大型钢铁企业压缩空气系统经济运行的实践

安装运转大型钢铁企业压缩空气系统经济运行的实践张立，潘浩，刘昕，王波（武汉钢铁集团气有限责任公司，湖北省武汉市青山区白玉山430083）统泄漏损失、空气管网系统运行压力、运行方式三个主要因素进行分析，叙述采取的优化措施和取得的经济效益。

　　从事空分设备的生产运行管理工作。

　　刖言压缩空气在大型钢铁企业中主要用于气压传动、风动工具、冷却、仪表吹扫、干燥、切割及火焰处理等，是重要动力能源之，因此各个钢铁企业均建有庞大复杂的压缩空气系统。例如武汉钢铁集团（以下简称：武钢）本部空压站的数量随着集团的发展陆续增多，由最初的所空压站、两套150m3/h空分设备，陆续扩大为目前拥有七所空压站，总供气量达到34万m3/h的规模。

　　压缩空气系统的全寿命周期总成本包括三大部分，即设备基本建设成本、设备日常运行维护成本和运行能耗成本。根据统计，设备基本建设和曰常运行维护的成本只占压缩空气全寿命周期总成本的25%左右，而压缩空气系统每年运行能耗成本约占系统总成本的75%.因此，如何优化压缩空气系统的运行，降低其运行能耗成本是钢铁企业非常重视的问题。

　　1压缩空气系统运行能耗成本增加的原因分析1.1压缩空气系统泄漏损失大压缩空气系统泄漏是损失动力的一个连续根源，导致大量的压缩空气泄漏至系统外部，造成能源介质损失，是增加压缩空气系统运行能耗最主要的因素。

　　空气管道泄漏量大武钢本部现有管径大于50mm的空气管道超过125km，全部露天敷设，有些管道还处在高温、潮湿、具有腐蚀性的环境中，经常发生管道锈蚀穿孔导致泄漏故障。

　　自动疏水阀故障导致持续性泄漏自动疏水阀是压缩空气系统中最不起眼、最不被重视的配件，却是管路泄漏的最大元凶。管道中的锈蚀物、颗粒状粉尘沉积在疏水阀中，极易造成疏水阀堵塞或卡阻而无法关闭。疏水阀一旦堵塞，很难修复，为了不影响管路排水，必须稍开旁通阀，以随时保持持续性泄气。所以，在排水的同时相当数量的空气泄漏至系统外部。武钢本部压缩空气系统管网上的排水阀数量达1000多只，如果控制不好，仅此一项的泄漏点就达1000多处，所造成的泄漏损失非常惊人。

　　空气脱水装置再生气消耗量大在大型钢铁企业中，空气供应般分动力空气和仪表空气两种模式。空气经压缩机压缩后进入冷冻机降温至-5 C的露点，空气中60%的水分逐渐析出，冷冻干燥后的空气送入动力空气管网。在冷冻干燥器后串接吸附干燥装置，使空气露点进一步降低至-40C，作为系统的仪表空气。武钢本部空压站的空气脱水干燥装置均采用无热再生流程，该流程的主要特点是运行能耗低但再生放散损耗大，吸附剂解吸所需再生气的消耗量占空压机组发生量的20%以上。随着用户新技术的不断引进，对空气质量的要求日益提高，仪表空气占总空气量的比率呈逐年上升的趋势，目前已达到50%，空气质量的提高势必使运行成本增加。

　　1.2空气管网系统运行压力高，运行经济性不佳空气压力也是衡量空气质量的重要指标，空压机叶轮通过高速旋转改变空气的动能和压力，再由静止的扩压器进步降低空气的流速，来实现动能向压力能的变换。空压机排气压力增高直接导致空气运行能耗成本的增大。

　　1.2.1用户厂房内管路设计缺陷，管道气体流动损失大，空压机输出压力被迫升高在对用户关于空气压力使用的调查中，部分用户反映厂房内末端用气点压力不足，而这些用户厂房内空气管道般按照树状敷设，从管道接入点到最远用气点路途较长，加上厂房内空气管道的流通能力不足，气体流动时沿程损失较大。

　　武钢三热轧初步设计空气消耗量为10000m3/h，气源来自武钢六空压站，设计管道直径250mm，从三热轧厂房外接入点至末端用户的空气管道长达500m，并且采用树状工艺布置，如所示。投产以后，由于三热轧工艺变化等原因，实际空气消耗量达到18000m3 /h，末端空气压力实际只有0.3MPa，接入点到末端用户的管道压力损失超过0.2MPa，生产无法进行。为了满足三热轧的正常生产要求，被迫采用在六空压站出口总管上安装调压阀组，将六空压站空压机的输出压力提高至0.75MPa，使三热轧末端压力达到0.生产。但是六空压站大量空气必须通过调压阀减压后输送到压缩空气系统管网，造成能耗损失。据统计，安装调压阀后，在运行设备相同的情况下，六空压站电耗增加了1.2.2空压站站点多、分布广、管线长，管道流通损失大在大型钢铁企业中，为了保产的可靠性，空气输送系统通常采用环网输送。武钢本部现有的七所空压站，分布在武钢25km2的各个区域，各站所间均有专管连通。受各空压站供气的范围限制，当某一区域用气量减少时，该区域空压站的输出压力就会随之升高，富余的部分空气产品就通过连通管输送到其他需要的站所区域；反之，当某区域用气量增加时，其他区域富余的空气产品也可以通过连通管补充过来。但由于空压站投产年限相差较大，且部分空压站还经历过扩建，原有的连通管已经无法满足调配富余空气产品的需求，较长的连通管线和相对较小的管径造成了较大的气体流动损失，导致压缩空气系统运行经济性降低。

