35 000 Nm3/h空分裝置先進控制技術的開發和應用

張 衛 趙 玲 高國強

(河北鋼鐵集團邯鋼公司氣體廠，河北 邯鄲 056015)

0 引言

空分裝置的大型化、自動化帶來操作水平的差異化，減少人工干預、實現各單元綜合自動平衡優化、進一步提高自動化水平、減少勞動強度已成為未來空分裝置自動化控制的發展趨勢。為此，在邯鋼公司氣體廠2009年初建成投產的2×35 000 Nm3/h空分裝置的控制系統中，在傳統集散控制系統(distributed control system，DCS)的基礎上采用OPC數據接口，通過上位機實現先進控制(advanced process control，APC)。

APC先進控制系統是以建立流程數學模型為基礎、以優化控制算法為手段對設備進行自動控制和參數優化。建模軟件可依托已采集的流程數據，通過對存貯下來的大量運行數據進行分析，得出各個控制點和控制回路之間的關聯，并結合工藝工程師的經驗進行局部調整和修正，建立各主控制器，實現整個空分裝置的平穩和高效控制。通過APC先進控制系統，可以充分發揮裝置潛力，優化生產操作，從而提高自動化控制水平以及產品質量和產品提取率，實現節能。同時，系統還實現了上位APC同DCS控制的無擾切換，以及在APC先控系統上的空分自動變負荷。

1 空分工藝流程簡介

邯鋼公司氣體廠2×35 000 Nm3/h空分裝置于2009年年初建成投產，其主要設計指標為氧氣產量35 000 Nm3/h、氮氣產量 40 000 Nm3/h、氬氣產量1 300 Nm3/h。空分裝置主要由壓縮機組、空冷系統、純化系統、熱交換系統、透平膨脹機、分餾系統、產品貯存系統和產品加壓系統等組成。

空分系統(air separation unit，ASU)流程框圖如圖1所示。

圖1 空分系統流程框圖Fig.1 Process of the ASU system

原料空氣先經空氣過濾器，將其中的灰塵過濾掉，再通過空壓機進行壓縮，由于壓縮后的空氣溫度較高，需經空氣預冷系統進行冷卻、洗滌;然后通過分子篩凈化系統除去空氣中的水分和二氧化碳;經膨脹機進行膨脹降溫，通過板式換熱器的冷、熱量交換，直至空氣液化。

利用氧、氮的沸點不同，在精餾塔內讓溫度較高的蒸汽與溫度較低的液體不斷相互接觸，液體中的氮較多地蒸發，氣體中的氧較多地冷凝，使上升蒸汽中的含氮量不斷提高，下流液體中的含氧量不斷增大，從而實現空氣分離。精餾后的液體產品送至液體儲槽貯存，氣體產品經氣體壓縮機加壓后并入氣體管網。

2 空分裝置對控制的要求

2.1 空分裝置的控制特點

空分裝置是一個綜合系統，它是由多股物料組成的復雜平衡連續的生產過程。該裝置具有以下幾個控制特點。

①空分精餾過程具有過程響應遲緩的特點，操作中需要采用“小幅度、高頻率”的調節模式，逐步使生產過程趨于平穩。

②氬餾分是連接主塔和氬塔的重要物流，主要取決于上塔精餾工況，而膨脹空氣量、溫度和氬塔液空回流量等都將影響上塔工況。在操作過程中，應將主塔系統與氬系統作為一個整體來考慮，實現多變量耦合、大時滯和有約束過程的平穩控制的基本功能。

③空分裝置是一個多參數耦合的復雜過程，需要深入分析工藝流程中，各主要參數之間的穩態和動態關系，建立多變量預測控制策略，從而保證產品品質、降低消耗。

2.2 存在的主要問題

空分裝置的生產運行有其固有的特性，它存在的主要問題如下。

①分子篩切換時空氣流量波動大，難以有效控制，采用空壓機預留放空量來平衡，造成能源浪費;

②空分上塔氬餾分純度波動大，影響氬系統穩定和氬提取率;

③氧氣用戶的用量不穩定，引起氧氣管網壓力波動大，氧壓機系統控制較差，易造成低壓氧氣放散和能源浪費;

④富氧液空純度存在一定的波動，影響產品純度的穩定性;

⑤粗氬中氧含量波動非常大，氬系統極為脆弱;

