钢铁企业技术气体系统解析及氧气调配仿真
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氧率的确定尤为重 要, 钢铁企业都会综合考虑 相 关的工艺和经济因素 , 并使氧气利用效益最大化 , 从而制定适宜的富氧率。富氧率制定后一般比较 固定 , 正常生产情况下, 高炉富氧鼓风耗氧量具有 相对连续稳定性。 3 2 转炉炼钢 转炉炼钢是技术气体的最大用户之一, 氧气、 氮气、 氩气在炼 钢过程中都有大量使用。吹氧 转 炉炼钢法生产效率 高、 钢的质量好等特点使其 成 为最普遍的炼钢方法。氧气是吹氧转炉炼钢中的 主要氧化剂, 利用吹入的高纯度氧气 , 可使铁水中 碳、 磷、 硫、 硅等杂质氧化 , 氧化产生的热量用来维 持炼钢过程所需的 温度, 氧气的压力视炉子种 类 和容量大小而定, 但均要求压力平稳。纯氧 ( 质量 分数大于 99 5 % )吹炼可以大大缩短冶炼时间, 提 高钢的产量
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冶 金 自 动 化
第 34 卷
占气态氧产品的比例高于 8 % 时, 宜选用全低压内 压缩工艺; 液态氧产品的产量小于 8 % 气态氧产品 的产量时, 选用全低压外压缩工艺较为经济。 综合考虑现在空分设备发展的趋势和钢铁企 业用氧模式 , 空分设备逐步大型化 , 并要求设备能 满足多种供气压力 , 且生产一定的保障性液态产 品 , 内压缩流程更能满足此类需求 , 因此采用内压 缩流程仍然是主要的发展方向。如果配合其他先 进设施 ( 例如 , 较好的液体膨胀机等 ) 的使用, 那么 内压缩流程将会进一步缩小与外压缩流程的能耗 差距。 2 2 快速变负荷流程 能随时跟踪供气管网的压力变化 , 快速调节 空分设备的生产负荷 , 并且调节时间相对较短 , 这 样就能有效地减少氧气放散 , 从而降低空分设备 的综合能耗。在国内 , 2002 年首钢总公司氧气厂 购进的液化空气 ( 杭州 ) 有限公司 35 000 m / h 制 氧机组 , 首次采用带 快速变负荷功能的空分设备 内压 缩流 程, 正常 生 产时 液 态产 品 产量 可 高达 20 % , 如此高的液态产品产量为快速变负荷调节提 供了有力保障。这套机组投入运行后, 首钢氧气厂 的氧气年平均放散率从 7 63 % 下降到了 3 42 % 大大降低了能耗 , 创造了很好的经济效益。
Analysis of technical gas syste m and a si m ulation study of oxygen supply system in iron and steel production process
LU Fu yong, SUN Yan guang
(H ybr id P rocess Industr ia lA utom ation and Equ ipm ent T echn ique N ationa lK ey L abo rato ry , A uto m ation R esea rch and D esign Institute o fM eta llurg ica l Industry , Be ijing 100071, Ch ina)
第 5期
卢福永 , 等 : 钢铁企业技术气体系统解析及氧气调配仿真
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定的放散或不足 , 这 样就会浪费能源或者不能保 证正常生产。传统的氧气供需调配 , 一般基于较 长的统计周期进行静态计算 , 并采用宏观手段调 节氧气的生产和消耗 , 但这样并不能很好地满足 低电耗、 零放散、 高效益的要求。本文通过对技术 气体系统结构的认真分析 , 依据系统信息关联的 思想, 考虑各种气体 和用气设备及工序生产节奏 间的匹配, 建立有效的信息模型 , 并细化不同工况 后进行仿真 , 为技术气体动态调配提供数据参考。
