郭 強，陳盛文

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 濟南250101）

1 前 言

日照鋼鐵精品基地年產(chǎn)鐵水810 萬t，粗鋼850 萬t，熱軋鋼材810 萬t。選用冶金制造長流程工藝路線，主要建設(shè)內(nèi)容包括2 臺500 m2燒結(jié)機、2 座5 100 m3煉鐵高爐、4 座210 t 轉(zhuǎn)爐煉鋼車間、1條2 050 mm熱軋帶鋼生產(chǎn)線、1條3 500 mm爐卷生產(chǎn)線、1條4 300 mm 寬厚板生產(chǎn)線、1條80萬t推拉式酸洗機組生產(chǎn)線、1條2 030 mm酸軋聯(lián)合生產(chǎn)線等，以及配套的碼頭和鐵路運輸設(shè)施、原料制備設(shè)施、電站和礦渣等綜合利用設(shè)施及其他公用輔助設(shè)施等。為配合設(shè)施生產(chǎn)，同時建設(shè)了2×60 000 m3/h空分裝置及配套附屬設(shè)施。

2 空分裝置主體設(shè)施

本空分裝置為全低壓分子篩凈化吸附、空氣增壓，氧氮泵內(nèi)壓縮，帶增壓透平膨脹機制冷，采用規(guī)整填料塔及全精餾無氫制氬的工藝流程，如圖1 所示。

60 000 m3/h空分裝置性能參數(shù)如表1所示。

圖1 空分工藝流程

3 空分工程設(shè)計特點

3.1 工藝流程

1）空分裝置采用全低壓分子篩凈化吸附、空氣增壓透平膨脹機制冷、全精餾無氫制氬、產(chǎn)品氧氣內(nèi)壓縮、產(chǎn)品氮氣外壓縮、氬氣內(nèi)壓縮的工藝流程，運行可靠、流程先進、操作方便、設(shè)備配置合理、安全低耗。

2）空氣預(yù)冷系統(tǒng)采用污氮氣、氮氣冷卻循環(huán)水，操作彈性好，充分利用干燥污氮氣及多余氮氣。空冷塔結(jié)構(gòu)采用必要、可靠的防液泛措施，防止霧狀游離水帶入分子篩吸附系統(tǒng)。

3）分子篩吸附系統(tǒng)采用立式活性氧化鋁+分子篩雙層結(jié)構(gòu)的分子篩吸附器，長周期切換。吸附劑和切換閥門使用壽命長，系統(tǒng)切換損失小，床層阻力小，并有防止分子篩吹翻措施和可能吹翻的處理措施。再生加熱器采用節(jié)能型蒸汽加熱器（電加熱器備用）。

4）分餾塔的上塔（低壓塔）、氬塔采用規(guī)整填料塔，降低了塔的阻力，氧、氬提取率進一步提高。

5）透平膨脹機采用增壓機制動工藝，從而減少了膨脹空氣量，使精餾塔上塔工況穩(wěn)定。

6）空分裝置設(shè)計時考慮常壓液氬貯槽汽化氬氣的回收。貯槽汽化的氬氣進入氬氣冷凝回收器，被液氮冷凝后作為液氬產(chǎn)品回到液氬貯槽；被汽化的氮氣返回冷箱污氮氣管道，回收冷量。

表1 空分裝置性能參數(shù)

3.2 主要設(shè)備設(shè)計及選型

1）空分設(shè)備中采用全精餾無氫制氬技術(shù)，取消了加氫脫氧工序，使工廠設(shè)計中制氧主廠房中的偏跨廠房布置大為簡化，且節(jié)省了廠房面積。運行可靠、流程先進、操作方便、設(shè)備配置合理、安全低耗。

2）關(guān)鍵設(shè)備均采用國際和國內(nèi)知名品牌，主空壓機選用阿特拉斯、空氣增壓機選用西門子、氮壓機選用阿特拉斯、氧氣增壓機選用杭氧，保證了設(shè)備可靠運行。

3）主空壓機電機功率為2×30 000 kW，采用變頻電機，其他采用軟啟，減小對主電網(wǎng)沖擊。并分別采用機旁/集中操作模式，可實現(xiàn)設(shè)備遠傳啟停控制和運行狀態(tài)監(jiān)控。

4）氧氣增壓機采用透平氧壓機，技術(shù)可靠，安全性好。

5）分子篩采用立式結(jié)構(gòu)，管道采用兩環(huán)的布置形式，底部環(huán)形管道與頂部環(huán)形管道高差18 m，并且管道內(nèi)氣體介質(zhì)的溫度和壓力交替變化。設(shè)計采用CAESARⅡ軟件進行管道應(yīng)力分析，設(shè)置合理的彈簧支架及固定支架。

6）電機所需的循環(huán)冷卻水采用閉路循環(huán)系統(tǒng)，無外排［1］。廠區(qū)各建構(gòu)筑物的生活和清潔用水集中回收，集中處理，達到污水零排放。

7）裝置中的主冷及粗氬冷凝器實行1%的液體排放，防止碳氫化合物等危險雜質(zhì)積聚。

8）裝置具有變工況運行的能力，達到裝置的最經(jīng)濟運行工況。

3.3 自動化設(shè)計特點

根據(jù)生產(chǎn)和工藝需要，為2套60 000 m3/h 空分系統(tǒng)各設(shè)置1套DCS系統(tǒng)，完成壓縮機主廠房及空分系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)及外部綜合管線過程的集中監(jiān)視和控制。該自動化系統(tǒng)由操作員站、DCS 及I/O站組成［2］。DCS 及操作員工作站間用以太網(wǎng)連接，DCS 和I/O 站間以總線方式連接。I/O 站或DCS 到現(xiàn)場元件間的連接以控制電纜連接。其中操作員站集中于制氧控制室。

3.3.1 操作員站

操作員站與現(xiàn)場控制站之間相互通訊，實現(xiàn)以下功能：1）生產(chǎn)過程參數(shù)顯示，流程圖畫面、報警畫面、歷史趨勢曲線顯示。2）控制操作方式選擇：即機旁手動控制、HMI 手動控制、自動控制。3）通過人機對話，修改設(shè)定值或直接操作控制設(shè)備的運行等。4）生產(chǎn)報表打印及報警打印等。

3.3.2 DCS及I/O站

現(xiàn)場控制站是實現(xiàn)過程控制的核心設(shè)備，提供與生產(chǎn)過程的I/O 接口，執(zhí)行過程控制，數(shù)據(jù)采集，參數(shù)運算等，再把經(jīng)過運算的控制信號通過I/O 模件輸出至現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的PID控制，順序控制、邏輯聯(lián)鎖控制等。本工程DCS的控制功能主要有：過程溫度、壓力、流量、物位、分析等數(shù)據(jù)的采集與處理；溫度、壓力、流量、液位、阻力等控制；空壓機的聯(lián)鎖控制和防喘振控制；冷卻塔控制；分子篩純化的時序控制；氧氣透平壓縮機的起停控制；氮壓機的聯(lián)鎖控制和防喘振控制等；各泵的運轉(zhuǎn)控制。

4 運行效果

設(shè)備運行穩(wěn)定，自投產(chǎn)以來空分裝置未發(fā)生過故障停機。設(shè)備能耗降低，當量單位制氧能耗（內(nèi)壓縮）0.55 kW·h/m3。運行成本降低，制氧廠定員30人。