大型有色冶金用氧技术优化研究及应用.pdf

2 0 1 2年 4月第 2期 大型有色冶金用氧技术优化研究及应用刘道科张得仑 1 1 大 型 有 色 冶 金 用 氧 技 术 优 化 研 究 及 应 用 刘道科 张得 仑 金 川 集 团公 司动 力厂 ，甘 肃 金 昌 7 3 7 1 0 0 [ 摘要 ] 针对大型有色冶金用 氧放散率高的问题 ， 提出氧气供 应 网络化 解决方案 ， 并在 网络化供 应平 台的基础 上 ， 通过采用 “ 梯级 ” 减压 智能匹配控制技术 、 氧气生 产 “ 自动 巡航 ” 控制 系统等 软件优 化控制 系统 ， 使氧气 放散率 进一步降低 ， 获得了 良好的经济效益 。 [ 关键词 ] 有色冶金 ；氧气 ； 放散率 ； 管 网网络化 ；D C S控制系统 ；梯级减压 ；自动巡航 ；优化 [ 中图分类号 ]T B 6 5 7 [ 文献标识码 ]A [ 文章编号]1 0 0 8 5 1 2 2 2 0 1 2 0 2 0 0 1 1 0 5 Op t i m i z a t i o n Re s e a r c h a n d Ap p l i c a t i o n o f Ox y g e n Te c h n o l o g y Us e d i n La r g e S c a l e No n f e r r o u s M e t a l l ur g i c a l Ent e r p r i s e LI U Da o k e，ZHANG De l u n Ab s t r a c t F o r t h e pr o bl e m o f h i g h o x y g e n e x ha u s t r a t e i n l a r g e s c a l e n o nf e r r o us me t a l l u r g i c a l i n d us t ， Th i s pa pe r p ut f o r wa r d ne r wo r k s o l ut i o n o f o x y g e n s u pp l y ． On t h e ba s i s o f t h e n e t wo r k s u p pl y s y s t e m ， t h e o x y g e n e x ha us t r a t e wa s r e du c e d a n d g o o d e c o n o mi c b e n e fit s we r e o b t a i n e d b y u s i n g o p t i mi z e d s o ft wa r e c o n t r o l s y s t e m i n c l u d i n g c a s c a d e pr e s s ur e - r e d uc i n g i n t e l l i g e n t ma t c h i n g c o n t r o l t e c h no l o g y， a u t o c r u i s e c o n t r o l s y s t e m o f o x y g e n pr o d u c t i o n． Ke y wo r d sn o n f e r r o u s me t a l l u r g y；o x y g e n；e x h u s t r a t e； p i p e n e t wo r k；DCS c o n t r o l s y s t e m ； c a s c a de p r e s s u r e- r e d u c i n g；a u t o c r u i s e；o p t i mi z a t i o n O 前言 随着 工 业 技 术 的进 步 和发 展 ， 在 有 色 金属 冶 炼 工艺领域 中越来 越广泛 的大规模 使用 富氧熔 炼技 术 ， 这种方法具有降低燃料消耗 、 减少碳排放、 缩短 冶炼时间、 提高产量等优点 。目前 ， 大规模经济稳定 地使用氧气资源 ， 一般采用低温深度冷冻法制备 ， 而 该种氧气制备方法需要耗费大量的电能或蒸汽。