鋼鐵企業(yè)氧氣站節(jié)能輸配系統(tǒng)—壓縮機(jī)和儲(chǔ)罐的優(yōu)化配置

摘 要：文章對(duì)鋼鐵企業(yè)氧氣站氣體輸配系統(tǒng)的節(jié)能措施進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述，著重介紹了壓縮機(jī)排壓和儲(chǔ)罐容積對(duì)系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本的比較分析，對(duì)其它類似項(xiàng)目制定輸配系統(tǒng)設(shè)備配置方案有一定的參考和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：鋼鐵廠氧氣站；節(jié)能；氣體輸配系統(tǒng)

1 概述

節(jié)能降耗、高效環(huán)保是目前乃至將來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢(shì)，鋼鐵企業(yè)是耗能大戶，中國(guó)的鋼鐵企業(yè)眾多，鋼鐵市場(chǎng)飽和，競(jìng)爭(zhēng)激烈。誰(shuí)能降低能耗則意味著成本降低，競(jìng)爭(zhēng)力增強(qiáng)，很多鋼廠將氧氣站的能耗和放散率納入氧氣廠管理人員的考核內(nèi)容。對(duì)于氣體公司這種供氣模式，投資和能耗更是企業(yè)的重中之重，是企業(yè)追求效益最大化的關(guān)鍵所在。雖然所有制氧廠和氣體公司都明白這一點(diǎn)，但由于缺乏對(duì)鋼鐵企業(yè)整體用氣制度的把握，找到最佳的配置方案也不是件容易的事。

鋼鐵企業(yè)氧氣站的規(guī)模是根據(jù)各工藝生產(chǎn)規(guī)模的最大需求量來(lái)配備的。產(chǎn)品氣的輸送壓力也要與工藝設(shè)備的需求相匹配。但由于鋼鐵廠各設(shè)備的工作制度不同，氣體用量波動(dòng)很大。有些是連續(xù)使用，有些是間斷使用，有些瞬間用量很大，但使用時(shí)間短，各用戶點(diǎn)的使用壓力也不盡相同。而氧氣站的空分設(shè)備是連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的，氣體產(chǎn)品也是連續(xù)穩(wěn)定輸出的。因此，氧氣站輸配系統(tǒng)必須根據(jù)下游各用戶的特點(diǎn)，配置相應(yīng)的產(chǎn)品氣壓縮機(jī)和氣體緩沖罐以及壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、來(lái)解決正常用氣條件下的波峰低谷調(diào)節(jié)問(wèn)題。利用緩沖罐內(nèi)的高壓氣體儲(chǔ)存能力，把用氣波谷時(shí)的富裕氣體加壓儲(chǔ)存起來(lái)，待用氣高峰時(shí)再吐出來(lái)，經(jīng)過(guò)調(diào)壓后送往用戶。

2 現(xiàn)狀

如何確定產(chǎn)品氣壓縮機(jī)的出口壓力，以及配備多大的儲(chǔ)罐；如何對(duì)氣體進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)和控制；如何確保工藝的安全生產(chǎn)和不間斷供氣，既要滿足生產(chǎn)，又要盡可能的減少能耗損失，減少氣體放散，這時(shí)常成為業(yè)主和工程設(shè)計(jì)關(guān)心和困擾的問(wèn)題。很多工程都是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)或用戶生產(chǎn)規(guī)模來(lái)大致估算壓縮機(jī)和儲(chǔ)罐的配置，與從投資經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行節(jié)能等角度精確的定位，還有些差距。對(duì)鋼鐵企業(yè)氧氣站及管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，如產(chǎn)品壓縮機(jī)的排壓與球罐內(nèi)壓力的波動(dòng)情況，球罐補(bǔ)償能力的利用程度，管網(wǎng)壓力、氧氣、氮?dú)猱a(chǎn)品氣的放散率等還都需要深入的了解。實(shí)際大部分鋼廠都存在著不同程度的氣體放散，但不同配置、不同運(yùn)行模式，放散率的差別卻比較大。

