分级供氧项目在钢铁企业的实施与优化

曹景华，管继辉

（安阳钢铁股份有限公司制氧厂，河南安阳 455004）

1 分级供氧项目背景

安钢制氧厂成立于1996年，有7套制氧机，其中23500制氧机3套，14000制氧机2套，6000制氧机2套，产品氧气均加压到2.5 MPa后送入球罐区。随着3#高炉的投产和稳定运行，高炉对低压氧气的使用量急剧增加，已经占公司氧气总供应量的45%左右，扩大氧气生产量迫在眉睫。高炉炼铁，氧气使用压力不足1.0 MPa，其所需的低压氧气，均通过球罐区的中压氧气节流而获得，能耗损失较大。简而言之，氧压机压缩到2.5 MPa，通过节流降到1.0 MPa后供用户使用，氧压机做了无功压缩。

图1 低压氧透供应用户流程示意图

鉴于此，制氧厂拆掉了1#6000制氧机，在原址新上4#23500制氧机，出装置氧气量25000 m3/h。专门配备一台52000 m3/h等级低压氧气透平压缩机，4#23500制氧机出装置的氧气与1#23500出装置后合并后送入52000 m3/h低压氧气透平压缩机，直接压缩至下游高炉炼铁所需的压力，从而大大地节省了能耗，提高装置的运行效率，并且可减小从中压氧气节流到低压氧气操作的安全风险。而1#23500的中压2.5 MPa氧压机作为备用机组。

2 低压氧透系统工艺流程

来自1#23500 m3/h、4#23500 m3/h空分塔的常压氧气经低压氧气透平压缩机压缩后并入低压管网供高炉炼钢使用。进低压氧气透平压缩机的管路布置时充分考虑阻力因素，减少偏流，便于两套空分机组的工况调整。

低压氧透为单轴型单缸离心式压缩机组，双层布置结构，采用进口导叶调节装置进行流量调节，压缩机主机和电机共用一个供油系统，供油系统为撬装式结构。氧透机组具有完备的防火保安措施以及完善的检测控制手段。

低压氧透基本运行参数如下：

（1）氧透设计数据：

介质：氧气；

型号：3TYS140；

流量：52000 m3/h；

转速：9020 r/min；

进气压力：3 kPa；

排气压力：1.0 MPa；

进口温度：25℃；

排气温度：≤42℃；

轴 功 率：～5830±4%kW；

冷却水温度：32℃；

出厂日期：2015年10月；

制造单位：杭州杭氧透平机械有限公司。

（2）氧透电机设计数据：

型号：AEXW710－2；

转向：从输出轴端看，为逆时针方向；

相数：3；

频率：50 Hz；

额定功率：6500 kW；

额定电压：1000 V；

电流：419 A；

转速：2991 r/min；

绝缘等级：F级；

重量：17590 kg；

电机总重：25800 kg；

制造单位：江西东元电机有限公司。

3 外部管网流程改造

（1）4#23500低压氧透出口到球罐区

低压氧气管道从低压氧透机组出口增设氧气管道DN400，沿现有管廊敷设至球罐区，原有管道支架需进行加固，整个管道采用自然补偿。

（2）球罐区

低压氧气管道（DN400）在球罐区分为两路：一路（DN250）在1#、2#高炉调压间后与现有中压氧气管道对接，利用原来的中压氧气管网供两座高炉用气。球罐区1#、2#高炉调压阀组设定一定压力，当低压氧气管网压力低于设定值时，调节阀自动打开，中压氧气节流进入低压氧管网。另一路（DN350）去3#高炉的管道在3#高炉富氧调节阀组前并网。

拆除原有球罐区中压氧至1#、2#高炉的调节阀。为保证球罐区中压氧气节流补充低压氧气管网的可靠性，新建两套调压阀组，运行时，两套调压阀组共同作用。节流前压力2.5 MPa、节流后压力0.8 MPa、最大流通量45000 m3/h。

（3）去3#高炉新增管道

原有球罐去3#高炉的中压管道（DN250）不能满足低压氧气输送要求，需新增氧气管道（DN350），沿现有备用DN1600冷风管道敷设，至3#高炉富氧调压阀组前并网。

（4）去 1#、2#高炉管道

现有1#、2#高炉的富氧总管DN250可以满足低压氧气流通的需要，继续保留使用。但是去1#高炉的现有DN150的富氧管道无法满足低压氧气的流通需求，更换成DN200的管道。

4 低压氧透的运行优化

2016年3月18日，52000 m3/h氧透调试结束，正式启动并压缩氧气并入管网，标志着4#23500制氧机正式开始投产试运行，分级供氧项目正式实施，技术人员根据氧透生产情况进行调整，对氧透工艺操作和应对突发事故方面进行了优化，确保氧透的稳定、节能、高效运行。

