氮氣能源梯級供給技術(shù)研究及運用

供稿|趙小喜，謝超，羅新生 / ZHAO Xiao-xi, XIE Chao, LUO Xin-sheng

內(nèi)容導(dǎo)讀

隨著冶金技術(shù)的發(fā)展，我國對氮氣能源的需求量與日俱增。目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家大多經(jīng)降壓站降壓氮氣，再供低壓用戶使用，不能從源頭上實現(xiàn)分壓供給。氮氣能源梯級供給技術(shù)能夠按照用戶需求采取階梯式能源供給方式，滿足各用戶的氮氣能源的需求。文章介紹了氮透機降壓技術(shù)改造、能源再平衡技術(shù)研究以及能源管網(wǎng)的重新設(shè)計與安裝等，實現(xiàn)四川德勝集團釩鈦有限公司動力能源廠對氮氣能源的集中分配與控制，極大節(jié)約了輸送成本。

氮氣能源梯級供給技術(shù)是指在氮氣能源供需過程，按照用戶需求采取階梯式能源供給方式，達(dá)到滿足各用戶的氮氣能源的需求，同時降低氮氣能源供給成本的一項專門技術(shù)。主要包括：

(1) 氮氣壓縮機的降壓技術(shù)。通過將氮氣壓縮機由五級壓縮改為四級壓縮，使氮透的出口壓力從1.9 MPa降至1.2 MPa，達(dá)到針對中、低壓用戶分別供給不同壓力氮氣的目的。主要工藝包括拆除第五級壓縮級轉(zhuǎn)子、前后軸承、氣-油封組件、擴壓器；重新安裝壓縮機的四級級間管道的止回閥、安全閥、膨脹節(jié)；增加前后軸承密封組件；增加五級密封盲板(現(xiàn)場制作)；更改排氣管道到系統(tǒng)連接管道以及修改機組CMC控制程序。

(2) 中、低壓能源平衡技術(shù)。在改造后的低壓管道和中壓管道間增加一個如圖1所示的調(diào)節(jié)閥組，當(dāng)?shù)蛪耗茉垂┙o出現(xiàn)壓力不足或狀態(tài)不穩(wěn)定時，通過調(diào)節(jié)閥組引入中壓能源進行補充，以穩(wěn)定低壓氮氣的供給，使得整個能源管網(wǎng)處于相對平衡狀態(tài)。

(3) 能源梯級工藝技術(shù)。即經(jīng)過降壓改造后的管道組網(wǎng)工藝、流量設(shè)計、能源損失、壓力降計算等。改造后的四級氮透壓縮機將氮氣持續(xù)輸送到低壓管道，在3200機組降壓站通過調(diào)節(jié)閥組與中壓輸送管道相關(guān)聯(lián)，這樣中壓氮氣可降壓旁通至低壓氮氣管，及時補充低壓供氣，中、低壓氮氣則分別通過新增管道輸送至用戶。

另外為了緩沖供氣，還需改造球罐，使球罐專供低壓氮氣，起到平衡作用。四級氮透壓縮機出口新增一根管徑φ327 mm低壓氮氣管道至3號高爐降壓站，同時低壓氮氣總管至各低壓用戶的支管接入現(xiàn)降壓后的總管處，這樣也可由現(xiàn)有的中壓管道進行供氣。最后為低壓氮氣管道總管及各分支安裝流量計、壓力變送器等儀表，同步完善中壓氮氣管計量，所有流量數(shù)據(jù)均接入最近主控室后臺，為生產(chǎn)提供氮氣管控的有力依據(jù)。

圖1 中、低壓能源平衡示意簡圖

概 述

目的及意義

近年來，我國不斷在節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進展，隨著煉鐵物料消耗成本所占的煉鐵制造成本迅速地增長，2014年以來，四川德勝集團釩鈦有限公司積極響應(yīng)號召，在保證公司利益的同時，完成了一系列節(jié)能技術(shù)改造和實驗，為公司帶來了革命性的經(jīng)濟增益。

據(jù)統(tǒng)計，動力能源廠兩個制氧機組各有一臺氮氣透平壓縮機，為保證全公司氮氣壓力在1.5～1.8 MPa之間，其出口壓力分別設(shè)定為1.9、1.95 MPa。全公司主要是煉鋼需1.2～1.6 MPa的中壓氮氣，由于現(xiàn)沒有低壓氮氣，其他絕大多數(shù)低壓氮氣用戶都是將主管網(wǎng)的中壓氮氣經(jīng)過一次降壓甚至二次降壓后才使用，這樣造成能源的極大浪費。在生產(chǎn)過程中，由于煉鋼間斷、集中使用氮氣，特別是兩座轉(zhuǎn)爐同時濺渣護爐時，氮氣用量瞬間驟增，使管網(wǎng)壓力驟降0.5～0.6 MPa，導(dǎo)致管網(wǎng)壓力波動幅度很大，制約了其他單位氮氣正常使用，偶而還鬧氮荒。由于流量計的不準(zhǔn)確、不完善，在氮氣不能滿足需要時，不能準(zhǔn)確查找到原因。

