制氧机组群经济运行研究

幸 钢

（重庆朝阳气体有限公司，重庆 401325）

前言

重庆朝阳气体有限公司（以下简称：朝阳公司）长寿制气基地现有4套制氧机组和1套液化装置。分别为1#18000制氧机组、2#18000制氧机组、35000制氧机组、30000制氧机组和100 t/d液化装置。该制气基地是为重庆钢铁股份公司（以下简称：股份公司）年产650万t钢的生产规模而配套的。股份公司在新区有4座高炉分别为3×2500 m3+1×1750 m3。从经济运行角度出发，任何设备投运，都希望达产达效，高效低耗生产。如何使得制氧机的运行既能满足高炉不同运行组合下的高效生产，又能使得制氧机组的运行成本最省，这是重钢环保搬迁后朝阳公司所面临的最大课题。

2010年，环保搬迁一期工程投产的第1年。股份公司2#高炉运行，朝阳公司运行35000制氧机组。一方面整个生产线故障较多，生产不顺，另一方面用气规模偏低，氧、氮气出现大量放散，全年综合放散率达35%。

2010年11月，1#高炉投产。朝阳公司搬迁机组2#18000也如期出氧。在两座大高炉的运行条件下，“一大一小”制氧机组合恰好能满足用气需求。

2011年7月，3#高炉投产。朝阳公司新建的30000制氧机组也同时投产。在3座大高炉的运行条件下，制氧机运行组合就出现了大问题。制氧机开“两大一小”出现大量放散，仅开“两大”，又不能确保铁、钢系统高效生产。

2014年，全国性的钢铁产能过剩带来钢材价格大幅下降，股份公司被迫不断降低生产规模。到极限时出现了2座高炉半负荷保安生产。朝阳公司也随之减产至1台机组运行。这一现象持续到2016年底才开始陆续提产。其间，制氧机组也不断调整组合以与钢铁主线相适应。我们研究的课题就是，在保证整个钢铁生产线各种用气需求的前提下，运行不同制氧机组组合，以尽可能降低运行总电耗。

1 搜集正常条件下的氧氮用量、钢铁产量等数据

制氧机运行的经济性不能影响股份公司的正常用气需求。我们首先做的工作就是搜集整理与用气需求相关的历史数据。经验证明，钢铁生产主线的平均用气量与钢产量是正相关的。在这些数据中，有一些数据是高炉或转炉突发故障或计划检修出现的，也有数据采集、传输当中产生了误差。为提高回归分析的准确性，我们将那些不正常的数据进行了剔除。非正常状况用非常规方法解决。这样就能去伪存真，把复杂问题简单化，提高了计算的准确性。

2 用线性回归分析方法找出各数据之间的联系

将以上数据经过校验后，分别输入到EXCEL表格，利用EXCEL的数据分析功能，得到表1、表2分析结果。

表1 氧气需求量回归计算结果

从表1可得出氧气小时需求量与单日钢产量的回归模型：

YO＝14800+2.59St，相关系数R=0.93（说明是强相2关）。

从表2可得出氮气小时需求量与单日钢产量的回归模型：YN2＝18800+2.32St，相关系数 R=0.9（说明是强相关）。

例如，股份某月钢产量52万t。

小时氧需求量＝（520000÷30×2.59+14800）×1.05＝62678 m3

其中1.05为氧气调峰修正系数，为经验值。

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

其中1.1为氮气调峰修正系数，为经验值。

3 根据氧氮需求量，利用线性规划，确定各机组运行组合

把每个机组运行状态设定以氧气产量为基准的三个标准工况，通过实际运行得到实际运行电耗，加上液体产量计划为约束条件。利用EXCEL的线性规划功能求解能耗最低运行点。以此为依据确定机组的运行组合。