Abstract : T o discuss the characterist ics of the techn ica l gas syste m s in iron and steel production processes, a m i in g to reduce energy consumpt io n for m ain product io n processes of ASU ( A ir Supply U n it). T he gas consum ption characteristics and th e fu nct ions of pri m ary un its and equ ipm en,t inclu din g transm it pipes , storage etc . , in the gas system s are analysed and the prin ciples conducive to energy sav ing for the gas syste m s in iron and stee l product io n are proposed . A com putat io na l exam ple is g iv en in th is paper , wh ich si m u lates oxygen supply system in a large iron and stee l com pany w ith the oxygen allocation m odel th at is created on the basis of the analysis and pr in ciples m entioned prev iously. The examp le show s that th e com puted results are very c lo se to the actu al va lu es of the correspond in g oxygen consum ptions and hence can be used as sensible reference to gas dispatching and energy sav in g con tro. l K ey w ords : techn ica l gas ; oxygen; a llocat io n m ode;l si m ulation 钢铁企业技术气体主要包括氧气、 氮气、 氩气 等 , 这是钢铁企业生产必不可少的能源介质 , 作为 钢厂的自产能源 , 生 产这些技术气体需要消耗大 量的电能, 技术气体 系统电耗占钢铁企业总电耗 的比例非常高。以宝山钢铁 股份有限公司为例, 技术气体系统电耗占其厂部总电耗的 15 % 左右。
第 34 卷
第 5期
冶 金 自 动 化
M etallu rg ica l Industry Autom at io n
Vo. l 34 N o . 5 Sep . 2010
2010 年 9 月
系统与装置
钢铁企业技术气体系统解析及氧气调配仿真
卢福永, 孙彦广
( 冶金自动化 研究设计院 混合流程工业自动化系统及装备技术国 家重点实验室 , 北京 100071) 摘要 : 介绍了钢 铁企业技 术气体系统 及其特点 , 并对 空分系统主 要生产流程 进行了节 能分析 , 指出了钢 铁企业 技术气体系统节能控制的方向 , 阐述了钢铁企业主要耗气单元技 术气体消 耗特性 , 对输送和 缓冲设备 的重要性 也做了相关说明。文中以某大型钢铁企业为背景 , 把氧气作为技 术气体的 首要调控目 标 , 基 于对技术 气体用户 和空分设备特性的分析 , 结合设备操作规范 , 建立 了氧气调配模型 , 并给出部分仿真结果。仿真结果与实际生产 值非常接近 , 为生产调度和节能控制提供了强有力的参考数据。 关键词 : 技术气体 ; 氧气 ; 调配模型 ; 仿真 中图分类号 : TF802 4+ 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1000 7059( 2010) 05 0030 05
1 钢铁企业技术气体系统解析
钢铁企业技术气体系统包括生产单 元、 存储 缓冲设备和耗气用户。其中生产单元主要由制氧 机和压送设备构成 ; 存储缓冲设备主要由管网和 储罐构成; 耗气用户分布较广, 炼铁厂、 炼钢厂、 轧 钢厂内都有工序用技术气体。其总体结构见图 1 。
2 空分设备主要流程技术节能比较分析
收稿日期 : 2010 01 05 ; 修改稿收到日期 : 2010 05 10 基金项目 : 国家高技术研究发展计划 ( 863计划 ) ( 2008AA 042901 ) 作者简介 : 卢福永 ( 1984 ) , 男, 贵州纳雍人 , 硕士研究生 , 主要从事能源预测与能源调控的研究工作。