如果將氮透出口壓力從現(xiàn)在的中壓1.9 MPa降至低壓1.2 MPa，在產(chǎn)量不變的情況下每小時可節(jié)約電能443 kW。為了杜絕如此大規(guī)模的電能浪費，針對不同用戶實施的中、低壓分壓供給改造工程，可以達(dá)到既滿足用戶的用氮需求，又降低氮氣輸送成本的目的，并可同步解決現(xiàn)有氮氣管網(wǎng)流量計不準(zhǔn)和閥門關(guān)不嚴(yán)等問題。

這項技術(shù)不僅僅能改善公司的生產(chǎn)經(jīng)營狀況，也將會對公司節(jié)能減排領(lǐng)域乃至整個行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

國內(nèi)現(xiàn)狀

從2010年2月1日起，鞍鋼股份有限公司氧氣分廠采用了降低管網(wǎng)氧、氮氣壓力的輸送方式，為了緩解氮氣供需不平衡造成的管網(wǎng)壓力波動，首先在4#35000 m3/h空分設(shè)備上進行降壓試驗。經(jīng)過一段時間的摸索，取得了一定經(jīng)驗，2月25日應(yīng)用于5#35000 m3/h空分和壓縮設(shè)備，從3月11日起將降壓操作經(jīng)驗推廣到6#、7#35000 m3/h空分及壓縮設(shè)備，氧氣管網(wǎng)壓力降低到2.4 MPa，2#35000 m3/h空分設(shè)備氧壓機的排氣壓力也隨之降低到2.4 MPa以下。在滿足生產(chǎn)需要的同時，取得了可觀的經(jīng)濟效益。

2016年，新鋼公司將兩臺C150MX5N2型氮壓機進行降壓節(jié)能改造，將氮氣分為中壓氮氣和低壓氮氣輸送，經(jīng)理論計算，低壓用氮的輸送壓力由2.1 MPa變?yōu)?.1 MPa，可節(jié)約壓縮電耗將近22%。根據(jù)統(tǒng)計，在實際生產(chǎn)過程中，每立方米的氮氣壓縮電耗降低0.030 kW·h，預(yù)計可節(jié)約電量1.192×107kW·h，經(jīng)濟效益非?？捎^。

國外狀況

隨著生產(chǎn)規(guī)模的大型化和生產(chǎn)過程的現(xiàn)代化，國際冶金行業(yè)壓縮空氣的消耗量愈來愈大。

動力用離心式空氣壓縮機流量的變遷動力用空氣壓縮機大都采用往復(fù)式或螺桿式壓縮機。當(dāng)流量超過50 m3/min時，用往復(fù)式則顯得笨重，維護比較困難，占地面積也大；若采用離心式壓縮機，效率較低、噪音較大、流量調(diào)節(jié)比較麻煩，因此，一直到20世紀(jì)50年代，離心式空氣壓縮機的發(fā)展還很緩慢。在1947年前后，德馬克公司制成了二軸四級、齒輪傳動的離心式空氣壓縮機，克服了一般單軸多級離心式壓縮機的一些缺點，等溫效率較高、噪音也較低、結(jié)構(gòu)也較緊湊，因此逐漸得到采用。

為了滿足離心式壓縮機節(jié)能和分壓供給，國外廠商紛紛開始對壓縮機進行技術(shù)改造，包括研發(fā)新型高效能葉輪、改善進氣流場、增強密封技術(shù)等，其中比較典型的就包括美國氮透廠家英格索蘭在2016年提出的減少氮透機的壓縮級以降壓的理論，隨后，歐洲某壓縮機制造公司進行了類似的工藝設(shè)計和可靠性實踐，從結(jié)果來看，都極大地減少了生產(chǎn)成本，降低了能量損失，提高了生產(chǎn)的綜合效率。

供給技術(shù)研究內(nèi)容

氮透壓縮機的降壓改造

在實施氮壓機改造前先對各高爐密封氮氣管路系統(tǒng)進行改造?？紤]到高爐系統(tǒng)的安全性，保留原高爐系統(tǒng)的調(diào)壓裝置，將低壓氮氣管路與原中壓氮氣調(diào)壓系統(tǒng)出口碰頭，當(dāng)?shù)蛪合到y(tǒng)出現(xiàn)壓力偏低時，原中壓氮氣調(diào)壓系統(tǒng)自動減壓以確保高爐密封氮氣的可靠供應(yīng)。

