

CAI Shumei
（The Energy Center of Bayi Iron and Steel Co.,Baosteel Group;Urumqi,Xinjiang 830022,China)

Low-load operation and excessive supply-ensuring mentality increase energy production cost.To enhance energy comprehensive management and control and closer coordination between energy producers and users have reduced electricity consumption and achieved economical operation.

compressor;electricity consumption;gas supply;economical operation

TH45

B

1006-6764(2015)08-0026-03

2015-04-27

蔡樹梅（1968-），女，大專學歷，深冷工程師，現從事制氧技術管理工作。