制氧系統(tǒng)電力消耗與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

蔡樹梅

（寶鋼集團(tuán)新疆八一鋼鐵有限公司能源中心，新疆烏魯木齊830022）

制氧

制氧系統(tǒng)電力消耗與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

蔡樹梅

（寶鋼集團(tuán)新疆八一鋼鐵有限公司能源中心，新疆烏魯木齊830022）

制氧機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行及“過度”保供意識(shí)，提高了能源生產(chǎn)成本。嘗試實(shí)現(xiàn)能源綜合管控，產(chǎn)、用能單元密切配合，精細(xì)化管理和操作，降低了電力消耗，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

壓縮機(jī)；電力消耗；氣體供應(yīng)；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

1 前言

制氧產(chǎn)品成本的70%是電力消耗費(fèi)用。如何減少電力消耗，以最小消耗滿足鋼廠各用戶氧、氮?dú)獾男枨笞兓筒婚g斷供應(yīng)，是制氧節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目標(biāo)。

能源供應(yīng)單位的首要任務(wù)是保證安全穩(wěn)定供應(yīng)。所以制氧系統(tǒng)氧氣生產(chǎn)理念一直是追求穩(wěn)定及最大化安全保障。近年鋼鐵產(chǎn)能過剩，鐵、鋼產(chǎn)能不斷壓低，產(chǎn)量與生產(chǎn)組織動(dòng)態(tài)調(diào)整。而氧氣的過度保供與鋼廠變化的生產(chǎn)組織不匹配，造成大量能源浪費(fèi)。新疆八鋼公司2014年上半年氧氣累計(jì)放散率5.5%，2014年1～12月氧氣放散率達(dá)7%，急需采取措施降低氧氣及能耗。

2 空氣壓縮機(jī)組

2.1 空氣壓縮機(jī)電力消耗分析

空氣壓縮機(jī)是制氧系統(tǒng)中電力消耗最多的設(shè)備。根據(jù)離心式壓縮機(jī)性能曲線（圖1），隨著流量的增加，消耗的功率總是增加的。但轉(zhuǎn)速一定，為了避免喘振，離心壓縮機(jī)流量控制底線是設(shè)計(jì)流量的75%。這時(shí)壓縮機(jī)的功率與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的功率相差20%以內(nèi)。如果偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)運(yùn)行，空壓機(jī)的效率也是下降的。所以保證空壓機(jī)在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，是空壓機(jī)最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 離心壓縮機(jī)性能曲線

表1 兩萬制氧機(jī)空氣壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

表1是兩萬制氧機(jī)空氣壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)。

鋼廠氧、氮用量決定了制氧機(jī)組運(yùn)行組合方式。產(chǎn)能與用能的不匹配對(duì)空壓機(jī)組電力消耗影響最大。一方面是已固有的大中型制氧機(jī)規(guī)模，一方面是鋼廠不斷壓低產(chǎn)能、變化靈活的生產(chǎn)組織，制氧機(jī)組組合方式很難與用能量匹配。2014年4季度，鋼廠開始大幅度壓產(chǎn)，用氧量從85000 m3/h減到不足50000 m3/h左右，又因氮?dú)庥昧枯^大，無法停運(yùn)制氧機(jī)組，即使所有制氧機(jī)保持最小負(fù)荷運(yùn)行，產(chǎn)能仍超出用能30%左右。為了保證生產(chǎn)和氧氣放散指標(biāo)，犧牲氧氣提取率將一臺(tái)機(jī)組的氧氣產(chǎn)量壓縮到50%左右，大量氧氣進(jìn)入污氮?dú)?。制氧電單耗、氧氣放散率大幅上升（見?）。

表2 壓產(chǎn)前后產(chǎn)量電耗等參數(shù)

