氮气能源梯级供给技术研究及运用

供稿|赵小喜，谢超，罗新生 / ZHAO Xiao-xi, XIE Chao, LUO Xin-sheng

内容导读

随着冶金技术的发展，我国对氮气能源的需求量与日俱增。目前国内生产厂家大多经降压站降压氮气，再供低压用户使用，不能从源头上实现分压供给。氮气能源梯级供给技术能够按照用户需求采取阶梯式能源供给方式，满足各用户的氮气能源的需求。文章介绍了氮透机降压技术改造、能源再平衡技术研究以及能源管网的重新设计与安装等，实现四川德胜集团钒钛有限公司动力能源厂对氮气能源的集中分配与控制，极大节约了输送成本。

氮气能源梯级供给技术是指在氮气能源供需过程，按照用户需求采取阶梯式能源供给方式，达到满足各用户的氮气能源的需求，同时降低氮气能源供给成本的一项专门技术。主要包括：

(1) 氮气压缩机的降压技术。通过将氮气压缩机由五级压缩改为四级压缩，使氮透的出口压力从1.9 MPa降至1.2 MPa，达到针对中、低压用户分别供给不同压力氮气的目的。主要工艺包括拆除第五级压缩级转子、前后轴承、气-油封组件、扩压器；重新安装压缩机的四级级间管道的止回阀、安全阀、膨胀节；增加前后轴承密封组件；增加五级密封盲板(现场制作)；更改排气管道到系统连接管道以及修改机组CMC控制程序。

(2) 中、低压能源平衡技术。在改造后的低压管道和中压管道间增加一个如图1所示的调节阀组，当低压能源供给出现压力不足或状态不稳定时，通过调节阀组引入中压能源进行补充，以稳定低压氮气的供给，使得整个能源管网处于相对平衡状态。

(3) 能源梯级工艺技术。即经过降压改造后的管道组网工艺、流量设计、能源损失、压力降计算等。改造后的四级氮透压缩机将氮气持续输送到低压管道，在3200机组降压站通过调节阀组与中压输送管道相关联，这样中压氮气可降压旁通至低压氮气管，及时补充低压供气，中、低压氮气则分别通过新增管道输送至用户。

另外为了缓冲供气，还需改造球罐，使球罐专供低压氮气，起到平衡作用。四级氮透压缩机出口新增一根管径φ327 mm低压氮气管道至3号高炉降压站，同时低压氮气总管至各低压用户的支管接入现降压后的总管处，这样也可由现有的中压管道进行供气。最后为低压氮气管道总管及各分支安装流量计、压力变送器等仪表，同步完善中压氮气管计量，所有流量数据均接入最近主控室后台，为生产提供氮气管控的有力依据。

图1 中、低压能源平衡示意简图

概 述

目的及意义

近年来，我国不断在节能减排技术领域取得突破性进展，随着炼铁物料消耗成本所占的炼铁制造成本迅速地增长，2014年以来，四川德胜集团钒钛有限公司积极响应号召，在保证公司利益的同时，完成了一系列节能技术改造和实验，为公司带来了革命性的经济增益。

据统计，动力能源厂两个制氧机组各有一台氮气透平压缩机，为保证全公司氮气压力在1.5～1.8 MPa之间，其出口压力分别设定为1.9、1.95 MPa。全公司主要是炼钢需1.2～1.6 MPa的中压氮气，由于现没有低压氮气，其他绝大多数低压氮气用户都是将主管网的中压氮气经过一次降压甚至二次降压后才使用，这样造成能源的极大浪费。在生产过程中，由于炼钢间断、集中使用氮气，特别是两座转炉同时溅渣护炉时，氮气用量瞬间骤增，使管网压力骤降0.5～0.6 MPa，导致管网压力波动幅度很大，制约了其他单位氮气正常使用，偶而还闹氮荒。由于流量计的不准确、不完善，在氮气不能满足需要时，不能准确查找到原因。

如果将氮透出口压力从现在的中压1.9 MPa降至低压1.2 MPa，在产量不变的情况下每小时可节约电能443 kW。为了杜绝如此大规模的电能浪费，针对不同用户实施的中、低压分压供给改造工程，可以达到既满足用户的用氮需求，又降低氮气输送成本的目的，并可同步解决现有氮气管网流量计不准和阀门关不严等问题。

这项技术不仅仅能改善公司的生产经营状况，也将会对公司节能减排领域乃至整个行业产生深远的影响。

国内现状

从2010年2月1日起，鞍钢股份有限公司氧气分厂采用了降低管网氧、氮气压力的输送方式，为了缓解氮气供需不平衡造成的管网压力波动，首先在4#35000 m3/h空分设备上进行降压试验。经过一段时间的摸索，取得了一定经验，2月25日应用于5#35000 m3/h空分和压缩设备，从3月11日起将降压操作经验推广到6#、7#35000 m3/h空分及压缩设备，氧气管网压力降低到2.4 MPa，2#35000 m3/h空分设备氧压机的排气压力也随之降低到2.4 MPa以下。在满足生产需要的同时，取得了可观的经济效益。