（1）1#23500 m3/h和4#23500 m3/h的两套空分产生的常压氧气共同进入52000 m3/h氧透机前，供氧透压缩，鉴于两套空分出装置的压力不同，其中1#23500出装置氧压 12 kPa，4#23500出装置 18 kPa。将 1#23500的出装置阀 V102保持全开，4#23500出装置压力较高，V102根据不同空分负荷，保持在43%～34%之间变化。两套空分常压氧通过并网阀HC4001相连。

（2）2016年5月 2日，4#23500空压机意外停车，造成52000 m3/h氧透吸入压力联锁停车，影响了炼铁生产。为避免今后1#23500和4#23500中任一套机组停运造成52000 m3/h停运，计控人员协调工艺人员尝试在1#23500的空压机上增设一根电缆引到4#23500操作模块上，并编制程序，当其中一套制氧机组停运后，瞬时开氧透回流阀V3303到一定开度。经过若干次尝试，确定1#23500和4#23500其中任何一套制氧机停运时，回流阀立即开到70%后，不会造成氧透联锁停车，一定程度上能减少对高炉的影响。实践证明此方法切实可行。

（3）低压氧透正常启动后的进口导叶开度最小控制在36%，在机组未满负荷运行时，保证出口压力时，需要用回流阀进行调节，即回流阀有一定的开度。这样氧气经压缩后再通过回流阀回到进口管道，耗费了压缩机的电能。技术人员联系设计单位杭氧，并通过尝试，将进口导叶分三次进行关小到10%，回流阀V3303全关，氧压机能够保证连续安全运行。根据试验期间的数据，低压氧透导叶开度30%，回流阀开度60%，每小时耗电5570 kW；通过最小负荷调试后氧透导叶开度10%，回流阀开度48%，每小时耗电4646 kW。低压氧压机经过最小负荷调试后，每小时可节电934 kW。

（4）2016年5月28日20：20分，空压机报警，检查发现为1#23500空压机进口差压流量计突然降低随后恢复，但是仍然触动防喘振曲线而轻载，岗位人员检查发现52000氧透虽然没有吸入压力联锁停车，但是吸入压力偏低并逐步降低到联锁值。岗位人员判断为两套空分的氧气并网阀HC4001没关闭，4#23500的氧气从1#23500的常压氧放空阀处放掉，造成低压氧透吸入压力降低。迅速紧急关掉并网阀并恢复52000氧透的运行。没有影响到炼铁生产。

根据此次事故，车间告诫所有岗位人员，一旦1#23500空分停运，要及时关闭氧气并网阀，避免低压氧透吸入压力联锁。

5 分级供氧项目的节能效益分析

制氧厂的氧压机后的压力设定为2.5 MPa，经过节流后进入炼铁厂富氧，经过分级供氧实施后，低压氧压机产生的1.0 MPa的氧气，直接供氧炼铁，一般情况下，氧透系统压力设定为0.77 MPa即可满足炼铁用氧。节省的电能主要体现在氧透的压缩等级上，详见表1。

表1 低压氧压机与常规中压氧压机参数对比

通过表1参数可得，假如采用两套23500 m3/h的中压氧透压缩氧气，极限产量可达52000 m3/h，采用一套低压氧透最大压缩52000 m3/h，两者相同的氧气量时，消耗的功率差可计算得出每小时耗功差5010 kW·h。每年可节约电能2609万元。

6 分级供氧新模式实施与优化

4#23500低压氧透设计上，压缩两套23500空分的常压氧气，设计压缩量52000 m3/h，但由于环保限排限产，减量经营，高炉富氧量减少至40000 m3/h，而两套23500制氧机至少要生产45000 m3/h的氧气，多余的5000 m3/h，无法经济压缩，只能放散造成浪费，而中压氧气管网压力时常又比较低，特别是炼品种钢时，对氧气压力要求比较高，这时只能将1#23500氧气退出，开1#23500中压氧透压缩，保中压氧供应，导致大氧透只能在半负荷下长期运行，只压缩4#23500制氧机的25000 m3/h氧气，造成分级供氧节能措施不能充分利用。为了使分级供氧效能发挥到最大，提出了新的分级供氧模式。

7 分级供氧新模式方案实施

通过论证，把2#14000制氧机生产的常压氧气引入低压氧透前，使（2#14000、1#23500、4#23500及长时间停运的1#14000，2#6000）5套制氧机的常压氧气通过管道联网。利用一段原有管道，新增少量新管道，但因利旧的管道长期停用，存在锈蚀现象，不能直接用于氧气输送。决定对利旧的管道拆除、除锈、防腐、脱脂后，重新安装。简图如图2所示。

