制氧機組群經濟運行研究

幸 鋼

（重慶朝陽氣體有限公司，重慶 401325）

前言

重慶朝陽氣體有限公司（以下簡稱：朝陽公司）長壽制氣基地現有4套制氧機組和1套液化裝置。分別為1#18000制氧機組、2#18000制氧機組、35000制氧機組、30000制氧機組和100 t/d液化裝置。該制氣基地是為重慶鋼鐵股份公司（以下簡稱：股份公司）年產650萬t鋼的生產規模而配套的。股份公司在新區有4座高爐分別為3×2500 m3+1×1750 m3。從經濟運行角度出發，任何設備投運，都希望達產達效，高效低耗生產。如何使得制氧機的運行既能滿足高爐不同運行組合下的高效生產，又能使得制氧機組的運行成本最省，這是重鋼環保搬遷后朝陽公司所面臨的最大課題。

2010年，環保搬遷一期工程投產的第1年。股份公司2#高爐運行，朝陽公司運行35000制氧機組。一方面整個生產線故障較多，生產不順，另一方面用氣規模偏低，氧、氮氣出現大量放散，全年綜合放散率達35%。

2010年11月，1#高爐投產。朝陽公司搬遷機組2#18000也如期出氧。在兩座大高爐的運行條件下，“一大一小”制氧機組合恰好能滿足用氣需求。

2011年7月，3#高爐投產。朝陽公司新建的30000制氧機組也同時投產。在3座大高爐的運行條件下，制氧機運行組合就出現了大問題。制氧機開“兩大一小”出現大量放散，僅開“兩大”，又不能確保鐵、鋼系統高效生產。

2014年，全國性的鋼鐵產能過剩帶來鋼材價格大幅下降，股份公司被迫不斷降低生產規模。到極限時出現了2座高爐半負荷保安生產。朝陽公司也隨之減產至1臺機組運行。這一現象持續到2016年底才開始陸續提產。其間，制氧機組也不斷調整組合以與鋼鐵主線相適應。我們研究的課題就是，在保證整個鋼鐵生產線各種用氣需求的前提下，運行不同制氧機組組合，以盡可能降低運行總電耗。

1 搜集正常條件下的氧氮用量、鋼鐵產量等數據

制氧機運行的經濟性不能影響股份公司的正常用氣需求。我們首先做的工作就是搜集整理與用氣需求相關的歷史數據。經驗證明，鋼鐵生產主線的平均用氣量與鋼產量是正相關的。在這些數據中，有一些數據是高爐或轉爐突發故障或計劃檢修出現的，也有數據采集、傳輸當中產生了誤差。為提高回歸分析的準確性，我們將那些不正常的數據進行了剔除。非正常狀況用非常規方法解決。這樣就能去偽存真，把復雜問題簡單化，提高了計算的準確性。

2 用線性回歸分析方法找出各數據之間的聯系

將以上數據經過校驗后，分別輸入到EXCEL表格，利用EXCEL的數據分析功能，得到表1、表2分析結果。

表1 氧氣需求量回歸計算結果

從表1可得出氧氣小時需求量與單日鋼產量的回歸模型：

YO＝14800+2.59St，相關系數R=0.93（說明是強相2關）。

從表2可得出氮氣小時需求量與單日鋼產量的回歸模型：YN2＝18800+2.32St，相關系數 R=0.9（說明是強相關）。

例如，股份某月鋼產量52萬t。

小時氧需求量＝（520000÷30×2.59+14800）×1.05＝62678 m3

其中1.05為氧氣調峰修正系數，為經驗值。

小時氮需求量＝（520000÷30×2.32+18800）×1.1＝64914 m3

其中1.1為氮氣調峰修正系數，為經驗值。

3 根據氧氮需求量，利用線性規劃，確定各機組運行組合

把每個機組運行狀態設定以氧氣產量為基準的三個標準工況，通過實際運行得到實際運行電耗，加上液體產量計劃為約束條件。利用EXCEL的線性規劃功能求解能耗最低運行點。以此為依據確定機組的運行組合。