3.1 建立数学模型

极小值模型

式中，Z——三个机组总能耗；

C11～C13——1#机组三种工况的实际能耗；

X11～X13——1#机组三种工况系数，取0～1；

C21～C23——2#机组三种工况的实际能耗；

X21～X23——2#机组三种工况系数，取0～1；

C31～C33——3#机组三种工况的实际能耗；

X31～X33——3#机组三种工况系数，取0～1。

约束条件：

X11，X12，…… X33≥0

式中，A11、A12、A13……A33——三个机组三种工况的实际氧气产量；

B11、B12、B13……B33——三个机组三种工况的实际液氩产量；D1——钢铁主线用户对氧气的计划需求量；D2——钢铁主线用户对氩气的需求量与公司液氩销售计划量之和。

3.2 制氧机组运行组合形成的具体步骤

（1）将以上模型输入EXCEL；

（2）将回归分析得到的氧氮用量作为计划需求量；

（3）根据氧氮气需求量和液氩需求量，利用EXCEL的线性规划求解功能，得到总体制氧能耗（不考虑产品压缩能耗）最低的各机组运行组合，见表3。

表3 线性规划表

线性规范前后的结果是：在钢铁主线月产为52万t钢的生产规模下，氧气的小时需求量为62678 m3/h，对应机组组合为：

1台18000机组最低负荷，即氧产量14000 m3/h；

30000机组最低负荷，即氧产量26000 m3/h；

35000机组最低负荷，即氧产量29000 m3/h；

此时总制氧能耗最低，小时能耗为36039 kW。

3.3 以氮气需求量确定氮压机运行组合

详见表4。

表4 氮压机运行组合表

从表4可得，氮气需求量为64914 m3/h时，氮压机运行组合为：

15000高压氮2台，15000中压氮2台，6000高压氮。

3.4 通过降低空压机压力来实现空分降负荷生产

在钢铁主线用气规模相对于制氧机组生产量偏小的情况下，为降低放散，需要空分降负荷生产。而我们需要的降负荷是有效节能的降负荷，只有能耗实实在在降低，控制放散才有意义。

传统方法是关小下塔液氮回流阀，以减小空分入塔空气量，实现空分降负荷生产。传统方法主要有以下优缺点，见表5。

表5 传统操作方法优缺点分析表

我们利用两相流理论和主冷负荷自平衡理论，通过仔细分析、计算和摸索，发现满足空分生产工艺要求的空压机压力极限比设计压力614 kPa（A）可下降7%左右，最低可达575 kPa（A）。

制氧机组的空压机压力设计值都是在空分下塔所需压力的基础上，考虑氮水预冷系统、分子筛、主换热器的阻力而确定的。降低空压机压力只能从降下塔压力入手。而下塔压力的确定要考虑两个因素：一个是下塔压力要满足主冷工作要求；另一个是下塔液氮、液空能否克服静液液柱高度到达上塔和粗氩塔冷凝器。

我们知道空分系统中，在下塔与上塔之间一般有两个节流阀：液空节流阀与液氮节流阀。（有些空分设备还有污液氮节流阀。）下塔得到的富氧液空经过冷后一路节流进入上塔作为上塔提馏段的回流液，另一路进入粗塔冷凝器作为粗氩塔冷源。下塔底的富氧液空在经过冷器降温后，温度仍然要高于上塔和粗氩冷凝器液空侧压力下液空的饱和温度，在液空的上升流动过程中，随着液空位置的升高，液空压力不断下降，到达一定高度后，液空就会开始气化，并随着位置的再升高（压力继续降低）气化率不断增大，液空输送管道的上半段内实际是气液两相流。近来规整填料塔和降膜式主冷的使用，已经使下塔压力降低到0.5 MPa（A）左右，甚至更低。

图1 上、下塔操作压力关系

普通的板翅式主冷上下塔压力的对应关系见图1。如上塔压力140 kPa（A）对应下塔压力约为535 kPa（A）。而全精馏制氩粗氩塔又最高，这样液空由下塔底到粗氩冷凝器的输送成为降低空压机能耗的主要问题。