因 此 ， 氧气的使用成本 占有色冶炼加工总成本 的 1 8 ％ ～ 2 8 ％ ， 除燃 料 、 电能 以外 ， 位 列 所 有 加工 成 本 的 第 [ 收稿 日期 ]2 0 1 1 0 1 0 9 [ 作者简介 ]刘 道科 1 9 7 1 一 ， 男 ， 工程师 ， 1 9 9 6年毕业 于西安交通 大学制冷设备及低温技术专业 ， 现任动力 厂动氧 车 间副主任。 张得仑 1 9 6 8 一 ， 男 ， 高级 工程 师 ， 1 9 9 1年 毕业 于南 京 大学 物理低温 物理专 业 ， 现 任金 川集 团公 司 动力 厂 动氧 车 间主 任 。 三位 ， 可见氧气利用率的高低对降低冶炼加工成本 具有 举足 轻重 的地 位 。 由于氧气各用户生产工艺的需要不同， 其用氧 需求 往往 呈现 出较 大 的 随机 波 动性 ， 基本 无 固定 的 规律可循。相 比之下 ， 大型低温深度冷冻法制备氧 气 的空分工艺流程则相对稳定得多 ， 负荷变化的范 围受 离心式 空 压机 的 限制 ， 一般 只有 1 5 ％左 右 的变 动幅度。因此 ， 大规模使用氧气资源的企业都不得 不面临一个氧气放散率高的问题。如何解决相对稳 定 的氧气供 应 与用 氧 负 荷 的 剧烈 波 动 这 一 对矛 盾 ， 是关乎有色冶炼加工成本和企业经济效益的重要因 素 之一 。 某 公 司 冶 炼 厂通 过 大 量 的调 查 研究 和 实践 ， 充 分 利用 现有 装备 资 源 ， 在 较少 投入 的情 况下 ， 依 靠 自 身力量 ， 通过不断优化管 网硬件设施 、 研制软件控制 技术 ， 终于成功开发 出一套高效节能的冶金用氧优 化技术 ， 实现了各种压力等级的氧气 自动调配功能， 有效降低了氧气放散率 ， 并取得了良好的经济效益 。 1 2 有色冶金节能 口专论与综述 1 冶金用氧技术优化 的原理和优势 1 ． 1 冶 金用 氧技 术优化 的 基本原 理 将多 台制 氧设 备 和不 同压力 等级 的氧气产 品进 行集 中并 网， 形成网络化工作平台。根据高 、 中、 低 压氧气用户的使用特点， 建立先进合理 的数学控制 模型， 利用现有制氧设备的 D C S集散控制 系统功能 模块 ， 通 过特 殊 的编 程 方 式 直接 作 用 于氧 气 生 产 与 调配系统， 达到按用户需求分配氧气 、 最大限度提高 氧 气利 用率 的 目的 。 1 ． 2 冶 金 用氧技 术优 化 的优 势 1 改变 了传统 的氧气 分散供应方式 ， 建立 了 氧 气 网络化 集 中供应 模式 。 2 首次 采 用 “ 梯 级 ” 减 压 自动 匹 配 控 制 技 术 ， 实 现 了氧气 “ 按量 控 制 ” 模 式 向 “ 按 需 分 配 ” 模 式 的 转 变 。 3 设置 氧气 放 空 阀 优 先 级 秩 序 控 制 模 式 ， 实 现 了氧 气综 合调 配 ， 满足 了用 户用 氧波 动需 求 ， 减少 了放空 点 。 4 首 次利 用 D C S内置 控 制 模 块 ， 实 现 了氧 气 生产 自动巡航控制模式 ， 有力 的保障 了制氧系统高 效稳定 运 行 。 5 开 发 了 防氧 气 输 送 管 网 “ 憋 压 ” 和 “ 抽 空 ” 安全保 护 技术 ， 提升 了氧气压 力 管 网 、 压力 容器 的抗 风险 能力 。 2 冶金用 氧技术 优化 的主要技 术难题 目前 公 司共有 6套 大 型 制 氧 机 组 ， 分 别 是 2 6 5 0 0 m ／ h 空 分 系统 、 1 4 0 0 0 m ／ h空分 系 统 、 2 0 0 0 0 m ／ h空分 系统 和 22 2 5 0 0 m ／ h空 分 系统 。 根据 有色 冶炼 的工 艺特 点 ， 闪速 炉 、 合 成炉 及顶 吹炉 用 氧 比较稳定 ， 但 由于炉况和原料的原因， 一般每台冶金 炉窑 有 1 0 0 0～3 0 0 0 m ／ h的 波 动 量 。各 高 压 氧 用 户 的波动 量非 常大 ， 总量波动范围为 0～1 8 0 0 0 m ／ h ， 平均 用氧 需求 为 1 0 0 0 0～1 2 0 0 0 m ／ h ， 基 本 无 规 律 可循 。