空分設備可靠性和系統經濟性的管理探討

楊瑜亮

（南京鋼鐵聯合有限公司制氧廠,江蘇省南京市 210035）

前言

隨著大型冶金企業管理的不斷進步，冶金企業生產系統高爐大富氧，轉爐高頻次吹煉節奏不斷加快，能源介質穩定供應是保證生產連續性的前提，而氧氣、壓縮空氣等是同時影響高爐、轉爐連續生產的關鍵能源介質。同時空分設備97%以上能耗為電力消耗，系統經濟性運行意義同樣重要。因此如何保證空分設備長周期穩定、高可靠性、系統經濟性運行是冶金企業設備管理的重要方面。

筆者結合多年實踐，通過南京鋼鐵聯合有限公司（以下簡稱南鋼）多套空分（包括空壓站所）設備管理經驗，在不斷完善原有的管理方法中總結出具有自身特點的冶金企業空分設備管理模式。分析設備可靠性、系統經濟性對設備管理運行的具體影響，從而為公司一線生產保產保供提供可靠保障，為一線生產高質量服務奠定基礎。

1 可靠性管理理念和管理體系

依據空分設備特點，南鋼長期以來以“設備精細化管理”及“全壽命管理”理念為抓手，以“TPM 設備管理”模式為手段，以“非計劃停機為零攻關”為突破口，構建流程清晰、權責明確、規范有序、持續改進的管理體系，依據設備特點，緊抓關鍵設備為主線，夯實設備基礎管理。以不斷完善、健全設備本質安全和提高設備主要運行效率為重點，實施以點檢定修為核心，預防性維修與狀態維修相結合，緊抓機會檢修時間，追求設備最優化經濟運行的多種維修方式并存的設備維護策略，執行設備全壽命周期管理要求，提升設備綜合運行指標，保障設備長期穩定順行。

在長期的設備管理發展過程中，由于設備管理的本質是保證設備長期穩定運行，因此可靠性是所有保障指標的前提。為保證設備的長時間無故障運行而進行的分析處理過程，這就是設備的可靠性分析。設備的可靠性差會導致設備發生故障的概率很大。所謂可靠性，是指設備機能在時間上的穩定性程度，或者說在一定時間內，不發生問題的程度（概率）。設備的可靠性由固有可靠性和使用可靠性構成。固有可靠性，是指該設備由設計、制造、安裝到試運轉完畢，整個過程所具有的可靠性，是先天性的可靠性。使用可靠性，是指產品在實際使用過程中表現出的可靠性除固有可靠性的影響因素外，還要考慮操作使用、維修保障等方面因素的影響。

為保證設備可靠性目標的實現，基于設備本身固有特性和客觀規律的研究，科學家們總結出了“盆浴曲線”理論和“全壽命周期管理”理論。

（1）盆浴曲線理論

設備一生的故障率是變化的，分為初始故障期、偶發故障期、損耗故障期三個階段。由于其構成曲線猶如浴盆，簡稱“盆浴曲線”，見圖1。

通過大量理論和實踐，空分設備中大型旋轉設備在服役5～8 年后，出現老化、劣化傾向，因此大修周期一般選為5～8 年。同時通過案例分析，隨著設備和制造可靠性提升，設備整體故障情況偏向于左半盆浴曲線，因此實際工作中更主張取消定期大修改造，用項修組合取代定期大修。

圖1 設備盆浴曲線

（2）全壽命周期管理理論

設備管理實際上是指全壽命周期的管理，簡稱LCM（Life Circle Management），其具有三重含義：三維空間上的全壽命周期管理；突出在盆浴曲線不同階段的不同管理特色；全壽命周期的費用管理，具體如圖2。

圖2 設備全壽命管理管理示意圖

基于豐富的設備管理理論，設備的日常管理維護需采用積極穩妥且不斷優化的維修策略，因此可靠性維修策略理論應運而生。

（3）可靠性維修策略理論

可靠性維修的目的：詳細掌握設備信息，積極減少設備故障，延長設備使用壽命，減少設備維修費用。因此設備管理維修必須依據策略進行，策略的優勢直接影響設備的可用率、維修成本、安全以及企業的運行效益等。依據現場設備實際役齡進行合理安排，同時采取多種維修模式相結合的維修策略是現代化設備管理的方向。根據設備特點、重要程度、可能引發的故障特征進行綜合施策。（機會檢修、計劃檢修、預知維修、預防維修、事后維修等組合進行），簡而言之，以可靠性為中心的設備維修策略是現代化設備的最優維修策略，使維修達到滿意的綜合效果。因此實施中應以維修策略的平衡進行，如圖3所示。

