馬令軍
(首鋼股份公司 遷安鋼鐵公司,河北 遷安 064402)
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(wú)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(wàn)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(guò)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(lái)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。
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??辗稚a(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(lái),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(lái)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??辗指鶕?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(lái)說(shuō)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。
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(guò)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(guò)低或過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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??辗诌\(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
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(guò)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(lái)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(guò)對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行一年來(lái)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(guò)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)。
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。