分級供氧項目在鋼鐵企業(yè)的實施與優(yōu)化

曹景華，管繼輝

（安陽鋼鐵股份有限公司制氧廠，河南安陽 455004）

1 分級供氧項目背景

安鋼制氧廠成立于1996年，有7套制氧機，其中23500制氧機3套，14000制氧機2套，6000制氧機2套，產(chǎn)品氧氣均加壓到2.5 MPa后送入球罐區(qū)。隨著3#高爐的投產(chǎn)和穩(wěn)定運行，高爐對低壓氧氣的使用量急劇增加，已經(jīng)占公司氧氣總供應量的45%左右，擴大氧氣生產(chǎn)量迫在眉睫。高爐煉鐵，氧氣使用壓力不足1.0 MPa，其所需的低壓氧氣，均通過球罐區(qū)的中壓氧氣節(jié)流而獲得，能耗損失較大。簡而言之，氧壓機壓縮到2.5 MPa，通過節(jié)流降到1.0 MPa后供用戶使用，氧壓機做了無功壓縮。

圖1 低壓氧透供應用戶流程示意圖

鑒于此，制氧廠拆掉了1#6000制氧機，在原址新上4#23500制氧機，出裝置氧氣量25000 m3/h。專門配備一臺52000 m3/h等級低壓氧氣透平壓縮機，4#23500制氧機出裝置的氧氣與1#23500出裝置后合并后送入52000 m3/h低壓氧氣透平壓縮機，直接壓縮至下游高爐煉鐵所需的壓力，從而大大地節(jié)省了能耗，提高裝置的運行效率，并且可減小從中壓氧氣節(jié)流到低壓氧氣操作的安全風險。而1#23500的中壓2.5 MPa氧壓機作為備用機組。

2 低壓氧透系統(tǒng)工藝流程

來自1#23500 m3/h、4#23500 m3/h空分塔的常壓氧氣經(jīng)低壓氧氣透平壓縮機壓縮后并入低壓管網(wǎng)供高爐煉鋼使用。進低壓氧氣透平壓縮機的管路布置時充分考慮阻力因素，減少偏流，便于兩套空分機組的工況調(diào)整。

低壓氧透為單軸型單缸離心式壓縮機組，雙層布置結構，采用進口導葉調(diào)節(jié)裝置進行流量調(diào)節(jié)，壓縮機主機和電機共用一個供油系統(tǒng)，供油系統(tǒng)為撬裝式結構。氧透機組具有完備的防火保安措施以及完善的檢測控制手段。

低壓氧透基本運行參數(shù)如下：

（1）氧透設計數(shù)據(jù)：

介質(zhì)：氧氣；

型號：3TYS140；

流量：52000 m3/h；

轉(zhuǎn)速：9020 r/min；

進氣壓力：3 kPa；

排氣壓力：1.0 MPa；

進口溫度：25℃；

排氣溫度：≤42℃；

軸 功 率：～5830±4%kW；

冷卻水溫度：32℃；

出廠日期：2015年10月；

制造單位：杭州杭氧透平機械有限公司。

（2）氧透電機設計數(shù)據(jù)：

型號：AEXW710－2；

轉(zhuǎn)向：從輸出軸端看，為逆時針方向；

相數(shù)：3；

頻率：50 Hz；

額定功率：6500 kW；

額定電壓：1000 V；

電流：419 A；

轉(zhuǎn)速：2991 r/min；

絕緣等級：F級；

重量：17590 kg；

電機總重：25800 kg；

制造單位：江西東元電機有限公司。

3 外部管網(wǎng)流程改造

（1）4#23500低壓氧透出口到球罐區(qū)

低壓氧氣管道從低壓氧透機組出口增設氧氣管道DN400，沿現(xiàn)有管廊敷設至球罐區(qū)，原有管道支架需進行加固，整個管道采用自然補償。

（2）球罐區(qū)

低壓氧氣管道（DN400）在球罐區(qū)分為兩路：一路（DN250）在1#、2#高爐調(diào)壓間后與現(xiàn)有中壓氧氣管道對接，利用原來的中壓氧氣管網(wǎng)供兩座高爐用氣。球罐區(qū)1#、2#高爐調(diào)壓閥組設定一定壓力，當?shù)蛪貉鯕夤芫W(wǎng)壓力低于設定值時，調(diào)節(jié)閥自動打開，中壓氧氣節(jié)流進入低壓氧管網(wǎng)。另一路（DN350）去3#高爐的管道在3#高爐富氧調(diào)節(jié)閥組前并網(wǎng)。