其次空壓機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)是根據(jù)空分機(jī)組需求進(jìn)行調(diào)整，空氣壓縮機(jī)電力消耗還與氧氣純度、氧的提取率、上塔的壓力、空氣過濾器阻力等有關(guān)聯(lián)。如：空分機(jī)組最小負(fù)荷模式運(yùn)行，空分保持較高氧氣純度，雖然氧氣放散少了，但空壓機(jī)的總耗電量沒有減小?？辗稚纤牟僮鲏毫Ω摺⒖諝膺^濾器阻力增大等都會(huì)影響空氣壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.2 空氣壓縮機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

2.2.1 產(chǎn)能與用能匹配的機(jī)組組合方式

產(chǎn)能與用能供應(yīng)系統(tǒng)的平衡與鋼廠生產(chǎn)用能的計(jì)劃性和日常生產(chǎn)組織關(guān)系密切。加強(qiáng)能源管理系統(tǒng)建設(shè)，提高能源管理與調(diào)度的水平，使產(chǎn)能與用能統(tǒng)籌管理，有效調(diào)配，是保證制氧機(jī)組最佳組合方式的關(guān)鍵。其步驟：

（1）預(yù)測(cè)月氧、氮用量上下線：鋼廠各用能工序結(jié)合計(jì)劃生產(chǎn)產(chǎn)量、生產(chǎn)組織模式和設(shè)備定修情況，預(yù)測(cè)氧、氮的用量。

（2）制氧廠制定機(jī)組組合方案：根據(jù)鋼廠氧、氮用量上、下線范圍，結(jié)合制氧機(jī)組的規(guī)模、液體計(jì)劃月銷售量，氣體儲(chǔ)存能力、液體貯存量等確定機(jī)組最佳運(yùn)行組合方式及工況調(diào)整模式，其原則：

（a）產(chǎn)能以略低于平均用量的“微欠量”來考慮機(jī)組組合?！拔⑶妨俊币砸后w貯存能力、鋼廠各工序的檢修時(shí)間、液體銷售計(jì)劃量來綜合考慮。

（b）多機(jī)組運(yùn)行，確定機(jī)組的調(diào)整順序、不同條件下的工況選擇。盡可能只在一套機(jī)組做不同工況的調(diào)整，其他機(jī)組在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。

（c）鋼廠計(jì)劃性檢修，啟動(dòng)液化裝置液化多余的氮?dú)夂脱鯕?，進(jìn)入液體貯槽。

（3）對(duì)預(yù)測(cè)月氧、氮平均用量再次調(diào)整：能源管控單位對(duì)超出機(jī)組組合可調(diào)范圍的氧、氮用量再次對(duì)鋼廠用能單位進(jìn)行微調(diào)整。筆者鋼廠采用對(duì)減產(chǎn)的高爐實(shí)行富氧停供、對(duì)部分用戶采用壓縮空氣置換氮?dú)獾确绞剑M可能達(dá)到產(chǎn)能與用能匹配的最佳機(jī)組組合方式。

（4）實(shí)際用能的管控：生產(chǎn)調(diào)度與能源管控結(jié)合共同安排系統(tǒng)生產(chǎn)組織。將計(jì)劃用能量作為實(shí)際用能和機(jī)組產(chǎn)能的基準(zhǔn)，起雙向約束作用。合理經(jīng)濟(jì)考核不但提高用能單位計(jì)劃用能的水平，還會(huì)使用能單位提高經(jīng)濟(jì)用能的意識(shí)。只有將用能單位與產(chǎn)能單位生產(chǎn)信息量的及時(shí)準(zhǔn)確交換，才能實(shí)現(xiàn)用能與產(chǎn)能的大致平衡，避免產(chǎn)、用能蹺蹺板模式。

