分級(jí)供氧項(xiàng)目在鋼鐵企業(yè)的實(shí)施與優(yōu)化

曹景華，管繼輝

（安陽鋼鐵股份有限公司制氧廠，河南安陽 455004）

1 分級(jí)供氧項(xiàng)目背景

安鋼制氧廠成立于1996年，有7套制氧機(jī)，其中23500制氧機(jī)3套，14000制氧機(jī)2套，6000制氧機(jī)2套，產(chǎn)品氧氣均加壓到2.5 MPa后送入球罐區(qū)。隨著3#高爐的投產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行，高爐對(duì)低壓氧氣的使用量急劇增加，已經(jīng)占公司氧氣總供應(yīng)量的45%左右，擴(kuò)大氧氣生產(chǎn)量迫在眉睫。高爐煉鐵，氧氣使用壓力不足1.0 MPa，其所需的低壓氧氣，均通過球罐區(qū)的中壓氧氣節(jié)流而獲得，能耗損失較大。簡(jiǎn)而言之，氧壓機(jī)壓縮到2.5 MPa，通過節(jié)流降到1.0 MPa后供用戶使用，氧壓機(jī)做了無功壓縮。

圖1 低壓氧透供應(yīng)用戶流程示意圖

鑒于此，制氧廠拆掉了1#6000制氧機(jī)，在原址新上4#23500制氧機(jī)，出裝置氧氣量25000 m3/h。專門配備一臺(tái)52000 m3/h等級(jí)低壓氧氣透平壓縮機(jī)，4#23500制氧機(jī)出裝置的氧氣與1#23500出裝置后合并后送入52000 m3/h低壓氧氣透平壓縮機(jī)，直接壓縮至下游高爐煉鐵所需的壓力，從而大大地節(jié)省了能耗，提高裝置的運(yùn)行效率，并且可減小從中壓氧氣節(jié)流到低壓氧氣操作的安全風(fēng)險(xiǎn)。而1#23500的中壓2.5 MPa氧壓機(jī)作為備用機(jī)組。

2 低壓氧透系統(tǒng)工藝流程

來自1#23500 m3/h、4#23500 m3/h空分塔的常壓氧氣經(jīng)低壓氧氣透平壓縮機(jī)壓縮后并入低壓管網(wǎng)供高爐煉鋼使用。進(jìn)低壓氧氣透平壓縮機(jī)的管路布置時(shí)充分考慮阻力因素，減少偏流，便于兩套空分機(jī)組的工況調(diào)整。

低壓氧透為單軸型單缸離心式壓縮機(jī)組，雙層布置結(jié)構(gòu)，采用進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)主機(jī)和電機(jī)共用一個(gè)供油系統(tǒng)，供油系統(tǒng)為撬裝式結(jié)構(gòu)。氧透機(jī)組具有完備的防火保安措施以及完善的檢測(cè)控制手段。

低壓氧透基本運(yùn)行參數(shù)如下：

（1）氧透設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：

介質(zhì)：氧氣；

型號(hào)：3TYS140；

流量：52000 m3/h；

轉(zhuǎn)速：9020 r/min；

進(jìn)氣壓力：3 kPa；

排氣壓力：1.0 MPa；

進(jìn)口溫度：25℃；

排氣溫度：≤42℃；

軸 功 率：～5830±4%kW；

冷卻水溫度：32℃；

出廠日期：2015年10月；

制造單位：杭州杭氧透平機(jī)械有限公司。

（2）氧透電機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：

型號(hào)：AEXW710－2；

轉(zhuǎn)向：從輸出軸端看，為逆時(shí)針方向；

相數(shù)：3；

頻率：50 Hz；

額定功率：6500 kW；

額定電壓：1000 V；

電流：419 A；

轉(zhuǎn)速：2991 r/min；

絕緣等級(jí)：F級(jí)；

重量：17590 kg；

電機(jī)總重：25800 kg；

制造單位：江西東元電機(jī)有限公司。

3 外部管網(wǎng)流程改造

（1）4#23500低壓氧透出口到球罐區(qū)