拆除原有球罐區(qū)中壓氧至1#、2#高爐的調(diào)節(jié)閥。為保證球罐區(qū)中壓氧氣節(jié)流補充低壓氧氣管網(wǎng)的可靠性，新建兩套調(diào)壓閥組，運行時，兩套調(diào)壓閥組共同作用。節(jié)流前壓力2.5 MPa、節(jié)流后壓力0.8 MPa、最大流通量45000 m3/h。

（3）去3#高爐新增管道

原有球罐去3#高爐的中壓管道（DN250）不能滿足低壓氧氣輸送要求，需新增氧氣管道（DN350），沿現(xiàn)有備用DN1600冷風管道敷設，至3#高爐富氧調(diào)壓閥組前并網(wǎng)。

（4）去 1#、2#高爐管道

現(xiàn)有1#、2#高爐的富氧總管DN250可以滿足低壓氧氣流通的需要，繼續(xù)保留使用。但是去1#高爐的現(xiàn)有DN150的富氧管道無法滿足低壓氧氣的流通需求，更換成DN200的管道。

4 低壓氧透的運行優(yōu)化

2016年3月18日，52000 m3/h氧透調(diào)試結束，正式啟動并壓縮氧氣并入管網(wǎng)，標志著4#23500制氧機正式開始投產(chǎn)試運行，分級供氧項目正式實施，技術人員根據(jù)氧透生產(chǎn)情況進行調(diào)整，對氧透工藝操作和應對突發(fā)事故方面進行了優(yōu)化，確保氧透的穩(wěn)定、節(jié)能、高效運行。

（1）1#23500 m3/h和4#23500 m3/h的兩套空分產(chǎn)生的常壓氧氣共同進入52000 m3/h氧透機前，供氧透壓縮，鑒于兩套空分出裝置的壓力不同，其中1#23500出裝置氧壓 12 kPa，4#23500出裝置 18 kPa。將 1#23500的出裝置閥 V102保持全開，4#23500出裝置壓力較高，V102根據(jù)不同空分負荷，保持在43%～34%之間變化。兩套空分常壓氧通過并網(wǎng)閥HC4001相連。

（2）2016年5月 2日，4#23500空壓機意外停車，造成52000 m3/h氧透吸入壓力聯(lián)鎖停車，影響了煉鐵生產(chǎn)。為避免今后1#23500和4#23500中任一套機組停運造成52000 m3/h停運，計控人員協(xié)調(diào)工藝人員嘗試在1#23500的空壓機上增設一根電纜引到4#23500操作模塊上，并編制程序，當其中一套制氧機組停運后，瞬時開氧透回流閥V3303到一定開度。經(jīng)過若干次嘗試，確定1#23500和4#23500其中任何一套制氧機停運時，回流閥立即開到70%后，不會造成氧透聯(lián)鎖停車，一定程度上能減少對高爐的影響。實踐證明此方法切實可行。

（3）低壓氧透正常啟動后的進口導葉開度最小控制在36%，在機組未滿負荷運行時，保證出口壓力時，需要用回流閥進行調(diào)節(jié)，即回流閥有一定的開度。這樣氧氣經(jīng)壓縮后再通過回流閥回到進口管道，耗費了壓縮機的電能。技術人員聯(lián)系設計單位杭氧，并通過嘗試，將進口導葉分三次進行關小到10%，回流閥V3303全關，氧壓機能夠保證連續(xù)安全運行。根據(jù)試驗期間的數(shù)據(jù)，低壓氧透導葉開度30%，回流閥開度60%，每小時耗電5570 kW；通過最小負荷調(diào)試后氧透導葉開度10%，回流閥開度48%，每小時耗電4646 kW。低壓氧壓機經(jīng)過最小負荷調(diào)試后，每小時可節(jié)電934 kW。

（4）2016年5月28日20：20分，空壓機報警，檢查發(fā)現(xiàn)為1#23500空壓機進口差壓流量計突然降低隨后恢復，但是仍然觸動防喘振曲線而輕載，崗位人員檢查發(fā)現(xiàn)52000氧透雖然沒有吸入壓力聯(lián)鎖停車，但是吸入壓力偏低并逐步降低到聯(lián)鎖值。崗位人員判斷為兩套空分的氧氣并網(wǎng)閥HC4001沒關閉，4#23500的氧氣從1#23500的常壓氧放空閥處放掉，造成低壓氧透吸入壓力降低。迅速緊急關掉并網(wǎng)閥并恢復52000氧透的運行。沒有影響到煉鐵生產(chǎn)。

