分子篩純化系統(tǒng)再生過程的優(yōu)化控制

魏來 李楠

（1長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 吉林長春 130012 2吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院 吉林 132022）

1 引言

大型制氧機(jī)流程中，需要清潔空氣，分子篩純化器用于過濾空氣中H2O、CO2、乙炔等雜質(zhì)的重要設(shè)備。應(yīng)用變溫吸附方法，利用其在常溫下進(jìn)行吸附，而在高溫下解吸再生的原理，使兩只純化器交替使用，達(dá)到連續(xù)凈化空氣的目的[1]。其工作的狀態(tài)直接影響制氧機(jī)的運轉(zhuǎn)工作周期，是制氧機(jī)的“咽喉”部位。

分子篩進(jìn)行再生時，冷吹階段污氮氣出純化器溫度是一個十分重要的變量，該溫度指標(biāo)中，冷吹峰值溫度和冷吹結(jié)束溫度是保證分子篩再生過程的重要指標(biāo)，通過優(yōu)化控制，在保障分子篩純化系統(tǒng)正常工作前提下，同時達(dá)到節(jié)能減排的作用。

2 分子篩純化系統(tǒng)工藝介紹

2.1 純化系統(tǒng)

分子篩純化系統(tǒng)主要由2個吸附器，以及加熱設(shè)備等構(gòu)成。如圖1所示，壓縮空氣經(jīng)預(yù)冷系統(tǒng)，從分子篩吸附器底部進(jìn)入，首先由外層活性氧化鋁床層吸附水分，再由內(nèi)層分子篩床層吸附水分、C2H2、CO2和碳?xì)浠衔铮@樣凈化空氣就可以送到后續(xù)工序。[2]這個過程叫吸附過程。吸附器不能無限制的吸附，當(dāng)分子篩和活性氧化鋁吸附達(dá)到飽和時，需要解吸附。這一過程由污氮氣從頂部吹入，使吸附器解吸脫附，稱為再生過程。兩個吸附器始終交替互換，一個吸附，同時另一個再生。

圖1 分子篩純化系統(tǒng)工藝流程圖

2.2 再生過程

再生過程比較復(fù)雜，分為4個階段：降壓，加熱，冷吹和充壓。

降壓階段。分子篩在吸附空氣中雜質(zhì)時，其工作壓力一般在500kPa以上。當(dāng)分子篩吸附器由吸附進(jìn)入再生時，先要降壓，打開降壓閥將壓力降低至10kPa左右。降壓過程中，吸附器的靜吸附容量減小，可以使小部分氣體分子和水分子從分子篩中解吸出來[3]。

加熱階段。通常用加熱器給污氮氣加熱，升溫后的污氮氣從吸附器頂進(jìn)入分子篩床層，床層溫度逐漸上升，使大多數(shù)氣體分子和水分子脫附出來。

冷吹階段。直接將污氮氣吹入分子篩。一是利用之前保留的熱量繼續(xù)解吸，二是利用污氮氣把熱量帶出去，為下一次吸附做準(zhǔn)備。這個階段，分子篩出口處污氮氣溫度是一個非常重要的指標(biāo)。冷吹階段出口污氮氣溫度有一個最高點，即冷吹峰值，是體現(xiàn)再生過程是否完全的重要指標(biāo)。冷吹結(jié)束時，污氮氣出口處溫度也是一個非常重要的變量。若溫度過高，吸附器由再生轉(zhuǎn)為吸附時，空氣會把多余的熱量帶入換熱器中，會影響其工作。該溫度如果過低，會使吸附效果下降，滿足不了工況要求。這兩個參數(shù)是本文重點研究的問題。

充壓階段。將分子篩吸附器升壓至吸附時的工作壓力，準(zhǔn)備投入吸附狀態(tài)。

3 冷吹溫度的控制

再生過程中，冷吹階段的污氮氣出口溫度有兩個需要控制的指標(biāo)。一是冷吹峰值溫度T1，通常來講若該峰值能達(dá)到160℃，表明純化器中的分子篩能夠完全再生。二是冷吹結(jié)束溫度T2，該溫度要求控制在與入口溫度差<5℃。他們主要由加熱時間t1和冷吹時間t2決定，同時也受進(jìn)入分子篩的污氮氣溫度TN2、流量FN2以及空氣溫度TO2、空氣含雜質(zhì)量AO2影響。也就是說，可以把T1和T2作為系統(tǒng)輸出，把污氮氣溫度TN2、流量FN2以及空氣溫度TO2、雜質(zhì)含量AO2作為主要干擾，根據(jù)這些主要干擾大小，采用多變量前饋補償控制，通過調(diào)節(jié)加熱時間t1和冷吹時間t2，使冷吹溫度T1和T2滿足要求。

4 前饋補償控制器

根據(jù)前文分析，選擇冷吹峰值溫度T1和冷吹結(jié)束溫度T2作為被控變量，進(jìn)入分子篩的污氮氣溫度TN2、流量FN2，空氣溫度TO2和空氣雜質(zhì)含量AO2作為前饋補償?shù)闹饕獢_動變量，加熱時間t1和冷吹時間t2作為操作變量，構(gòu)成一個多變量前饋補償控制系統(tǒng)。則可用如下方程描述：

其中，pij為分子篩冷吹過程中相關(guān)輸入輸出通道的傳遞函數(shù)。可以通過多種方法取得。

根據(jù)多變量前饋補償原理，用狀態(tài)方程表示為：

則分子篩冷吹過程的多變量前饋控制補償器狀態(tài)方程為：

最終能夠建立控制狀態(tài)方程：

公式（4）建立了擾動變量與操作變量之間的關(guān)系，可以很方便的通過計算機(jī)來實現(xiàn)前饋控制。

5 結(jié)語

經(jīng)過運行分析，證明該方法可以根據(jù)再生氣入口溫度、再生氣流量，空氣溫度和空氣雜質(zhì)含量多少，自動調(diào)整冷吹過程的加熱時間和冷吹時間，確保再生完全，從而保障了分子篩吸附效果。與按固定時間控制的方法相比，固定時間控制為了保證系統(tǒng)安全，只能以最大加熱量和最短切換時間進(jìn)行控制，勢必增加了能源的浪費。而采用前饋控制后，能夠根據(jù)空氣質(zhì)量，空氣溫度等等，自動調(diào)整加熱時間和冷吹時間，保證分子篩純化系統(tǒng)最佳運行狀態(tài)，實現(xiàn)了對分子篩純化系統(tǒng)的優(yōu)化，也達(dá)到節(jié)約能源的目的。

[1]郭傳喜,淺談分子篩的溫度曲線[J].大化科技,2010,(1）.

[2]仝獻(xiàn)華,陳和林,分子篩控制系統(tǒng)的優(yōu)化[J].河北冶金,2011,(9）.

[3]孫全海,分子篩純化器溫度曲線的觀察與分析 [J].深冷技術(shù),1999,(4）.作者簡介魏來（1980—），男，吉林省吉林市人，碩士，長春工業(yè)大學(xué)講師。控制理論與控制工程方向。

李楠。

吉林省科技發(fā)展計劃項目（20130206007GX，20140204029SF）。