低壓氧氣管道從低壓氧透機(jī)組出口增設(shè)氧氣管道DN400，沿現(xiàn)有管廊敷設(shè)至球罐區(qū)，原有管道支架需進(jìn)行加固，整個(gè)管道采用自然補(bǔ)償。

（2）球罐區(qū)

低壓氧氣管道（DN400）在球罐區(qū)分為兩路：一路（DN250）在1#、2#高爐調(diào)壓間后與現(xiàn)有中壓氧氣管道對(duì)接，利用原來的中壓氧氣管網(wǎng)供兩座高爐用氣。球罐區(qū)1#、2#高爐調(diào)壓閥組設(shè)定一定壓力，當(dāng)?shù)蛪貉鯕夤芫W(wǎng)壓力低于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開，中壓氧氣節(jié)流進(jìn)入低壓氧管網(wǎng)。另一路（DN350）去3#高爐的管道在3#高爐富氧調(diào)節(jié)閥組前并網(wǎng)。

拆除原有球罐區(qū)中壓氧至1#、2#高爐的調(diào)節(jié)閥。為保證球罐區(qū)中壓氧氣節(jié)流補(bǔ)充低壓氧氣管網(wǎng)的可靠性，新建兩套調(diào)壓閥組，運(yùn)行時(shí)，兩套調(diào)壓閥組共同作用。節(jié)流前壓力2.5 MPa、節(jié)流后壓力0.8 MPa、最大流通量45000 m3/h。

（3）去3#高爐新增管道

原有球罐去3#高爐的中壓管道（DN250）不能滿足低壓氧氣輸送要求，需新增氧氣管道（DN350），沿現(xiàn)有備用DN1600冷風(fēng)管道敷設(shè)，至3#高爐富氧調(diào)壓閥組前并網(wǎng)。

（4）去 1#、2#高爐管道

現(xiàn)有1#、2#高爐的富氧總管DN250可以滿足低壓氧氣流通的需要，繼續(xù)保留使用。但是去1#高爐的現(xiàn)有DN150的富氧管道無法滿足低壓氧氣的流通需求，更換成DN200的管道。

4 低壓氧透的運(yùn)行優(yōu)化

2016年3月18日，52000 m3/h氧透調(diào)試結(jié)束，正式啟動(dòng)并壓縮氧氣并入管網(wǎng)，標(biāo)志著4#23500制氧機(jī)正式開始投產(chǎn)試運(yùn)行，分級(jí)供氧項(xiàng)目正式實(shí)施，技術(shù)人員根據(jù)氧透生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)整，對(duì)氧透工藝操作和應(yīng)對(duì)突發(fā)事故方面進(jìn)行了優(yōu)化，確保氧透的穩(wěn)定、節(jié)能、高效運(yùn)行。

（1）1#23500 m3/h和4#23500 m3/h的兩套空分產(chǎn)生的常壓氧氣共同進(jìn)入52000 m3/h氧透機(jī)前，供氧透壓縮，鑒于兩套空分出裝置的壓力不同，其中1#23500出裝置氧壓 12 kPa，4#23500出裝置 18 kPa。將 1#23500的出裝置閥 V102保持全開，4#23500出裝置壓力較高，V102根據(jù)不同空分負(fù)荷，保持在43%～34%之間變化。兩套空分常壓氧通過并網(wǎng)閥HC4001相連。

（2）2016年5月 2日，4#23500空壓機(jī)意外停車，造成52000 m3/h氧透吸入壓力聯(lián)鎖停車，影響了煉鐵生產(chǎn)。為避免今后1#23500和4#23500中任一套機(jī)組停運(yùn)造成52000 m3/h停運(yùn)，計(jì)控人員協(xié)調(diào)工藝人員嘗試在1#23500的空壓機(jī)上增設(shè)一根電纜引到4#23500操作模塊上，并編制程序，當(dāng)其中一套制氧機(jī)組停運(yùn)后，瞬時(shí)開氧透回流閥V3303到一定開度。經(jīng)過若干次嘗試，確定1#23500和4#23500其中任何一套制氧機(jī)停運(yùn)時(shí)，回流閥立即開到70%后，不會(huì)造成氧透聯(lián)鎖停車，一定程度上能減少對(duì)高爐的影響。實(shí)踐證明此方法切實(shí)可行。