2016年，新钢公司将两台C150MX5N2型氮压机进行降压节能改造，将氮气分为中压氮气和低压氮气输送，经理论计算，低压用氮的输送压力由2.1 MPa变为1.1 MPa，可节约压缩电耗将近22%。根据统计，在实际生产过程中，每立方米的氮气压缩电耗降低0.030 kW·h，预计可节约电量1.192×107kW·h，经济效益非常可观。

国外状况

随着生产规模的大型化和生产过程的现代化，国际冶金行业压缩空气的消耗量愈来愈大。

动力用离心式空气压缩机流量的变迁动力用空气压缩机大都采用往复式或螺杆式压缩机。当流量超过50 m3/min时，用往复式则显得笨重，维护比较困难，占地面积也大；若采用离心式压缩机，效率较低、噪音较大、流量调节比较麻烦，因此，一直到20世纪50年代，离心式空气压缩机的发展还很缓慢。在1947年前后，德马克公司制成了二轴四级、齿轮传动的离心式空气压缩机，克服了一般单轴多级离心式压缩机的一些缺点，等温效率较高、噪音也较低、结构也较紧凑，因此逐渐得到采用。

为了满足离心式压缩机节能和分压供给，国外厂商纷纷开始对压缩机进行技术改造，包括研发新型高效能叶轮、改善进气流场、增强密封技术等，其中比较典型的就包括美国氮透厂家英格索兰在2016年提出的减少氮透机的压缩级以降压的理论，随后，欧洲某压缩机制造公司进行了类似的工艺设计和可靠性实践，从结果来看，都极大地减少了生产成本，降低了能量损失，提高了生产的综合效率。

供给技术研究内容

氮透压缩机的降压改造

在实施氮压机改造前先对各高炉密封氮气管路系统进行改造。考虑到高炉系统的安全性，保留原高炉系统的调压装置，将低压氮气管路与原中压氮气调压系统出口碰头，当低压系统出现压力偏低时，原中压氮气调压系统自动减压以确保高炉密封氮气的可靠供应。

将对1万制氧机组氮透压缩机进行节能改造，改造时间约3 d，机组重新做喘振实验，试运行机组各项参数稳定后投入运行，此阶段低压氮气的供应由中压与低压同时进行供应，中压减低压的压力设定比低压氮压机的设定压力低0.1 MPa，中压减低压的压力设定为0.8 MPa。氮透压缩机改造稳定运行10 d后，与之前的中压机组并网稳定运行。

中、低压旁路压力控制逻辑设计

在3200机组降压站增加联通调节阀组将中压和低压氮气主管相连，由于改造后采取了中低压氮气分别供给技术，难免会出现高压系统压力不稳、低压系统压力不足的情况。当低压系统压力难以满足用户的压力需求时，调节阀门，这样中压氮气可降压旁通至低压氮气管，及时补充低压供气。

能源管网梯级布控

主要涉及管网的重新组建，主管网的相互连接，调节阀组的安装，流量计等监控仪器的安装与校准等。根据厂区氮气的使用情况，决定进行如下改造：拟从1万制氧机组氮透机组出口新增一根管径φ327 mm的低压氮气管道到3号高炉降压站，同时低压氮气总管至各低压用户的支管接入现降压后的总管处，在中、低压管道间增加调节阀，原两根氮气管道任输送中压氮气。为了供气缓冲，将1万制氧一台1000 m3氮气气球罐改为转供低压氮气，平衡低压氮气。6000制氧氮气压缩机，通过出口管道连接方式的改变，可实现既能输出中压氮气，也能输出低压氮气。低压氮气管道总管及各分支安装流量计、压力变送器等仪表，同步完善中压氮气管计量，所有流量数据均接入最近主控室后台，为生产提供氮气管控。

图2 改造后的管网示意图

氮透压缩机的降压技术改造重点

(1) 增加的前后轴承密封件的安装为不等径分布，需要现场测绘定位扩孔。另外需对轴承密封件增加一道O型密封沟槽，通过O型密封圈对五级的油路系统密封。

(2) 拆除机组的第五级压缩转子后因机组的负荷改变，需要重新做喘振实验，测出机组的最小运行电流，以在实际运行中保证压缩机在安全区域内运行。喘振点实际数据见表1，喘振保护线及控制线数据见表2。

