冶金用氧优化难题与解决措施
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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18%～28%，除燃料、电能以外，位列所有加工成本的第三位，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15%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DCS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DCS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2×6500m3/h空分系统、14000m3/h空分系统、20000m3/h空分系统和2×22500m3/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1000～3000m3/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0～18000m3/h，平均用氧需求为10000～12000m3/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:
(1)尽管氧气管网系统并网以后，氧气放散率从28%降低到为～10．9%，但没有达到预期设想的控制目标5%以下。
(2)当三大冶金炉窑系统中某一系统不用氧或故障时，会出现了管网压力超过正常工作压力1．8倍以上的“憋压”现象;而在切换用氧的过程中，又会出现该管网压力低于正常工作压力50%以下的“抽空”现象。
(3)高压氧用户使用量的波动非常剧烈，通常在0～18000m3/h之间，氩系统“氮塞”次数频繁，氧气综合能耗指标高。
(4)频繁进行氧气生产负荷的调整，使得大型旋转设备处于不稳定的工作状态，容易导致设备事故和工艺事故突发，使设备运行可靠性降低。
3.1.2.2解决方法
(1)提出和实施氧气“梯级”减压智能匹配控制技术。根据现有氧气压力等级的分布(45KpaG，400KpaG和1200KpaG三种)，统计分析冶金用氧格局后提出氧气“梯级”减压供应技术，其原理图如图3。将高压氧系统多余的氧气～4000m3/h减压进入顶吹炉管网系统，然后将顶吹炉管网系统多余的氧气～11000m3/h分三部分减压进入合成炉供氧管网系统、闪速炉14000供氧管网系统和6500供氧管网系统，最后将14000供氧管网系统与合成炉供氧管网系统并联，实现氧气调峰目标。
在氧气供应参数配置上，注重控制压力高端处的放空阀，正常情况下只保留压力最低处的氧气放空阀，从而降低氧气调配控制难度，实现各系统调剂使用氧气资源。其控制功能模块图如图4。通过上述控制模式，在氧气富裕的情况下，保持管网系统高压力;在氧气不足时，利用管网存储的氧气释放来满足用户的波动，并依据压力涨落、流量变化来自动智能修正送往各用户的调节阀设定压力，避免管网出现“憋压”和“抽空”现象的发生。
(2)确定氧气放空阀优先级秩序，避免用户相互干扰。由于有色冶金炉窑工艺的生产特点，其作业率设计指标为95%，因此在某一系统故障或临时检修时，“梯级”减压智能匹配控制技术必须要面临如何处理短时间氧气放空的问题，同时需要面对不能对其他用氧用户产生较大干扰要求的挑战。从分散控制风险、降低改造投资、保持用户操作习惯等观点出发，从众多方案中构建了分散控制、集中协调的控制方法，其思路是总共设立了四级氧气放空调节秩序。第一级为合成炉低压放空调节阀，正常情况下管网内所有氧气排空量均通过该阀来实现，其最大放空能力为～30000m3/h;第二级为闪速炉14000低压放空阀和6500低压放空阀，在合成炉无法处理多余的氧气放空量或放空阀故障无法应用时，排放管网内多余的氧气，其最大放空能力为～20000m3/h;第三级为顶吹炉中压氧气放空阀，在合成炉、闪速炉放空阀均无法完成氧气放空或出现故障时，排放管网内多余的氧气，其最大放空能力为～60000m3/h;第四级为制氧机本身的放空调节阀，在探测到各级管网压力超过内置数学控制模型或对应管网主用户放空阀不可用时，根据压力上升的幅度、流量变化的趋势，及时自动调整其放空阀的设定压力、PID控制参数，迅速打开氧气放空阀，释放可能存在的风险，并将管网内的氧气压力波动稳定在运行的范围，不至于对其他用户产生干扰。当需要紧急切断时，可以通过人工确认的方式，启动紧急停氧控制系统，达到控制恶性事故进一步蔓延的效果。
(3)构筑氧气管网超压、超流量的安全防护体系。由于整个氧气管网的核心调度程序是基于“梯级”减压智能匹配控制技术，三级管网的设计压力差别又较大，若出现调节阀故障、DCS控制系统失效、电磁阀失电、控制气源丢失以及管网局部破裂等现象，很可能危急整个管网系统的安全供氧。基于上述判断分析，在氧气管网超压方面，除了设立氧气放空阀优先级秩序安保措施以外，还通过内置程序从氧气压力提供装置的源头上进行控制。在制氧装置内部，通过设立液氧泵定压力调节系统、安全阀紧急排放系统、液氧蒸发器压力连锁系统等多道防护体系，构筑了安全防护网络，具有很高的可靠性。在氧气管网超流量方面，通过检测数据分析主要用户氧气流量的变化，设立报警、连锁控制体系，当该管网的氧气流量超过预先设定需求量的偏差时，DCS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。利用制氧机组DCS控制系统，研制氧气生产“自动巡航”控制系统，实现了由人工操作向自动化操作迈进的关键一步。通过建立合适的数学控制模型，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DCS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10.9%降低到2.1%，年减少的氧气浪费量可节省2000多万元，而由此节省的电能耗每年可达2900多万千瓦时。由于放散点数和放散总量的减少，氧气排空噪音污染明显降低。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DCS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。