（3）低壓氧透正常啟動(dòng)后的進(jìn)口導(dǎo)葉開度最小控制在36%，在機(jī)組未滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，保證出口壓力時(shí)，需要用回流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，即回流閥有一定的開度。這樣氧氣經(jīng)壓縮后再通過回流閥回到進(jìn)口管道，耗費(fèi)了壓縮機(jī)的電能。技術(shù)人員聯(lián)系設(shè)計(jì)單位杭氧，并通過嘗試，將進(jìn)口導(dǎo)葉分三次進(jìn)行關(guān)小到10%，回流閥V3303全關(guān)，氧壓機(jī)能夠保證連續(xù)安全運(yùn)行。根據(jù)試驗(yàn)期間的數(shù)據(jù)，低壓氧透導(dǎo)葉開度30%，回流閥開度60%，每小時(shí)耗電5570 kW；通過最小負(fù)荷調(diào)試后氧透導(dǎo)葉開度10%，回流閥開度48%，每小時(shí)耗電4646 kW。低壓氧壓機(jī)經(jīng)過最小負(fù)荷調(diào)試后，每小時(shí)可節(jié)電934 kW。

（4）2016年5月28日20：20分，空壓機(jī)報(bào)警，檢查發(fā)現(xiàn)為1#23500空壓機(jī)進(jìn)口差壓流量計(jì)突然降低隨后恢復(fù)，但是仍然觸動(dòng)防喘振曲線而輕載，崗位人員檢查發(fā)現(xiàn)52000氧透雖然沒有吸入壓力聯(lián)鎖停車，但是吸入壓力偏低并逐步降低到聯(lián)鎖值。崗位人員判斷為兩套空分的氧氣并網(wǎng)閥HC4001沒關(guān)閉，4#23500的氧氣從1#23500的常壓氧放空閥處放掉，造成低壓氧透吸入壓力降低。迅速緊急關(guān)掉并網(wǎng)閥并恢復(fù)52000氧透的運(yùn)行。沒有影響到煉鐵生產(chǎn)。

根據(jù)此次事故，車間告誡所有崗位人員，一旦1#23500空分停運(yùn)，要及時(shí)關(guān)閉氧氣并網(wǎng)閥，避免低壓氧透吸入壓力聯(lián)鎖。

5 分級(jí)供氧項(xiàng)目的節(jié)能效益分析

制氧廠的氧壓機(jī)后的壓力設(shè)定為2.5 MPa，經(jīng)過節(jié)流后進(jìn)入煉鐵廠富氧，經(jīng)過分級(jí)供氧實(shí)施后，低壓氧壓機(jī)產(chǎn)生的1.0 MPa的氧氣，直接供氧煉鐵，一般情況下，氧透系統(tǒng)壓力設(shè)定為0.77 MPa即可滿足煉鐵用氧。節(jié)省的電能主要體現(xiàn)在氧透的壓縮等級(jí)上，詳見表1。

表1 低壓氧壓機(jī)與常規(guī)中壓氧壓機(jī)參數(shù)對(duì)比

通過表1參數(shù)可得，假如采用兩套23500 m3/h的中壓氧透壓縮氧氣，極限產(chǎn)量可達(dá)52000 m3/h，采用一套低壓氧透最大壓縮52000 m3/h，兩者相同的氧氣量時(shí)，消耗的功率差可計(jì)算得出每小時(shí)耗功差5010 kW·h。每年可節(jié)約電能2609萬元。

