首鋼遷鋼公司氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

馬令軍

(首鋼股份公司 遷安鋼鐵公司，河北 遷安 064402)

1 首鋼遷鋼公司制氧空分生產(chǎn)概況

首鋼遷鋼公司(以下簡稱遷鋼)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，并采用無氫制氬工藝的雙泵內(nèi)壓縮流程，DCS計算機集中控制快速變負荷的空分裝置?？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)時實際運行3套35 000 m3/h空分設(shè)備，其余2套空分處于備機狀態(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個緩沖球罐，其中，有3個1000 m3球罐，4個650 m3球罐，緩沖能力為5600 m3，緩沖系統(tǒng)最高存儲氧氣壓力為3.0 MPa，通過氧氣減壓站，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、板坯精整(單獨供高壓氧氣)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槽，液氧儲存能力分別為1000 m3、2000 m3，當氧氣管網(wǎng)壓力低于報警壓力時，可啟動后備系統(tǒng)設(shè)備來補充管網(wǎng)壓力，維持公司正常生產(chǎn)用氧，后備系統(tǒng)有兩臺液氧泵，送出流量分別為22 500 m3/h和35 000 m3/h。

2 遷鋼空分氧氣生產(chǎn)及管網(wǎng)運行過程中存在的問題

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)運行成本，實現(xiàn)空分氧氣生產(chǎn)與用量的平衡作為重要管控經(jīng)濟技術(shù)指標，但實際生產(chǎn)中，氧氣用量時常大幅變動，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)壓力變化做被動調(diào)節(jié)，時常是當氧氣管網(wǎng)壓力高放散時空分氧氣產(chǎn)量減量，氧氣管網(wǎng)壓力低啟后備液氧泵時再增加空分氧氣產(chǎn)量。

空分氧氣生產(chǎn)與用量難以相適應(yīng)，制約了空分運行經(jīng)濟效益，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行效益的主要矛盾?？辗稚a(chǎn)的主要特點是具有連續(xù)穩(wěn)定性，為保證精餾工況，空分運行負荷必須穩(wěn)定在75%～105%，在此區(qū)間范圍內(nèi)可根據(jù)生產(chǎn)實際用氧情況進行產(chǎn)量調(diào)節(jié)，而煉鋼轉(zhuǎn)爐因受多項生產(chǎn)因素制約，煉鋼生產(chǎn)用氧具有間斷性和不穩(wěn)定性，時而生產(chǎn)節(jié)奏快，煉鋼爐數(shù)多；時而生產(chǎn)節(jié)奏慢，煉鋼爐數(shù)少，空分產(chǎn)量若跟不上煉鋼節(jié)奏及時調(diào)節(jié)，就會造成氧氣管網(wǎng)壓力忽高忽低，壓力低時就要啟動后備系統(tǒng)消耗液氧填峰補缺，壓力高時就會造成氧氣大量放散，增加生產(chǎn)能耗損失，不利于空分經(jīng)濟效益的提高。

2. 煉鋼轉(zhuǎn)爐用氧難以準確預(yù)測是影響空分運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。長期以來，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，就會導(dǎo)致氧氣管網(wǎng)壓力急劇下降，管網(wǎng)壓力低于1.40 MPa時會發(fā)生氧槍回火嚴重事故，所以為保證管網(wǎng)壓力就要及時啟動后備系統(tǒng)，消耗液氧來保證緩沖管網(wǎng)壓力不低于1.50 MPa；當轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)節(jié)奏慢，用氧量減少時，空分氧氣調(diào)節(jié)減量不及時，會導(dǎo)致氧氣緩沖管網(wǎng)壓力升高，達到2.60 MPa時，為保證管網(wǎng)安全不超壓運行，就要將多余氧氣放散掉，造成能源浪費。因此，要實現(xiàn)氧氣管網(wǎng)壓力優(yōu)化運行及提高空分運行效益，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，確?？辗指鶕?jù)趨勢情況及時調(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)測是影響空分設(shè)備經(jīng)濟運行的重要原因。氧氣緩沖管網(wǎng)用以存儲空分氧氣，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，當氧氣緩沖管網(wǎng)運行壓力控制在1.80～2.30 MPa區(qū)間時對空分設(shè)備運行來說最為經(jīng)濟，然而因煉鋼用氧量波動大，且難以預(yù)測，造成空分氧氣產(chǎn)量難以及時調(diào)節(jié)跟上其節(jié)奏變化，導(dǎo)致氧氣緩沖管網(wǎng)壓力波動較大，很難控制在經(jīng)濟運行區(qū)間。