2.2.2 機(jī)組精細(xì)化操作

空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，將空氣過濾器阻力及空壓機(jī)各級(jí)間冷卻器效果納入操作范圍。制氧機(jī)組操作時(shí)，應(yīng)盡可能降低上塔的工作壓力；提高氧氣提取率；降低空氣量以保證產(chǎn)品產(chǎn)量而不追求較高純度為準(zhǔn)則?？傊３种蒲鯔C(jī)過于穩(wěn)定操作，變工況調(diào)節(jié)只調(diào)節(jié)氧氣產(chǎn)量，對(duì)空氣壓縮機(jī)的調(diào)整不到位，對(duì)降低空壓機(jī)的電力消耗助益不大。

2.2.3 把握空分機(jī)組工況調(diào)整時(shí)段

利用電網(wǎng)工業(yè)用電峰、谷電價(jià)的不同，在不同時(shí)段對(duì)制氧機(jī)組進(jìn)行調(diào)整。谷或平時(shí)，增加空壓機(jī)的負(fù)荷，加大膨脹量，多生產(chǎn)液體。而峰值時(shí)，以最小負(fù)荷減少用電消耗為原則。

3 產(chǎn)品壓縮機(jī)與供應(yīng)方式

產(chǎn)品氧氣壓縮機(jī)和氮?dú)鈮嚎s機(jī)是僅次于空壓機(jī)電力消耗的機(jī)組。其氣體供應(yīng)方式也影響著壓縮機(jī)的電力消耗。

3.1 電力消耗分析

（1）產(chǎn)品壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況

產(chǎn)品壓縮機(jī)的電力消耗與壓縮量和壓力比關(guān)系最大。而國產(chǎn)的透平壓縮機(jī)都沒有防喘線，在壓縮量調(diào)節(jié)上很謹(jǐn)慎也很模糊，進(jìn)口導(dǎo)葉的調(diào)整范圍一般保持較大的安全開度。同時(shí)因鋼廠間斷性的用能特點(diǎn)，為了保證調(diào)峰，氣體球罐一般保證較高的儲(chǔ)存壓力。壓縮機(jī)在較高的排壓下運(yùn)行，減少導(dǎo)葉開度就意味著增加喘振風(fēng)險(xiǎn)。所以管網(wǎng)壓力高時(shí)采用高壓旁通低壓進(jìn)口或機(jī)組高壓放空等方式來保證設(shè)備的安全運(yùn)行。降低運(yùn)行負(fù)荷而電力消耗減少甚微。

壓縮機(jī)機(jī)后較高的儲(chǔ)存及管網(wǎng)壓力對(duì)產(chǎn)品壓縮機(jī)的電力消耗影響較大。大致計(jì)算：假設(shè)壓縮機(jī)入口壓力0.11 MPa，當(dāng)排氣壓力2.0 MPa與1.5 MPa兩種壓力下的壓縮單耗理論上相差11%左右（因1.5 MPa偏離設(shè)計(jì)工況，實(shí)際上相差比這小一些），即：

ln（2.0/0.11）/ln（1.5/0.11）=1.11

（2）產(chǎn)品氣體的供應(yīng)方式

鋼廠高爐富氧與煉鋼吹氧壓力等級(jí)相差較大。高爐鼓風(fēng)機(jī)后富氧壓力～0.45 MPa，而煉鋼氧氣壓力～1.2 MPa。氮?dú)獬裏掕F高爐噴煤和煉鋼轉(zhuǎn)爐濺渣需要～1.2 MPa的氮?dú)?，其他工序密封氣、吹掃氣、保安氣、儀表氣等壓力均在0.3～0.8 MPa范圍。

產(chǎn)品氣體供應(yīng)系統(tǒng)采用不同的壓力等級(jí)供應(yīng)，其電力消耗差別較大。查閱資料及實(shí)際電力消耗比較，同規(guī)模的氮?dú)鈮嚎s機(jī)，排氣壓力2.0 MPa和1.0 MPa，每立方氣體壓縮電耗相差至少0.04 kW·h。按此計(jì)算，供應(yīng)2萬m3/h氮?dú)?，每年電力消耗相?00萬kW·h，按0.45元/kW·h，一年多增加電力消耗費(fèi)用300多萬元。

