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(xiàn)有4套制氧機(jī)組和1套液化裝置。分別為1#18000制氧機(jī)組、2#18000制氧機(jī)組、35000制氧機(jī)組、30000制氧機(jī)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(chǎn)650萬t鋼的生產(chǎn)規(guī)模而配套的。股份公司在新區(qū)有4座高爐分別為3×2500 m3+1×1750 m3。從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度出發(fā)，任何設(shè)備投運(yùn)，都希望達(dá)產(chǎn)達(dá)效，高效低耗生產(chǎn)。如何使得制氧機(jī)的運(yùn)行既能滿足高爐不同運(yùn)行組合下的高效生產(chǎn)，又能使得制氧機(jī)組的運(yùn)行成本最省，這是重鋼環(huán)保搬遷后朝陽公司所面臨的最大課題。

2010年，環(huán)保搬遷一期工程投產(chǎn)的第1年。股份公司2#高爐運(yùn)行，朝陽公司運(yùn)行35000制氧機(jī)組。一方面整個生產(chǎn)線故障較多，生產(chǎn)不順，另一方面用氣規(guī)模偏低，氧、氮?dú)獬霈F(xiàn)大量放散，全年綜合放散率達(dá)35%。

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

2011年7月，3#高爐投產(chǎn)。朝陽公司新建的30000制氧機(jī)組也同時投產(chǎn)。在3座大高爐的運(yùn)行條件下，制氧機(jī)運(yùn)行組合就出現(xiàn)了大問題。制氧機(jī)開“兩大一小”出現(xiàn)大量放散，僅開“兩大”，又不能確保鐵、鋼系統(tǒng)高效生產(chǎn)。

2014年，全國性的鋼鐵產(chǎn)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(chǎn)規(guī)模。到極限時出現(xiàn)了2座高爐半負(fù)荷保安生產(chǎn)。朝陽公司也隨之減產(chǎn)至1臺機(jī)組運(yùn)行。這一現(xiàn)象持續(xù)到2016年底才開始陸續(xù)提產(chǎn)。其間，制氧機(jī)組也不斷調(diào)整組合以與鋼鐵主線相適應(yīng)。我們研究的課題就是，在保證整個鋼鐵生產(chǎn)線各種用氣需求的前提下，運(yùn)行不同制氧機(jī)組組合，以盡可能降低運(yùn)行總電耗。

1 搜集正常條件下的氧氮用量、鋼鐵產(chǎn)量等數(shù)據(jù)

制氧機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(guān)的歷史數(shù)據(jù)。經(jīng)驗證明，鋼鐵生產(chǎn)主線的平均用氣量與鋼產(chǎn)量是正相關(guān)的。在這些數(shù)據(jù)中，有一些數(shù)據(jù)是高爐或轉(zhuǎn)爐突發(fā)故障或計劃檢修出現(xiàn)的，也有數(shù)據(jù)采集、傳輸當(dāng)中產(chǎn)生了誤差。為提高回歸分析的準(zhǔn)確性，我們將那些不正常的數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除。非正常狀況用非常規(guī)方法解決。這樣就能去偽存真，把復(fù)雜問題簡單化，提高了計算的準(zhǔn)確性。

2 用線性回歸分析方法找出各數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系

將以上數(shù)據(jù)經(jīng)過校驗后，分別輸入到EXCEL表格，利用EXCEL的數(shù)據(jù)分析功能，得到表1、表2分析結(jié)果。

表1 氧氣需求量回歸計算結(jié)果

從表1可得出氧氣小時需求量與單日鋼產(chǎn)量的回歸模型：

YO＝14800+2.59St，相關(guān)系數(shù)R=0.93（說明是強(qiáng)相2關(guān)）。

從表2可得出氮?dú)庑r需求量與單日鋼產(chǎn)量的回歸模型：YN2＝18800+2.32St，相關(guān)系數(shù) R=0.9（說明是強(qiáng)相關(guān)）。

例如，股份某月鋼產(chǎn)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(diào)峰修正系數(shù)，為經(jīng)驗值。

