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(chǎn)概況

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

制氧生產(chǎn)單元根據(jù)公司生產(chǎn)用氣情況，日常生產(chǎn)時(shí)實(shí)際運(yùn)行3套35 000 m3/h空分設(shè)備，其余2套空分處于備機(jī)狀態(tài)。

空分生產(chǎn)中，空分設(shè)備生產(chǎn)送出的氧氣壓力為2.80 MPa，首先送入氧氣緩沖管網(wǎng)系統(tǒng)，緩沖系統(tǒng)有7個(gè)緩沖球罐，其中，有3個(gè)1000 m3球罐，4個(gè)650 m3球罐，緩沖能力為5600 m3，緩沖系統(tǒng)最高存儲(chǔ)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(jī)、板坯精整(單獨(dú)供高壓氧氣)等。

為確保氧氣穩(wěn)定供應(yīng)，保證公司正常生產(chǎn)，制氧生產(chǎn)單元建有兩座液氧儲(chǔ)槽，液氧儲(chǔ)存能力分別為1000 m3、2000 m3，當(dāng)氧氣管網(wǎng)壓力低于報(bào)警壓力時(shí)，可啟動(dòng)后備系統(tǒng)設(shè)備來補(bǔ)充管網(wǎng)壓力，維持公司正常生產(chǎn)用氧，后備系統(tǒng)有兩臺(tái)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(chǎn)及管網(wǎng)運(yùn)行過程中存在的問題

遷鋼制氧生產(chǎn)單元一直把降低氧氣放散率，降低空分生產(chǎn)運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)空分氧氣生產(chǎn)與用量的平衡作為重要管控經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，但實(shí)際生產(chǎn)中，氧氣用量時(shí)常大幅變動(dòng)，導(dǎo)致空分氧氣產(chǎn)量難以跟上煉鋼、煉鐵用氧節(jié)奏，只能根據(jù)氧氣管網(wǎng)壓力變化做被動(dòng)調(diào)節(jié)，時(shí)常是當(dāng)氧氣管網(wǎng)壓力高放散時(shí)空分氧氣產(chǎn)量減量，氧氣管網(wǎng)壓力低啟后備液氧泵時(shí)再增加空分氧氣產(chǎn)量。

空分氧氣生產(chǎn)與用量難以相適應(yīng)，制約了空分運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，具體反映在：

1. 空分連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)與煉鋼生產(chǎn)用氧間斷不匹配是影響空分運(yùn)行效益的主要矛盾。空分生產(chǎn)的主要特點(diǎn)是具有連續(xù)穩(wěn)定性，為保證精餾工況，空分運(yùn)行負(fù)荷必須穩(wěn)定在75%～105%，在此區(qū)間范圍內(nèi)可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際用氧情況進(jìn)行產(chǎn)量調(diào)節(jié)，而煉鋼轉(zhuǎn)爐因受多項(xiàng)生產(chǎn)因素制約，煉鋼生產(chǎn)用氧具有間斷性和不穩(wěn)定性，時(shí)而生產(chǎn)節(jié)奏快，煉鋼爐數(shù)多；時(shí)而生產(chǎn)節(jié)奏慢，煉鋼爐數(shù)少，空分產(chǎn)量若跟不上煉鋼節(jié)奏及時(shí)調(diào)節(jié)，就會(huì)造成氧氣管網(wǎng)壓力忽高忽低，壓力低時(shí)就要啟動(dòng)后備系統(tǒng)消耗液氧填峰補(bǔ)缺，壓力高時(shí)就會(huì)造成氧氣大量放散，增加生產(chǎn)能耗損失，不利于空分經(jīng)濟(jì)效益的提高。

