制氧系统电力消耗与经济运行

蔡树梅

（宝钢集团新疆八一钢铁有限公司能源中心，新疆乌鲁木齐830022）

制氧

制氧系统电力消耗与经济运行

蔡树梅

（宝钢集团新疆八一钢铁有限公司能源中心，新疆乌鲁木齐830022）

制氧机组低负荷运行及“过度”保供意识，提高了能源生产成本。尝试实现能源综合管控，产、用能单元密切配合，精细化管理和操作，降低了电力消耗，实现了经济运行。

压缩机；电力消耗；气体供应；经济运行

1 前言

制氧产品成本的70%是电力消耗费用。如何减少电力消耗，以最小消耗满足钢厂各用户氧、氮气的需求变化和不间断供应，是制氧节能降耗、经济运行目标。

能源供应单位的首要任务是保证安全稳定供应。所以制氧系统氧气生产理念一直是追求稳定及最大化安全保障。近年钢铁产能过剩，铁、钢产能不断压低，产量与生产组织动态调整。而氧气的过度保供与钢厂变化的生产组织不匹配，造成大量能源浪费。新疆八钢公司2014年上半年氧气累计放散率5.5%，2014年1～12月氧气放散率达7%，急需采取措施降低氧气及能耗。

2 空气压缩机组

2.1 空气压缩机电力消耗分析

空气压缩机是制氧系统中电力消耗最多的设备。根据离心式压缩机性能曲线（图1），随着流量的增加，消耗的功率总是增加的。但转速一定，为了避免喘振，离心压缩机流量控制底线是设计流量的75%。这时压缩机的功率与设计工况点的功率相差20%以内。如果偏离设计工况点运行，空压机的效率也是下降的。所以保证空压机在设计工况下运行，是空压机最经济运行状态。

图1 离心压缩机性能曲线

表1 两万制氧机空气压缩机实际运行参数

表1是两万制氧机空气压缩机实际运行参数。

钢厂氧、氮用量决定了制氧机组运行组合方式。产能与用能的不匹配对空压机组电力消耗影响最大。一方面是已固有的大中型制氧机规模，一方面是钢厂不断压低产能、变化灵活的生产组织，制氧机组组合方式很难与用能量匹配。2014年4季度，钢厂开始大幅度压产，用氧量从85000 m3/h减到不足50000 m3/h左右，又因氮气用量较大，无法停运制氧机组，即使所有制氧机保持最小负荷运行，产能仍超出用能30%左右。为了保证生产和氧气放散指标，牺牲氧气提取率将一台机组的氧气产量压缩到50%左右，大量氧气进入污氮气。制氧电单耗、氧气放散率大幅上升（见表2）。

表2 压产前后产量电耗等参数

其次空压机运行工况点是根据空分机组需求进行调整，空气压缩机电力消耗还与氧气纯度、氧的提取率、上塔的压力、空气过滤器阻力等有关联。如：空分机组最小负荷模式运行，空分保持较高氧气纯度，虽然氧气放散少了，但空压机的总耗电量没有减小。空分上塔的操作压力高、空气过滤器阻力增大等都会影响空气压缩机的经济运行。

2.2 空气压缩机组的经济运行

2.2.1 产能与用能匹配的机组组合方式

产能与用能供应系统的平衡与钢厂生产用能的计划性和日常生产组织关系密切。加强能源管理系统建设，提高能源管理与调度的水平，使产能与用能统筹管理，有效调配，是保证制氧机组最佳组合方式的关键。其步骤：

（1）预测月氧、氮用量上下线：钢厂各用能工序结合计划生产产量、生产组织模式和设备定修情况，预测氧、氮的用量。

（2）制氧厂制定机组组合方案：根据钢厂氧、氮用量上、下线范围，结合制氧机组的规模、液体计划月销售量，气体储存能力、液体贮存量等确定机组最佳运行组合方式及工况调整模式，其原则：