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

其中1.1為氮?dú)庹{(diào)峰修正系數(shù)，為經(jīng)驗值。

3 根據(jù)氧氮需求量，利用線性規(guī)劃，確定各機(jī)組運(yùn)行組合

把每個機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定以氧氣產(chǎn)量為基準(zhǔn)的三個標(biāo)準(zhǔn)工況，通過實際運(yùn)行得到實際運(yùn)行電耗，加上液體產(chǎn)量計劃為約束條件。利用EXCEL的線性規(guī)劃功能求解能耗最低運(yùn)行點。以此為依據(jù)確定機(jī)組的運(yùn)行組合。

3.1 建立數(shù)學(xué)模型

極小值模型

式中，Z——三個機(jī)組總能耗；

C11～C13——1#機(jī)組三種工況的實際能耗；

X11～X13——1#機(jī)組三種工況系數(shù)，取0～1；

C21～C23——2#機(jī)組三種工況的實際能耗；

X21～X23——2#機(jī)組三種工況系數(shù)，取0～1；

C31～C33——3#機(jī)組三種工況的實際能耗；

X31～X33——3#機(jī)組三種工況系數(shù)，取0～1。

約束條件：

X11，X12，…… X33≥0

式中，A11、A12、A13……A33——三個機(jī)組三種工況的實際氧氣產(chǎn)量；

B11、B12、B13……B33——三個機(jī)組三種工況的實際液氬產(chǎn)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(jī)組運(yùn)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(jù)氧氮?dú)庑枨罅亢鸵簹逍枨罅?，利用EXCEL的線性規(guī)劃求解功能，得到總體制氧能耗（不考慮產(chǎn)品壓縮能耗）最低的各機(jī)組運(yùn)行組合，見表3。

表3 線性規(guī)劃表

線性規(guī)范前后的結(jié)果是：在鋼鐵主線月產(chǎn)為52萬t鋼的生產(chǎn)規(guī)模下，氧氣的小時需求量為62678 m3/h，對應(yīng)機(jī)組組合為：

1臺18000機(jī)組最低負(fù)荷，即氧產(chǎn)量14000 m3/h；

30000機(jī)組最低負(fù)荷，即氧產(chǎn)量26000 m3/h；

35000機(jī)組最低負(fù)荷，即氧產(chǎn)量29000 m3/h；

此時總制氧能耗最低，小時能耗為36039 kW。

3.3 以氮?dú)庑枨罅看_定氮壓機(jī)運(yùn)行組合

詳見表4。

表4 氮壓機(jī)運(yùn)行組合表

從表4可得，氮?dú)庑枨罅繛?4914 m3/h時，氮壓機(jī)運(yùn)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(jī)壓力來實現(xiàn)空分降負(fù)荷生產(chǎn)

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

傳統(tǒng)方法是關(guān)小下塔液氮回流閥，以減小空分入塔空氣量，實現(xiàn)空分降負(fù)荷生產(chǎn)。傳統(tǒng)方法主要有以下優(yōu)缺點，見表5。

表5 傳統(tǒng)操作方法優(yōu)缺點分析表

我們利用兩相流理論和主冷負(fù)荷自平衡理論，通過仔細(xì)分析、計算和摸索，發(fā)現(xiàn)滿足空分生產(chǎn)工藝要求的空壓機(jī)壓力極限比設(shè)計壓力614 kPa（A）可下降7%左右，最低可達(dá)575 kPa（A）。

制氧機(jī)組的空壓機(jī)壓力設(shè)計值都是在空分下塔所需壓力的基礎(chǔ)上，考慮氮水預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩、主換熱器的阻力而確定的。降低空壓機(jī)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(dá)上塔和粗氬塔冷凝器。

我們知道空分系統(tǒng)中，在下塔與上塔之間一般有兩個節(jié)流閥：液空節(jié)流閥與液氮節(jié)流閥。（有些空分設(shè)備還有污液氮節(jié)流閥。）下塔得到的富氧液空經(jīng)過冷后一路節(jié)流進(jìn)入上塔作為上塔提餾段的回流液，另一路進(jìn)入粗塔冷凝器作為粗氬塔冷源。下塔底的富氧液空在經(jīng)過冷器降溫后，溫度仍然要高于上塔和粗氬冷凝器液空側(cè)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(dá)一定高度后，液空就會開始?xì)饣?，并隨著位置的再升高（壓力繼續(xù)降低）氣化率不斷增大，液空輸送管道的上半段內(nèi)實際是氣液兩相流。近來規(guī)整填料塔和降膜式主冷的使用，已經(jīng)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(guān)系