3.1 建立數學模型

極小值模型

式中，Z——三個機組總能耗；

C11～C13——1#機組三種工況的實際能耗；

X11～X13——1#機組三種工況系數，取0～1；

C21～C23——2#機組三種工況的實際能耗；

X21～X23——2#機組三種工況系數，取0～1；

C31～C33——3#機組三種工況的實際能耗；

X31～X33——3#機組三種工況系數，取0～1。

約束條件：

X11，X12，…… X33≥0

式中，A11、A12、A13……A33——三個機組三種工況的實際氧氣產量；

B11、B12、B13……B33——三個機組三種工況的實際液氬產量；D1——鋼鐵主線用戶對氧氣的計劃需求量；D2——鋼鐵主線用戶對氬氣的需求量與公司液氬銷售計劃量之和。

3.2 制氧機組運行組合形成的具體步驟

（1）將以上模型輸入EXCEL；

（2）將回歸分析得到的氧氮用量作為計劃需求量；

（3）根據氧氮氣需求量和液氬需求量，利用EXCEL的線性規劃求解功能，得到總體制氧能耗（不考慮產品壓縮能耗）最低的各機組運行組合，見表3。

表3 線性規劃表

線性規范前后的結果是：在鋼鐵主線月產為52萬t鋼的生產規模下，氧氣的小時需求量為62678 m3/h，對應機組組合為：

1臺18000機組最低負荷，即氧產量14000 m3/h；

30000機組最低負荷，即氧產量26000 m3/h；

35000機組最低負荷，即氧產量29000 m3/h；

此時總制氧能耗最低，小時能耗為36039 kW。

3.3 以氮氣需求量確定氮壓機運行組合

詳見表4。

表4 氮壓機運行組合表

從表4可得，氮氣需求量為64914 m3/h時，氮壓機運行組合為：

15000高壓氮2臺，15000中壓氮2臺，6000高壓氮。

3.4 通過降低空壓機壓力來實現空分降負荷生產

在鋼鐵主線用氣規模相對于制氧機組生產量偏小的情況下，為降低放散，需要空分降負荷生產。而我們需要的降負荷是有效節能的降負荷，只有能耗實實在在降低，控制放散才有意義。

傳統方法是關小下塔液氮回流閥，以減小空分入塔空氣量，實現空分降負荷生產。傳統方法主要有以下優缺點，見表5。

表5 傳統操作方法優缺點分析表

我們利用兩相流理論和主冷負荷自平衡理論，通過仔細分析、計算和摸索，發現滿足空分生產工藝要求的空壓機壓力極限比設計壓力614 kPa（A）可下降7%左右，最低可達575 kPa（A）。

制氧機組的空壓機壓力設計值都是在空分下塔所需壓力的基礎上，考慮氮水預冷系統、分子篩、主換熱器的阻力而確定的。降低空壓機壓力只能從降下塔壓力入手。而下塔壓力的確定要考慮兩個因素：一個是下塔壓力要滿足主冷工作要求；另一個是下塔液氮、液空能否克服靜液液柱高度到達上塔和粗氬塔冷凝器。

我們知道空分系統中，在下塔與上塔之間一般有兩個節流閥：液空節流閥與液氮節流閥。（有些空分設備還有污液氮節流閥。）下塔得到的富氧液空經過冷后一路節流進入上塔作為上塔提餾段的回流液，另一路進入粗塔冷凝器作為粗氬塔冷源。下塔底的富氧液空在經過冷器降溫后，溫度仍然要高于上塔和粗氬冷凝器液空側壓力下液空的飽和溫度，在液空的上升流動過程中，隨著液空位置的升高，液空壓力不斷下降，到達一定高度后，液空就會開始氣化，并隨著位置的再升高（壓力繼續降低）氣化率不斷增大，液空輸送管道的上半段內實際是氣液兩相流。近來規整填料塔和降膜式主冷的使用，已經使下塔壓力降低到0.5 MPa（A）左右，甚至更低。

圖1 上、下塔操作壓力關系

普通的板翅式主冷上下塔壓力的對應關系見圖1。如上塔壓力140 kPa（A）對應下塔壓力約為535 kPa（A）。而全精餾制氬粗氬塔又最高，這樣液空由下塔底到粗氬冷凝器的輸送成為降低空壓機能耗的主要問題。

