首鋼遷鋼公司氧氣管網優化運行系統的開發與應用

2019-01-15 05:40:18馬令軍

低溫與特氣 2018年6期

馬令軍

(首鋼股份公司遷安鋼鐵公司，河北遷安 064402)

1 首鋼遷鋼公司制氧空分生產概況

首鋼遷鋼公司(以下簡稱遷鋼)制氧生產單元擁有5套空分設備：23 000 m3/h空分設備1套，35 000 m3/h空分設備4套，均由法國液空公司(杭州)成套制造，采用立式、雙層、徑向流(內裝分子篩和氧化鋁)的前端凈化裝置，所有塔內均使用低溫規整填料，并采用無氫制氬工藝的雙泵內壓縮流程，DCS計算機集中控制快速變負荷的空分裝置。空分氧氣產量能力為163 000 m3/h，首套23 000 m3/h空分設備于2004年10月建成投產，至2011年底其余4套35 000 m3/h空分全部建成投產，為遷鋼年產800萬t鋼提供所必須的能源氣體介質。

制氧生產單元根據公司生產用氣情況，日常生產時實際運行3套35 000 m3/h空分設備，其余2套空分處于備機狀態。

空分生產中，空分設備生產送出的氧氣壓力為2.80 MPa，首先送入氧氣緩沖管網系統，緩沖系統有7個緩沖球罐，其中，有3個1000 m3球罐，4個650 m3球罐，緩沖能力為5600 m3，緩沖系統最高存儲氧氣壓力為3.0 MPa，通過氧氣減壓站，將氧氣減壓至1.50 MPa后送出供下游用戶使用，氧氣減壓站分大流量減壓閥組和小流量減壓閥組，其中，大流量氧氣用戶主要有煉鋼、煉鐵；小流量氧氣用戶有熱軋、鐵前、廢鋼、鑄鐵機、板坯精整(單獨供高壓氧氣)等。

為確保氧氣穩定供應，保證公司正常生產，制氧生產單元建有兩座液氧儲槽，液氧儲存能力分別為1000 m3、2000 m3，當氧氣管網壓力低于報警壓力時，可啟動后備系統設備來補充管網壓力，維持公司正常生產用氧，后備系統有兩臺液氧泵，送出流量分別為22 500 m3/h和35 000 m3/h。

2 遷鋼空分氧氣生產及管網運行過程中存在的問題

遷鋼制氧生產單元一直把降低氧氣放散率，降低空分生產運行成本，實現空分氧氣生產與用量的平衡作為重要管控經濟技術指標，但實際生產中，氧氣用量時常大幅變動，導致空分氧氣產量難以跟上煉鋼、煉鐵用氧節奏，只能根據氧氣管網壓力變化做被動調節，時常是當氧氣管網壓力高放散時空分氧氣產量減量，氧氣管網壓力低啟后備液氧泵時再增加空分氧氣產量。

空分氧氣生產與用量難以相適應，制約了空分運行經濟效益，具體反映在：

1. 空分連續穩定生產與煉鋼生產用氧間斷不匹配是影響空分運行效益的主要矛盾。空分生產的主要特點是具有連續穩定性，為保證精餾工況，空分運行負荷必須穩定在75%～105%，在此區間范圍內可根據生產實際用氧情況進行產量調節，而煉鋼轉爐因受多項生產因素制約，煉鋼生產用氧具有間斷性和不穩定性，時而生產節奏快，煉鋼爐數多；時而生產節奏慢，煉鋼爐數少，空分產量若跟不上煉鋼節奏及時調節，就會造成氧氣管網壓力忽高忽低，壓力低時就要啟動后備系統消耗液氧填峰補缺，壓力高時就會造成氧氣大量放散，增加生產能耗損失，不利于空分經濟效益的提高。

