先進(jìn)控制技術(shù)在空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷中的應(yīng)用

王海寧，吳國(guó)權(quán)，金曉明,2

(1.浙江中控軟件技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310053；2.浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所，浙江 杭州 310027)

0 引言

空分裝置是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的重要組成部分，用于為下游用戶生產(chǎn)提供所需的氧氣、氮?dú)獾?。由于下游用戶?duì)氧氣用量的需求呈現(xiàn)間歇性的特點(diǎn)，因此要求空分裝置進(jìn)行頻繁的變負(fù)荷操作，以滿足下游用戶需求并減少氧氣放散[1]。整個(gè)裝置涉及壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、精餾塔等單元設(shè)備，前后物料關(guān)聯(lián)緊密且變量間存在耦合，產(chǎn)品純度控制存在較大滯后。然而，裝置基礎(chǔ)自動(dòng)化水平較低，主要依靠人工調(diào)節(jié)，大范圍工況調(diào)整存在較強(qiáng)的非線性，手動(dòng)變負(fù)荷則難以兼顧各工藝變量，容易出現(xiàn)工況波動(dòng)大、產(chǎn)品純度不穩(wěn)定等問題。

近年來，以模型預(yù)測(cè)控制為核心的先進(jìn)控制技術(shù)在煉油[1-3]、化工[4-7]等流程工業(yè)取得了較為廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也有空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷的相關(guān)研究應(yīng)用見諸報(bào)道。文獻(xiàn)[8]以基于動(dòng)態(tài)矩陣控制算法的模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了2×10 000 Nm3/h空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)的空壓機(jī)、主分餾塔、氬系統(tǒng)先進(jìn)控制器實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)控制，通過變負(fù)荷控制器實(shí)現(xiàn)了2×35 000 Nm3/h空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷；文獻(xiàn)[10]的思路與其也較為相似。上述工作均體現(xiàn)了模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)在空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷中應(yīng)用的可行性。但在變負(fù)荷過程中，如何保證物料、能量的平衡，體現(xiàn)得還不夠充分。本文以40 000 Nm3/h空分裝置為應(yīng)用背景，詳細(xì)敘述先進(jìn)控制技術(shù)在自動(dòng)變負(fù)荷系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)途徑和具體策略。

1 工藝簡(jiǎn)介與控制難點(diǎn)分析

1.1 工藝流程簡(jiǎn)介

該空分裝置采用外壓縮流程，主要包括空氣壓縮系統(tǒng)、預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、增壓膨脹系統(tǒng)、主分餾系統(tǒng)和氬精鎦系統(tǒng)，主要產(chǎn)品有氧氣、氮?dú)狻⒁貉跫耙簹宓??？辗盅b置工藝流程如圖1所示。

圖1 空分裝置工藝流程圖

原料空氣經(jīng)空壓機(jī)壓縮后進(jìn)入空冷塔預(yù)冷，預(yù)冷后的空氣進(jìn)入分子篩純化系統(tǒng)脫除其中的水分、CO2和碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)。凈化后的空氣分為兩路。一路經(jīng)主換熱系統(tǒng)與精餾塔出來的氧氣、氮?dú)膺M(jìn)行換熱降溫后，進(jìn)入氧氮精餾系統(tǒng)；另一路進(jìn)入增壓膨脹系統(tǒng)的增壓端增壓后，經(jīng)主換熱系統(tǒng)降溫，再進(jìn)入膨脹端，膨脹后的空氣進(jìn)入精餾上塔。

經(jīng)降溫的純凈空氣在精餾下塔進(jìn)行初步分離。其中，塔底獲得富氧液空、塔頂獲得氮?dú)猓谎跻嚎战?jīng)塔底液位調(diào)節(jié)閥進(jìn)入上塔，塔頂?shù)獨(dú)饨?jīng)主冷凝蒸發(fā)器冷凝為液氮后經(jīng)液氮節(jié)流閥進(jìn)入上塔。上塔中，在主冷凝蒸發(fā)器中抽出氧氣、在塔頂抽出氮?dú)?、在塔上部抽出污氮?dú)?，在氬餾分抽口抽出氬餾分氣進(jìn)入氬精餾系統(tǒng)。

氬餾分氣與回流入上塔的循環(huán)氬在粗氬1塔中進(jìn)行初步分離后進(jìn)入粗氬2塔，在2塔塔頂獲得氧含量合格的工藝氬，塔底物料經(jīng)氬泵進(jìn)入返回上塔，工藝氬進(jìn)入精氬塔進(jìn)行進(jìn)一步分離，在塔底獲得液氬。