粗氬塔液空節流閥安裝位置，在8 m左右。節流后使得過冷液體提前在管道中呈氣液混合態，形成霧流狀態，它所產生的靜液柱壓力也大幅下降。

根據兩相流密度計算公式，假設節流后平均汽化率α為15%，38%O2液空密度為935 kg/m3，液空蒸汽密度為1.319 kg/m3：

則ρ空＝15%×1.319+85%×935＝795 kg/m3

粗氬冷凝器頂部與下塔底部相對高度約48 m，假設在8 m處節流，則液空靜液柱阻力為：

假設：

粗氬冷凝器壓力P粗=135 kPa

液空管道流動阻力Pd管=20 kPa

下塔阻力Pd下塔=16 kPa

因為，下塔頂部壓力：

而在上塔下部壓力為140 kPa（A）時，對應下塔工作壓力為535 kPa（A）。所以下塔的極限壓力已不再受液空能否輸送到氬冷凝器制約，而是由主冷能否正常工作決定。

根據以上分析，并考慮到流動阻力，可得：下塔頂部的極限壓力可降低至535 kPa（A），對應空壓機壓力可由614 kPa（A）降低到 575 kPa（A）。這就為我們突破設計局限，降低空壓機壓力提供的理論依據。

在理論分析成熟后，實際操作就是成功的關鍵。降負荷最大的難度就是在氧氮純度保證的前提下，實現工況的調整，也就是說，空分需要實現“無級變速”。

降負荷操作的主要步驟為：

（1）緩慢降低空壓機壓力，每次只能降低2 kPa；

（2）隨著空壓機壓力下降，由于主冷熱負荷下降，空氣入塔量自然下降（即主冷自平衡）；

（3）由于主冷熱負荷下降，下塔回流比減小，需微量關小下塔液氮至上塔的節流閥，控制下塔回流比，保持液氮和液空純度；

（4）因上述幾步操作，上塔提餾段和精餾段回流比都下降，相應減小氧、氮產品氣量；

（5）待所有工藝參數穩定后，從第一步開始重復進行下一輪降負荷操作，直到降至所需壓力。

該操作方法操作復雜，監控的工藝參數多，有破壞主塔工況，影響氧、氮純度的風險。而且持續時間長，一般每天降壓力不能超過8 kPa。若操作過急，會出現連續幾天甚至十幾天的主塔工況不穩。

該操作方法的優點是能有效降低空壓機的電能消耗。降低的電能包括一方面因空氣量下降而減少的壓縮能，另一方面因空壓機壓力降低而下降的單位氣體壓縮功。因壓縮空氣量非常大，單位壓縮功的下降總能耗是明顯的。以35000空壓機為例，實際運行發現，同樣10%的降負荷操作，單減空氣量空壓機電流從1050 A下降到950 A，而將空壓機壓力從614 kPa降低到575 kPa，空氣量也可下降10%，但空壓機電流可降至850 A。

4 利用富氧用量、氧氮管網壓力等參數的變化，確定實時能耗控制措施

用線性規劃技術得到的氧氮需求量是一個平均量，制氧機組一旦運行，不可能頻繁啟停。在實際運行中，氧氮用氣量大幅波動，壓力也隨之出現起伏。高爐出現慢風、休風，煉鋼節奏出現變化，都會打破整個用氣平衡，必須建立一套時時控制的方法，以降低運行能耗。

4.1 控制放散的實施細則

（1）根據情況動態調整機組工況

這是指根據股份公司用氣需求和液體的銷售情況確定制氧機組是否啟動2臺膨脹機，即一、二工況的變化。二工況的制氧單耗遠高于一工況，只有液體銷售形勢較好時這樣運行朝陽公司才有效益，而用二工況來降放散任何時候都是不經濟。但在空壓機減負荷至導葉接近關完，氧氣仍有放散時，啟2臺膨脹增加液氧產量以降低氧氣產量，則是可取的。可把它看作是將放散的氧氣液化。

（2）對制氧機組空壓機負荷進行調整

現階段，根據我們對富氧量與用氧總量關系的觀察，只有當富氧量超過17000 m3/h時，用氧總量才達到42000 m3/h以上。因此，暫定富氧量高于17000 m3/h時，空壓機作增負荷操作以增加氧產量。