⑥精氬塔塔頂壓力波動大;

⑦氧和氬的提取率不高。

3 先進控制系統設計方案

3.1 總體框架

邯鋼35 000 Nm3/h空分裝置采用了浙江中控先進過程控制APC軟件平臺支持下的高級多變量魯棒預測控制軟件和智能控制軟件等，實現對空分裝置的優化控制。

先進控制系統框架結構如圖2所示。

圖2 先進控制系統框架圖Fig.2 Framework of the advanced control system

本系統以常規控制系統DCS系統為基礎，以OPC數據接口為橋梁，通過以太網與上位機進行連接，實現雙向通信。上位機硬件采用DELL服務器，以先進控制系列軟件為工具，進行多變量預測控制模型的建立。

3.2 總體技術方案

本系統的總體技術方案分為以下幾個步驟。

①對本套空分工藝流程進行分析研究，并結合相似流程實際操作經驗，以增強空分裝置運行的穩定性，減少氧氣和氮氣放散，提高氬提取率和降低空壓機單位能耗為總體控制目標;

②根據本套空分裝置的流程特點和運行現狀，確定空壓機、主分餾塔、氬系統、自動變負荷4個控制區域和控制目標;

③提取該裝置6個月以來的運行數據和階躍實驗數據，通過先進控制工具軟件進行分析，提取并篩選出各操作干擾變量，找出控制規律;

④通過建立先進控制建模軟件，預測控制模型的控制器;

⑤通過編寫腳本程序和運用軟測量技術，對各控制器加以修正和完善;

⑥試運行并跟蹤調試參數的變化，再不斷地修正完善，最終實現控制目標。

4 APC控制的具體實現

4.1 空壓機控制器

目前，空氣進分餾塔流量回路采用PID控制，在空分裝置運行的一般時段，空氣進分餾塔流量是可以實現穩定控制的，但是在分子篩切換過程均壓階段，由于PID調節的局限性，空氣進分餾塔流量具有較大波動，所以給后續單元的操作帶來了很大的影響。通過調節空壓機導葉開度，克服干擾及滯后因素。同時，考慮對放空閥的協調控制，在防止空壓機導葉進入喘振區的前提下，盡量節約能耗。

4.2 主分餾塔控制器

主分餾塔是空分裝置的主體，它主要包括下塔控制器和上塔控制器2個控制器。通過調節液氮進上塔量、液空進上塔量，克服外界干擾，實現產品氮純度、富氧液空純度的穩定。通過調節空氣進分餾塔流量、氣氮產量、氣氧產量、膨脹空氣旁通量和膨脹空氣量，克服外界干擾影響，實現氬餾分以及產品氧純度的穩定。

4.2.1 下塔控制器

下塔是上塔工況的基礎，控制好液空、液氮純度是整個精餾工況的關鍵。下塔富氧液空液位采用DCS系統PID常規控制，效果良好，富氧液空液位相對穩定。富氧液空純度以及產品氮純度存在一定程度的波動。因此，有必要采取有效的控制手段，實現下塔的穩定控制。下塔變量列表如表1所示。

表1 下塔變量列表Tab.1 Variables of lower tower

表1中，MV為操縱變量，CV為被控變量。通過對變量間相互影響的強弱進行分析和篩選，將富氧液空純度AIA_1A、產品氮純度AIA_103A作為被控變量，液氮進上塔量FIC1.SV以及污液氮進上塔量FIC2.SV作為操作變量，建立模型預測控制器，實現了下塔的穩定控制。

4.2.2 上塔控制器

上塔的穩定是氬系統穩定的基礎，一旦上塔工況發生變化，將給氬系統帶來較大的波動，同時也會對下塔產生很大的影響。目前，操作人員根據經驗調節氣氧產量、氣氮產量和空氣進分餾塔流量來控制氬餾分及氧純度，這在一定程度上能確保氬餾分及氧純度的穩定，但仍存在一定的波動。因此，有必要采取有效控制手段，進一步提高氬餾分及氧純度的穩定性，從而實現上塔的平穩控制。上塔變量列表如表2所示。

表2 上塔變量列表Tab.2 Variables of upper tower

4.3 氬系統控制器

控制器的目標是維持氬系統穩定，提高氬的提取率。該控制器是以粗氬Ⅱ塔頂冷凝液空量FICA701、粗氬出粗氬Ⅱ塔粗氬流量FIC702為操縱變量，粗氬中氧含量AIA702為被控變量，建立模型預測控制器，實現了粗氬塔的穩定控制。同時，在粗氬中氧含量穩定的情況下，該控制器提高了粗氬的產量。