將對1萬制氧機組氮透壓縮機進行節(jié)能改造，改造時間約3 d，機組重新做喘振實驗，試運行機組各項參數(shù)穩(wěn)定后投入運行，此階段低壓氮氣的供應(yīng)由中壓與低壓同時進行供應(yīng)，中壓減低壓的壓力設(shè)定比低壓氮壓機的設(shè)定壓力低0.1 MPa，中壓減低壓的壓力設(shè)定為0.8 MPa。氮透壓縮機改造穩(wěn)定運行10 d后，與之前的中壓機組并網(wǎng)穩(wěn)定運行。

中、低壓旁路壓力控制邏輯設(shè)計

在3200機組降壓站增加聯(lián)通調(diào)節(jié)閥組將中壓和低壓氮氣主管相連，由于改造后采取了中低壓氮氣分別供給技術(shù)，難免會出現(xiàn)高壓系統(tǒng)壓力不穩(wěn)、低壓系統(tǒng)壓力不足的情況。當(dāng)?shù)蛪合到y(tǒng)壓力難以滿足用戶的壓力需求時，調(diào)節(jié)閥門，這樣中壓氮氣可降壓旁通至低壓氮氣管，及時補充低壓供氣。

能源管網(wǎng)梯級布控

主要涉及管網(wǎng)的重新組建，主管網(wǎng)的相互連接，調(diào)節(jié)閥組的安裝，流量計等監(jiān)控儀器的安裝與校準(zhǔn)等。根據(jù)廠區(qū)氮氣的使用情況，決定進行如下改造：擬從1萬制氧機組氮透機組出口新增一根管徑φ327 mm的低壓氮氣管道到3號高爐降壓站，同時低壓氮氣總管至各低壓用戶的支管接入現(xiàn)降壓后的總管處，在中、低壓管道間增加調(diào)節(jié)閥，原兩根氮氣管道任輸送中壓氮氣。為了供氣緩沖，將1萬制氧一臺1000 m3氮氣氣球罐改為轉(zhuǎn)供低壓氮氣，平衡低壓氮氣。6000制氧氮氣壓縮機，通過出口管道連接方式的改變，可實現(xiàn)既能輸出中壓氮氣，也能輸出低壓氮氣。低壓氮氣管道總管及各分支安裝流量計、壓力變送器等儀表，同步完善中壓氮氣管計量，所有流量數(shù)據(jù)均接入最近主控室后臺，為生產(chǎn)提供氮氣管控。

圖2 改造后的管網(wǎng)示意圖

氮透壓縮機的降壓技術(shù)改造重點

(1) 增加的前后軸承密封件的安裝為不等徑分布，需要現(xiàn)場測繪定位擴孔。另外需對軸承密封件增加一道O型密封溝槽，通過O型密封圈對五級的油路系統(tǒng)密封。

(2) 拆除機組的第五級壓縮轉(zhuǎn)子后因機組的負(fù)荷改變，需要重新做喘振實驗，測出機組的最小運行電流，以在實際運行中保證壓縮機在安全區(qū)域內(nèi)運行。喘振點實際數(shù)據(jù)見表1，喘振保護線及控制線數(shù)據(jù)見表2。

(3) 拆除機組第五級壓縮級轉(zhuǎn)子后機組的壓縮能力增大，根據(jù)實際運行經(jīng)驗，壓縮機的壓縮量可以到26000 m3/h左右，在冷卻水量和溫度不變的情況下需要控制壓縮機的運行電流，否則壓縮機的一二三四級冷卻器的熱負(fù)荷太大容易結(jié)垢，會縮短壓縮機的運行周期。

(4) 喘振實驗一定要精確，否則極易造成壓縮機組的保護系統(tǒng)失靈。

從表1和表2中可以看出，通過對機組進行喘振實驗，得到了在生產(chǎn)過程中的操作依據(jù)。機組已運行時，由于系統(tǒng)原因，有時整個空分裝置需低負(fù)荷(70%左右)運行，又因為空分裝置自身的特點，需要減少空氣量的同時要求空氣壓力仍為正常負(fù)荷時的壓力，這給操作增加了難度。但有了喘振控制線，既可在變負(fù)荷和運行時看到工作點距離喘振控制線的遠(yuǎn)近以保護機組，又可避免因沒有依據(jù)而無謂地加大放空量以防止喘振的發(fā)生，可達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