3.2 產(chǎn)品壓縮機(jī)及供氣方式的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

（1）產(chǎn)品壓縮機(jī)壓送量與鋼廠用量的匹配

根據(jù)鋼廠用量組合產(chǎn)品壓縮機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，適宜的匹配是最省電的配置。但實(shí)際中很難合適，除非產(chǎn)品壓縮機(jī)規(guī)格很多，可根據(jù)需求任意組合運(yùn)行模式。筆者單位一季度氧氣用量～3.5萬m3/h，運(yùn)行兩套2萬的氧氣透平壓縮機(jī)，在高爐、轉(zhuǎn)爐年修近15天的時(shí)間，氧氣用量減到～2.5～2.9萬m3/h，就啟用了停運(yùn)多年的活塞式壓縮機(jī)，再通過低溫液體泵在不同階段進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)行模式。停運(yùn)一臺(tái)透平壓縮機(jī)，使先前兩臺(tái)都在最低負(fù)荷運(yùn)行還需要高壓放空的狀態(tài)得到了改善，同時(shí)15天中節(jié)省氧氣壓縮電力消耗約40萬kW·h，見表3。

表3 兩種運(yùn)行方式壓氧電耗比較

（2）氣體儲(chǔ)存系統(tǒng)與壓縮機(jī)排壓的控制

產(chǎn)品壓縮機(jī)降低背壓是較為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方式。但低背壓運(yùn)行使壓縮機(jī)后3.0 MPa的儲(chǔ)存系統(tǒng)的調(diào)峰功能大大降低，運(yùn)行中可能還會(huì)直接影響到鋼廠的用能需要。但根據(jù)各單位氣體儲(chǔ)罐、液體貯槽的能力和鋼廠峰谷用能范圍，適當(dāng)降低壓縮機(jī)背壓是可行的。

另一方面改善儲(chǔ)存系統(tǒng)既可以保證儲(chǔ)存系統(tǒng)的能力，又可做到產(chǎn)品壓縮機(jī)低背壓運(yùn)行。一般的儲(chǔ)存系統(tǒng)由中壓貯罐、調(diào)壓閥組構(gòu)成。習(xí)慣上有儲(chǔ)罐單管制、雙管制布置。鋼廠貯存系統(tǒng)多采用單管制，采用低背壓運(yùn)行后，將對(duì)此貯存能力產(chǎn)生影響。但將貯存系統(tǒng)改為雙管制，在儲(chǔ)罐單管制上加裝一個(gè)調(diào)節(jié)旁路于貯罐吞吐閥的兩端，將原吞吐作用的截止閥改變?yōu)槌ｉ]閥或更換成單向閥（見圖2）。實(shí)現(xiàn)大中型產(chǎn)品壓縮機(jī)長時(shí)間處于用戶工作壓力區(qū)域運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖2 貯存系統(tǒng)改雙管制示意

（3）氣體供應(yīng)壓力的改善

鋼廠不同用能工序?qū)ρ?、氮?dú)鈮毫π枨箅m相差較大，但多年的習(xí)慣性配置，氧氣基本選擇～3.0 MPa等級(jí)的壓縮機(jī)及供氣管網(wǎng)。氮?dú)舛噙x擇～2.5 MPa等級(jí)和～1.0 MPa等級(jí)的壓縮機(jī)及供氣管網(wǎng)。筆者鋼廠因過多考慮中壓儲(chǔ)存能力將氮?dú)馊坎捎谩?.0 MPa供應(yīng)，60%外供氮?dú)饬繉儆诟邏旱陀谩Ｄ壳耙烟岢龉芫W(wǎng)優(yōu)化方案，準(zhǔn)備實(shí)施。