4.4 自動變負荷控制器

空分裝置自動升降負荷是實現減少節能降耗的重要手段。因此，實現安全、快速的自動升降負荷是大型空分裝置過程控制的必然要求。由于變負荷過程涉及到多個變量的相互關系，在常規DCS系統中，只有使用大量的內部計算和串級控制方式，才可能局部實現這種復雜控制。先進控制器對多變量控制有很好的解決方法，其通過對不同控制變量約束條件的限制，使多變量控制關系間更為有序和友好。

上位機對歷史數據的變化趨勢有很強的分析能力，各參數的取值在必要時可以釆用不斷滾動、優化的方式進行調整，使調節器具有“記憶功能”，使一種狀態到另一種狀態的改變具有延續性，從而使工況的改變更為穩定，具體實現過程如下。

①整理出相關聯的主要設計參數和運行參數，選定主要參數，建立多變量預測控制模型。

②基于輸出期望設定值與預測值的偏差，按優化目標函數計算出當前及未來一定時域的控制量。

③操作人員根據變負荷要求在先進控制操作人機界面修改氣氧產量目標值。

5 操作界面設計及控制冗錯

5.1 操作界面設計

先進控制系統界面是操作人員訪問先進控制系統的操作平臺。操作人員必須通過先進控制系統操作界面，才能實現先控的切除與投用及畫面參數修正。其主要實現了先進控制系統總開關、各單元控制器分開關、各控制變量回路的上下限及各子控制器開關的輸入和顯示，控制器運行狀態監控及其他相關報警功能。

5.2 控制冗錯設計

為保障系統安全，當先進控制服務器與DCS之間的通信中斷、服務器死機等異常狀況發生時，需要及時切除先進控制系統，并給出報警提示，便于操作人員進行處理。這些功能通過在DCS上建立通信監控程序來實現。

6 實施效果

6.1 氬餾分分析的穩定性

氬餾分是全精餾制氬流程中的主要控制參數之一，它的穩定性直接影響整個精餾過程的穩定。

作為空分運行極為重要的參數，先控系統投運前與投運后的氬餾分趨勢如圖3所示。

圖3 氬餾分趨勢曲線Fig.3 Trend curves of argon distillation

從圖3可以看出，自先進控制系統投運后，各關鍵工藝指標的控制效果均得到了明顯改善。

6.2 自動變負荷控制

在變負荷過程中，系統保持穩定，各關鍵工藝指標無明顯波動。先控自動變負荷控制系統能夠在保證空分裝置工況穩定的情況下，成功實現氧產量在32 000～35 000 Nm3/h范圍內的自動升降負荷控制，取得了良好的應用效果。

在氧產量FIC102從32 000～35 000 Nm3/h的變負荷控制過程中，先進控制系統還在一定程度上實現了物料平衡、冷量平衡，保證了氬餾分AIA_701的基本穩定，克服了干擾因素的影響，提高了變負荷控制過程中裝置穩定運行的能力。在相同負荷的情況下，粗氬產量提高了77 Nm3/h。

其中1個35 000 Nm3/h空分裝置變負荷過程中氬餾分分析值變化趨勢如圖5所示。

圖4 氬餾分與氧產量變化趨勢圖Fig.4 Varying trend of argon distiuation and oxygen

7 結束語

綜上所述，在先進控制與過程優化的思想指導下，在自動控制、化工工藝、計算機、網絡通信等多種技術的支持下，開發設計了空分裝置先進控制系統，并采用APC-Adcon高級多變量魯棒預測控制軟件等工具加以實現，有效地克服了干擾和滯后影響，大大提高了生產過程的自動化水平[8];統一了操作方法，降低了勞動強度，提高了空分裝置各工藝指標的平穩性，保證了產品質量，降低了能耗。

在國外，業界對空分裝置的優化計算、設計、控制等方面進行了較為系統性的研究和應用。目前，國產空分裝置的優化預測控制還不夠成熟，作為空分裝置控制領域的技術創新，邯鋼35 000 Nm3/h空分裝置高級多變量預測控制的成功投運可以作為該領域的一個成功案例。

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