根據(jù)此次事故，車間告誡所有崗位人員，一旦1#23500空分停運，要及時關閉氧氣并網(wǎng)閥，避免低壓氧透吸入壓力聯(lián)鎖。

5 分級供氧項目的節(jié)能效益分析

制氧廠的氧壓機后的壓力設定為2.5 MPa，經(jīng)過節(jié)流后進入煉鐵廠富氧，經(jīng)過分級供氧實施后，低壓氧壓機產(chǎn)生的1.0 MPa的氧氣，直接供氧煉鐵，一般情況下，氧透系統(tǒng)壓力設定為0.77 MPa即可滿足煉鐵用氧。節(jié)省的電能主要體現(xiàn)在氧透的壓縮等級上，詳見表1。

表1 低壓氧壓機與常規(guī)中壓氧壓機參數(shù)對比

通過表1參數(shù)可得，假如采用兩套23500 m3/h的中壓氧透壓縮氧氣，極限產(chǎn)量可達52000 m3/h，采用一套低壓氧透最大壓縮52000 m3/h，兩者相同的氧氣量時，消耗的功率差可計算得出每小時耗功差5010 kW·h。每年可節(jié)約電能2609萬元。

6 分級供氧新模式實施與優(yōu)化

4#23500低壓氧透設計上，壓縮兩套23500空分的常壓氧氣，設計壓縮量52000 m3/h，但由于環(huán)保限排限產(chǎn)，減量經(jīng)營，高爐富氧量減少至40000 m3/h，而兩套23500制氧機至少要生產(chǎn)45000 m3/h的氧氣，多余的5000 m3/h，無法經(jīng)濟壓縮，只能放散造成浪費，而中壓氧氣管網(wǎng)壓力時常又比較低，特別是煉品種鋼時，對氧氣壓力要求比較高，這時只能將1#23500氧氣退出，開1#23500中壓氧透壓縮，保中壓氧供應，導致大氧透只能在半負荷下長期運行，只壓縮4#23500制氧機的25000 m3/h氧氣，造成分級供氧節(jié)能措施不能充分利用。為了使分級供氧效能發(fā)揮到最大，提出了新的分級供氧模式。

7 分級供氧新模式方案實施

通過論證，把2#14000制氧機生產(chǎn)的常壓氧氣引入低壓氧透前，使（2#14000、1#23500、4#23500及長時間停運的1#14000，2#6000）5套制氧機的常壓氧氣通過管道聯(lián)網(wǎng)。利用一段原有管道，新增少量新管道，但因利舊的管道長期停用，存在銹蝕現(xiàn)象，不能直接用于氧氣輸送。決定對利舊的管道拆除、除銹、防腐、脫脂后，重新安裝。簡圖如圖2所示。

聯(lián)網(wǎng)后2#6000的6000 m3/h氧活塞也可以工作，可以增加兩種分級供氧新模式。第一種模式：兩個高爐的富氧量約4萬m3，聯(lián)網(wǎng)后，把2#14000常壓氧氣送到大氧透壓縮，節(jié)約3400 kW的中壓氧透的電耗；第二種模式：若高爐順行，負荷有提高，需要1#23500和4#23500聯(lián)合送到低壓氧透壓縮，兩套空分如果僅送入46000 m3/h到高爐，剩余的6000 m3/h常壓氧可送6000 m3/h制氧機的氧活塞機壓縮到中壓送入管網(wǎng)。增加兩種新的分級供氧模式，既保證常壓氧氣不放散，又可以充分發(fā)揮分級供氧的節(jié)能潛力，在兩機兩爐生產(chǎn)模式下充分保證公司的用氣需求。

圖2 低壓氧透與其它制氧機常壓管道連接示意圖

8 分級供氧新模式調(diào)試過程

2#14000常壓氧氣量壓力20 kPA，管道超過500 m，阻力偏大。其常壓氧氣加入與退出低壓氧透，對低壓氧透的進口壓力影響比較大，需仔細研究操作方案，防止低壓氧透停車。