普通的板翅式主冷上下塔壓力的對應(yīng)關(guān)系見圖1。如上塔壓力140 kPa（A）對應(yīng)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(jī)能耗的主要問題。

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

根據(jù)兩相流密度計算公式，假設(shè)節(jié)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(shè)在8 m處節(jié)流，則液空靜液柱阻力為：

假設(shè)：

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(yīng)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(jù)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(yīng)空壓機(jī)壓力可由614 kPa（A）降低到 575 kPa（A）。這就為我們突破設(shè)計局限，降低空壓機(jī)壓力提供的理論依據(jù)。

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

降負(fù)荷操作的主要步驟為：

（1）緩慢降低空壓機(jī)壓力，每次只能降低2 kPa；

（2）隨著空壓機(jī)壓力下降，由于主冷熱負(fù)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(fù)荷下降，下塔回流比減小，需微量關(guān)小下塔液氮至上塔的節(jié)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(yīng)減小氧、氮產(chǎn)品氣量；

（5）待所有工藝參數(shù)穩(wěn)定后，從第一步開始重復(fù)進(jìn)行下一輪降負(fù)荷操作，直到降至所需壓力。

該操作方法操作復(fù)雜，監(jiān)控的工藝參數(shù)多，有破壞主塔工況，影響氧、氮純度的風(fēng)險。而且持續(xù)時間長，一般每天降壓力不能超過8 kPa。若操作過急，會出現(xiàn)連續(xù)幾天甚至十幾天的主塔工況不穩(wěn)。

該操作方法的優(yōu)點是能有效降低空壓機(jī)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(jī)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(jī)為例，實際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，同樣10%的降負(fù)荷操作，單減空氣量空壓機(jī)電流從1050 A下降到950 A，而將空壓機(jī)壓力從614 kPa降低到575 kPa，空氣量也可下降10%，但空壓機(jī)電流可降至850 A。

4 利用富氧用量、氧氮管網(wǎng)壓力等參數(shù)的變化，確定實時能耗控制措施

用線性規(guī)劃技術(shù)得到的氧氮需求量是一個平均量，制氧機(jī)組一旦運(yùn)行，不可能頻繁啟停。在實際運(yùn)行中，氧氮用氣量大幅波動，壓力也隨之出現(xiàn)起伏。高爐出現(xiàn)慢風(fēng)、休風(fēng)，煉鋼節(jié)奏出現(xiàn)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(yùn)行能耗。

4.1 控制放散的實施細(xì)則

（1）根據(jù)情況動態(tài)調(diào)整機(jī)組工況

這是指根據(jù)股份公司用氣需求和液體的銷售情況確定制氧機(jī)組是否啟動2臺膨脹機(jī)，即一、二工況的變化。二工況的制氧單耗遠(yuǎn)高于一工況，只有液體銷售形勢較好時這樣運(yùn)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(jīng)濟(jì)。但在空壓機(jī)減負(fù)荷至導(dǎo)葉接近關(guān)完，氧氣仍有放散時，啟2臺膨脹增加液氧產(chǎn)量以降低氧氣產(chǎn)量，則是可取的?？砂阉醋魇菍⒎派⒌难鯕庖夯?。

（2）對制氧機(jī)組空壓機(jī)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整

現(xiàn)階段，根據(jù)我們對富氧量與用氧總量關(guān)系的觀察，只有當(dāng)富氧量超過17000 m3/h時，用氧總量才達(dá)到42000 m3/h以上。因此，暫定富氧量高于17000 m3/h時，空壓機(jī)作增負(fù)荷操作以增加氧產(chǎn)量。

（3）合理啟停氧氮壓機(jī)

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

（4）對管網(wǎng)壓力進(jìn)行調(diào)整

當(dāng)富氧量低于11000 m3/h，氧壓機(jī)放空設(shè)定2.0 MPa，當(dāng)富氧量高于 14000 m3/h，20∶00～9∶00氧壓機(jī)放空設(shè)定2.3 MPa，當(dāng)富氧量高于17000 m3/h，全天氧壓機(jī)放空設(shè)定2.3 MPa。

（5）對100 t/d液化裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)速、品種等工藝調(diào)整