圖3 維修策略的平衡

2 南鋼空分設備可靠性管理實踐和成效

依據冶金型空分系統設備特點和重要性，以南鋼實踐經驗為例進行簡要概述。空分系統設備按大型關鍵設備分類分級劃分為：深冷空分裝置、大型離心式壓縮機組、配套壓縮機組高壓大電機、變壓器、高低壓配電、儀表控制、公輔水系統及其他工藝管理等進行分級區分管理。通過多年實踐，設備總體運行狀態良好，滿足一線生產用戶的穩定用氣需求，設備連續運行指標多年來控制在0.5‰的非計劃停機率，處于行業較好水平，具體做法如下所述：

2.1 主線關鍵設備可靠性管理措施

設備管理中，依舊遵循20/80 理論，空分系統（包括空壓站所）設備清單中ABC 類設備清單中A類關鍵設備占比20%左右，其他設備占80%。而關鍵設備中以大型離心式壓縮機組系統為主，其運行狀況直接影響空分系統平穩與否，因此緊抓20%的核心關鍵設備管理是日常工作重點：

·強化設備潤滑管理（良好的設備潤滑可降低70%以上的故障），依據設備潤滑要求做好年度油品檢測及周期性更換，確保機械設備潤滑優良（采用年度油品檢測化驗和4～5年運行周期更換）。

·實行大型設備三級點檢，尤以大型旋轉設備精密點檢（頻譜分析）數據和分析報告為設備預防（知）維修提供第三方依據，同時參照DCS 數據分析，提前發現故障隱患。

·落實設備/裝置項修周期計劃，確保設備機械性能正常（且滿足一個周期內穩定運行為管理目標），保證設備穩定順行。依照設備盆浴曲線理論，執行檢修規程和行業經驗5～8 年項修周期，10 年深冷空分裝置項修周期。

·充分落實全壽命管理理論。緊抓前期設備本身制造質量與后期檢修質量的保障是確保機械設備穩定順行的基礎。全流程管控設備狀態。

·長期備用機組或故障處理后設備啟動前盤車正常方可進行下一步程序。

·大型壓縮機設備嚴禁超負荷運行（依據設備軸功率進行推算）。

·裝置控制系統主機聯鎖功能確保完好，嚴禁取消原設計保護功能。該項要求為設備長期平穩順行奠定基礎，實現設備運行過程目標全受控。按照聯鎖報警功能清單定期校驗，測試(溫度、振動、軸位移等），嚴禁未經許可打假值或解除，儀表測量元器件定期校驗或更換（保障測量準確，以免發生誤報或誤動作引發跳機）。

·強化階段性設備管理：結合南方環境因素，充分開展季節性設備管理，針對梅雨季節和高溫季節電氣設備、大型空壓機疏水重點要求，開展專項設備管理，實現設備可靠性運行。

2.2 高低配電系統設備管理

·周期性功能試驗嚴格按照3 年檢測周期進行（各項保護試驗數據完好）。

·日常管理中高壓設備：清灰、高壓觸頭檢查、定期更換。

·高壓微機綜保功能完好。

·高壓電纜頭溫度檢測（配置在線巡檢系統）、防火涂料完好。

·高壓柜、配電室孔洞封堵完好。

·采用FLUKE熱成像儀對于關鍵部位檢測。

·油變壓器的油品檢測與數據分析，有上升趨勢時確認后進行更換。

·嚴禁連續啟動（部分機組有程序保護），嚴格按照程序規定執行。

·低壓雙回路切換電源功能完好，定期切換試驗。

·UPS、直流屏電源功能完好，定期檢查。

·電儀聯鎖試驗功能正常，大型機組啟動前進行空投模擬試驗。

2.3 大電機、變壓器設備管理

·日常管理中開機前絕緣電阻測量，最低標準>10 MΩ。

·日常檢查定子內部的灰塵、油污情況（停機后開蓋檢查）,日常檢查中油箱真空度正常與否，要求＜-2 kPa。

·制定定修計劃（6-8 年高壓大電機、啟動變壓器大修周期）。大電機返廠大修保養檢測、真空浸漆；變壓器返廠檢查保養。

·探索實施對高壓電機定子進行氮氣微正壓保護。

·具備條件變壓器室改造使用低露點壓縮空氣正壓送風。

·大電機與壓縮機同心度調整及安裝質量（一般大修時進行，日常根據運行情況進行點檢確認）。優良的同心度是保障機組穩定運行的前提。

·充分了解同行業故障案例，舉一反三，防范事故故障。

3 系統經濟性概述

設備系統經濟性是指設備在長期運行過程中是否達到行業或設備本身應具備的經濟運行指標。在科技日益發展的今天，緊隨科技發展推動設備經濟指標進步是衡量企業競爭力的重要方面。鋼鐵企業設備配置是根據裝置投用時的行業主流技術進行的，而隨著長期使用（十年以上）和科技進步，尤其是一些高科技先進技術產品的問世可能出現顛覆性的設備經濟指標。另外原有系統在當初設計中存在部分與實際差異較大的現象，因此裝置系統性的流程優化是在長期實踐中逐步發現和不斷完善的。為此，緊跟技術潮流進步，不斷提高設備水平和對原有裝置的及時改造在設備管理和使用過程中至關重要。