2#14000、4#23000兩套機組常壓氧氣切換的主要方式及操作預定方案：

（1）兩套機組均正常運行，2#14000中壓氧透與低壓氧透均運行。停運2#14000中壓氧透，將氣體送入低壓氧透。

①接到調(diào)度指令后，兩個崗位安排好人員做好倒氣準備，并通過撥打電話進行溝通。

②設定2#14000常壓氧放空量值到正常運行值。確保中壓氧透停運后，能夠保證正常出裝置量。

③按正常停壓氧透操作規(guī)程，停運2#14000中壓氧透。

④確認將HC04、氧聯(lián)3閥門全開，1#14000和2#6000出裝置閥門全關。

⑤適當提高2#14000常壓氧出裝置壓力到24 kPA左右，為倒氣到4#23500做準備。確認出裝置閥門V102A全開，并全開并網(wǎng)閥氧聯(lián)5。氧氣送到4#23500氧透進口閥。

⑥一邊將4#23500的出裝置閥V102關小到30%左右，一邊將低壓氧透回流閥關小至全關，根據(jù)送氣量適當開大進口導葉，并觀察低壓氧透進口壓力不低于5 kPA。

⑦電話聯(lián)系，確認2#14000氧氣量在正常范圍內(nèi)。根據(jù)4#23500出裝置量變化，適當調(diào)整V102和進口導葉。常壓氧氣倒換結束。

（2）低壓氧透壓縮2#14000、4#23000空分的常壓氧氣，倒換為2#14000中壓氧透和低壓氧透分別壓縮本套常壓氧氣。

①接到調(diào)度指令后，兩個崗位安排好人員做好倒氣準備并電話及時溝通。

②緩慢關小4#23500低壓氧透導葉到10%，并將回流閥開大到50%開度，并將出裝置閥V102緩慢全開。

③2#14000設定好常壓放空量并關注其變化，并隨著4#23500氧透的操作，緩慢關小出裝置閥V102A，關并網(wǎng)閥氧聯(lián)5。

④通知配電給2#14000中壓氧透送電，并做好中壓氧透啟動準備工作，提前全開V102A。

⑤按照中壓氧透單機操作規(guī)程，啟動中壓氧透。常壓氧氣倒換結束。

（3）氧氣切換要點：

①以上操作規(guī)程屬于關鍵點控制，具體工作細節(jié)則需要有熟練操作經(jīng)驗的師傅進行調(diào)整，確保設備倒換穩(wěn)定進行。

②2#14000向4#23500倒氣時，務必確保氧聯(lián)5及HC04、氧聯(lián)3全開后再進行4#23500低壓氧透閥門的操作。

③注意防止4#23500的氣反向倒入2#14000放空，造成低壓氧透吸入壓力聯(lián)鎖。

④調(diào)試前將液氧后備系統(tǒng)預冷，一旦調(diào)試過程出現(xiàn)故障，及時啟動后備系統(tǒng)，確保氧氣供應。

9 分級供氧新模式下經(jīng)濟效益分析

（1）調(diào)試應用分級供氧第一種新模式，運行了5天5個小時。由于低壓氧供出量大于40000 m3/h，低壓氧透導葉開大，低壓氧透實際功率4500 kW大于其最小功率（4300 kW），功率增加了200 kW。停運了14000中壓氧透，減少3400 kW電耗，電費按0.58元計算，已產(chǎn)生效益23.2萬元。如果使用一個月，則可節(jié)省電費133.6元。

（2）應用分級供氧第二種新模式。氧活塞每小時送出量5000 m3/h。因每生產(chǎn)1 m3氧氣需耗電0.5 kW，每小時可減少浪費1450元，每天可減少浪費3.48萬元。同時開氧活塞還可以減少氧后備的啟動次數(shù)，減少液氧消耗。

10 總結

高爐是煉鐵的最主要裝置，確保穩(wěn)定供氧是第一要務，在新機組和后備系統(tǒng)投產(chǎn)后，更加需要我們做好穩(wěn)定低壓氧的穩(wěn)定供氧工作，在高爐不同的工況頻繁變動下，我們在調(diào)整制氧機運行工況時，既要穩(wěn)，也要注意不做無謂的浪費。分級供氧新模式的成功實施，既保證了公司用氧需求，又減少了氧氣放散浪費，減少了液氧消耗，降低了氧氣壓縮成本，一舉多得，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益巨大。