浅析锡业分公司制氧系统改进及优化

1 背景

锡业分公司氧气站采用变压吸附制氧技术（简称 VPSA- ⋅0₂ ），是利用鼓风机增压将空气送入吸附塔， N₂ 等被塔内分子筛优先吸附， 0₂ 在塔顶部得到富集作为产品输出，当分子筛吸附饱和后，通过真空泵把吸附塔中 N₂ 等废气抽真空排空，恢复分子筛床层的吸附能力，通过两个吸附塔循环操作，实现产品氧气连续输出。目前分公司氧气实际产量为 7300Nm³/h ，未来预计用氧需求峰值为13500m3/h。目前分公司 4 台用氧冶金炉窑（顶吹炉、 1^♯ 烟化炉、2# 烟化炉、流态化焙烧炉），由于用氧高峰期供氧存在缺口，2 台冶金炉窑（1 烟化炉、流态化焙烧炉）还需要中冶南方( 红河) 气体有限公司氧气站供纯度 99% 氧气生产；但每天内都存在冶金炉窑用氧低谷期，且24 小时内反复交替，在用氧低谷期时，就导致了氧气站自产氧都过剩，从而需要将过剩氧气排空。

2 存在的问题

锡业分公司顶吹炉原设计还原熔炼过程按周期性进行，通常将其分成熔炼、弱还原及强还原 3 个阶段。熔炼阶段，需 6^～7h ，熔炼结束后渣含 Sn15% 左右；弱还原阶段，需 20min，渣含 Sn 由 15% 降至 5% ；强还原阶段，需 90min，渣含 Sn 由 5% 降至 1% 以下。采用富氧熔炼技术后，还原熔炼周期缩短，可以控制在6 小时以内完成一个炉期的生产流程，随着富氧熔炼技术在公司内部推广，用户增加，同时氧气站不具备产量调节和储存缓冲供氧功能，冶金炉窑在冶炼过程中，氧气用量均存在熔炼阶段量大、还原和排料阶段量小的周期性，同时在冶金炉窑用氧谷值阶段，导致氧气站大量富余氧气外排（日平均排空率达到35% ），既造成浪费，又产生大量噪音 , 同时在用氧高峰阶段，仅能保证 2 台冶金炉窑用氧。

锡业分公司氧气站氧气供应不足时就会使用中冶南方 ( 红河 ) 气体有限公司提供的外供氧（纯度 99% ）。使用外供氧虽然不受用氧峰值、谷值阶段影响，但外供氧价格高于自产氧，随着锡冶炼系统冶金炉窑的工况调整，氧气需求量的进一步提升，势必造成用氧缺口的进一步扩大，且当前还存在自产氧气的排空损失，若不将自产氧气合理使用，这必将导致能耗浪费，也对进一步降低冶炼过程成本不利。

为此，基于锡业分公司自产氧气的排空浪费，项目组经过前期反复调研、论证，建议采用球罐储存系统对用氧低谷期时的过剩氧气进行储存，在用氧高峰期时，将储存氧释放进氧气管道系统供冶金炉窑使用，从而减少排空氧气的资源浪费。

3 改进方法

在实际生产中，VPSA 制氧系统受原料气流量波动、设备效率差异、用户用氧量周期性波动等因素影响，供氧压力下降，系统运行就存在不稳定性。为了平衡供需，提高资源利用效率，将多余氧气加压储存于系统后端球罐中，以峰补欠，是对阶段性用氧企业的一项重要技术举措。

3.1 VPSA 制氧后端球罐储存系统调试

VPSA 制氧工艺后端放空氧气加压储存系统主要由氧气压缩机、球罐、止回阀、安全阀、放空阀、回流阀及 DCS 控制系统组成。未设置球罐时，当制氧系统产出的氧气超过即时需求时，多余氧气通过放空阀排出；在加压储存系统投入使用后，多余氧气被引导至压缩机进行加压，随后送入球罐储存。为保持系统压力稳定，止回阀、安全阀、放空阀与回流阀需协同工作，球罐作为储存容器，存储加压后的氧气；止回阀防止氧气倒流；安全阀在系统超压时自动开启，释放多余压力，保护系统安全；放空阀在系统压力过高或需要排放多余氧气时开启；回流阀则在系统压力不足时，将部分已加压但未完全使用的氧气回流至系统前端，以维持压力稳定。