鋼鐵冶金企業為工業企業的耗能大戶,以南鋼為例，其整體電力消耗占南京市總比例約5%。而空分設備主要能耗為電耗（占比97%以上），達220萬kWh/d,經系統測算能耗占公司用電比例約為17.3%，為公司內部重點用電大戶，設備經濟運行對于長期管理和成本效益，具有舉足輕重的地位，因此系統優化和技術改進在空分設備系統經濟性管理效益巨大。

4 南鋼空分設備系統經濟性管理實踐和成效

南鋼在長期的設備管理中，不斷挖掘系統短板，及時追隨行業技術發展潮流，針對自身設備狀態指標，制定提升系統經濟性管理措施，實現老設備煥發新指標的系統改造，提升設備運行系統指標。

（1）以循環水系統為例，冷卻水供水溫度下降3℃直接影響空分、空壓系統能耗指標1%。且在夏季時供水溫度直接影響空分機的穩定運行。為此通過外出交流學習，制定并不斷優化技術改造方案，選用國內高效節能機械通風冷卻塔，于2015-2018 年逐年改造，使設備供水溫度由原來36.5 ℃降低到32 ℃以內，節能效益約800 萬元/年。

（2）以2003-2005 年已運行15-18 年裝置改造為例，與國內知名工程公司和制造廠商共同研究采用行業最高效規整填料，運用國內僅有掌握在線分塊施工的改造方法對兩套2 萬m3/h空分裝置下塔改造，將雙溢流結構篩板塔改造為高效規整填料塔，實現下塔阻力＜3.2 kPa 的行業先進指標。液氬產量提升300 m3/h，實現節能效益760 萬元/年。

（3）以煉鐵高爐系統大富氧提升實現節能改造為例，通過采用高爐、轉爐用氧壓力不同的需求，結合公司空分機配置狀況，進行壓力分級供應，同時滿足極限狀況的用氧需求。為此制定高爐富氧全系統流程優化設備改造方案，選用中、低壓氧氣組合供氧模式，對原有部分中壓氧壓機在線實現改造。通過實踐實現系統節能效益1780 萬元/年，同時氧氣設備、管網運行安全系數大幅提升。

（4）進行空分系統流程阻力的優化，推進蒸汽能源高效利用，采用行業內高效節能蒸汽加熱器專利產品替代現有電加熱器完成多套空分分子篩加熱器改造，項目投用通過實際統計計算，實現年節能效益263 萬元/年；采用深冷空分裝置新開發的分子篩切換三桿閥及壓縮機出口軸流式止回閥，一方面提升設備本質安全，同時設備使用壽命延長一倍。合計綜合效益331 萬元/年。

（5）針對全公司壓縮空氣供應分散狀態，經系統經濟性調研，制定3年規劃。實施大系統、全流程優化提升方案，通過全公司壓縮空氣系統聯網、采用ES360 設備智能化控制系統、高效離心機替代原有螺桿機組、結合零耗氣預熱后處理系統及無油變頻螺桿改造等一系列措施，實現了壓縮空氣系統全流程改造，使壓縮空氣單耗有0.15 kWh/m3下降至0.12 kWh/m3，下降幅度20%，系統效益3024 萬元/年。

5 總結

創新是企業進步的源動力，設備管理創新是推動設備可靠、經濟、穩定運行必不可少的有效手段。空分設備實際管理過程中存在涉及專業多、技術性強等特點，因此創新設備管理重要性凸顯。以空分設備為例，針對設備配套的特點，以大型壓縮機組為核心，大型深冷空分裝置為主題，涉及的制冷、機械、土建、高低壓供配電、自動化儀表、供水等專業缺一不可。由于系統設備關聯性強，各專業契合度高，在設備管理中各專業必須充分融合，因此創新是系統管理的必然產物。圍繞設備可靠性和系統經濟性的設備管理是創新管理的一部分。不斷運用新技術、不斷挖掘設備短板和系統潛力、促進設備系統更好為生產服務是日常設備管理的重要目標。近年來，南鋼空分運用設備管理先進理念和方法，采用行業主流技術提升設備性能和本質安全，在完成設備提檔升級、提效節能同時設備本質安全、可靠性大幅提升，多項指標位列行業先進水平，提升了企業的核心競爭力。系統經濟性管理在改造前后系統節能約8%，實現綜合降本6600 萬元/年，經濟效益巨大。對同類型企業具有一定的借鑒意義。

同時由于設備特點及區域受限，南鋼設備管理與其他公司設備區別可能較大，該研究及探討的管理措施具有一定的條件性，因此不足以代表行業的整體狀況。還需在實踐中繼續豐富完善，探索出具有自身特色的設備管理模式。