綜合上述因素，煉鋼轉(zhuǎn)爐用氧不穩(wěn)定及難以預(yù)測是影響遷鋼制氧生產(chǎn)單元空分設(shè)備經(jīng)濟運行的重要環(huán)節(jié)，要提高空分運行經(jīng)濟效益，就要解決煉鋼用氧難以預(yù)測的難題，做到空分氧氣生產(chǎn)與用量相匹配，實現(xiàn)氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行，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。

3 遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)

為實現(xiàn)氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行，就要全面掌握空分氧氣實時產(chǎn)量及各個用戶實時用氧情況，通過建立數(shù)據(jù)處理模型，以預(yù)測出氧氣緩沖系統(tǒng)壓力變動趨勢，根據(jù)趨勢數(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)濟運行區(qū)間，避免氧氣管網(wǎng)壓力出現(xiàn)過低或過高的不利情況，從而提高空分生產(chǎn)經(jīng)濟效益。

遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)的開發(fā)實現(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)庫和MES數(shù)據(jù)庫。其中，INSQL數(shù)據(jù)服務(wù)器涵蓋了煉鋼、煉鐵、冷軋、動力、電力、制氧等各個作業(yè)部的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，對查詢生產(chǎn)數(shù)據(jù)，及時了解生產(chǎn)狀況及動態(tài)情況有著重要作用。從上述INSQL服務(wù)器中，通過使用趨勢軟件或編程實時查詢遷鋼公司INSQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以得到關(guān)于空分氧氣生產(chǎn)及用戶用氧實時數(shù)據(jù)。MES制造執(zhí)行系統(tǒng)能通過信息傳遞對從訂單下達到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理，涵蓋了鐵鋼軋詳細生產(chǎn)作業(yè)計劃。為確保實現(xiàn)鋼材生產(chǎn)的過程控制，在鐵鋼軋一體化生產(chǎn)模式下，煉鋼系統(tǒng)必須按生產(chǎn)過程、冶煉品種提前編制完成轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)計劃，并編制詳細的作業(yè)計劃數(shù)據(jù)表，并將轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)作業(yè)計劃數(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)部門及時了解信息，做好各項生產(chǎn)準備工作。圖1為遷鋼氧氣生產(chǎn)及用量數(shù)據(jù)自動化示意圖。

圖1 遷鋼氧氣生產(chǎn)及用量數(shù)據(jù)自動化示意圖

通過查詢INSQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，首先可全面掌握空分氧氣生產(chǎn)情況，及空分氧氣實時產(chǎn)量數(shù)據(jù)、氧氣緩沖系統(tǒng)壓力及減壓后氧氣管網(wǎng)壓力實時數(shù)據(jù)；其次，可全面掌握氧氣用量持續(xù)穩(wěn)定的各氧氣用戶實時數(shù)據(jù)。

實現(xiàn)遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)，重點工作就是要實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐氧氣用量的可預(yù)測性，及通過掌握煉鋼轉(zhuǎn)爐實時生產(chǎn)作業(yè)計劃，從而可以預(yù)測出轉(zhuǎn)爐用氧情況。遷鋼公司MES信息系統(tǒng)為實現(xiàn)氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)提供了強有力的技術(shù)支持，通過查詢系統(tǒng)中的煉鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)表，能全面掌握煉鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)作業(yè)計劃。

按照實際生產(chǎn)統(tǒng)計，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計算，轉(zhuǎn)爐冶煉時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)計劃表，對該時段全部轉(zhuǎn)爐用氧情況按每分鐘進行分解，就掌握了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)每小時的用氧情況，為氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)的實現(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，通過數(shù)據(jù)建模，開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序和圖形界面，對上述數(shù)據(jù)進行處理，就可預(yù)測并顯示出一定時間內(nèi)氧氣緩沖管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力變動趨勢。