（3）合理啟停氧氮壓機

當富氧量低于10000 m3/h超過2 h，可向指揮中心申請停氧壓機；富氧量高于20000 m3/h，可考慮啟動6000高壓氮。

（4）對管網壓力進行調整

當富氧量低于11000 m3/h，氧壓機放空設定2.0 MPa，當富氧量高于 14000 m3/h，20∶00～9∶00氧壓機放空設定2.3 MPa，當富氧量高于17000 m3/h，全天氧壓機放空設定2.3 MPa。

（5）對100 t/d液化裝置進行轉速、品種等工藝調整

當氧氣管網壓力低于1.7 MPa時，若氧氣用量仍高，液化裝置全量生產液氮，此時若氮氣壓力也低，則降低高低溫膨脹機轉速，以降低液化裝置負荷；當氧氣管網壓力高于1.9 MPa時，液化裝置全量生產液氧。

（6）保持水冷系統高效率

定期對冷卻器進行清洗。風機除了檢修外應全部運行。我們需建立冷卻器冷卻效果評價體系。循環水泵只要電流不超額定，盡量不要進行機前或機后節流。

（7）氧、氮壓機加減量

氧、氮壓機在加減量時盡量用導葉，但不能低于導葉的喘振開度。我們已摸索出各產品壓縮機不喘振的最小導葉開度。

（8）液氧、液氮泵的啟停

液氧、液氮泵的啟動可解決短時氧氮管網壓力過低的問題，是必要的保產手段。但若出現大量補充液氧的情況，必須考慮提高氧氣產量，或增開機組。當高壓氧壓力低于1.4 MPa啟動液氧泵，當高壓氧壓力高于1.8 MPa停液氧泵，當高壓氮壓力低于1.5 MPa啟動液氮泵，當高壓氮壓力高于1.8 MPa停液氮泵。

（9）膨脹機的調節

膨脹機的操作也會影響整個機組的能耗水平。在調節增壓透平膨脹機時，要注意增壓機回流閥與膨脹機噴嘴之間的配合。在正常運行狀態，單位制冷量優于膨脹量。也即是說，增壓比和膨脹壓比都很重要。在各機組已最低負荷，放散仍過大時，可啟動2臺膨脹機，犧牲能耗以換取更多的液體產品。

（10）高爐休風、聯合檢修的應對

若遇高爐休風、聯合檢修等用氣量大幅下降的情況，提前與生產生產調度溝通，有計劃停運部分氧、氮壓縮機，以盡可能降低能源消耗。

總之，富氧用量的大小，直接反映整個鋼鐵聯合生產線的用氣需求大小。并且，富氧的增加或減少反映到用氣量的變化有2～4 h滯后，這正好能部分彌補制氧機工況調整的滯后。

4.2 以放散控制措施細則，制定出放散控制實施表，以方便當班員工時時控制

詳見表6。

4.3 根據鋼鐵主線檢修范圍、時長，確定停運部分壓縮機

在鋼鐵主線進行月度聯合檢修時，用氣量會出現大幅下降。我們根據檢修的內容不同決定停運相應的壓縮機。比如，1座大高爐檢修，可停1臺15000的氮壓機，1座小高爐檢修可停1臺6000氮壓機運行。若有2座高爐檢修，在停運2臺氮壓機的同時還可停運1臺氧壓機。

5 實施效果

該項目已在高爐運行“兩大”和“兩大一小”時得到了檢驗，收到了可觀的經濟效益。項目實施前，各單機實際消耗能耗如下：

表6 放散控制實施表

1#18000機組單日電耗：360500 kW·h；

2#18000機組單日電耗：360460 kW·h；

35000機組單日電耗：733900 kW·h；

30000機組單日電耗：695760 kW·h；

100 t/d機組單日電耗：58000 kW·h。

項目實施前后，各運行組合實際消耗電費（電價按每度0.582元計算），見表7。

表7 項目實施前后各運行組合電費

2017年上半年各節能措施節能效果見表8。

表8 節能效果分析表

上半年1#18000+35000+100 t/d組合運行106天，35000+30000+100 t/d組合運行75天，上半年實際電耗與去年同比節約電費：

預計全年可節約電費：700×2＝1400萬元