同时 , 在技术气体系统内 , 特别是氧气消耗用户的 用氧特点各异 , 氧气用户连续生产或间歇生产 , 以 及故障检修或部分停产等都会导致氧气供需不平 衡。一般情况下 , 钢铁企业对氧气产量的实时 调 节能力相对不足, 调节速度较慢, 并且氧气缓冲存 储能力比较固定 , 因此瞬时的不平衡将会导致 一
。 由于内压缩流程的不可逆性较大 , 一般来说 ,
在可比条件下 , 在一定的氧压范围内 , 内压缩流程 空分设备的产品单位能耗要高于外压缩流程的 , 但液体膨胀机等先 进单元设备的使用, 可降低 内 压缩流程的产品单位能耗
[ 2]
。据文献 [ 3] 称, 对大
型空分设备, 要求氧产品压力低于 3 0M Pa 的 , 可 选用外压缩工艺 流程; 要 求氧产品 压力高 于 3 0 MP a 的, 宜采用内压缩工艺流程。另外 , 在要求供 应液态产品的情况 下, 如果液态氧产品的提取 量
近年来技术气体发生单元即空分设备在规模 向大型化 发展 的同时 , 流程 形式 也不断 多样化。 不同流程针对于不 同的工艺要求, 节能效果也 不 一样。其中, 外压缩流程和内压缩流程是其最 基 本的流程形式, 快速变负荷流程使空分设备产 量 调整速度加快 , 从而降低空分设备的能耗。 2 1 外压缩和内压缩流程 空分设备按工艺流程来分 , 最常见的划分 为 外压缩流程和内压缩流程两大类。外压缩流程就
[ 1]
钢铁企业技术气体系统具有以下特性。 ( 1) 集合性 系统各组成部分功能明确, 但是 必须组合在一起才能正常运转 ; 生产单元、 存储缓 冲设备、 耗气用户可 能分属于不同的生产部门和 厂区, 通过管网和储 罐连接构成技术气体产消系 统 ; 每个单元又由几个或多个设备集合而成 , 例如 生产单元可能包括多个不同的制 氧机, 而耗气单 元用户更多 , 它们只有通过管网集合起来, 才能保 证正常运行。 ( 2) 针对性 在确定制氧机组型号, 氧气、 氮 气、 氩气的气态产品和液态产品生产比例时 , 均是 针对钢厂炼铁、 炼钢、 轧钢等主要技术气体用户的 工艺参数和要求制定的 , 特别是转炉炼钢和轧钢 生产工序等 , 周期性生产特性明显 , 用气波动有一 定规律 , 因此技术气 体的生产必须针对用户实际 消耗特点, 制 定合理的产气规模、 产 品比例、 管网
氧率的确定尤为重 要, 钢铁企业都会综合考虑 相 关的工艺和经济因素 , 并使氧气利用效益最大化 , 从而制定适宜的富氧率。富氧率制定后一般比较 固定 , 正常生产情况下, 高炉富氧鼓风耗氧量具有 相对连续稳定性。 3 2 转炉炼钢 转炉炼钢是技术气体的最大用户之一, 氧气、 氮气、 氩气在炼 钢过程中都有大量使用。吹氧 转 炉炼钢法生产效率 高、 钢的质量好等特点使其 成 为最普遍的炼钢方法。氧气是吹氧转炉炼钢中的 主要氧化剂, 利用吹入的高纯度氧气 , 可使铁水中 碳、 磷、 硫、 硅等杂质氧化 , 氧化产生的热量用来维 持炼钢过程所需的 温度, 氧气的压力视炉子种 类 和容量大小而定, 但均要求压力平稳。纯氧 ( 质量 分数大于 99 5 % )吹炼可以大大缩短冶炼时间, 提 高钢的产量
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占气态氧产品的比例高于 8 % 时, 宜选用全低压内 压缩工艺; 液态氧产品的产量小于 8 % 气态氧产品 的产量时, 选用全低压外压缩工艺较为经济。 综合考虑现在空分设备发展的趋势和钢铁企 业用氧模式 , 空分设备逐步大型化 , 并要求设备能 满足多种供气压力 , 且生产一定的保障性液态产 品 , 内压缩流程更能满足此类需求 , 因此采用内压 缩流程仍然是主要的发展方向。如果配合其他先 进设施 ( 例如 , 较好的液体膨胀机等 ) 的使用, 那么 内压缩流程将会进一步缩小与外压缩流程的能耗 差距。 2 2 快速变负荷流程 能随时跟踪供气管网的压力变化 , 快速调节 空分设备的生产负荷 , 并且调节时间相对较短 , 这 样就能有效地减少氧气放散 , 从而降低空分设备 的综合能耗。在国内 , 2002 年首钢总公司氧气厂 购进的液化空气 ( 杭州 ) 有限公司 35 000 m / h 制 氧机组 , 首次采用带 快速变负荷功能的空分设备 内压 缩流 程, 正常 生 产时 液 态产 品 产量 可 高达 20 % , 如此高的液态产品产量为快速变负荷调节提 供了有力保障。这套机组投入运行后, 首钢氧气厂 的氧气年平均放散率从 7 63 % 下降到了 3 42 % 大大降低了能耗 , 创造了很好的经济效益。