3 氣體輸配系統(tǒng)節(jié)能措施

文章主要就氣體輸配系統(tǒng)節(jié)能措施進(jìn)行闡述。主要有如下幾個(gè)方面：壓縮機(jī)的排氣壓力；儲(chǔ)罐容積的選擇；減少氣體放散；調(diào)壓流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 合理確定壓縮機(jī)的排氣壓力及儲(chǔ)罐容積

鋼鐵廠的用量波動(dòng)主要來(lái)自煉鋼車間的轉(zhuǎn)爐吹氧和濺渣護(hù)爐用氮。因此供氧系統(tǒng)中必須設(shè)置中壓儲(chǔ)氣罐，隨作業(yè)周期吞吐壓力氧、壓力氮來(lái)平衡用量。儲(chǔ)罐體積選的太大，即使不吹氧，罐內(nèi)壓力也遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)壓力，這樣就造成儲(chǔ)罐的補(bǔ)償能力過(guò)大，得不到充分利用，而設(shè)備投資卻很高。儲(chǔ)罐體積選的太小，不僅因補(bǔ)償能力小而影響生產(chǎn)，停止吹氧時(shí)還會(huì)使罐內(nèi)壓力過(guò)高，造成超壓放散，使制出的產(chǎn)品氣白白浪費(fèi)掉。因此儲(chǔ)罐的設(shè)置即要考慮經(jīng)濟(jì)性，不能過(guò)大，又要留有余地、考慮預(yù)留及分期建設(shè)。

常規(guī)輸配流程是利用氧壓機(jī)將低壓氧氣加壓至3.0MPa，緩沖罐的最高工作壓力也設(shè)定為3.0MPa，根據(jù)煉鋼用氧的要求，管網(wǎng)壓力的波動(dòng)范圍為3.0～1.6MPa。如果適當(dāng)加大儲(chǔ)罐的總?cè)莘e，使其補(bǔ)償能力增大，管網(wǎng)最高運(yùn)行壓力會(huì)降低，氧壓機(jī)排壓也會(huì)隨之降低，壓氧能耗減小，雖然此時(shí)儲(chǔ)罐的設(shè)備投資將增大，但是由于氧壓機(jī)為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，其長(zhǎng)期的節(jié)能效益不可忽視。總之，儲(chǔ)罐的最高工作壓力取值不要太貼近設(shè)計(jì)壓力，要仔細(xì)核算儲(chǔ)罐的補(bǔ)償能力，確定出經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行壓力。

通過(guò)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，一般情況，3.0MPa的氧氣球罐，最高工作壓力在2.4～2.6MPa較為合適。此時(shí)氧壓機(jī)的排壓由3.0MPa降低至2.4～2.6MPa，壓氧能耗將降低～4%，單位能耗降低0.0069KW/Nm3O2。

通過(guò)對(duì)鋼鐵廠用戶的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，如果轉(zhuǎn)爐操作管理調(diào)度到位，能夠降低多個(gè)轉(zhuǎn)爐同時(shí)吹氧的時(shí)間和幾率，則最高管網(wǎng)工作壓力還可降低，以凌鋼為例，管網(wǎng)最高不超過(guò)2.2MPa，氧壓機(jī)的電流降低10～30A， 壓氧能耗降低～7%，單位能耗降低0.012KW/Nm3O2。氧氣站的中壓氧壓機(jī)排量通常在10000～40000/Nm3/h，如排壓降至2.4～2.6MPa，全年節(jié)約電費(fèi)30～120萬(wàn)元；如排壓降低至2.2MPa，則全年節(jié)約電費(fèi)50～200萬(wàn)元。

