·284· 工程科学学报，第39卷，第2期 9 液氧气化器数量 钢铁治金过程需要消耗大量的氧气，主要用于高炉炼 参数 铁或COREX炉炼铁、转炉炼钢等（吨钢综合耗氧110 △1 时间步长，h m左右，文中氧气体积均指标准状态下的体积)，所 Aw.co 第i号空分装置最大气体产量，m3h1 需氧气通常由基于低温精馏法的空气分离装置（以下 Awin.Co 第i号空分装置最小气体产量，m3h1 简称“空分装置”)来制取).空分装置可将大规模的 第m号液化装置最大液化量，m3h1 空气压缩、净化、冷却及液化，然后通过低温精馏过程 将其分离为氧、氨和氩等高纯度气体及液体产品。制 L 第m号液化装置最小液化量，m3h 氧系统是钢铁生产流程的一个重要组成部分，也是耗 C 第h号压缩机最大输气量，m3,h1 能大户.因而，进一步提高氧气的利用效率对于完成 C 第h号压缩机最小输气量，m3.h1 钢铁生产节能降耗任务具有积极的现实作用，对于国 pax 高压管网最大准许压力，Pa 民经济发展和保护环境更是具有重要的深远意义. 高压管网最小准许压力，Pa 我国大部分的钢铁企业都建有自备空分厂，厂内 Gy 第g号气化器的额定气化量，mh1 般配备有若干台大型空分装置.除了少量瓶装气体 G 第j号压缩机额定输气量，m3h1 及液体产品的外卖，空分厂生产的绝大部分氧气都被 送往其唯一的用户，也就是钢铁厂.该情况下，供氧系 E, 第t周期内氧气放散量，m3hl 统经常会出现由供需不平衡而导致的氧气放散现象. DNP 第t周期内常压氧需求量，m3h 氧气放散量越大意味着吨钢造价越高，因此氧气放散 DHP 第t周期内高压氧需求量，m3h1 率是反映钢铁企业能源利用效率的一个重要指标.氧 T 第t周期内第k号液氧储罐储量，t 气供需不平衡的主要原因是氧气需求量具有一定不规 T 第k号液氧储罐最大准许储量， 律性，而其生产量却是相对稳定的，该矛盾根源在于生 F 大气环境温度，K 产侧的氧气生产设备和需求侧的用氧设备的运行规律 V 高压管网及高压气体球罐总容积，m 有所不同.在需求侧，氧气的主要用户为炼钢厂的转 X 空分装置液氧产量和氧气产量的比例系数 炉和炼铁厂的高炉，用氧量在常规时间的波动性主要 空分装置的变负荷速率，m3h2 由转炉间歇性操作引起，而在高炉休风期间则会出现 B 剧烈波动.在供给侧，为保证高效运行和产品纯度，空 B 可变负荷压缩机的变负荷速率，m3.h2 分装置一般设计在额定工况下稳定运行，其负荷只能 R 理想气体常数 在小范围内变化.理论上，典型的空分装置可在额定 (R=8.31446m3.Pa-K-lmol-l) 工况的80%至105%范围内进行负荷调节，变负荷的 标准状态氧气和液氧的转换系数 速率一般不超过0.25%·min11,).实际中空分装置 (p=0.00143m3) 的变负荷范围和速率还取决于设备自身特性以及操作 连续变量 人员的经验和水平，当然，彻底关闭一台空分装置也 A 第t周期内第i号空分装置气体产量，m3h1 是一种将产量降为零的变负荷方式，然而空分装置重 A份 第t周期内第i号空分装置液氧产量，m3h1 新启动却需等待较长时间（通常约12h)才能使氧气产 Las 第t周期内第m号液化装置液化量，m3h1 品达到合格的纯度[].因此，空分厂很少会通过空分 第t周期内第h号压缩机输气量，m3h1 装置频繁的停开机来调节氧气产量，除非氧气需求出 Cka 现长时间维持在较低水平的情况.例如，高炉休风期 StA 第：周期内第k号液氧储罐液氧外卖量，1 间，现场人员通常会关闭一台空分装置并顺便对其进 P 第t周期内高压管网压力，Pa 行维护.由于前述的不平衡现象的存在，空分厂在氧 0~1变量 气的供给侧配备有缓冲系统，包括气体储存和液体备 1,第：周期内第j号压缩机处于运行状态： 份两大部分：气体储存部分由压缩机和高压管网（管 0,停机 道和球罐)组成，通过管网压力在一定范围内的变化 1,第t周期内第g号气化器处于运行状态： 来消纳短期内氧气的供需不平衡.液体备份部分包括 0,停机. 氧气液化装置、低温液体储罐和气化器.必要时，过剩 的氧气可以通过液化装置液化后送入液体储罐长时间 2015年我国累计生产粗钢达8×103t,钢铁产量 储存.而气化器仅在某些紧急情况下才启动，当氧气 占世界总产量近二分之一，但钢铁生产能耗指标与世 出现剧烈短缺时，例如某台空分装置因突发故障停机， 界先进水平仍有较大差距，节能降耗任务仍十分艰巨. 