Analysis of technical gas syste m and a si m ulation study of oxygen supply system in iron and steel production process
LU Fu yong, SUN Yan guang
(H ybr id P rocess Industr ia lA utom ation and Equ ipm ent T echn ique N ationa lK ey L abo rato ry , A uto m ation R esea rch and D esign Institute o fM eta llurg ica l Industry , Be ijing 100071, Ch ina)
第 5期
卢福永 , 等 : 钢铁企业技术气体系统解析及氧气调配仿真
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定的放散或不足 , 这 样就会浪费能源或者不能保 证正常生产。传统的氧气供需调配 , 一般基于较 长的统计周期进行静态计算 , 并采用宏观手段调 节氧气的生产和消耗 , 但这样并不能很好地满足 低电耗、 零放散、 高效益的要求。本文通过对技术 气体系统结构的认真分析 , 依据系统信息关联的 思想, 考虑各种气体 和用气设备及工序生产节奏 间的匹配, 建立有效的信息模型 , 并细化不同工况 后进行仿真 , 为技术气体动态调配提供数据参考。
Abstract : T o discuss the characterist ics of the techn ica l gas syste m s in iron and steel production processes, a m i in g to reduce energy consumpt io n for m ain product io n processes of ASU ( A ir Supply U n it). T he gas consum ption characteristics and th e fu nct ions of pri m ary un its and equ ipm en,t inclu din g transm it pipes , storage etc . , in the gas system s are analysed and the prin ciples conducive to energy sav ing for the gas syste m s in iron and stee l product io n are proposed . A com putat io na l exam ple is g iv en in th is paper , wh ich si m u lates oxygen supply system in a large iron and stee l com pany w ith the oxygen allocation m odel th at is created on the basis of the analysis and pr in ciples m entioned prev iously. The examp le show s that th e com puted results are very c lo se to the actu al va lu es of the correspond in g oxygen consum ptions and hence can be used as sensible reference to gas dispatching and energy sav in g con tro. l K ey w ords : techn ica l gas ; oxygen; a llocat io n m ode;l si m ulation 钢铁企业技术气体主要包括氧气、 氮气、 氩气 等 , 这是钢铁企业生产必不可少的能源介质 , 作为 钢厂的自产能源 , 生 产这些技术气体需要消耗大 量的电能, 技术气体 系统电耗占钢铁企业总电耗 的比例非常高。以宝山钢铁 股份有限公司为例, 技术气体系统电耗占其厂部总电耗的 15 % 左右。
第 34 卷