2. 煉鋼轉爐用氧難以準確預測是影響空分運行效益提升的的主要因素。煉鋼轉爐是重要用氧單位，是氧氣用量第一大戶。長期以來，煉鋼生產受設備檢修等因素影響，轉爐生產節奏難于掌握，有時轉爐生產節奏快，用氧量大而集中，空分氧氣產量調節增加不及時，就會導致氧氣管網壓力急劇下降，管網壓力低于1.40 MPa時會發生氧槍回火嚴重事故，所以為保證管網壓力就要及時啟動后備系統，消耗液氧來保證緩沖管網壓力不低于1.50 MPa；當轉爐生產節奏慢，用氧量減少時，空分氧氣調節減量不及時，會導致氧氣緩沖管網壓力升高，達到2.60 MPa時，為保證管網安全不超壓運行，就要將多余氧氣放散掉，造成能源浪費。因此，要實現氧氣管網壓力優化運行及提高空分運行效益，就必須采用一種技術，以全面掌握煉鋼生產節奏，掌握煉鋼用氧趨勢，確保空分根據趨勢情況及時調節氧氣產量，保證氧氣管網壓力穩定，降低液氧消耗和放散損失。

3. 氧氣緩沖管網壓力難以預測是影響空分設備經濟運行的重要原因。氧氣緩沖管網用以存儲空分氧氣，是確保下游用戶安全穩定用氧的關鍵系統，遷鋼氧氣緩沖系統設有7個氧氣球罐，緩沖能力為5600 m3，正常生產中氧氣緩沖管網壓力一般控制在1.50～2.70 MPa區間，當氧氣緩沖管網運行壓力控制在1.80～2.30 MPa區間時對空分設備運行來說最為經濟，然而因煉鋼用氧量波動大，且難以預測，造成空分氧氣產量難以及時調節跟上其節奏變化，導致氧氣緩沖管網壓力波動較大，很難控制在經濟運行區間。

綜合上述因素，煉鋼轉爐用氧不穩定及難以預測是影響遷鋼制氧生產單元空分設備經濟運行的重要環節，要提高空分運行經濟效益，就要解決煉鋼用氧難以預測的難題，做到空分氧氣生產與用量相匹配，實現氧氣管網優化運行，有效降低氧氣放散率，降低后備系統液氧消耗，從而降低氧氣生產成本。

3 遷鋼氧氣管網優化運行系統的開發實現

為實現氧氣管網優化運行，就要全面掌握空分氧氣實時產量及各個用戶實時用氧情況，通過建立數據處理模型，以預測出氧氣緩沖系統壓力變動趨勢，根據趨勢數據做到空分氧氣產量的提前調節，確保氧氣管網壓力穩定在1.80～2.30 MPa經濟運行區間，避免氧氣管網壓力出現過低或過高的不利情況，從而提高空分生產經濟效益。

遷鋼氧氣管網優化運行系統的開發實現主要依托遷鋼完善的信息化數據系統，該系統主要包括INSQL數據庫和MES數據庫。其中，INSQL數據服務器涵蓋了煉鋼、煉鐵、冷軋、動力、電力、制氧等各個作業部的生產實時數據，對查詢生產數據，及時了解生產狀況及動態情況有著重要作用。從上述INSQL服務器中，通過使用趨勢軟件或編程實時查詢遷鋼公司INSQL數據庫系統，可以得到關于空分氧氣生產及用戶用氧實時數據。MES制造執行系統能通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理，涵蓋了鐵鋼軋詳細生產作業計劃。為確保實現鋼材生產的過程控制，在鐵鋼軋一體化生產模式下，煉鋼系統必須按生產過程、冶煉品種提前編制完成轉爐生產計劃，并編制詳細的作業計劃數據表，并將轉爐生產作業計劃數據表上傳到MES系統中，以便于各相關生產作業部門及時了解信息，做好各項生產準備工作。圖1為遷鋼氧氣生產及用量數據自動化示意圖。

圖1 遷鋼氧氣生產及用量數據自動化示意圖

通過查詢INSQL數據庫系統，首先可全面掌握空分氧氣生產情況，及空分氧氣實時產量數據、氧氣緩沖系統壓力及減壓后氧氣管網壓力實時數據；其次，可全面掌握氧氣用量持續穩定的各氧氣用戶實時數據。

實現遷鋼氧氣管網優化運行系統，重點工作就是要實現轉爐氧氣用量的可預測性，及通過掌握煉鋼轉爐實時生產作業計劃，從而可以預測出轉爐用氧情況。遷鋼公司MES信息系統為實現氧氣管網優化運行系統提供了強有力的技術支持，通過查詢系統中的煉鋼轉爐生產計劃數據表，能全面掌握煉鋼轉爐生產作業計劃。

