鋼鐵企業是工業氣體的重要用戶，氧氣、氮氣、氬氣已成為鋼鐵生產中必不可缺的能源介質，被形象地稱為“工業血液”，空分裝置則是氣體生產的“心臟”。在我國，空分裝置電力消耗占鋼鐵企業總電耗的15%~20%，而鋼鐵企業電耗占總能耗的25%左右，因此降低空分系統能耗是企業節能的重要環節。

　　而近年來鋼鐵企業的整體效益下滑，部分企業虧損嚴重，但以生產氣體產品為主的氧氣廠（氣體公司）經濟效益良好，成為鋼鐵企業非鋼產品收入的重要渠道。某中型鋼鐵企業氧氣廠新建空分設備內含液化裝置，投產以來僅低溫液體外銷年收入在2000萬元以上。

　　如何在保證鋼鐵生產用氣平穩的前提下，降低氣體產品的能耗（即成本）、減少氧氣放散率、提高外銷收益，以此實現空分系統綜合能耗最小化（經濟效益最大化），日益成為業內關注的重點。

　　鋼企空分系統有多種特性

　　國內工業氣體的供應方案一般分三種：一是用戶自備空分設備，自行管理并生產；二是由獨立的氣體供應商投資建廠，空分設備合作管理或單獨管理，用戶與之簽訂長期的購氣合同；三是用戶向氣體零售商購買。

　　我國鋼鐵企業大多數采用第一種方式，但第二種獨立供氣方式近年來逐步興起，以國外跨國公司和民營公司為主導，將國外普遍采用的氣體公司規模化經營、分散供氣的模式引入我國。而國內具有大型空分設備的企業，逐步出現將氣體廠獨立或合資，向社會提供多樣化服務的趨勢。

　　鋼鐵企業自備空分設備自行管理，具有供需靈活調整、統一調度、工輔系統配套等優勢。但是由于鋼鐵生產工藝的特點，氧氣放散率高、綜合能耗水平低是普遍存在的問題。例如轉爐煉鋼間斷性吹氧而空分生產連續供應，造成剛性的放散矛盾；為保證用戶波動，氧氣管網供氣壓力遠大于用戶實際需求，造成壓縮能耗損失；氧氣、氮氣的用量不同，大型空分裝置在生產中“保氮放氧”或“保氧放氮”，造成高純度氣體的浪費。

　　盡管目前先進空分裝置具備一定的變負荷能力和較高的自動化水平，但以上鋼鐵企業固有的工藝特點，限制了先進空分設備的優勢發揮。空分系統的運行具有如下特點：

　　范圍廣、跨度大，須要綜合考慮的因素多。這包括氣體的生產、儲存、輸送和使用等，既涉及氣體生產計劃，又涉及生產調度；涉及的空間跨度既包括空分系統機組，又包括不同的用戶群。

　　涉及的因素多。鋼企在進行管理和調度決策時，須考慮內部和外部多種因素，如生產設備、流程特點、生產成本、公司計劃、市場需求、價格等因素。

　　突發性的決策多。由于氣體使用的設備大多結構復雜，受影響因素多，設備故障和臨時檢修等問題也隨之增多，增加了空分系統能源管理的難度。

　　由此可見，降低空分系統的能源消耗、提高空分產品的能源利用率，不僅涉及提高空分單體設備的效率（降低設備能耗），而且涉及到機組經濟運行和用氧系統的合理調度問題。其前提是準確分析不同流程空分設備的產品能耗分攤問題。

　　研究能耗分攤 提升設備適應性

　　近年來國內投產的大型空分裝置，具有氧氣內壓縮、液體轉換能力強、變負荷迅速等新特點，與以往全低壓外壓縮氣體空分設備相比有明顯的流程變化，相應的產品能耗分攤和電耗分配也不同。以某75000Nm3/h空分裝置為例，該空分裝置上塔和粗氬塔為填料塔，液氧內壓縮到一定壓力后通過主換熱器回收冷量，循環增壓機以氮氣為介質；液氧與液氮產品間具有相互轉換的快速變負荷功能，同時具備以增減空氣量為手段的常規變負荷能力。

　　對于該空分流程，各種產品的能耗分攤計算原則如下：以全低壓空分氧、氮、氬全提取的能耗分攤比例作為計算基礎，內壓縮流程根據流程和產品特點修正。空分產品分為高壓氧、中壓氮、高壓氮、液氧、液氮、液氬6種。空分產品分離能耗包括空壓機壓縮功。增壓機能耗在于補充全液氧生產的冷量，因此計入液氧能耗中。高壓氧能耗在液氧能耗基礎上累加液氧泵壓縮功耗，即高壓氧能耗包括氧分離能耗、循環增壓機能耗、液氧泵能耗。中壓氮和高壓氮能耗包括氮分離能耗、氮氣壓縮機能耗。液氮、液氬能耗應計算低溫液體液化功耗。

　　工作人員按照空分設計工況，參照流程工藝，計算出空分設備的能耗分攤比例和單位產品電耗。當空分在變負荷工況下運行時，由于氣體產品的產量不同，各產品能耗分攤比例和單耗也不同，須要根據具體變負荷運行數據進行重新核算。針對內壓縮流程空分設備的產品能耗分攤表明，高壓氧氣能耗占比較高，主要在于全液氧運行內壓縮能耗較高，相對于外壓縮氮氣產品占據主導地位。

　　依據空分設備的能耗分攤比例和單耗計算方法和結果，工作人員可以建立含有目標函數的能耗優化模型，使空分設備按照不同的變負荷工況運行，適應不同的氣體用戶需求和市場價格波動，能夠滿足能耗最低或經濟效益最佳的運行要求。

　　建立空分系統經濟運行模式

　　在鋼鐵企業，氧氣主要用于煉鋼轉爐吹氧和高爐富氧冶煉，氮氣用于鋼鐵產品熱處理用惰性氣體保護、高爐噴吹、轉爐濺渣護爐等，氬氣用于煉鋼轉爐復吹和爐外精煉。根據鋼廠空分生產與供需模式，為了降低氣體產品綜合能耗，同時降低放散率、增加液體外銷，鋼鐵企業空分系統的經濟運行應從以下幾個方面進行分析研究：

　　不同流程的空分設備，氧、氮、氬產品能耗組成不同，須要建立科學的核算方法。由于空分系統多種氣體產品同時產生并且相互影響，將空分系統整體能耗分攤到不同產品中，使空分機組的優化運行有計算依據。

　　根據鋼廠高爐富氧、煉鋼吹氧和其他用戶的用氧特點，建立相應的預測與跟蹤模型，使空分變負荷運行方式與之匹配，將有效降低氣體放散率和綜合能耗。

　　大型空分機組具有液體生產能力和負荷調整功能。低溫液體外銷不僅提高經濟效益，而且是生產能力緩沖的有效方式，應該將氣體放散和機組能耗進行高附加值轉化。

　　以上功能的實現，依托于空分裝置變負荷能力、上下游用戶的信息交換，但核心在于整體的優化模型設計。這包括空分能耗分析、氣體緩沖系統分析、預測模型開發和建立經濟運行專家系統。典型鋼鐵企業的空分系統經濟運行與專家決策系統框圖見附圖。空分經濟運行模式是建立在優化模型基礎上的動態過程，在目前空分制造水平和自動化控制水平不斷提高的條件下，能夠實現鋼鐵企業生產保供的模式創新。

　　附圖 空分經濟運行與專家決策系統框圖