6 分級(jí)供氧新模式實(shí)施與優(yōu)化

4#23500低壓氧透設(shè)計(jì)上，壓縮兩套23500空分的常壓氧氣，設(shè)計(jì)壓縮量52000 m3/h，但由于環(huán)保限排限產(chǎn)，減量經(jīng)營(yíng)，高爐富氧量減少至40000 m3/h，而兩套23500制氧機(jī)至少要生產(chǎn)45000 m3/h的氧氣，多余的5000 m3/h，無法經(jīng)濟(jì)壓縮，只能放散造成浪費(fèi)，而中壓氧氣管網(wǎng)壓力時(shí)常又比較低，特別是煉品種鋼時(shí)，對(duì)氧氣壓力要求比較高，這時(shí)只能將1#23500氧氣退出，開1#23500中壓氧透壓縮，保中壓氧供應(yīng)，導(dǎo)致大氧透只能在半負(fù)荷下長(zhǎng)期運(yùn)行，只壓縮4#23500制氧機(jī)的25000 m3/h氧氣，造成分級(jí)供氧節(jié)能措施不能充分利用。為了使分級(jí)供氧效能發(fā)揮到最大，提出了新的分級(jí)供氧模式。

7 分級(jí)供氧新模式方案實(shí)施

通過論證，把2#14000制氧機(jī)生產(chǎn)的常壓氧氣引入低壓氧透前，使（2#14000、1#23500、4#23500及長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)的1#14000，2#6000）5套制氧機(jī)的常壓氧氣通過管道聯(lián)網(wǎng)。利用一段原有管道，新增少量新管道，但因利舊的管道長(zhǎng)期停用，存在銹蝕現(xiàn)象，不能直接用于氧氣輸送。決定對(duì)利舊的管道拆除、除銹、防腐、脫脂后，重新安裝。簡(jiǎn)圖如圖2所示。

聯(lián)網(wǎng)后2#6000的6000 m3/h氧活塞也可以工作，可以增加兩種分級(jí)供氧新模式。第一種模式：兩個(gè)高爐的富氧量約4萬m3，聯(lián)網(wǎng)后，把2#14000常壓氧氣送到大氧透壓縮，節(jié)約3400 kW的中壓氧透的電耗；第二種模式：若高爐順行，負(fù)荷有提高，需要1#23500和4#23500聯(lián)合送到低壓氧透壓縮，兩套空分如果僅送入46000 m3/h到高爐，剩余的6000 m3/h常壓氧可送6000 m3/h制氧機(jī)的氧活塞機(jī)壓縮到中壓送入管網(wǎng)。增加兩種新的分級(jí)供氧模式，既保證常壓氧氣不放散，又可以充分發(fā)揮分級(jí)供氧的節(jié)能潛力，在兩機(jī)兩爐生產(chǎn)模式下充分保證公司的用氣需求。

圖2 低壓氧透與其它制氧機(jī)常壓管道連接示意圖

8 分級(jí)供氧新模式調(diào)試過程

2#14000常壓氧氣量壓力20 kPA，管道超過500 m，阻力偏大。其常壓氧氣加入與退出低壓氧透，對(duì)低壓氧透的進(jìn)口壓力影響比較大，需仔細(xì)研究操作方案，防止低壓氧透停車。

2#14000、4#23000兩套機(jī)組常壓氧氣切換的主要方式及操作預(yù)定方案：

（1）兩套機(jī)組均正常運(yùn)行，2#14000中壓氧透與低壓氧透均運(yùn)行。停運(yùn)2#14000中壓氧透，將氣體送入低壓氧透。

①接到調(diào)度指令后，兩個(gè)崗位安排好人員做好倒氣準(zhǔn)備，并通過撥打電話進(jìn)行溝通。

②設(shè)定2#14000常壓氧放空量值到正常運(yùn)行值。確保中壓氧透停運(yùn)后，能夠保證正常出裝置量。

③按正常停壓氧透操作規(guī)程，停運(yùn)2#14000中壓氧透。

④確認(rèn)將HC04、氧聯(lián)3閥門全開，1#14000和2#6000出裝置閥門全關(guān)。

⑤適當(dāng)提高2#14000常壓氧出裝置壓力到24 kPA左右，為倒氣到4#23500做準(zhǔn)備。確認(rèn)出裝置閥門V102A全開，并全開并網(wǎng)閥氧聯(lián)5。氧氣送到4#23500氧透進(jìn)口閥。

⑥一邊將4#23500的出裝置閥V102關(guān)小到30%左右，一邊將低壓氧透回流閥關(guān)小至全關(guān)，根據(jù)送氣量適當(dāng)開大進(jìn)口導(dǎo)葉，并觀察低壓氧透進(jìn)口壓力不低于5 kPA。