表1 按轉(zhuǎn)爐作業(yè)計劃分解轉(zhuǎn)爐用氧數(shù)據(jù)表

圖2 氧壓預(yù)測控制流程圖

實現(xiàn)氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)，最重要的目的是根據(jù)預(yù)測出的氧氣緩沖管網(wǎng)壓力變動趨勢，指導(dǎo)空分生產(chǎn)，當預(yù)測出近一段時間內(nèi)氧氣用量較少，氧氣緩沖系統(tǒng)壓力持續(xù)上升并達到氧氣放散壓力時，就可根據(jù)空分生產(chǎn)情況調(diào)節(jié)空分氧氣產(chǎn)量，在空分未達到最低運行負荷的情況下，按照一定控制策略減少氧氣產(chǎn)量，對空分減量后的氧氣緩沖系統(tǒng)壓力變動趨勢重新進行測算，直至空分產(chǎn)量減少到最低運行負荷，或氧氣緩沖管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在1.80～2.30 MPa；反之，當系統(tǒng)預(yù)測出近一段時間內(nèi)氧氣用量增加，氧氣緩沖系統(tǒng)壓力有持續(xù)下降趨勢時，應(yīng)按照一定控制策略增加空分氧氣產(chǎn)量，對空分增量后的氧氣緩沖系統(tǒng)壓力變動趨勢重新進行測算，直至空分產(chǎn)量增加到最高運行負荷。

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，降低空分運行能耗，確保空分運行經(jīng)濟效益。

遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(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)計劃示圖，界面中部圖形顯示的是依據(jù)煉鋼作業(yè)計劃、空分氧氣生產(chǎn)及用氧情況計算出的緩沖管網(wǎng)壓力變動趨勢線(以綠色實線標識)，以及按照一定控制策略優(yōu)化空分產(chǎn)量后計算出的氧氣緩沖管網(wǎng)壓力線(以藍色虛線標識)，界面下部顯示的是各用戶氧氣用量等實時數(shù)據(jù)及空分氧氣產(chǎn)量測算數(shù)據(jù)等。

圖3 遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)圖形開發(fā)界面

4 遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)應(yīng)用

表2 2012年與2013年主要經(jīng)濟技術(shù)指標對比

遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)自2013年初開發(fā)完成投入使用，通過實際運行，該系統(tǒng)取得了很好的經(jīng)濟效益，但受實際生產(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)計劃排定后，系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)爐作業(yè)時間可以預(yù)測出相應(yīng)時間內(nèi)的管網(wǎng)壓力變動趨勢，但實際上受煉鋼生產(chǎn)各項因素影響，轉(zhuǎn)爐作業(yè)時間經(jīng)常發(fā)生變化，系統(tǒng)不可能準確預(yù)測出所有時間內(nèi)的管網(wǎng)壓力變動趨勢，實際運行表明，煉鋼系統(tǒng)制訂的煉鋼轉(zhuǎn)爐作業(yè)計劃4 h內(nèi)的準確執(zhí)行率為85%，煉鋼轉(zhuǎn)爐作業(yè)計劃2 h內(nèi)的準確執(zhí)行率為95%，這樣，遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)依據(jù)轉(zhuǎn)爐作業(yè)計劃可準確預(yù)測出2～4 h內(nèi)的管網(wǎng)壓力趨勢，依據(jù)此預(yù)測數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對空分產(chǎn)量的調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化空分機組運行。

通過對該系統(tǒng)運行一年來的各項經(jīng)濟技術(shù)指標數(shù)據(jù)對比，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%；實施氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)后，通過氧壓預(yù)測對空分產(chǎn)量進行及時調(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)。

5 結(jié) 論

遷鋼氧氣管網(wǎng)優(yōu)化運行系統(tǒng)的應(yīng)用，雖然受煉鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中的各項因素影響，只能準確預(yù)測2～4 h內(nèi)的氧氣緩沖管網(wǎng)壓力趨勢變動，但依據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)和控制策略對空分氧氣產(chǎn)量做及時調(diào)節(jié)，仍較好的降低了空分運行能耗，顯著降低了氧氣放散率和后備系統(tǒng)液氧消耗，提高了空分運行效益，在實踐應(yīng)用中取得了較好的經(jīng)濟效益。