调试过程既要确保氧气有效储存，又不会对系统前后工序造成过大的压力冲击。

3.2 调试初始数据设定

止回阀工作压力 0.4MPa ，单向流量不小于 10000Nm³ /h, 当止回阀阀板被推开，球罐开始储气。

氧压机回流管安全阀整定压力为 0.3MPa , 可以保证回流阀门故障时，进口端压力过大导致气阀阀片损伤，氧压机一级排气管安全阀整定压力 0.73MPa,氧压机二级排气管安全阀的整定压力1.65MPa，1000m³ 球罐的整定压力 1.6MPa 。

3.3 放空阀与回流阀

放空阀根据系统压力设定值与实际值的偏差，自动调节开度，以释放多余压力，防止系统超压。由于球罐前后段压力分别独立又有关联，设置自动压力限值保证系统能够平稳的运行，同时确保安全。安全阀整定压力已经划定了系统运行的压力上限，以整定压力的 90% 作为放空阀的工作压力启动限值调整范围，测试 1.44-1.48 MPa 期间，放空阀开启后对氧压机的运行影响及程序控制响应速度是否能够满足系统安全平稳运行的需求。

4 VPSA 制氧后端球罐储存系统调试

4.1 基本控制原理

实时监测与预警：在DCS 系统中设置压力、流量等关键参数的实时监测点，一旦超出预设范围立即发出警报，整个控制逻辑的出发点在于做到压力控制闭环。

智能调节：采用 PID（比例 - 积分 - 微分）控制算法，根据系统实时状态与历史数据，自动调节放空阀开度，实现更精准的压力控制。

故障安全设计：作为安全保护措施，确保在 DCS 故障或通信中断时，放空阀能自动全开，防止系统压力异常升高。

4.2 参数调整与验证

在系统调试阶段，通过模拟不同工况下（球罐 10%-98% 载荷）的氧气产量与需求变化，对控制逻辑进行反复测试与优化，确保在各种条件下都能实现稳定的压力控制，由于受前后系统压力影响，4 号氧压机一级进气压力最容易受到影响进而引发连锁，当氧压机进口压力和系统管道压力数值偏差不超过0.03MPa 时，系统能够平稳供氧，球罐工作压力越高，氧压机进口压力与系统管道压力数值越稳定，差值越少。

收集并分析运行数据，不断调整 PID 参数，以达到最佳的控制效果，采用线性控制 PID 设置时，在球罐压力较高，氧压机需要卸压时并不能很快的达到平稳放气的要求。当优化至比例控制时，氧压机后放空阀可以很好地完成卸压工作，响应及时并对氧压机运行无较大的影响。

5 运行

通过上述优化设计与调试，该系统成功实现了 VPSA 制氧工艺后端放空氧气的有效加压储存，显著提高了氧气的利用率与系统的整体稳定性。同时，优化的 DCS 压力控制逻辑不仅减少了人工干预，还提升了系统的自动化水平，为后续的运维管理带来了便利。

6 结论和展望

制氧系统改进和优化的过程是在寻找制氧、储氧、供氧三者之间供需平衡的过程，通过对氧气压力控制参数的摸索，最终完善了制氧、储氧、供氧的过程控制，优化了制氧站控制系统的联锁逻辑，使新增系统完美的融进原有系统，实现了制氧储氧供氧 1+1>2 的过程，达到了调试的目的。

同时锡业分公司 VPSA 制氧系统后端球罐储存系统，在以下几个方面有待改进：

1）受往复式氧压机脉冲气流影响，设备连接管道震动速度较大，需优化管道减震设施使震动速度达到较好数值。

2）系统投运后，预定氧气输送管路存在较大管道冲击，采用多旁路运行，优化流量计安装点，确保氧气计量精准化。

3）进一步摸索用户用氧波动与氧压机高压变频器运行参数之间的逻辑控制关系，使节能降耗工作更上新台阶。

展望未来，随着自动化与智能化技术的不断发展，我们有理由相信，在VPSA 制氧领域，氧气的生产与储存管理将变得更加高效和智能。通过引入先进的自动化设备和智能化管理系统，可以进一步提升氧气生产的稳定性和储存的安全性，同时降低人工成本和操作失误的可能性。

参考文献：

[1] 宋兴诚/ 锡冶金冶金工业出版社