1.2 控制難點(diǎn)分析

空分裝置控制難點(diǎn)分析如下。

①?gòu)恼Ｘ?fù)荷生產(chǎn)情況來看，整個(gè)裝置在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)附近波動(dòng)，各控制回路只需小幅調(diào)整即可保證裝置穩(wěn)定。但是，由于分子篩系統(tǒng)為周期性工作狀態(tài)，每隔4 h會(huì)進(jìn)行充壓操作，此時(shí)進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)的空氣量與氧產(chǎn)量會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的物料不平衡。因此，需要以充壓事件為觸發(fā)，提前調(diào)整空壓機(jī)導(dǎo)葉，以補(bǔ)償該操作引起的空氣量不足。

②對(duì)于變負(fù)荷操作而言，整個(gè)裝置是從當(dāng)前穩(wěn)態(tài)點(diǎn)向目標(biāo)工況點(diǎn)遷移。變負(fù)荷操作既要保證裝置生產(chǎn)相對(duì)穩(wěn)定，又要滿足一定的速率要求，需要考慮以下兩方面的問題。一是工況調(diào)整幅度要與裝置自身的承受能力、設(shè)備閥門狀況相匹配；二是裝置前后工藝量間的響應(yīng)存在滯后，若調(diào)節(jié)不及時(shí)，則會(huì)引起物料不平衡，容易出現(xiàn)純度波動(dòng)。在減負(fù)荷過程中，若空氣量下降過快而氧產(chǎn)量下降速率不能與之匹配，久而久之容易出現(xiàn)氧純度、氬餾分含量不合格。因此，需要設(shè)計(jì)合理的計(jì)算方式，以保證變負(fù)荷過程的物料平衡。

2 自動(dòng)變負(fù)荷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體框架

自動(dòng)變負(fù)荷系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷系統(tǒng)由兩層構(gòu)成，上層為穩(wěn)態(tài)計(jì)算層，下層為動(dòng)態(tài)控制層。穩(wěn)態(tài)計(jì)算層根據(jù)物料平衡計(jì)算當(dāng)前目標(biāo)氧產(chǎn)量下對(duì)應(yīng)的各工藝量(如空氣量、氧產(chǎn)量、液氮進(jìn)上塔量、氬循環(huán)量等)的目標(biāo)，規(guī)劃各工藝量到達(dá)該目標(biāo)的調(diào)整路徑。在此基礎(chǔ)上，穩(wěn)態(tài)計(jì)算層將各工藝量的目標(biāo)傳遞給動(dòng)態(tài)控制層，利用先進(jìn)控制器使各工藝量達(dá)到期望的目標(biāo)。同時(shí)，在此過程中，系統(tǒng)不斷監(jiān)測(cè)氧產(chǎn)量是否到達(dá)最終目標(biāo)，從而使得整個(gè)變負(fù)荷過程構(gòu)成閉環(huán)。

2.2 先進(jìn)控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝流程及變負(fù)荷需求分析，先進(jìn)控制器主要涉及空氣壓縮系統(tǒng)、氧氮精餾系統(tǒng)和氬系統(tǒng)。各子控制器間看似獨(dú)立，但通過相關(guān)干擾變量將各系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來，使各控制回路能夠綜合考慮裝置前后物料、能量的變化，進(jìn)而形成一個(gè)整體。

①空氣壓縮系統(tǒng)子控制器。

該控制器主要實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)導(dǎo)葉回路對(duì)進(jìn)系統(tǒng)空氣量的平穩(wěn)控制，進(jìn)而為保證空分氧、氮產(chǎn)量提供基礎(chǔ)。同時(shí)，引入分子篩充壓變量為干擾，以分子篩運(yùn)行時(shí)間為判斷依據(jù)。當(dāng)開始充壓操作時(shí)，開啟該擾動(dòng)變量，并人為設(shè)計(jì)了整個(gè)充壓時(shí)間段內(nèi)該擾動(dòng)變量的變化，使得空壓機(jī)導(dǎo)葉通過補(bǔ)償調(diào)節(jié)以克服該時(shí)間對(duì)系統(tǒng)空氣量的干擾?？諝鈮嚎s系統(tǒng)子控制器變量如表1所示。