運(yùn)行不同壓力等級(jí)的產(chǎn)品壓縮機(jī)分別供應(yīng)用戶，是減少電力消耗最直接的方式。

4其他用電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

4.1 分子篩電加熱器

過高加熱溫度及過大的加熱氣量，及較長的加熱時(shí)間均增加正常運(yùn)行中的電力消耗。

（1）控制滿足分子篩再生的最佳工作氣量與加熱溫度

分子篩電加熱器是穩(wěn)定間斷性用能設(shè)備。正常加熱期間通往電加熱器的污氮?dú)饬繘Q定著電加熱器的電力消耗。過高的溫度和較大的加熱氣量對(duì)分子篩再生是過剩的。冷吹時(shí)峰值溫度過高，就應(yīng)該減少污氮?dú)饬?，降低再生氣量的加熱溫度。不同廠家的填料，對(duì)再生過程峰值的控制溫度有差別，應(yīng)與供應(yīng)廠家聯(lián)系，提供該填料再生數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，避免能源浪費(fèi)。

（2）充分利用熱量

分子篩再生加熱階段轉(zhuǎn)入冷吹階段前1～2 min提前斷電，將電加熱器中余熱帶出。筆者單位儀控人員在分子篩程序中加入此控制，已實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。2×2萬制氧機(jī)分子篩純化器根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，每組分子篩純化器每次加熱少用電量～35 kW·h，兩套機(jī)組每月可節(jié)約電力消耗～1.2萬kW·h。

日常保養(yǎng)維護(hù)中應(yīng)關(guān)注電加熱器及加熱管道的保溫，減少熱量與外界換熱的損失。

4.2 循環(huán)水系統(tǒng)

以汽輪機(jī)拖動(dòng)空壓機(jī)的制氧系統(tǒng)，因設(shè)備汽輪機(jī)凝汽器冷卻水量大，其循環(huán)水泵及冷卻塔風(fēng)扇的耗電量消耗也較大。

循環(huán)水泵及冷卻塔風(fēng)扇開啟的數(shù)量及組合方式是電力消耗的主要因素。循環(huán)水量大于設(shè)備冷卻所需水量及循環(huán)水冷卻溫度控制過高，均會(huì)增加電力消耗。

各機(jī)組冷卻水量不過剩，水泵出水能力與機(jī)組冷卻水量平衡，盡量減少循環(huán)水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。筆者單位嘗試在循環(huán)水泵電機(jī)增加變頻調(diào)速，減小水泵的供水量，調(diào)節(jié)效果明顯，運(yùn)行電流比前期下降10%左右。循環(huán)水冷卻塔水池水溫制定溫度控制范圍，2014年一季度將水池水溫由原20℃提高到28℃，減少冷卻塔風(fēng)扇的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，降低電力消耗。

5 結(jié)束語

在鋼廠范圍內(nèi)將能源監(jiān)控、能源計(jì)劃管理、能源調(diào)度相結(jié)合，通過合理的管理導(dǎo)向使鋼廠各工序精細(xì)化用能。用能與產(chǎn)供能單元充分交換生產(chǎn)信息，圍繞用能計(jì)劃量組織生產(chǎn)，是制氧系統(tǒng)降低電力消耗的關(guān)鍵。其次發(fā)揮空分裝置變負(fù)荷能力、液化裝置、氣液體的大貯存能力，精心生產(chǎn)組織與操作，實(shí)現(xiàn)制氧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

Electricity Consum ption and Econom ical Operation of Oxygen Generation System

CAI Shumei
（The Energy Center of Bayi Iron and Steel Co.,Baosteel Group;Urumqi,Xinjiang 830022,China)

Low-load operation and excessive supply-ensuring mentality increase energy production cost.To enhance energy comprehensive management and control and closer coordination between energy producers and users have reduced electricity consumption and achieved economical operation.

compressor;electricity consumption;gas supply;economical operation

TH45

B

1006-6764(2015)08-0026-03

2015-04-27

蔡樹梅（1968-），女，大專學(xué)歷，深冷工程師，現(xiàn)從事制氧技術(shù)管理工作。