因 此 ， 冶 金 用 氧 技 术 优 化 的 主 要 技 术 难 题 如下 1 必须使 已有制氧机组 的供氧管路形成一个 网络， 建立氧气资源共享平台。 2 解 决 用户用 氧 波 动 幅度 大 与 制 氧装 置 生 产 相 对稳定 的矛盾 ， 研 制 出氧气 协 调 稳 定 供 应 技 术 方 案 ， 降低氧气总放空量 。 3 解决 氧 气 供 应 的稳 定 性 问 题 ， 避 免 氧 气 用 户 间相互 干 扰而 影 响生产 的连 续性 。 4 完善氧气供应 网络在故 障状态下的安全防 护 体 系 ， 防 范可 能 出现 的事 故 风险 。 5 解决制氧装置易受外界供氧压力波动干扰 的难题 ， 提 升制 氧 系统 稳 定 生 产 能 力 和智 能 化 控 制 水 平 。 3 冶金用氧技术优化 的方案 和解决存 在 问题 的措施 3 ． 1 冶金 用氧 技术 优化 的方 案 3 ． 1 ． 1 第一阶段 建立氧气供应 网络化平 台 针对 暴 露 出 的氧 气 生 产 和需 求 之 间 的矛 盾 ， 通 过下 列步 骤逐 步建 立 氧 气 供应 网 络化 平 台 ， 可 有 效 缓解 上述 出现 的 问题 。 1 将氧气球罐缓 冲系统 的高压 氧与闪速炉 、 合成炉低压氧管网系统进行连通 ， 可解决球罐 压力 高时氧气的放散和安全问题。 2 将氧气压力等级相近 的闪速炉与合成炉管 网系统实现连通 ， 可解决某一冶炼生产系统故 障或 检修时氧气资源不能配置给其他冶炼生产系统使用 的 问题 。 3 通 过将 顶 吹炉 中 压氧 管 网系 统 与 闪速 炉 低 压 氧管 网系 统连通 ， 将 顶 吹 炉多 于 的氧 气 资 源 调 剂 到 闪速 炉使 用 ， 可 缓解 制氧 机开 、 停后 带来 氧气 供 应 的突 出矛 盾 。氧气 供应 管 网 网络化变 化 历程 和形 成 的网络示 意 图见 图 1 。形 成 的氧气 供应 网络 见 图 2 。 3 ． 1 ． 2第 二 阶 段 研 制 氧 气 网 络 化 供 应 软 件 控 制 系统 3 ． 1 ． 2 ． 1 氧气 并 网优化 调试 中出现 的问题 在 氧气 并 网优 化 调试 过 程 中 ， 主 要 出现 了 以下 几 方面 的 问题 第一次①_卜 第二次②_卜 第三次③_卜 - ． f 第四次④卜 第五次⑤ 2 0 0 2 年 I 将 1 4 0 0 0高压氧管 网与 1 4 0 0 0 闪速 炉 低压 氧管 网连通 2 0 0 4 年 2 0 0 5 年 2 0 0 8 年 I I I 将 1 4 0 0 0 高压氧缓 将2 0 0 0 0 高压氧管 将2 2 5 0 0 顶 吹炉管 冲系统与6 5 0 0 闪速 网与2 0 0 0 0 合成炉 网与2 0 0 0 0 合成炉 炉低压氧管网连通 低压氧管 网连通； 低压氧气管 网连 将 1 4 0 0 0低压氧管 通； 将2 0 0 10 高压氧 网与2 0 0 0 0 合成炉 管网与2 2 5 0 0 顶吹 低压氧管 网连通 炉管 网连通 图 1 氧气 管网网络化历程 2 0 1 1 正 ’ 将2 2 5 13 0 顶 吹炉管 网1 4 0 0 0 、6 5 ∞闪 速炉低 压氧气 管网 连通 ；并6 5 o o 与 1 4 0 0 0 管道连通 2 0 1 2年 4月第 2期 大型有色冶金用氧技术优化研究及应用刘道科 张得仑 1 3 图 2氧 气 供 应 系 统 管 网 示 意 图 1 尽管氧气 管网系统并 网以后 ， 氧气放散 率 吹炉管网系统 ， 然后将顶吹炉管 网系统多余 的氧气 从 2 8 ％降低到为 ～1 0 ． 9 ％ ， 但没有达 到预期设想的 ～1 1 0 0 0 m ／ h分三部分减压进入合成炉供氧管 网 控制 目标 5 ％以下 。 系统、 闪速炉 1 4 0 0 0供氧管网系统和 6 5 0 0供氧管 网 2 当三大冶金炉窑 系统 中某一 系统不用氧或 系统， 最后将 1 4 0 0 0供氧管 网系统与合成炉供氧管 故 障 时 ， 会 出 现 了 管 网压 力 超 过 正 常 工 作 压 力 1 ． 