　　1.2.3个别用户空气压力需求过高，导致空压机排气压力被迫提高空气环网输送虽然提高了系统保产的可靠性，但是受输送压力的限制无法满足个别用户压力需求。排除用户厂房内管路设计缺陷原因，只有三冷轧和硅钢的局部用气点要求压力不低于0.55MPa.而这几个用气点的用量只有500m3/h，仅占总空气输送量的0.16%，为了保障三冷轧和硅钢的正常生产，不得不通过增开空压机来提高整个压缩空气系统管网的压力，并且排气压力升高，压缩机单机能耗同步升高，这种运行方式增加了整个压缩空气系统的运行成本。

　　1.2.4空压机额定输出压力不同导致部分机组放散运行武钢本部现有的七所空压站共27台空压机，分别建设于近50年间的不同时期。由于空气输送能力不断增加，输送系统上的缺陷等因素导致用户的压力需求不断提高，压缩机的额定输出压力由最早的0.65MPa逐渐升高至0.8MPa.为了满足压缩空气系统大部分用户的压力需求，压缩空气经脱水干燥装置送到系统管网的压力要求高于0.而压缩机的输出压力因为要克服脱水干燥装置的压力损失（通常高于0.1MPa），―般高于0.65MPa.这种情况下，额定输出压力低的压缩机就会在防喘振作用下放散运行，不利于空压机安全和经济运行。

　　1.3运行方式不优化导致压缩空气系统综合能耗局压缩空气系统运行能耗成本高除了系统本身缺陷外，人为控制、管理不到位也是重要因素之一。在大型钢铁企业中，压缩空气系统以保产性质为主，运行方式、生产调度组织是否优化和经济是常常被忽视的环节。

　　各空压站的输出压力单独控制、有高有低、调配不好导致管道流通损失大。用户离空压站越近，管道流通损失越小。如果离空压站近的用户空气用量有限，该空压站的空气必须通过连通管向较远的区域输送，势必造成流通损失增加。

　　用户用量不明确导致运行方式调整困难。

　　武钢本部空压站配备有从3000m3/h到30000m3/h的各种型号的空压机，当管网压力下降后，由于不知道用户消耗增加多少，如果启动了大于用户增加消耗量的设备，就会造成整个空气管网压力提高，导致能耗浪费。

　　空压机因为建设年代和制造厂家不同，单机能耗差异大。长期运行单机能耗高的空压机，导致压缩空气系统运行能耗成本增加。

　　2降低压缩空气系统运行能耗成本的措施2.1及时排查泄漏隐患，降低空气放散损耗2.1.1有效减少管道泄漏量定期展开压缩空气系统管网的全面普查，及时处理管道泄漏，减少管道泄漏量，并且根据管网使用年限和腐蚀情况制定计划，逐步进行更换。

　　2009年武钢编制了能源介质管道点检管理办法，明确规定了在日常点巡检基础上，每年4月和10月分两次对压缩空气系统上的自动疏水器、管线腐蚀生锈、法兰垫片、破裂的管路阀门等情况进行重点排查，发现漏点责令相关部门限期整改。

　　2010年武钢引入电子管网化系统，将管网上管道、阀门、法兰、管廊支架等的建设年代、维修情况等信息全部录入系统，使系统能及时提示应该重点排查和监控的部位，以有效对空气管网进行在线管理。通过电子管网化系统的管理，首先筛查出武钢本部在运行空气管道中使用年限超过30年的管道有28. 3km，在对这些管道进行进一步的现场排查后，根据管道的腐蚀情况和用户检修计划安排，逐一制定计划进行更换。截至2012年12月，武钢共更换空气管道11.74km，有效减少了因为管道腐蚀导致的管道泄漏。

　　2.1.2根据不同部位的使用环境选择不同形式的空气自动疏水阀在空压机出口等水含量较大的部位安装浮球式疏水阀，这种疏水阀的最大优点就是能够有效收集空气中的水分，排放损失小。但是铁锈等杂质极易集聚在排放口和浮球中间，导致排放口堵塞或阀门卡阻，造成疏水阀不排放或持续性排放。所以在压缩空气系统管网上特别是使用年限长的管道上选择带过滤器的倒置桶式疏水阀，并且定期清洗疏水阀中的过滤器。武钢从2009年开始选择性更换压缩空气系统上的疏水阀200多只，虽然一次性投入较大，但是使用效果非常明显，一方面减少了压缩空气系统上的无效排放，另一方面降低了维护成本。