（a）产能以略低于平均用量的“微欠量”来考虑机组组合。“微欠量”以液体贮存能力、钢厂各工序的检修时间、液体销售计划量来综合考虑。

（b）多机组运行，确定机组的调整顺序、不同条件下的工况选择。尽可能只在一套机组做不同工况的调整，其他机组在设计工况下运行。

（c）钢厂计划性检修，启动液化装置液化多余的氮气和氧气，进入液体贮槽。

（3）对预测月氧、氮平均用量再次调整：能源管控单位对超出机组组合可调范围的氧、氮用量再次对钢厂用能单位进行微调整。笔者钢厂采用对减产的高炉实行富氧停供、对部分用户采用压缩空气置换氮气等方式，尽可能达到产能与用能匹配的最佳机组组合方式。

（4）实际用能的管控：生产调度与能源管控结合共同安排系统生产组织。将计划用能量作为实际用能和机组产能的基准，起双向约束作用。合理经济考核不但提高用能单位计划用能的水平，还会使用能单位提高经济用能的意识。只有将用能单位与产能单位生产信息量的及时准确交换，才能实现用能与产能的大致平衡，避免产、用能跷跷板模式。

2.2.2 机组精细化操作

空压机运行时，将空气过滤器阻力及空压机各级间冷却器效果纳入操作范围。制氧机组操作时，应尽可能降低上塔的工作压力；提高氧气提取率；降低空气量以保证产品产量而不追求较高纯度为准则。总之保持制氧机过于稳定操作，变工况调节只调节氧气产量，对空气压缩机的调整不到位，对降低空压机的电力消耗助益不大。

2.2.3 把握空分机组工况调整时段

利用电网工业用电峰、谷电价的不同，在不同时段对制氧机组进行调整。谷或平时，增加空压机的负荷，加大膨胀量，多生产液体。而峰值时，以最小负荷减少用电消耗为原则。

3 产品压缩机与供应方式

产品氧气压缩机和氮气压缩机是仅次于空压机电力消耗的机组。其气体供应方式也影响着压缩机的电力消耗。

3.1 电力消耗分析

（1）产品压缩机的运行状况

产品压缩机的电力消耗与压缩量和压力比关系最大。而国产的透平压缩机都没有防喘线，在压缩量调节上很谨慎也很模糊，进口导叶的调整范围一般保持较大的安全开度。同时因钢厂间断性的用能特点，为了保证调峰，气体球罐一般保证较高的储存压力。压缩机在较高的排压下运行，减少导叶开度就意味着增加喘振风险。所以管网压力高时采用高压旁通低压进口或机组高压放空等方式来保证设备的安全运行。降低运行负荷而电力消耗减少甚微。

压缩机机后较高的储存及管网压力对产品压缩机的电力消耗影响较大。大致计算：假设压缩机入口压力0.11 MPa，当排气压力2.0 MPa与1.5 MPa两种压力下的压缩单耗理论上相差11%左右（因1.5 MPa偏离设计工况，实际上相差比这小一些），即：

ln（2.0/0.11）/ln（1.5/0.11）=1.11

（2）产品气体的供应方式

钢厂高炉富氧与炼钢吹氧压力等级相差较大。高炉鼓风机后富氧压力～0.45 MPa，而炼钢氧气压力～1.2 MPa。氮气除炼铁高炉喷煤和炼钢转炉溅渣需要～1.2 MPa的氮气，其他工序密封气、吹扫气、保安气、仪表气等压力均在0.3～0.8 MPa范围。

产品气体供应系统采用不同的压力等级供应，其电力消耗差别较大。查阅资料及实际电力消耗比较，同规模的氮气压缩机，排气压力2.0 MPa和1.0 MPa，每立方气体压缩电耗相差至少0.04 kW·h。按此计算，供应2万m3/h氮气，每年电力消耗相差700万kW·h，按0.45元/kW·h，一年多增加电力消耗费用300多万元。

3.2 产品压缩机及供气方式的经济运行

（1）产品压缩机压送量与钢厂用量的匹配

根据钢厂用量组合产品压缩机的运行台数，适宜的匹配是最省电的配置。但实际中很难合适，除非产品压缩机规格很多，可根据需求任意组合运行模式。笔者单位一季度氧气用量～3.5万m3/h，运行两套2万的氧气透平压缩机，在高炉、转炉年修近15天的时间，氧气用量减到～2.5～2.9万m3/h，就启用了停运多年的活塞式压缩机，再通过低温液体泵在不同阶段进行调峰运行模式。停运一台透平压缩机，使先前两台都在最低负荷运行还需要高压放空的状态得到了改善，同时15天中节省氧气压缩电力消耗约40万kW·h，见表3。