粗氩塔液空节流阀安装位置，在8 m左右。节流后使得过冷液体提前在管道中呈气液混合态，形成雾流状态，它所产生的静液柱压力也大幅下降。

根据两相流密度计算公式，假设节流后平均汽化率α为15%，38%O2液空密度为935 kg/m3，液空蒸汽密度为1.319 kg/m3：

则ρ空＝15%×1.319+85%×935＝795 kg/m3

粗氩冷凝器顶部与下塔底部相对高度约48 m，假设在8 m处节流，则液空静液柱阻力为：

假设：

粗氩冷凝器压力P粗=135 kPa

液空管道流动阻力Pd管=20 kPa

下塔阻力Pd下塔=16 kPa

因为，下塔顶部压力：

而在上塔下部压力为140 kPa（A）时，对应下塔工作压力为535 kPa（A）。所以下塔的极限压力已不再受液空能否输送到氩冷凝器制约，而是由主冷能否正常工作决定。

根据以上分析，并考虑到流动阻力，可得：下塔顶部的极限压力可降低至535 kPa（A），对应空压机压力可由614 kPa（A）降低到 575 kPa（A）。这就为我们突破设计局限，降低空压机压力提供的理论依据。

在理论分析成熟后，实际操作就是成功的关键。降负荷最大的难度就是在氧氮纯度保证的前提下，实现工况的调整，也就是说，空分需要实现“无级变速”。

降负荷操作的主要步骤为：

（1）缓慢降低空压机压力，每次只能降低2 kPa；

（2）随着空压机压力下降，由于主冷热负荷下降，空气入塔量自然下降（即主冷自平衡）；

（3）由于主冷热负荷下降，下塔回流比减小，需微量关小下塔液氮至上塔的节流阀，控制下塔回流比，保持液氮和液空纯度；

（4）因上述几步操作，上塔提馏段和精馏段回流比都下降，相应减小氧、氮产品气量；

（5）待所有工艺参数稳定后，从第一步开始重复进行下一轮降负荷操作，直到降至所需压力。

该操作方法操作复杂，监控的工艺参数多，有破坏主塔工况，影响氧、氮纯度的风险。而且持续时间长，一般每天降压力不能超过8 kPa。若操作过急，会出现连续几天甚至十几天的主塔工况不稳。

该操作方法的优点是能有效降低空压机的电能消耗。降低的电能包括一方面因空气量下降而减少的压缩能，另一方面因空压机压力降低而下降的单位气体压缩功。因压缩空气量非常大，单位压缩功的下降总能耗是明显的。以35000空压机为例，实际运行发现，同样10%的降负荷操作，单减空气量空压机电流从1050 A下降到950 A，而将空压机压力从614 kPa降低到575 kPa，空气量也可下降10%，但空压机电流可降至850 A。

4 利用富氧用量、氧氮管网压力等参数的变化，确定实时能耗控制措施

用线性规划技术得到的氧氮需求量是一个平均量，制氧机组一旦运行，不可能频繁启停。在实际运行中，氧氮用气量大幅波动，压力也随之出现起伏。高炉出现慢风、休风，炼钢节奏出现变化，都会打破整个用气平衡，必须建立一套时时控制的方法，以降低运行能耗。

4.1 控制放散的实施细则

（1）根据情况动态调整机组工况

这是指根据股份公司用气需求和液体的销售情况确定制氧机组是否启动2台膨胀机，即一、二工况的变化。二工况的制氧单耗远高于一工况，只有液体销售形势较好时这样运行朝阳公司才有效益，而用二工况来降放散任何时候都是不经济。但在空压机减负荷至导叶接近关完，氧气仍有放散时，启2台膨胀增加液氧产量以降低氧气产量，则是可取的。可把它看作是将放散的氧气液化。

（2）对制氧机组空压机负荷进行调整

现阶段，根据我们对富氧量与用氧总量关系的观察，只有当富氧量超过17000 m3/h时，用氧总量才达到42000 m3/h以上。因此，暂定富氧量高于17000 m3/h时，空压机作增负荷操作以增加氧产量。