8 网系统并 联 ， 实现 氧气 调峰 目标 。 倍以上的“ 憋压” 现象； 而在切换用 氧的过程 中， 又 在氧气供应参数配置上 ， 注重控制压力高端处 会 出现该 管 网压 力 低 于 正 常工 作 压 力 5 0 ％ 以下 的 的放 空 阀 ， 正 常情 况 下 只保 留压 力 最 低 处 的氧 气 放 “ 抽空” 现象。 空阀， 从而降低氧气调配控制难度 ， 实现各系统调剂 3 高压氧用户使用量 的波动非 常剧烈 ， 通 常 使用氧气资源。其控制功能模块图如图 4 。 在 0～1 8 0 0 0 m ／ h之 间， 氩系统“ 氮塞” 次数 频繁 ， 通过上述控制模式 ， 在氧气富裕的情况下， 保持 氧气综合能耗指标高 。 管网系统高压力 ； 在氧气不足时 ， 利用管 网存储的氧 4 频繁进行氧气生产 负荷 的调整 ， 使得大型 气释放来满足用户的波动 ， 并依据压力涨落 、 流量变 旋转设备处于不稳定 的工作状态 ， 容易导致设备事 化来 自动智能修正送往各用户的调节 阀设定压力 ， 故和工艺事故突发 ， 使设备运行可靠性降低。 避免管网出现“ 憋压” 和“ 抽空” 现象的发生。 3 ． 1 ． 2 ． 2 解决方法 2 确定氧气放空 阀优先级秩序 ， 避 免用 户相 1 提 出 和实施 氧气 “ 梯 级 ” 减压 智 能 匹 配控 制 互 干 扰 。 由于 有色 冶 金 炉 窑 工艺 的生 产 特 点 ， 其 作 技 术 。根 据现 有氧 气压 力 等级 的分 布 4 5 K p a G， 4 0 0 业 率设 计指 标 为 9 5 ％ ， 因此 在某 一 系 统 故 障或 临 时 K p a G和 1 2 0 0 K p a G三种 ， 统计分析冶金用氧格局 检修时， “ 梯级” 减压智能 匹配控制技术必须要面临 后提出氧气 “ 梯级” 减压供应技术 ， 其原理 图如图 3 。 如何处理短时间氧气放空的问题 ， 同时需要面对不 将高压氧系统多余的氧气 ～ 4 0 0 0 m ／ h减压进入顶 能对其他用氧用户产生较大干扰要求的挑战。 ／“ 梯级 ”减压、 ／ 、 、 一 级 压 一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯直接减压 ⋯ ⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯- 一 图 3氧气 “ 梯级 ” 减压工艺流程原理 图 1 4 有色冶金节能 口专论与综述 图 4“ 梯 级 ” 减 压 智 能 匹 配 控 制 图 从分散控制风险 、 降低改造投资 、 保持用户操作 险 ， 并将管网内的氧气压力波动稳定在运行的范围， 习惯等观点出发 ， 从众多方案中构建了分散控制、 集 不至于对其他用户产生干扰。当需要紧急切断 时， 中协 调 的控制 方法 ， 其 思 路是 总共 设 立 了 四级 氧气 可 以通过 人 工确认 的方 式 ， 启 动 紧急停 氧控 制 系统 ， 放空 调节 秩序 。 达 到控制 恶性 事故 进 一步蔓 延 的效果 。 第一级 为合成炉低压放空调节 阀， 正常情况下 3 构筑氧气管 网超压 、 超流量 的安全 防护体 管网内所有氧气排 空量均通过该阀来实现， 其最大 系。由于整个氧气管 网的核心调度程序是基 于“ 梯 放空 能力 为 ～ 3 0 0 0 0 m。 ／ h ； 级 ” 减压 智 能 匹 配 控 制 技 术 ， 三 级 管 网 的设 计 压 力 第二级为闪速炉 1 4 0 0 0低压放空 阀和 6 5 0 0低 差别又较大 ， 若 出现调节 阀故 障、 D C S控制 系统失 压放空阀， 在合成炉无法处理多余 的氧气放空量或 效 、 电磁阀失 电、 控制气源丢失以及管网局部破裂等 放空阀故障无法应用时， 排放管网内多余的氧气， 其 现象， 很可能危急整个管网系统 的安全供氧。 最大放空能力为 ～ 2 0 0 0 0 m ／ h ； 基于上述判断分析 ， 在氧气管网超压方面， 除 了 第三级为顶吹炉中压氧气放空阀， 在合成炉、 闪 设立氧气放空阀优先 级秩序安保措施 以外 ， 还通过 速炉放空阀均无法完成氧气放空或出现故 障时， 排 内置程序从氧气压力提供装置的源头上进行控制 。 