表1 喘振點實際數(shù)據(jù)表

表2 喘振保護線及控制線數(shù)據(jù)表

實施方法

(1) 透平離心式壓縮機由進氣管、葉輪、擴壓器、蝸室等組成。壓縮機工作時，葉輪高速旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)離心力的作用及工作輪中的擴壓流動，使氮氣的壓力得到提高，速度也得到提高，隨后在擴壓器中把速度能轉(zhuǎn)化為壓力能，再進入下一壓縮級進一步壓縮，直到五級壓縮全部完成，通過這個過程把最終出口氮氣提高到所需壓力，這就是氮透壓縮機的工作原理。在實施改造方案時，提前進行氮壓機降壓壓縮功率節(jié)約比率的計算，并對減壓后的效果進行評估，在理論計算支持下，對壓縮機第五級轉(zhuǎn)子進行拆除，并綜合考慮改后機組的負(fù)荷和工況變化。在理想狀況下，假定氮氣的進氣壓力為0.112 MPa，當(dāng)?shù)獕簷C的排氣壓力為1.1 MPa時的壓縮功與與氮壓機的排氣壓力為2.1 MPa時的壓縮功的比值為0.7794。

故氮壓機的排氣壓力為1.1 MPa時的壓縮功比氮壓機的排氣壓力為2.1 MPa時的壓縮功節(jié)能約22%。

(2) 設(shè)計改造后的管道設(shè)計，理想的管路設(shè)計是否正確、良好，可以用壓損的高低作為衡量的標(biāo)準(zhǔn)，從空壓機的排氣壓力到管路末端的壓損以不超過5%或0.35 kg/cm2為原則(兩者中取低者為標(biāo)準(zhǔn))影響壓損高低的系統(tǒng)組件包括冷卻器、干燥機、過濾器、控制閥、彎頭、管徑及管長等。冷卻器、干燥機、過濾器、控制閥等組件均可從供貨商處獲得較正確的壓損標(biāo)準(zhǔn)。每個彎頭的壓損相當(dāng)于8～10倍等徑管長的壓損，因此應(yīng)將彎頭的使用量盡可能的減少。管徑的大小對壓損影響很大，壓損一定要精確計算。

能源梯級供給技術(shù)特性

能源梯級供給技術(shù)使用的3種工藝技術(shù)在理論和實際生產(chǎn)中具有如下特性：

(1) 利用氮氣低壓低用的特點對氮壓機進行改造，在低壓用戶群中可減少大量的能源輸送電耗，同時不影響中壓用戶的生產(chǎn)。采取的技術(shù)創(chuàng)新點在于，可以在不引進新低壓氮透機的情況下，通過技術(shù)改造舊的機組、減少壓縮等級、降低氮透出口壓力，從而省去末端低壓用戶再降壓的工序，以提高壓縮效率，在時間和能耗上達(dá)到“雙高效”。

(2) 中、低壓能源平衡技術(shù)采用旁路壓力邏輯控制，多個閥門組和壓力儀表由系統(tǒng)邏輯電路控制，能夠相互配合，實現(xiàn)壓力的自動監(jiān)測、中壓的穩(wěn)定釋放、以及低壓的可持續(xù)補充等智能化調(diào)節(jié)方式。

(3) 管網(wǎng)的布控通過經(jīng)濟效益最大化的設(shè)計，充分將氮氣的壓降損失減到最小，以1#高爐為例，改造前的高爐用氮需經(jīng)過1、2#高爐降壓站，將中壓氮氣經(jīng)降壓輸送至生產(chǎn)線。據(jù)估算，1#高爐原輸送過程壓降損失達(dá)到約4.7%，而改造后1#高爐直接與低壓氮氣管道相連，在管徑、流速、溫度以及輸送量相同的情況下，新管網(wǎng)技術(shù)可降低壓降損失至2.9%，同產(chǎn)量的高爐生產(chǎn)可減少1.8%能耗，按照年效益計算，僅僅是能源輸送方面節(jié)約的能耗就有近10萬元。在用電量基數(shù)如此龐大的釩鈦企業(yè)，管網(wǎng)改造勢在必行。

總之，這3項技術(shù)一定程度上彌補了我廠與國內(nèi)其他廠商相比存在的劣勢，能源梯級管理技術(shù)存在著廣闊的理論前景和發(fā)展空間，這不僅在生產(chǎn)工藝上是一次創(chuàng)新，在節(jié)能減排的大背景下，也是一次有效的改革。

結(jié)束語

(1) 通過一系列的理論驗證，本次設(shè)計的分壓改造方式完全滿足公司對氮氣使用的要求，對此次方案實際發(fā)揮的作用進行了驗證。

(2) 通過本次設(shè)計改造，公司在節(jié)能領(lǐng)域向前邁進一大步，并掌握了今后在該領(lǐng)域的重點方向與技術(shù)。

(3) 實施的改造方案對氮透機組、能源管網(wǎng)以及能源調(diào)節(jié)中心的操作準(zhǔn)則進行標(biāo)準(zhǔn)化管理程序修訂，確保后續(xù)相關(guān)作業(yè)規(guī)范管理。