第 5期
冶 金 自 动 化
M etallu rg ica l Industry Autom at io n
Vo. l 34 N o . 5 Sep . 2010
2010 年 9 月
系统与装置
钢铁企业技术气体系统解析及氧气调配仿真
卢福永, 孙彦广
( 冶金自动化 研究设计院 混合流程工业自动化系统及装备技术国 家重点实验室 , 北京 100071) 摘要 : 介绍了钢 铁企业技 术气体系统 及其特点 , 并对 空分系统主 要生产流程 进行了节 能分析 , 指出了钢 铁企业 技术气体系统节能控制的方向 , 阐述了钢铁企业主要耗气单元技 术气体消 耗特性 , 对输送和 缓冲设备 的重要性 也做了相关说明。文中以某大型钢铁企业为背景 , 把氧气作为技 术气体的 首要调控目 标 , 基 于对技术 气体用户 和空分设备特性的分析 , 结合设备操作规范 , 建立 了氧气调配模型 , 并给出部分仿真结果。仿真结果与实际生产 值非常接近 , 为生产调度和节能控制提供了强有力的参考数据。 关键词 : 技术气体 ; 氧气 ; 调配模型 ; 仿真 中图分类号 : TF802 4+ 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1000 7059( 2010) 05 0030 05
1 钢铁企业技术气体系统解析
钢铁企业技术气体系统包括生产单 元、 存储 缓冲设备和耗气用户。其中生产单元主要由制氧 机和压送设备构成 ; 存储缓冲设备主要由管网和 储罐构成; 耗气用户分布较广, 炼铁厂、 炼钢厂、 轧 钢厂内都有工序用技术气体。其总体结构见图 1 。
2 空分设备主要流程技术节能比较分析
收稿日期 : 2010 01 05 ; 修改稿收到日期 : 2010 05 10 基金项目 : 国家高技术研究发展计划 ( 863计划 ) ( 2008AA 042901 ) 作者简介 : 卢福永 ( 1984 ) , 男, 贵州纳雍人 , 硕士研究生 , 主要从事能源预测与能源调控的研究工作。
同时 , 在技术气体系统内 , 特别是氧气消耗用户的 用氧特点各异 , 氧气用户连续生产或间歇生产 , 以 及故障检修或部分停产等都会导致氧气供需不平 衡。一般情况下 , 钢铁企业对氧气产量的实时 调 节能力相对不足, 调节速度较慢, 并且氧气缓冲存 储能力比较固定 , 因此瞬时的不平衡将会导致 一
。 由于内压缩流程的不可逆性较大 , 一般来说 ,
在可比条件下 , 在一定的氧压范围内 , 内压缩流程 空分设备的产品单位能耗要高于外压缩流程的 , 但液体膨胀机等先 进单元设备的使用, 可降低 内 压缩流程的产品单位能耗
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。据文献 [ 3] 称, 对大
型空分设备, 要求氧产品压力低于 3 0M Pa 的 , 可 选用外压缩工艺 流程; 要 求氧产品 压力高 于 3 0 MP a 的, 宜采用内压缩工艺流程。另外 , 在要求供 应液态产品的情况 下, 如果液态氧产品的提取 量
近年来技术气体发生单元即空分设备在规模 向大型化 发展 的同时 , 流程 形式 也不断 多样化。 不同流程针对于不 同的工艺要求, 节能效果也 不 一样。其中, 外压缩流程和内压缩流程是其最 基 本的流程形式, 快速变负荷流程使空分设备产 量 调整速度加快 , 从而降低空分设备的能耗。 2 1 外压缩和内压缩流程 空分设备按工艺流程来分 , 最常见的划分 为 外压缩流程和内压缩流程两大类。外压缩流程就
[ 1]
钢铁企业技术气体系统具有以下特性。 ( 1) 集合性 系统各组成部分功能明确, 但是 必须组合在一起才能正常运转 ; 生产单元、 存储缓 冲设备、 耗气用户可 能分属于不同的生产部门和 厂区, 通过管网和储 罐连接构成技术气体产消系 统 ; 每个单元又由几个或多个设备集合而成 , 例如 生产单元可能包括多个不同的制 氧机, 而耗气单 元用户更多 , 它们只有通过管网集合起来, 才能保 证正常运行。 ( 2) 针对性 在确定制氧机组型号, 氧气、 氮 气、 氩气的气态产品和液态产品生产比例时 , 均是 针对钢厂炼铁、 炼钢、 轧钢等主要技术气体用户的 工艺参数和要求制定的 , 特别是转炉炼钢和轧钢 生产工序等 , 周期性生产特性明显 , 用气波动有一 定规律 , 因此技术气 体的生产必须针对用户实际 消耗特点, 制 定合理的产气规模、 产 品比例、 管网