表1 空氣壓縮系統(tǒng)子控制器變量表

②氧氮精餾系統(tǒng)子控制器。

氧氮精餾系統(tǒng)主要由精餾下塔、精餾上塔和主換熱冷凝器構(gòu)成。其中，主換熱冷凝器既是精餾下塔的冷源，又是精餾上塔的熱源，用于關(guān)聯(lián)上塔、下塔的能量。精餾下塔實(shí)現(xiàn)了空氣的粗分離。由于塔釜液空液位實(shí)現(xiàn)了定值控制，因此只需要保證合適的液氮進(jìn)上塔量即可保證下塔的塔內(nèi)溫度分布。在變負(fù)荷操作中，只需要根據(jù)進(jìn)系統(tǒng)空氣量調(diào)節(jié)液氮進(jìn)上塔量，即可保證下塔物料平衡。精餾上塔實(shí)現(xiàn)了氧氮進(jìn)一步分離，同時(shí)還有一股側(cè)線采用物料去氬系統(tǒng)。因此，當(dāng)進(jìn)上塔的空氣量發(fā)生變化后，需要及時(shí)調(diào)整氧產(chǎn)量，以保證上塔物料平衡。此外，在負(fù)荷調(diào)整過程中，空氣量、氧產(chǎn)量的變化對(duì)氬餾分含量影響的滯后時(shí)間和強(qiáng)度不一，需要及時(shí)調(diào)節(jié)氧產(chǎn)量，以保證氬餾分含量的穩(wěn)定，為氬系統(tǒng)的穩(wěn)定奠定基礎(chǔ)[10]。氧氮精餾系統(tǒng)子控制器變量如表2所示。

表2 氧氮精餾系統(tǒng)子控制器變量表

③氬系統(tǒng)子控制器。

氬系統(tǒng)由粗氬塔與精氬塔組成，主要用于在保證精氬產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，減小對(duì)主分餾塔的干擾。其中，氬循環(huán)量將粗氬塔與精餾上塔相關(guān)聯(lián)，工藝氬量將精氬塔與粗氬塔相關(guān)聯(lián)。在變負(fù)荷操作中，氬循環(huán)量的調(diào)整引入了粗氬塔冷凝器壓力為約束，以避免粗氬塔的上升氣量過多而導(dǎo)致精餾上塔氣量過少，從而保證了上塔分離效果。精氬塔處于裝置末端，負(fù)荷變化的影響傳遞到該塔所需的時(shí)間較長(zhǎng)，因此，一般在空氣量變化一段時(shí)間后即可調(diào)整工藝氬量。氬系統(tǒng)子控制器變量如表3所示。

表3 氬系統(tǒng)子控制器變量表

2.3 變負(fù)荷模塊設(shè)計(jì)

空分裝置變負(fù)荷操作分為加負(fù)荷和減負(fù)荷。由于裝置前后物料平衡的響應(yīng)時(shí)間不一，對(duì)于加負(fù)荷過程，應(yīng)先提空氣量后提氧產(chǎn)量；對(duì)于減負(fù)荷過程，則先減氧產(chǎn)量后減空氣量。具體策略為：對(duì)于加負(fù)荷過程，先根據(jù)氧產(chǎn)量目標(biāo)計(jì)算出相應(yīng)的空氣量目標(biāo)，接著提升空氣量，為后續(xù)氧產(chǎn)量加負(fù)荷提供基礎(chǔ)，然后根據(jù)空氣量實(shí)時(shí)值調(diào)整氧產(chǎn)量、液氮進(jìn)上塔量目標(biāo)，最后根據(jù)空氣量、氧產(chǎn)量調(diào)整氬循環(huán)量、工藝氬量目標(biāo)。減負(fù)荷過程則以氧產(chǎn)量為基準(zhǔn)。首先氧產(chǎn)量按照一定幅度逐漸靠近目標(biāo)，然后根據(jù)氧產(chǎn)量實(shí)時(shí)變化計(jì)算出空氣量的目標(biāo)，最后根據(jù)空氣量的變化調(diào)整液氮進(jìn)上塔量、氬循環(huán)量、工藝氬量目標(biāo)。以此方式，在變負(fù)荷操作中可有效協(xié)調(diào)各工藝量的響應(yīng)快慢，有效保證變負(fù)荷各階段系統(tǒng)的物料平衡。

加負(fù)荷過程物料平衡計(jì)算公式如下：

FAIR=4.95×FO_TARG+FPZL_PV

(1)

FO=(FAIR_PV-FPZL_PV)×20.952%×96.5%

(2)

FN=(FAIR_PV-FPZL_PV-FPZK_PV)×0.435

(3)