放管 网内多余 的氧气 ， 其最大放空能力 为 ～ 6 0 0 0 0 在制氧装置 内部 ， 通过设立液氧泵定压力调节 m。 ／ h ； 系统、 安全阀紧急排放系统 、 液氧蒸发器压力连锁系 第四级 为制氧机本身 的放空调节 阀， 在探测到 统等多道防护体系 ， 构筑了安全防护网络 ， 具有很高 各级管网压力超过 内置数学控制模型或对应管网主 的可靠性。 用户放空阀不可用时 ， 根据压力上升的幅度 、 流量变 在氧气管网超流量方面， 通过检测数据分析主 化的趋势 ， 及时 自动调整其放空 阀的设定压力、 P I D 要用户氧气流量 的变化 ， 设立报警 、 连锁控制体系 ， 控制参数 ， 迅速打开氧气放空阀， 释放可能存在的风 当该管网的氧气流量超过预先设 定需求量 的偏差 2 0 1 2年 4月第 2期 大型有色冶金用氧技术优化研究及应用刘道科 张得仑 1 5 时 ， D C S控制 系统 则会 发 出报警 ， 岗位人 员通 过人 工 方式进行用户用氧询 问， 若无异 常则可确认调整偏 差 量 ， 有异 常 时则 启 动 应 急 预 案 ， 防 止 事 故 扩 大 ； 当 该管网的氧气流量超过预先设定 的最高需求量时， 流 量调 节 回路 就会 自动 替 代 压 力 调 节 回路 ， 控 制 氧 气流量在正常工作范 围之 内， 当得到用户确认需要 增加用氧信息后 ， 可调整最高需求量设定值 。若 出 懿 i{ ； j尘i 域 固 ； ⋯⋯V E ⋯ L 丽 ⋯⋯⋯ ⋯⋯ ⋯ ～ ⋯～⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯⋯⋯丽 现氧气管网超流量或超压力等极端状况 ， 氧气调节 系统会迅速 自动关闭调节阀， 必要 时制氧装置会连 锁停车， 直到故障消除。 4 开发 “自动 巡 航 ” 控 制 系统 ， 提 升抗 外 界 干 扰能力 。开发专 利技术 ， 利 用辅 助热 源法成 功解决 了 低温液体液位计稳定控制难题， 使低温液体液位的稳 定性提高了 1 个数量级 ， 改造前后效果对比如图 5 。 20II ～9 2 9 1 7 1 7 图 5 液氧蒸发器液 氧液位 利 用 制 氧 机 组 D C S控 制 系 统 ， 研 制 氧 气 生 产 2 9 0 0多万 千 瓦时 。 “自动巡 航 ” 控 制 系统 ， 实 现 了 由人 工 操 作 向 自动 化 由于放 散 点 数 和放 散 总 量 的减 少 ， 氧气 排 空 噪 操作迈进 的关键一步 。通过建立合适的数学控制模 音污染明显降低。 型 ， 将复杂的物料平衡 、 冷量平衡浓缩为相对简单可 靠的控制条件 ， 利用 D C S有限的资源和其优势控制 能力来 达 到制 氧工 况 自动 调整 的 目的 。该套 系统 研 制成 功 ， 可 以有效 的 辅 助 操 作员 工 进 行 制 氧 设 备 的 控制 ， 提高 了设备应对外界干扰 的能力 ， 减轻 了操作 员 工 的劳 动强 度 。 4 应用效果 通过应用研究成果 ， 使氧气放散点从正常生产 时的 4个变为 1 个 ， 减少 了放散总量。氧气放散率 从 1 0 ． 9 ％降低到 2 ． 1 ％ ， 年减少 的氧气 浪费量 可节 省 2 0 0 0多 万 元 ， 而 由此 节 省 的 电 能 耗 每 年 可 达 5 结束语 针对 大 型 有 色冶 金 用 氧技 术 进 行优 化 研究 ， 通 过氧气供应 网络化建设 ， 可以优化氧气资源供应 ， 提 升整体氧气供应和使用的经济性 ， 从 总体上降低氧 气放散率 ； 通过立足于 D C S集散控制系统 ， 实 现了 各种压力等级的氧气智能调配功能 ， 进一步降低 了 氧气放散率 ， 改变了有色冶炼传统的边放散、 边生产 的操作模式 ， 取得 了良好的经济效益。该课题 的研 究成功 ， 走出一条 自主研发 、 失败风险低、 投入资金 少 、 见效快的技术创新之路 ， 也可以为公司开发各种 优化技术方案提供有益的借鉴作用。