當(dāng)氧氣管網(wǎng)壓力低于1.7 MPa時，若氧氣用量仍高，液化裝置全量生產(chǎn)液氮，此時若氮?dú)鈮毫σ驳停瑒t降低高低溫膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速，以降低液化裝置負(fù)荷；當(dāng)氧氣管網(wǎng)壓力高于1.9 MPa時，液化裝置全量生產(chǎn)液氧。

（6）保持水冷系統(tǒng)高效率

定期對冷卻器進(jìn)行清洗。風(fēng)機(jī)除了檢修外應(yīng)全部運(yùn)行。我們需建立冷卻器冷卻效果評價體系。循環(huán)水泵只要電流不超額定，盡量不要進(jìn)行機(jī)前或機(jī)后節(jié)流。

（7）氧、氮壓機(jī)加減量

氧、氮壓機(jī)在加減量時盡量用導(dǎo)葉，但不能低于導(dǎo)葉的喘振開度。我們已摸索出各產(chǎn)品壓縮機(jī)不喘振的最小導(dǎo)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(wǎng)壓力過低的問題，是必要的保產(chǎn)手段。但若出現(xiàn)大量補(bǔ)充液氧的情況，必須考慮提高氧氣產(chǎn)量，或增開機(jī)組。當(dāng)高壓氧壓力低于1.4 MPa啟動液氧泵，當(dāng)高壓氧壓力高于1.8 MPa停液氧泵，當(dāng)高壓氮壓力低于1.5 MPa啟動液氮泵，當(dāng)高壓氮壓力高于1.8 MPa停液氮泵。

（9）膨脹機(jī)的調(diào)節(jié)

膨脹機(jī)的操作也會影響整個機(jī)組的能耗水平。在調(diào)節(jié)增壓透平膨脹機(jī)時，要注意增壓機(jī)回流閥與膨脹機(jī)噴嘴之間的配合。在正常運(yùn)行狀態(tài)，單位制冷量優(yōu)于膨脹量。也即是說，增壓比和膨脹壓比都很重要。在各機(jī)組已最低負(fù)荷，放散仍過大時，可啟動2臺膨脹機(jī)，犧牲能耗以換取更多的液體產(chǎn)品。

（10）高爐休風(fēng)、聯(lián)合檢修的應(yīng)對

若遇高爐休風(fēng)、聯(lián)合檢修等用氣量大幅下降的情況，提前與生產(chǎn)生產(chǎn)調(diào)度溝通，有計劃停運(yùn)部分氧、氮壓縮機(jī)，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(lián)合生產(chǎn)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(bǔ)制氧機(jī)工況調(diào)整的滯后。

4.2 以放散控制措施細(xì)則，制定出放散控制實施表，以方便當(dāng)班員工時時控制

詳見表6。

4.3 根據(jù)鋼鐵主線檢修范圍、時長，確定停運(yùn)部分壓縮機(jī)

在鋼鐵主線進(jìn)行月度聯(lián)合檢修時，用氣量會出現(xiàn)大幅下降。我們根據(jù)檢修的內(nèi)容不同決定停運(yùn)相應(yīng)的壓縮機(jī)。比如，1座大高爐檢修，可停1臺15000的氮壓機(jī)，1座小高爐檢修可停1臺6000氮壓機(jī)運(yùn)行。若有2座高爐檢修，在停運(yùn)2臺氮壓機(jī)的同時還可停運(yùn)1臺氧壓機(jī)。

5 實施效果

該項目已在高爐運(yùn)行“兩大”和“兩大一小”時得到了檢驗，收到了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。項目實施前，各單機(jī)實際消耗能耗如下：

表6 放散控制實施表

1#18000機(jī)組單日電耗：360500 kW·h；

2#18000機(jī)組單日電耗：360460 kW·h；

35000機(jī)組單日電耗：733900 kW·h；

30000機(jī)組單日電耗：695760 kW·h；

100 t/d機(jī)組單日電耗：58000 kW·h。

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

表7 項目實施前后各運(yùn)行組合電費(fèi)

2017年上半年各節(jié)能措施節(jié)能效果見表8。

表8 節(jié)能效果分析表

上半年1#18000+35000+100 t/d組合運(yùn)行106天，35000+30000+100 t/d組合運(yùn)行75天，上半年實際電耗與去年同比節(jié)約電費(fèi)：

預(yù)計全年可節(jié)約電費(fèi)：700×2＝1400萬元