2. 煉鋼轉(zhuǎn)爐用氧難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是影響空分運(yùn)行效益提升的的主要因素。煉鋼轉(zhuǎn)爐是重要用氧單位，是氧氣用量第一大戶。長(zhǎng)期以來，煉鋼生產(chǎn)受設(shè)備檢修等因素影響，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)節(jié)奏難于掌握，有時(shí)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)節(jié)奏快，用氧量大而集中，空分氧氣產(chǎn)量調(diào)節(jié)增加不及時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致氧氣管網(wǎng)壓力急劇下降，管網(wǎng)壓力低于1.40 MPa時(shí)會(huì)發(fā)生氧槍回火嚴(yán)重事故，所以為保證管網(wǎng)壓力就要及時(shí)啟動(dòng)后備系統(tǒng)，消耗液氧來保證緩沖管網(wǎng)壓力不低于1.50 MPa；當(dāng)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)節(jié)奏慢，用氧量減少時(shí)，空分氧氣調(diào)節(jié)減量不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氧氣緩沖管網(wǎng)壓力升高，達(dá)到2.60 MPa時(shí)，為保證管網(wǎng)安全不超壓運(yùn)行，就要將多余氧氣放散掉，造成能源浪費(fèi)。因此，要實(shí)現(xiàn)氧氣管網(wǎng)壓力優(yōu)化運(yùn)行及提高空分運(yùn)行效益，就必須采用一種技術(shù)，以全面掌握煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏，掌握煉鋼用氧趨勢(shì)，確保空分根據(jù)趨勢(shì)情況及時(shí)調(diào)節(jié)氧氣產(chǎn)量，保證氧氣管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，降低液氧消耗和放散損失。

3. 氧氣緩沖管網(wǎng)壓力難以預(yù)測(cè)是影響空分設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要原因。氧氣緩沖管網(wǎng)用以存儲(chǔ)空分氧氣，是確保下游用戶安全穩(wěn)定用氧的關(guān)鍵系統(tǒng)，遷鋼氧氣緩沖系統(tǒng)設(shè)有7個(gè)氧氣球罐，緩沖能力為5600 m3，正常生產(chǎn)中氧氣緩沖管網(wǎng)壓力一般控制在1.50～2.70 MPa區(qū)間，當(dāng)氧氣緩沖管網(wǎng)運(yùn)行壓力控制在1.80～2.30 MPa區(qū)間時(shí)對(duì)空分設(shè)備運(yùn)行來說最為經(jīng)濟(jì)，然而因煉鋼用氧量波動(dòng)大，且難以預(yù)測(cè)，造成空分氧氣產(chǎn)量難以及時(shí)調(diào)節(jié)跟上其節(jié)奏變化，導(dǎo)致氧氣緩沖管網(wǎng)壓力波動(dòng)較大，很難控制在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。

綜合上述因素，煉鋼轉(zhuǎn)爐用氧不穩(wěn)定及難以預(yù)測(cè)是影響遷鋼制氧生產(chǎn)單元空分設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，要提高空分運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，就要解決煉鋼用氧難以預(yù)測(cè)的難題，做到空分氧氣生產(chǎn)與用量相匹配，實(shí)現(xiàn)氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行，有效降低氧氣放散率，降低后備系統(tǒng)液氧消耗，從而降低氧氣生產(chǎn)成本。

3 遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行，就要全面掌握空分氧氣實(shí)時(shí)產(chǎn)量及各個(gè)用戶實(shí)時(shí)用氧情況，通過建立數(shù)據(jù)處理模型，以預(yù)測(cè)出氧氣緩沖系統(tǒng)壓力變動(dòng)趨勢(shì)，根據(jù)趨勢(shì)數(shù)據(jù)做到空分氧氣產(chǎn)量的提前調(diào)節(jié)，確保氧氣管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在1.80～2.30 MPa經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間，避免氧氣管網(wǎng)壓力出現(xiàn)過低或過高的不利情況，從而提高空分生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。

遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)主要依托遷鋼完善的信息化數(shù)據(jù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括INSQL數(shù)據(jù)庫(kù)和MES數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，INSQL數(shù)據(jù)服務(wù)器涵蓋了煉鋼、煉鐵、冷軋、動(dòng)力、電力、制氧等各個(gè)作業(yè)部的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)查詢生產(chǎn)數(shù)據(jù)，及時(shí)了解生產(chǎn)狀況及動(dòng)態(tài)情況有著重要作用。從上述INSQL服務(wù)器中，通過使用趨勢(shì)軟件或編程實(shí)時(shí)查詢遷鋼公司INSQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可以得到關(guān)于空分氧氣生產(chǎn)及用戶用氧實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。MES制造執(zhí)行系統(tǒng)能通過信息傳遞對(duì)從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理，涵蓋了鐵鋼軋?jiān)敿?xì)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃。為確保實(shí)現(xiàn)鋼材生產(chǎn)的過程控制，在鐵鋼軋一體化生產(chǎn)模式下，煉鋼系統(tǒng)必須按生產(chǎn)過程、冶煉品種提前編制完成轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)計(jì)劃，并編制詳細(xì)的作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)表，并將轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)表上傳到MES系統(tǒng)中，以便于各相關(guān)生產(chǎn)作業(yè)部門及時(shí)了解信息，做好各項(xiàng)生產(chǎn)準(zhǔn)備工作。圖1為遷鋼氧氣生產(chǎn)及用量數(shù)據(jù)自動(dòng)化示意圖。

圖1 遷鋼氧氣生產(chǎn)及用量數(shù)據(jù)自動(dòng)化示意圖

通過查詢INSQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，首先可全面掌握空分氧氣生產(chǎn)情況，及空分氧氣實(shí)時(shí)產(chǎn)量數(shù)據(jù)、氧氣緩沖系統(tǒng)壓力及減壓后氧氣管網(wǎng)壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；其次，可全面掌握氧氣用量持續(xù)穩(wěn)定的各氧氣用戶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

實(shí)現(xiàn)遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)，重點(diǎn)工作就是要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐氧氣用量的可預(yù)測(cè)性，及通過掌握煉鋼轉(zhuǎn)爐實(shí)時(shí)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，從而可以預(yù)測(cè)出轉(zhuǎn)爐用氧情況。遷鋼公司MES信息系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，通過查詢系統(tǒng)中的煉鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)表，能全面掌握煉鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃。

按照實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)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(jì)算，轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)每爐次每分鐘用氧量平均為800 m3左右，按MES信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃表，對(duì)該時(shí)段全部轉(zhuǎn)爐用氧情況按每分鐘進(jìn)行分解，就掌握了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)每小時(shí)的用氧情況，為氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)解決了技術(shù)難題，數(shù)據(jù)分解如表1所示。

在全面掌握空分氧氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)、氧氣管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)及各氧氣用戶氧氣用量的情況下，通過數(shù)據(jù)建模，開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序和圖形界面，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可預(yù)測(cè)并顯示出一定時(shí)間內(nèi)氧氣緩沖管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力變動(dòng)趨勢(shì)。

表1 按轉(zhuǎn)爐作業(yè)計(jì)劃分解轉(zhuǎn)爐用氧數(shù)據(jù)表

圖2 氧壓預(yù)測(cè)控制流程圖

實(shí)現(xiàn)氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)，最重要的目的是根據(jù)預(yù)測(cè)出的氧氣緩沖管網(wǎng)壓力變動(dòng)趨勢(shì)，指導(dǎo)空分生產(chǎn)，當(dāng)預(yù)測(cè)出近一段時(shí)間內(nèi)氧氣用量較少，氧氣緩沖系統(tǒng)壓力持續(xù)上升并達(dá)到氧氣放散壓力時(shí)，就可根據(jù)空分生產(chǎn)情況調(diào)節(jié)空分氧氣產(chǎn)量，在空分未達(dá)到最低運(yùn)行負(fù)荷的情況下，按照一定控制策略減少氧氣產(chǎn)量，對(duì)空分減量后的氧氣緩沖系統(tǒng)壓力變動(dòng)趨勢(shì)重新進(jìn)行測(cè)算，直至空分產(chǎn)量減少到最低運(yùn)行負(fù)荷，或氧氣緩沖管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在1.80～2.30 MPa；反之，當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)出近一段時(shí)間內(nèi)氧氣用量增加，氧氣緩沖系統(tǒng)壓力有持續(xù)下降趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)按照一定控制策略增加空分氧氣產(chǎn)量，對(duì)空分增量后的氧氣緩沖系統(tǒng)壓力變動(dòng)趨勢(shì)重新進(jìn)行測(cè)算，直至空分產(chǎn)量增加到最高運(yùn)行負(fù)荷。