⑦電話聯(lián)系，確認(rèn)2#14000氧氣量在正常范圍內(nèi)。根據(jù)4#23500出裝置量變化，適當(dāng)調(diào)整V102和進(jìn)口導(dǎo)葉。常壓氧氣倒換結(jié)束。

（2）低壓氧透壓縮2#14000、4#23000空分的常壓氧氣，倒換為2#14000中壓氧透和低壓氧透分別壓縮本套常壓氧氣。

①接到調(diào)度指令后，兩個(gè)崗位安排好人員做好倒氣準(zhǔn)備并電話及時(shí)溝通。

②緩慢關(guān)小4#23500低壓氧透導(dǎo)葉到10%，并將回流閥開大到50%開度，并將出裝置閥V102緩慢全開。

③2#14000設(shè)定好常壓放空量并關(guān)注其變化，并隨著4#23500氧透的操作，緩慢關(guān)小出裝置閥V102A，關(guān)并網(wǎng)閥氧聯(lián)5。

④通知配電給2#14000中壓氧透送電，并做好中壓氧透啟動(dòng)準(zhǔn)備工作，提前全開V102A。

⑤按照中壓氧透單機(jī)操作規(guī)程，啟動(dòng)中壓氧透。常壓氧氣倒換結(jié)束。

（3）氧氣切換要點(diǎn)：

①以上操作規(guī)程屬于關(guān)鍵點(diǎn)控制，具體工作細(xì)節(jié)則需要有熟練操作經(jīng)驗(yàn)的師傅進(jìn)行調(diào)整，確保設(shè)備倒換穩(wěn)定進(jìn)行。

②2#14000向4#23500倒氣時(shí)，務(wù)必確保氧聯(lián)5及HC04、氧聯(lián)3全開后再進(jìn)行4#23500低壓氧透閥門的操作。

③注意防止4#23500的氣反向倒入2#14000放空，造成低壓氧透吸入壓力聯(lián)鎖。

④調(diào)試前將液氧后備系統(tǒng)預(yù)冷，一旦調(diào)試過程出現(xiàn)故障，及時(shí)啟動(dòng)后備系統(tǒng)，確保氧氣供應(yīng)。

9 分級(jí)供氧新模式下經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）調(diào)試應(yīng)用分級(jí)供氧第一種新模式，運(yùn)行了5天5個(gè)小時(shí)。由于低壓氧供出量大于40000 m3/h，低壓氧透導(dǎo)葉開大，低壓氧透實(shí)際功率4500 kW大于其最小功率（4300 kW），功率增加了200 kW。停運(yùn)了14000中壓氧透，減少3400 kW電耗，電費(fèi)按0.58元計(jì)算，已產(chǎn)生效益23.2萬元。如果使用一個(gè)月，則可節(jié)省電費(fèi)133.6元。

（2）應(yīng)用分級(jí)供氧第二種新模式。氧活塞每小時(shí)送出量5000 m3/h。因每生產(chǎn)1 m3氧氣需耗電0.5 kW，每小時(shí)可減少浪費(fèi)1450元，每天可減少浪費(fèi)3.48萬元。同時(shí)開氧活塞還可以減少氧后備的啟動(dòng)次數(shù)，減少液氧消耗。

10 總結(jié)

高爐是煉鐵的最主要裝置，確保穩(wěn)定供氧是第一要?jiǎng)?wù)，在新機(jī)組和后備系統(tǒng)投產(chǎn)后，更加需要我們做好穩(wěn)定低壓氧的穩(wěn)定供氧工作，在高爐不同的工況頻繁變動(dòng)下，我們?cè)谡{(diào)整制氧機(jī)運(yùn)行工況時(shí)，既要穩(wěn)，也要注意不做無謂的浪費(fèi)。分級(jí)供氧新模式的成功實(shí)施，既保證了公司用氧需求，又減少了氧氣放散浪費(fèi)，減少了液氧消耗，降低了氧氣壓縮成本，一舉多得，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益巨大。