　　2.1.3加强空气设备的维护和过程管理保证空压机气体冷却器的工作效果，降低空压机排气温度，减轻空气冷干机组、吸干机组的负荷。

　　降低冷冻机的故障率。冷冻机工作正常与否直接关系到进入吸干机的空气中的水含量，从而影响吸附剂再生所需的再生气大小。由试验可知，在相同进气量条件下，进吸干机空气温度升高1C，满足相同露点再生气的消耗量就增加1%3%.加强吸干机的维护。吸干机虽然结构不复杂，但是由于切换频率高（每3分钟切换1次），阀门动作频繁，故障率较高。针对此种情况，加强对吸干机的点巡检管理，及时更换出现故障的阀门；对吸附剂使用情况进行监控，及时更换失效吸附剂。

　　从武钢使用无热再生空气脱水干燥装置的使用情况来看，虽然运行能耗低但再生放散损耗大，特别是冷冻机运行5年后，故障率增高，设备维护成本增加。所以武钢准备将现有的无热再生空气脱水干燥装置逐步更换为微热再生流程。

　　2.2优化管网结构降低空压机输出压力及综合能耗2.2.1将末端压力不足并且厂房内采用树状布置的管道改为环状布置2009年3月，武钢三热轧从就近的压缩空气管道上敷设新管道与末端管道相连，将厂房内部的空气管道改为环状布置（如所示）。投入运行后，三热轧在供气量没有发生变化的情况下，末端用气点空气压力比之前上升0.18MPa，既满足了三热轧生产需要，又取消了六空压站出口的调压阀功能，使空压机的输出压力下降至0.58MPa.按照此方式，先后对三冷轧、四炼钢等5个用户的内部输送管道进行局部的优化改造。

　　表1实施优化措施前后各空压站的综合能耗比较空压站2009年（实施前）2012年（实施后）出口压力年平均值/MPa综合能耗/（kWh/m3）出口压力年平均值/MPa综合能耗2.2.2优化压缩空气系统输送管道，减少管道流通损失空压站的DN600mm的连通管，管道投用后解决了各空压站输出压力不平衡的问题，减少了气体流通损失。同时由于连通管流通能力增加，以前没有机会全停的空压站也能随时全停以处理设备隐患，极大增强了保产的可靠性。

　　2.2.3将空气压力需求过高且用量小的用户从系统管网脱离与三冷轧和硅钢两家单位进行大量的前期沟通工作，并得到武钢的认可后，2011年，两家单位分别专为需求压力高的用气点新增了小型空压机，并保留原空气管道作为备用气源。压力需求过高的用户从压缩空气系统管网脱离后，系统管网压力稳定在0.53MPa，空压机的输出压力也随之整体下降低空压机额定输出压力采取了系列措施后，在保证用户压力需求的前提下，空压机的输出压力可以控制在0.65MPa以下，原来受额定输出压力限制的空压机组的放散量明显减少。

　　2.3合理组织生产调度，优化运行方式加强调度管理职能，将原来的各空压站单独控制输出压力管理模式改为由调度室统控制，实行分区管理。明确每个空压站主要负责供应的用户单位，调度员密切关注各空压站的出口系统压力，对压力变化较大的空压站及时优化运行方式，以达到减少管道压降、各空压站压力平衡的目的。

　　充分利用武钢能源管理系统平台，随时掌握各用户消耗情况，及时调整运行方式，开、停与消耗量变化相匹配的空压机组，通常采用以大设备连续运行为主、小设备调峰为辅的运行方式，达到经济运行的目的。

　　根据各空压站空压机的性能不同，选择能耗相对低的设备运行，能耗高的设备处于备机状态。二空压站现有四台空压机，1、2空压机于1995年投产，单耗0.146kW.h/m3，而3、4空压机2008年投产，单耗0. h/m3.根据此情况，规定在正常情况下二空压站以3、4空压机运行为主，通过调整，二空压站当月的能耗水平就下降了0.06kW h/m3.二空压站空压机运行模式的调整取得了成功，随后将该方法应用到其他空压站，都取得了明显的效果。

　　3实施效果武钢用3年的时间采取各种措施对压缩空气系统进行持续优化，各空压站出口压力和综合能耗均有大幅下降（见表1），取得了非常好的经济效益。

　　优化措施实施后，压缩空气系统综合能耗下降h/m3，按照2009年武钢空气总产量228.619x107m3/h计算，总耗电量减少：万kW在空气产量不变的情况下，优化措施实施后，年节省动力费用960万元。

　　4总结目前我国大型钢铁企业的压缩空气系统结构基本相同，主要由空气压缩、空气干燥、管路输送、用户用气点分布等系统组成，根据钢铁企业的规模及用户耗气量的不同，合理优化管网、加强泄漏量的控制、减少管网压降损失，即提高了压缩空气系统的保产安全性，又能节省大量的能耗，具有较强的实际应用价值。武钢在压缩空气系统建设中也走过不少的弯路，但是经过不断地摸索，找到了适合自身特点的优化改造道路，取得了非常好的经济效益，希望能给同行以借鉴。