3.2 氣體儲(chǔ)罐配置方案經(jīng)濟(jì)對(duì)比

實(shí)例：以一套10000/Nm3/h等級(jí)外壓縮制氧（配中壓氧壓機(jī)一臺(tái)，額定排壓3.0MPa），2個(gè)400m3氧氣球罐。由于擴(kuò)大產(chǎn)能，需要新上30000/Nm3/h等級(jí)制氧機(jī)一套（內(nèi)壓縮），2臺(tái)120噸轉(zhuǎn)爐氧氣小時(shí)平均流量24375/Nm3/h，單臺(tái)轉(zhuǎn)爐冶煉周期為35分鐘，吹氧時(shí)間為15分鐘/爐。同時(shí)吹氧時(shí)峰值流量為67000/Nm3/h。（如表1所示）

3.3 減少放散的節(jié)能效益

轉(zhuǎn)爐和高爐等用氧大戶定期都要進(jìn)行檢修，通常檢修制度如下：

轉(zhuǎn)爐：修爐是一年修一次，15天；年檢是集中檢查3天；月檢是每隔10天檢修8小時(shí)。

高爐：年檢～3天；每月正常情況下1～2次集中檢查，每次2小時(shí)左右。

還是以凌鋼氧氣廠為例，按照表1方案2的配置，儲(chǔ)罐的富裕儲(chǔ)存能力16380Nm3。由此減少的放散節(jié)能效益如表2所示。

以上為保守的估算，并沒有計(jì)算日常短時(shí)檢修。對(duì)于高爐檢修，儲(chǔ)罐可保證1.5小時(shí)以內(nèi)的檢修完全不放散。對(duì)于轉(zhuǎn)爐來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)罐可以杜絕80分鐘內(nèi)的因檢修或其它因素暫停用氧而導(dǎo)致的放散。當(dāng)遇到8小時(shí)的例行檢修時(shí)，80分鐘可以讓上游空分設(shè)備有充分的時(shí)間來(lái)降低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)（最低75%），減少氧氣產(chǎn)量。（仍以凌鋼為例，總量40000Nm3/h，降負(fù)荷可以減少10000Nm3/h，基本與一臺(tái)轉(zhuǎn)爐停用的氧氣量相當(dāng)）。按照空分設(shè)備從接到變工況指令到穩(wěn)定運(yùn)行需要30分鐘計(jì)算，一次8小時(shí)的轉(zhuǎn)爐檢修導(dǎo)致空分產(chǎn)氧氣富余量為：

12188×0.5+（12188-10000）×7.5=22504Nm3

每次的放散總量?jī)H為22504-16380=6124Nm3

由上述可以看出，雖然方案2的儲(chǔ)罐數(shù)量比方案1的多，設(shè)備投資增加了260萬(wàn)，但壓氧能耗和放散率的降低帶來(lái)的節(jié)能效益至少達(dá)到120萬(wàn)/年，基本上兩年就能收回設(shè)備成本。

因此，對(duì)于外壓縮流程的用戶來(lái)說(shuō)，首先要明確下游用戶對(duì)于儲(chǔ)罐補(bǔ)償能力和壓力波動(dòng)范圍的需求。在場(chǎng)地和外部條件允許的情況下，適當(dāng)加大儲(chǔ)罐的補(bǔ)償能力，降低管網(wǎng)壓力，減少放散，其節(jié)能效果非常明顯。而且，管網(wǎng)壓力波動(dòng)范圍減小了，也更安全、更穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

壓縮機(jī)能耗與儲(chǔ)罐設(shè)備投資、占地本身就是一對(duì)矛盾結(jié)合體。如果能夠通過(guò)精確計(jì)算，對(duì)比設(shè)備投資及運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)性，在兩者之間找到一個(gè)最佳配置，通過(guò)合理確定壓縮機(jī)排壓和儲(chǔ)罐總?cè)莘e，則無(wú)論從設(shè)備一次性投資還是長(zhǎng)期運(yùn)行能耗上，都有著非常可觀的挖掘潛力。此外，除了以上措施，通過(guò)優(yōu)化后續(xù)調(diào)壓系統(tǒng)，減小調(diào)壓損失，也能起到一定降低能耗的作用。