（3）合理启停氧氮压机

当富氧量低于10000 m3/h超过2 h，可向指挥中心申请停氧压机；富氧量高于20000 m3/h，可考虑启动6000高压氮。

（4）对管网压力进行调整

当富氧量低于11000 m3/h，氧压机放空设定2.0 MPa，当富氧量高于 14000 m3/h，20∶00～9∶00氧压机放空设定2.3 MPa，当富氧量高于17000 m3/h，全天氧压机放空设定2.3 MPa。

（5）对100 t/d液化装置进行转速、品种等工艺调整

当氧气管网压力低于1.7 MPa时，若氧气用量仍高，液化装置全量生产液氮，此时若氮气压力也低，则降低高低温膨胀机转速，以降低液化装置负荷；当氧气管网压力高于1.9 MPa时，液化装置全量生产液氧。

（6）保持水冷系统高效率

定期对冷却器进行清洗。风机除了检修外应全部运行。我们需建立冷却器冷却效果评价体系。循环水泵只要电流不超额定，尽量不要进行机前或机后节流。

（7）氧、氮压机加减量

氧、氮压机在加减量时尽量用导叶，但不能低于导叶的喘振开度。我们已摸索出各产品压缩机不喘振的最小导叶开度。

（8）液氧、液氮泵的启停

液氧、液氮泵的启动可解决短时氧氮管网压力过低的问题，是必要的保产手段。但若出现大量补充液氧的情况，必须考虑提高氧气产量，或增开机组。当高压氧压力低于1.4 MPa启动液氧泵，当高压氧压力高于1.8 MPa停液氧泵，当高压氮压力低于1.5 MPa启动液氮泵，当高压氮压力高于1.8 MPa停液氮泵。

（9）膨胀机的调节

膨胀机的操作也会影响整个机组的能耗水平。在调节增压透平膨胀机时，要注意增压机回流阀与膨胀机喷嘴之间的配合。在正常运行状态，单位制冷量优于膨胀量。也即是说，增压比和膨胀压比都很重要。在各机组已最低负荷，放散仍过大时，可启动2台膨胀机，牺牲能耗以换取更多的液体产品。

（10）高炉休风、联合检修的应对

若遇高炉休风、联合检修等用气量大幅下降的情况，提前与生产生产调度沟通，有计划停运部分氧、氮压缩机，以尽可能降低能源消耗。

总之，富氧用量的大小，直接反映整个钢铁联合生产线的用气需求大小。并且，富氧的增加或减少反映到用气量的变化有2～4 h滞后，这正好能部分弥补制氧机工况调整的滞后。

4.2 以放散控制措施细则，制定出放散控制实施表，以方便当班员工时时控制

详见表6。

4.3 根据钢铁主线检修范围、时长，确定停运部分压缩机

在钢铁主线进行月度联合检修时，用气量会出现大幅下降。我们根据检修的内容不同决定停运相应的压缩机。比如，1座大高炉检修，可停1台15000的氮压机，1座小高炉检修可停1台6000氮压机运行。若有2座高炉检修，在停运2台氮压机的同时还可停运1台氧压机。

5 实施效果

该项目已在高炉运行“两大”和“两大一小”时得到了检验，收到了可观的经济效益。项目实施前，各单机实际消耗能耗如下：

表6 放散控制实施表

1#18000机组单日电耗：360500 kW·h；

2#18000机组单日电耗：360460 kW·h；

35000机组单日电耗：733900 kW·h；

30000机组单日电耗：695760 kW·h；

100 t/d机组单日电耗：58000 kW·h。

项目实施前后，各运行组合实际消耗电费（电价按每度0.582元计算），见表7。

表7 项目实施前后各运行组合电费

2017年上半年各节能措施节能效果见表8。

表8 节能效果分析表

上半年1#18000+35000+100 t/d组合运行106天，35000+30000+100 t/d组合运行75天，上半年实际电耗与去年同比节约电费：

预计全年可节约电费：700×2＝1400万元