FAC=FO×1.07

(4)

FAP=(FAIR_PV-FPZL_PV)×0.932%×75%

(5)

減負(fù)荷過程物料平衡計(jì)算公式如下：

FAIR=4.95×FO_PV+FPZL_PV

(6)

FN=(FAIR_PV-FPZL_PV-FPZK_PV)×0.435

(7)

FAC=(FAIR_PV-FPZL_PV)×20.952%×

96.5%×1.07

(8)

FAP=(FAIR_PV-FPZL_PV)×0.932%×75%

(9)

式中：FAIR為空氣量目標(biāo)；FAIR_PV為空氣量實(shí)時(shí)值；FO_TARG為氧產(chǎn)量最終目標(biāo)；FO_PV為氧產(chǎn)量實(shí)時(shí)值；FO為氧產(chǎn)量目標(biāo)；FN為液氮進(jìn)上塔量目標(biāo)；FAC為氬循環(huán)量目標(biāo)；FAP為工藝氬量目標(biāo)；FPZL_PV為膨脹空氣進(jìn)上塔實(shí)時(shí)量；FPZK_PV為空氣進(jìn)膨脹機(jī)實(shí)時(shí)量。

3 實(shí)施效果

40 000 Nm3/h空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷系統(tǒng)的開發(fā)基于中控APC-Suite系列軟件產(chǎn)品。系統(tǒng)投用后，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行，變負(fù)荷操作僅需要操作人員按照調(diào)度指令輸入所需的氧產(chǎn)量目標(biāo)，其他所有操作均由該系統(tǒng)自動(dòng)完成。下面以該空分裝置某次變負(fù)荷過程為例，說明該系統(tǒng)應(yīng)用的有效性。自動(dòng)變負(fù)荷過程變化曲線如圖3所示。

圖3 自動(dòng)變負(fù)荷過程變化曲線

圖3(a)中，氧產(chǎn)量從38 000 Nm3/h，加負(fù)荷到42 000 Nm3/h。由圖3(b)可知，空氣量目標(biāo)值發(fā)生變化且由于調(diào)整幅度過大先增加15 000 Nm3/h，待一定時(shí)間后再增加至最終目標(biāo)。由圖3(c)和圖3(d)可知，當(dāng)空氣量變化后，氧產(chǎn)量、液氮進(jìn)上塔目標(biāo)值再根據(jù)空氣量進(jìn)行調(diào)整。由圖3(e)可知，當(dāng)氧產(chǎn)量變化后氬循環(huán)量才跟隨調(diào)整，且調(diào)整間隔周期較長(zhǎng)，氬循環(huán)量總體變化平緩。這主要是為了降低對(duì)精餾上塔的干擾。由于精氬塔處于末端，由圖3(f)可知，最后對(duì)工藝氬目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

從圖3(a)可知，變負(fù)荷操作從第60點(diǎn)開始(2016年12月14日13∶56)，第100點(diǎn)處結(jié)束(14∶40)，整個(gè)過程歷時(shí)約40 min，達(dá)到了100 Nm3/min的建設(shè)目標(biāo)。另外，由圖3(g)和圖3(h)可知，在變負(fù)荷過程中，氧純度能保持在工藝允許的范圍內(nèi)，氬餾分有一定幅度的波動(dòng)，但通過氧產(chǎn)量的及時(shí)調(diào)節(jié)(圖3(h)第100點(diǎn)至150點(diǎn))，使得氬餾分在較短時(shí)間內(nèi)回到正常范圍，這在實(shí)際生產(chǎn)中是能接受的。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)變負(fù)荷系統(tǒng)以多變量模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)為核心，采用了先進(jìn)控制器與變負(fù)荷模塊。其中，變負(fù)荷模塊作為穩(wěn)態(tài)計(jì)算層，主要為變負(fù)荷過程規(guī)劃各工藝變量的調(diào)整路徑；先進(jìn)控制器作為動(dòng)態(tài)控制層，主要用于實(shí)現(xiàn)各工藝量的變負(fù)荷目標(biāo)，同時(shí)兼顧變負(fù)荷過程中的裝置平穩(wěn)和產(chǎn)品質(zhì)量。40 000 Nm3/h空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷系統(tǒng)能夠保證變負(fù)荷操作的快速、平穩(wěn)，提升了裝置的自動(dòng)化水平；同時(shí)，這種設(shè)計(jì)思想也具有較強(qiáng)的可推廣性。