表3 两种运行方式压氧电耗比较

（2）气体储存系统与压缩机排压的控制

产品压缩机降低背压是较为经济运行的方式。但低背压运行使压缩机后3.0 MPa的储存系统的调峰功能大大降低，运行中可能还会直接影响到钢厂的用能需要。但根据各单位气体储罐、液体贮槽的能力和钢厂峰谷用能范围，适当降低压缩机背压是可行的。

另一方面改善储存系统既可以保证储存系统的能力，又可做到产品压缩机低背压运行。一般的储存系统由中压贮罐、调压阀组构成。习惯上有储罐单管制、双管制布置。钢厂贮存系统多采用单管制，采用低背压运行后，将对此贮存能力产生影响。但将贮存系统改为双管制，在储罐单管制上加装一个调节旁路于贮罐吞吐阀的两端，将原吞吐作用的截止阀改变为常闭阀或更换成单向阀（见图2）。实现大中型产品压缩机长时间处于用户工作压力区域运行，可实现经济运行。

图2 贮存系统改双管制示意

（3）气体供应压力的改善

钢厂不同用能工序对氧、氮气压力需求虽相差较大，但多年的习惯性配置，氧气基本选择～3.0 MPa等级的压缩机及供气管网。氮气多选择～2.5 MPa等级和～1.0 MPa等级的压缩机及供气管网。笔者钢厂因过多考虑中压储存能力将氮气全部采用～2.0 MPa供应，60%外供氮气量属于高压低用。目前已提出管网优化方案，准备实施。

运行不同压力等级的产品压缩机分别供应用户，是减少电力消耗最直接的方式。

4其他用电设备的经济运行

4.1 分子筛电加热器

过高加热温度及过大的加热气量，及较长的加热时间均增加正常运行中的电力消耗。

（1）控制满足分子筛再生的最佳工作气量与加热温度

分子筛电加热器是稳定间断性用能设备。正常加热期间通往电加热器的污氮气量决定着电加热器的电力消耗。过高的温度和较大的加热气量对分子筛再生是过剩的。冷吹时峰值温度过高，就应该减少污氮气量，降低再生气量的加热温度。不同厂家的填料，对再生过程峰值的控制温度有差别，应与供应厂家联系，提供该填料再生数据进行控制，避免能源浪费。

（2）充分利用热量

分子筛再生加热阶段转入冷吹阶段前1～2 min提前断电，将电加热器中余热带出。笔者单位仪控人员在分子筛程序中加入此控制，已实现经济运行。2×2万制氧机分子筛纯化器根据实际运行数据，每组分子筛纯化器每次加热少用电量～35 kW·h，两套机组每月可节约电力消耗～1.2万kW·h。

日常保养维护中应关注电加热器及加热管道的保温，减少热量与外界换热的损失。

4.2 循环水系统

以汽轮机拖动空压机的制氧系统，因设备汽轮机凝汽器冷却水量大，其循环水泵及冷却塔风扇的耗电量消耗也较大。

循环水泵及冷却塔风扇开启的数量及组合方式是电力消耗的主要因素。循环水量大于设备冷却所需水量及循环水冷却温度控制过高，均会增加电力消耗。

各机组冷却水量不过剩，水泵出水能力与机组冷却水量平衡，尽量减少循环水泵的运行台数。笔者单位尝试在循环水泵电机增加变频调速，减小水泵的供水量，调节效果明显，运行电流比前期下降10%左右。循环水冷却塔水池水温制定温度控制范围，2014年一季度将水池水温由原20℃提高到28℃，减少冷却塔风扇的运行台数和运行时间，降低电力消耗。

5 结束语

在钢厂范围内将能源监控、能源计划管理、能源调度相结合，通过合理的管理导向使钢厂各工序精细化用能。用能与产供能单元充分交换生产信息，围绕用能计划量组织生产，是制氧系统降低电力消耗的关键。其次发挥空分装置变负荷能力、液化装置、气液体的大贮存能力，精心生产组织与操作，实现制氧系统的经济运行。

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

蔡树梅（1968-），女，大专学历，深冷工程师，现从事制氧技术管理工作。