钢企大型空分设备能耗分析与经济运行研究
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钢铁企业是工业气体的重要用户，氧气、氮气、氩气已成为钢铁生产中必不可缺的能源介质，被形象地称为“工业血液”，空分装置则是气体生产的“心脏”。在我国，空分装置电力消耗占钢铁企业总电耗的15%~20%，而钢铁企业电耗占总能耗的25%左右，因此降低空分系统能耗是企业节能的重要环节。
而近年来钢铁企业的整体效益下滑，部分企业亏损严重，但以生产气体产品为主的氧气厂（气体公司）经济效益良好，成为钢铁企业非钢产品收入的重要渠道。某中型钢铁企业氧气厂新建空分设备内含液化装置，投产以来仅低温液体外销年收入在2000万元以上。
如何在保证钢铁生产用气平稳的前提下，降低气体产品的能耗（即成本）、减少氧气放散率、提高外销收益，以此实现空分系统综合能耗最小化（经济效益最大化），日益成为业内关注的重点。
钢企空分系统有多种特性
国内工业气体的供应
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一般分三种：一是用户自备空分设备，自行管理并生产；二是由独立的气体供应商投资建厂，空分设备合作管理或单独管理，用户与之签订长期的购气
合同
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；三是用户向气体零售商购买。
我国钢铁企业大多数采用第一种方式，但第二种独立供气方式近年来逐步兴起，以国外跨国公司和民营公司为主导，将国外普遍采用的气体公司规模化经营、分散供气的模式引入我国。而国内具有大型空分设备的企业，逐步出现将气体厂独立或合资，向社会提供多样化服务的趋势。
钢铁企业自备空分设备自行管理，具有供需灵活调整、统一调度、工辅系统配套等优势。但是由于钢铁生产工艺的特点，氧气放散率高、综合能耗水平低是普遍存在的问
题
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。例如转炉炼钢间断性吹氧而空分生产连续供应，造成刚性的放散矛盾；为保证用户波动，氧气管网供气压力远大于用户实际需求，造成压缩能耗损失；氧气、氮气的用量不同，大型空分装置在生产中“保氮放氧”或“保氧放氮”，造成高纯度气体的浪费。
尽管目前先进空分装置具备一定的变负荷能力和较高的自动化水平，但以上钢铁企业固有的工艺特点，限制了先进空分设备的优势发挥。空分系统的运行具有如下特点：
范围广、跨度大，须要综合考虑的因素多。这包括气体的生产、储存、输送和使用等，既涉及气体生产计划，又涉及生产调度；涉及的空间跨度既包括空分系统机组，又包括不同的用户群。
涉及的因素多。钢企在进行管理和调度决策时，须考虑内部和外部多种因素，如生产设备、流程特点、生产成本、公司计划、市场需求、价格等因素。
突发性的决策多。由于气体使用的设备大多结构复杂，受影响因素多，设备故障和临时检修等问题也随之增多，增加了空分系统能源管理的难度。
由此可见，降低空分系统的能源消耗、提高空分产品的能源利用率，不仅涉及提高空分单体设备的效率（降低设备能耗），而且涉及到机组经济运行和用氧系统的合理调度问题。其前提是准确分析不同流程空分设备的产品能耗分摊问题。
研究能耗分摊 提升设备适应性
近年来国内投产的大型空分装置，具有氧气内压缩、液体转换能力强、变负荷迅速等新特点，与以往全低压外压缩气体空分设备相比有明显的流程变化，相应的产品能耗分摊和电耗分配也不同。以某75000Nm3/h空分装置为例，该空分装置上塔和粗氩塔为填料塔，液氧内压缩到一定压力后通过主换热器回收冷量，循环增压机以氮气为介质；液氧与液氮产品间具有相互转换的快速变负荷功能，同时具备以增减空气量为手段的常规变负荷能力。
对于该空分流程，各种产品的能耗分摊计算原则如下：以全低压空分氧、氮、氩全提取的能耗分摊比例作为计算基础，内压缩流程根据流程和产品特点修正。空分产品分为高压氧、中压氮、高压氮、液氧、液氮、液氩6种。空分产品分离能耗包括空压机压缩功。增压机能耗在于补充全液氧生产的冷量，因此计入液氧能耗中。高压氧能耗在液氧能耗基础上累加液氧泵压缩功耗，即高压氧能耗包括氧分离能耗、循环增压机能耗、液氧泵能耗。中压氮和高压氮能耗包括氮分离能耗、氮气压缩机能耗。液氮、液氩能耗应计算低温液体液化功耗。
工作人员按照空分设计工况，参照流程工艺，计算出空分设备的能耗分摊比例和单位产品电耗。当空分在变负荷工况下运行时，由于气体产品的产量不同，各产品能耗分摊比例和单耗也不同，须要根据具体变负荷运行数据进行重新核算。针对内压缩流程空分设备的产品能耗分摊表明，高压氧气能耗占比较高，主要在于全液氧运行内压缩能耗较高，相对于外压缩氮气产品占据主导地位。
依据空分设备的能耗分摊比例和单耗计算方法和结果，工作人员可以建立含有目标函数的能耗优化模型，使空分设备按照不同的变负荷工况运行，适应不同的气体用户需求和市场价格波动，能够满足能耗最低或经济效益最佳的运行要求。
建立空分系统经济运行模式
在钢铁企业，氧气主要用于炼钢转炉吹氧和高炉富氧冶炼，氮气用于钢铁产品热处理用惰性气体保护、高炉喷吹、转炉溅渣护炉等，氩气用于炼钢转炉复吹和炉外精炼。根据钢厂空分生产与供需模式，为了降低气体产品综合能耗，同时降低放散率、增加液体外销，钢铁企业空分系统的经济运行应从以下几个方面进行分析研究：
不同流程的空分设备，氧、氮、氩产品能耗组成不同，须要建立科学的核算方法。由于空分系统多种气体产品同时产生并且相互影响，将空分系统整体能耗分摊到不同产品中，使空分机组的优化运行有计算依据。
根据钢厂高炉富氧、炼钢吹氧和其他用户的用氧特点，建立相应的预测与跟踪模型，使空分变负荷运行方式与之匹配，将有效降低气体放散率和综合能耗。
大型空分机组具有液体生产能力和负荷调整功能。低温液体外销不仅提高经济效益，而且是生产能力缓冲的有效方式，应该将气体放散和机组能耗进行高附加值转化。
以上功能的实现，依托于空分装置变负荷能力、上下游用户的信息交换，但核心在于整体的优化模型设计。这包括空分能耗分析、气体缓冲系统分析、预测模型开发和建立经济运行专家系统。典型钢铁企业的空分系统经济运行与专家决策系统框图见附图。空分经济运行模式是建立在优化模型基础上的动态过程，在目前空分制造水平和自动化控制水平不断提高的条件下，能够实现钢铁企业生产保供的模式创新。
附图 空分经济运行与专家决策系统框图
（中国冶金报）
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