联网后2#6000的6000 m3/h氧活塞也可以工作，可以增加两种分级供氧新模式。第一种模式：两个高炉的富氧量约4万m3，联网后，把2#14000常压氧气送到大氧透压缩，节约3400 kW的中压氧透的电耗；第二种模式：若高炉顺行，负荷有提高，需要1#23500和4#23500联合送到低压氧透压缩，两套空分如果仅送入46000 m3/h到高炉，剩余的6000 m3/h常压氧可送6000 m3/h制氧机的氧活塞机压缩到中压送入管网。增加两种新的分级供氧模式，既保证常压氧气不放散，又可以充分发挥分级供氧的节能潜力，在两机两炉生产模式下充分保证公司的用气需求。

图2 低压氧透与其它制氧机常压管道连接示意图

8 分级供氧新模式调试过程

2#14000常压氧气量压力20 kPA，管道超过500 m，阻力偏大。其常压氧气加入与退出低压氧透，对低压氧透的进口压力影响比较大，需仔细研究操作方案，防止低压氧透停车。

2#14000、4#23000两套机组常压氧气切换的主要方式及操作预定方案：

（1）两套机组均正常运行，2#14000中压氧透与低压氧透均运行。停运2#14000中压氧透，将气体送入低压氧透。

①接到调度指令后，两个岗位安排好人员做好倒气准备，并通过拨打电话进行沟通。

②设定2#14000常压氧放空量值到正常运行值。确保中压氧透停运后，能够保证正常出装置量。

③按正常停压氧透操作规程，停运2#14000中压氧透。

④确认将HC04、氧联3阀门全开，1#14000和2#6000出装置阀门全关。

⑤适当提高2#14000常压氧出装置压力到24 kPA左右，为倒气到4#23500做准备。确认出装置阀门V102A全开，并全开并网阀氧联5。氧气送到4#23500氧透进口阀。

⑥一边将4#23500的出装置阀V102关小到30%左右，一边将低压氧透回流阀关小至全关，根据送气量适当开大进口导叶，并观察低压氧透进口压力不低于5 kPA。

⑦电话联系，确认2#14000氧气量在正常范围内。根据4#23500出装置量变化，适当调整V102和进口导叶。常压氧气倒换结束。

（2）低压氧透压缩2#14000、4#23000空分的常压氧气，倒换为2#14000中压氧透和低压氧透分别压缩本套常压氧气。

①接到调度指令后，两个岗位安排好人员做好倒气准备并电话及时沟通。

②缓慢关小4#23500低压氧透导叶到10%，并将回流阀开大到50%开度，并将出装置阀V102缓慢全开。

③2#14000设定好常压放空量并关注其变化，并随着4#23500氧透的操作，缓慢关小出装置阀V102A，关并网阀氧联5。

④通知配电给2#14000中压氧透送电，并做好中压氧透启动准备工作，提前全开V102A。

⑤按照中压氧透单机操作规程，启动中压氧透。常压氧气倒换结束。

（3）氧气切换要点：

①以上操作规程属于关键点控制，具体工作细节则需要有熟练操作经验的师傅进行调整，确保设备倒换稳定进行。

②2#14000向4#23500倒气时，务必确保氧联5及HC04、氧联3全开后再进行4#23500低压氧透阀门的操作。

③注意防止4#23500的气反向倒入2#14000放空，造成低压氧透吸入压力联锁。

④调试前将液氧后备系统预冷，一旦调试过程出现故障，及时启动后备系统，确保氧气供应。

9 分级供氧新模式下经济效益分析

（1）调试应用分级供氧第一种新模式，运行了5天5个小时。由于低压氧供出量大于40000 m3/h，低压氧透导叶开大，低压氧透实际功率4500 kW大于其最小功率（4300 kW），功率增加了200 kW。停运了14000中压氧透，减少3400 kW电耗，电费按0.58元计算，已产生效益23.2万元。如果使用一个月，则可节省电费133.6元。

（2）应用分级供氧第二种新模式。氧活塞每小时送出量5000 m3/h。因每生产1 m3氧气需耗电0.5 kW，每小时可减少浪费1450元，每天可减少浪费3.48万元。同时开氧活塞还可以减少氧后备的启动次数，减少液氧消耗。

10 总结

高炉是炼铁的最主要装置，确保稳定供氧是第一要务，在新机组和后备系统投产后，更加需要我们做好稳定低压氧的稳定供氧工作，在高炉不同的工况频繁变动下，我们在调整制氧机运行工况时，既要稳，也要注意不做无谓的浪费。分级供氧新模式的成功实施，既保证了公司用氧需求，又减少了氧气放散浪费，减少了液氧消耗，降低了氧气压缩成本，一举多得，产生的经济效益巨大。