以上兩種情形，控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)控制策略(見圖2所示)計(jì)算出最適合的空分氧氣產(chǎn)量，從而降低氧氣放散量，降低液氧消耗，降低空分運(yùn)行能耗，確保空分運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。

遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)圖形開發(fā)界面如圖3所示。界面上部圖形顯示的是煉鋼轉(zhuǎn)爐作業(yè)計(jì)劃示圖，界面中部圖形顯示的是依據(jù)煉鋼作業(yè)計(jì)劃、空分氧氣生產(chǎn)及用氧情況計(jì)算出的緩沖管網(wǎng)壓力變動(dòng)趨勢(shì)線(以綠色實(shí)線標(biāo)識(shí))，以及按照一定控制策略優(yōu)化空分產(chǎn)量后計(jì)算出的氧氣緩沖管網(wǎng)壓力線(以藍(lán)色虛線標(biāo)識(shí))，界面下部顯示的是各用戶氧氣用量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及空分氧氣產(chǎn)量測(cè)算數(shù)據(jù)等。

圖3 遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)圖形開發(fā)界面

4 遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)用

表2 2012年與2013年主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)自2013年初開發(fā)完成投入使用，通過實(shí)際運(yùn)行，該系統(tǒng)取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，但受實(shí)際生產(chǎn)因素制約又體現(xiàn)出了一定局限性，主要表現(xiàn)在：理論上在煉鋼轉(zhuǎn)爐作業(yè)計(jì)劃排定后，系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)爐作業(yè)時(shí)間可以預(yù)測(cè)出相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的管網(wǎng)壓力變動(dòng)趨勢(shì)，但實(shí)際上受煉鋼生產(chǎn)各項(xiàng)因素影響，轉(zhuǎn)爐作業(yè)時(shí)間經(jīng)常發(fā)生變化，系統(tǒng)不可能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出所有時(shí)間內(nèi)的管網(wǎng)壓力變動(dòng)趨勢(shì)，實(shí)際運(yùn)行表明，煉鋼系統(tǒng)制訂的煉鋼轉(zhuǎn)爐作業(yè)計(jì)劃4 h內(nèi)的準(zhǔn)確執(zhí)行率為85%，煉鋼轉(zhuǎn)爐作業(yè)計(jì)劃2 h內(nèi)的準(zhǔn)確執(zhí)行率為95%，這樣，遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)依據(jù)轉(zhuǎn)爐作業(yè)計(jì)劃可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出2～4 h內(nèi)的管網(wǎng)壓力趨勢(shì)，依據(jù)此預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)空分產(chǎn)量的調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化空分機(jī)組運(yùn)行。

通過對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行一年來的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)施氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)后，通過氧壓預(yù)測(cè)對(duì)空分產(chǎn)量進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，后備系統(tǒng)液氧消耗有了大幅度下降，2012年全年后備系統(tǒng)液氧消耗為4830 t，2013年后備系統(tǒng)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(jié) 論

遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)的應(yīng)用，雖然受煉鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中的各項(xiàng)因素影響，只能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)2～4 h內(nèi)的氧氣緩沖管網(wǎng)壓力趨勢(shì)變動(dòng)，但依據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和控制策略對(duì)空分氧氣產(chǎn)量做及時(shí)調(diào)節(jié)，仍較好的降低了空分運(yùn)行能耗，顯著降低了氧氣放散率和后備系統(tǒng)液氧消耗，提高了空分運(yùn)行效益，在實(shí)踐應(yīng)用中取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。