按照實際生產統計，轉爐每爐次煉鋼平均用氧量為12 000 m3，按每爐次冶煉吹氧15 min計算，轉爐冶煉時每爐次每分鐘用氧量平均為800 m3左右，按MES信息系統轉爐生產作業計劃表，對該時段全部轉爐用氧情況按每分鐘進行分解，就掌握了轉爐生產每小時的用氧情況，為氧氣管網優化運行系統的實現解決了技術難題，數據分解如表1所示。

在全面掌握空分氧氣生產數據、氧氣管網壓力數據及各氧氣用戶氧氣用量的情況下，通過數據建模，開發相應的應用程序和圖形界面，對上述數據進行處理，就可預測并顯示出一定時間內氧氣緩沖管網系統的壓力變動趨勢。

表1 按轉爐作業計劃分解轉爐用氧數據表

圖2 氧壓預測控制流程圖

實現氧氣管網優化運行系統，最重要的目的是根據預測出的氧氣緩沖管網壓力變動趨勢，指導空分生產，當預測出近一段時間內氧氣用量較少，氧氣緩沖系統壓力持續上升并達到氧氣放散壓力時，就可根據空分生產情況調節空分氧氣產量，在空分未達到最低運行負荷的情況下，按照一定控制策略減少氧氣產量，對空分減量后的氧氣緩沖系統壓力變動趨勢重新進行測算，直至空分產量減少到最低運行負荷，或氧氣緩沖管網壓力穩定在1.80～2.30 MPa；反之，當系統預測出近一段時間內氧氣用量增加，氧氣緩沖系統壓力有持續下降趨勢時，應按照一定控制策略增加空分氧氣產量，對空分增量后的氧氣緩沖系統壓力變動趨勢重新進行測算，直至空分產量增加到最高運行負荷。

以上兩種情形，控制系統應根據相應控制策略(見圖2所示)計算出最適合的空分氧氣產量，從而降低氧氣放散量，降低液氧消耗，降低空分運行能耗，確保空分運行經濟效益。

遷鋼氧氣管網優化運行系統圖形開發界面如圖3所示。界面上部圖形顯示的是煉鋼轉爐作業計劃示圖，界面中部圖形顯示的是依據煉鋼作業計劃、空分氧氣生產及用氧情況計算出的緩沖管網壓力變動趨勢線(以綠色實線標識)，以及按照一定控制策略優化空分產量后計算出的氧氣緩沖管網壓力線(以藍色虛線標識)，界面下部顯示的是各用戶氧氣用量等實時數據及空分氧氣產量測算數據等。

圖3 遷鋼氧氣管網優化運行系統圖形開發界面

4 遷鋼氧氣管網優化運行系統應用

表2 2012年與2013年主要經濟技術指標對比

遷鋼氧氣管網優化運行系統自2013年初開發完成投入使用，通過實際運行，該系統取得了很好的經濟效益，但受實際生產因素制約又體現出了一定局限性，主要表現在：理論上在煉鋼轉爐作業計劃排定后，系統根據轉爐作業時間可以預測出相應時間內的管網壓力變動趨勢，但實際上受煉鋼生產各項因素影響，轉爐作業時間經常發生變化，系統不可能準確預測出所有時間內的管網壓力變動趨勢，實際運行表明，煉鋼系統制訂的煉鋼轉爐作業計劃4 h內的準確執行率為85%，煉鋼轉爐作業計劃2 h內的準確執行率為95%，這樣，遷鋼氧氣管網優化運行系統依據轉爐作業計劃可準確預測出2～4 h內的管網壓力趨勢，依據此預測數據來實現對空分產量的調節，從而優化空分機組運行。

通過對該系統運行一年來的各項經濟技術指標數據對比，可以看到氧氣放散率由2012年的2.34%降至2013年的1.81%，降低了0.53%；實施氧氣管網優化運行系統后，通過氧壓預測對空分產量進行及時調整，后備系統液氧消耗有了大幅度下降，2012年全年后備系統液氧消耗為4830 t，2013年后備系統液氧消耗為1435 t，2013年比2012年減少液氧消耗3395 t(如表2所示)。

5 結論