(3) 拆除机组第五级压缩级转子后机组的压缩能力增大，根据实际运行经验，压缩机的压缩量可以到26000 m3/h左右，在冷却水量和温度不变的情况下需要控制压缩机的运行电流，否则压缩机的一二三四级冷却器的热负荷太大容易结垢，会缩短压缩机的运行周期。

(4) 喘振实验一定要精确，否则极易造成压缩机组的保护系统失灵。

从表1和表2中可以看出，通过对机组进行喘振实验，得到了在生产过程中的操作依据。机组已运行时，由于系统原因，有时整个空分装置需低负荷(70%左右)运行，又因为空分装置自身的特点，需要减少空气量的同时要求空气压力仍为正常负荷时的压力，这给操作增加了难度。但有了喘振控制线，既可在变负荷和运行时看到工作点距离喘振控制线的远近以保护机组，又可避免因没有依据而无谓地加大放空量以防止喘振的发生，可达到节能降耗的目的。

表1 喘振点实际数据表

表2 喘振保护线及控制线数据表

实施方法

(1) 透平离心式压缩机由进气管、叶轮、扩压器、蜗室等组成。压缩机工作时，叶轮高速旋转，由于旋转离心力的作用及工作轮中的扩压流动，使氮气的压力得到提高，速度也得到提高，随后在扩压器中把速度能转化为压力能，再进入下一压缩级进一步压缩，直到五级压缩全部完成，通过这个过程把最终出口氮气提高到所需压力，这就是氮透压缩机的工作原理。在实施改造方案时，提前进行氮压机降压压缩功率节约比率的计算，并对减压后的效果进行评估，在理论计算支持下，对压缩机第五级转子进行拆除，并综合考虑改后机组的负荷和工况变化。在理想状况下，假定氮气的进气压力为0.112 MPa，当氮压机的排气压力为1.1 MPa时的压缩功与与氮压机的排气压力为2.1 MPa时的压缩功的比值为0.7794。

故氮压机的排气压力为1.1 MPa时的压缩功比氮压机的排气压力为2.1 MPa时的压缩功节能约22%。

(2) 设计改造后的管道设计，理想的管路设计是否正确、良好，可以用压损的高低作为衡量的标准，从空压机的排气压力到管路末端的压损以不超过5%或0.35 kg/cm2为原则(两者中取低者为标准)影响压损高低的系统组件包括冷却器、干燥机、过滤器、控制阀、弯头、管径及管长等。冷却器、干燥机、过滤器、控制阀等组件均可从供货商处获得较正确的压损标准。每个弯头的压损相当于8～10倍等径管长的压损，因此应将弯头的使用量尽可能的减少。管径的大小对压损影响很大，压损一定要精确计算。

能源梯级供给技术特性

能源梯级供给技术使用的3种工艺技术在理论和实际生产中具有如下特性：

(1) 利用氮气低压低用的特点对氮压机进行改造，在低压用户群中可减少大量的能源输送电耗，同时不影响中压用户的生产。采取的技术创新点在于，可以在不引进新低压氮透机的情况下，通过技术改造旧的机组、减少压缩等级、降低氮透出口压力，从而省去末端低压用户再降压的工序，以提高压缩效率，在时间和能耗上达到“双高效”。

(2) 中、低压能源平衡技术采用旁路压力逻辑控制，多个阀门组和压力仪表由系统逻辑电路控制，能够相互配合，实现压力的自动监测、中压的稳定释放、以及低压的可持续补充等智能化调节方式。

(3) 管网的布控通过经济效益最大化的设计，充分将氮气的压降损失减到最小，以1#高炉为例，改造前的高炉用氮需经过1、2#高炉降压站，将中压氮气经降压输送至生产线。据估算，1#高炉原输送过程压降损失达到约4.7%，而改造后1#高炉直接与低压氮气管道相连，在管径、流速、温度以及输送量相同的情况下，新管网技术可降低压降损失至2.9%，同产量的高炉生产可减少1.8%能耗，按照年效益计算，仅仅是能源输送方面节约的能耗就有近10万元。在用电量基数如此庞大的钒钛企业，管网改造势在必行。

总之，这3项技术一定程度上弥补了我厂与国内其他厂商相比存在的劣势，能源梯级管理技术存在着广阔的理论前景和发展空间，这不仅在生产工艺上是一次创新，在节能减排的大背景下，也是一次有效的改革。

结束语

(1) 通过一系列的理论验证，本次设计的分压改造方式完全满足公司对氮气使用的要求，对此次方案实际发挥的作用进行了验证。

(2) 通过本次设计改造，公司在节能领域向前迈进一大步，并掌握了今后在该领域的重点方向与技术。

(3) 实施的改造方案对氮透机组、能源管网以及能源调节中心的操作准则进行标准化管理程序修订，确保后续相关作业规范管理。