气化器必须快速启动将液氧气化后送入管网以维持管工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 q 液氧气化器数量 参数 驻t 时间步长,h A max,GO i 第 i 号空分装置最大气体产量,m 3·h - 1 A min,GO i 第 i 号空分装置最小气体产量,m 3·h - 1 L max m 第 m 号液化装置最大液化量,m 3·h - 1 L min m 第 m 号液化装置最小液化量,m 3·h - 1 C max h 第 h 号压缩机最大输气量,m 3·h - 1 C min h 第 h 号压缩机最小输气量,m 3·h - 1 P max 高压管网最大准许压力,Pa P min 高压管网最小准许压力,Pa Gq 第 q 号气化器的额定气化量,m 3·h - 1 Cj 第 j 号压缩机额定输气量,m 3·h - 1 Et 第 t 周期内氧气放散量,m 3·h - 1 D NPO t 第 t 周期内常压氧需求量,m 3·h - 1 D HPO t 第 t 周期内高压氧需求量,m 3·h - 1 Tk,t 第 t 周期内第 k 号液氧储罐储量,t T max k 第 k 号液氧储罐最大准许储量,t F 大气环境温度,K V 高压管网及高压气体球罐总容积,m 3 Xi 空分装置液氧产量和氧气产量的比例系数 B A i 空分装置的变负荷速率,m 3·h - 2 B C h 可变负荷压缩机的变负荷速率,m 3·h - 2 R 理想气体常数 (R = 8郾 31446 m 3·Pa·K - 1·mol - 1 ) 囟 标准状态氧气和液氧的转换系数 (囟 = 0郾 00143 t·m - 3 ) 连续变量 A GO i,t 第 t 周期内第 i 号空分装置气体产量,m 3·h -1 A LO i,t 第 t 周期内第 i 号空分装置液氧产量,m 3·h -1 Lm,t 第 t 周期内第 m 号液化装置液化量,m 3·h -1 Ch,t 第 t 周期内第 h 号压缩机输气量,m 3·h - 1 Sk,t 第 t 周期内第 k 号液氧储罐液氧外卖量,t Pt 第 t 周期内高压管网压力,Pa 0 ~ 1 变量 Uj,t 1,第 t 周期内第 j 号压缩机处于运行状态; 0,停机. Nq,t 1,第 t 周期内第 q 号气化器处于运行状态; 0,停机. 2015 年我国累计生产粗钢达 8 伊 10 8 t,钢铁产量 占世界总产量近二分之一,但钢铁生产能耗指标与世 界先进水平仍有较大差距,节能降耗任务仍十分艰巨. 钢铁冶金过程需要消耗大量的氧气,主要用于高炉炼 铁或 COREX 炉炼铁、转炉炼钢等(吨钢综合耗氧 110 m 3左右[1] ,文中氧气体积均指标准状态下的体积),所 需氧气通常由基于低温精馏法的空气分离装置(以下 简称“空分装置冶)来制取[2] . 空分装置可将大规模的 空气压缩、净化、冷却及液化,然后通过低温精馏过程 将其分离为氧、氮和氩等高纯度气体及液体产品. 制 氧系统是钢铁生产流程的一个重要组成部分,也是耗 能大户. 因而,进一步提高氧气的利用效率对于完成 钢铁生产节能降耗任务具有积极的现实作用,对于国 民经济发展和保护环境更是具有重要的深远意义. 我国大部分的钢铁企业都建有自备空分厂,厂内 一般配备有若干台大型空分装置. 除了少量瓶装气体 及液体产品的外卖,空分厂生产的绝大部分氧气都被 送往其唯一的用户,也就是钢铁厂. 该情况下,供氧系 统经常会出现由供需不平衡而导致的氧气放散现象. 氧气放散量越大意味着吨钢造价越高,因此氧气放散 率是反映钢铁企业能源利用效率的一个重要指标. 氧 气供需不平衡的主要原因是氧气需求量具有一定不规 律性,而其生产量却是相对稳定的,该矛盾根源在于生 产侧的氧气生产设备和需求侧的用氧设备的运行规律 有所不同. 在需求侧,氧气的主要用户为炼钢厂的转 炉和炼铁厂的高炉,用氧量在常规时间的波动性主要 由转炉间歇性操作引起,而在高炉休风期间则会出现 剧烈波动. 在供给侧,为保证高效运行和产品纯度,空 分装置一般设计在额定工况下稳定运行,其负荷只能 在小范围内变化. 理论上,典型的空分装置可在额定 工况的 80% 至 105% 范围内进行负荷调节,变负荷的 速率一般不超过 0郾 25%·min - 1[1,3] . 实际中空分装置 的变负荷范围和速率还取决于设备自身特性以及操作 人员的经验和水平. 当然,彻底关闭一台空分装置也 是一种将产量降为零的变负荷方式,然而空分装置重 新启动却需等待较长时间(通常约 12 h)才能使氧气产 品达到合格的纯度[4鄄鄄5] . 因此,空分厂很少会通过空分 装置频繁的停开机来调节氧气产量,除非氧气需求出 现长时间维持在较低水平的情况. 例如,高炉休风期 间,现场人员通常会关闭一台空分装置并顺便对其进 行维护. 由于前述的不平衡现象的存在,空分厂在氧 气的供给侧配备有缓冲系统,包括气体储存和液体备 份两大部分. 气体储存部分由压缩机和高压管网(管 道和球罐)组成,通过管网压力在一定范围内的变化 来消纳短期内氧气的供需不平衡. 液体备份部分包括 氧气液化装置、低温液体储罐和气化器. 必要时,过剩 的氧气可以通过液化装置液化后送入液体储罐长时间 储存. 而气化器仅在某些紧急情况下才启动,当氧气 出现剧烈短缺时,例如某台空分装置因突发故障停机, 气化器必须快速启动将液氧气化后送入管网以维持管 ·284·