先進控制技術在空分裝置自動變負荷中的應用

趙強

摘要：現在的空分裝置變負荷操作大都是人工進行手動調節，存在產品純度不穩定、勞動強度大和工況不穩等情況。為了有效地改變這種情況，可以把先進的控制技術與空分裝置相結合，根據工藝原理和相關的操作經驗設計出一套自動化、信息化的自動變負荷先進控制系統，從而達到對工藝過程的把控、產品質量的穩定、減少工人的勞動強度以及節能減耗的目的。在具體的實施過程中雖然還存在一些問題，但是只要理清先進控制技術在空分裝置自動變負荷的設計思路，充分把握它的特點，了解它的主要功能，并熟練地運用它的控制策略，就完全可以實現之前預定的目標。

關鍵詞：控制技術;空分裝置;自動變負荷

中圖分類號：TP29

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）02-0005-02

0引言

空分裝置的作用是用來生產氧氣和氮氣，是鋼鐵冶煉企業的重要環節，主要為下游客戶提供服務。又因為下游客戶對氧氣使用量的間歇性特點，所以對空分裝置的變負荷操作提出了很高的要求。空分裝置主要由壓縮機、膨脹機以及精餾塔等元件構成，因為前后物料之間關聯密切并且變量之間存在耦合，所以對產品的純度把控難度較大。與此同時，空分裝置的自動化水平往往較低，大都需要人工進行調控，人工調控又難以很好地兼顧各個工藝之間的變量，從而進一步導致產品的純度不穩定等問題。在最近幾年中，模型預測控制技術在石油化工等行業取得了廣泛的應用，也為空分裝置自動變負荷可行性提供了技術支持。

1控制難點分析

一方面，從平時的正常生產負荷來看，裝置在穩態點附近有小幅波動，這時只需要小幅度調整各個控制回路就能保證裝置穩定的運行。但由于周期性工作的分子篩系統每個一段固定的時間就會進行充壓，而這時進入系統的空氣量與氧氣量就會出現短期內的物料不均。所以，這就需要在充壓時提前調整空壓機的導葉，以彌補因充壓而引起空氣量的不足。

另一方面，所謂變負荷操作是指裝置從當前的穩態點向目標點進行移動變化，這就使得變負荷操作不僅要保證穩定的生產還要提供一定的速率，大大增加了人工手動變負荷的難度。在這個過程中有兩個問題需要仔細考慮：一是變負荷操作的幅度要在裝置的承受范圍之內，與設備的各個閥門狀況也要相互匹配;二是裝置在變負荷操作前后工藝量之間的響應有滯后性，調整不及時就會使物料之間的比例不平衡，進而影響產品的純度。在減負荷過程中，如果空氣量下降的速度過快與氧氣量之間失去平衡，那么在這種情況下長時間如此會出現氧純度不合格等問題。所以，要設計科學合理的計算方法，并進行正確和有效的操作，以此確保在變負荷操作中物料之間保持平衡”。

2自動變負荷先進控制系統的設計思路

首先在不同的負荷范圍內，進行不同的流程模擬計算，在進行相關流程的模擬計算之后制作出與之相應的數學機理模型。然后通過分析計算，在自動變負荷操作中要逐步建立控制變量和操縱變量等關鍵變量監控點的位置確定。以單元的形式將上下塔和粗精氬塔之間獨立并關聯起來進行分析，其他系統要在重要單元部分正常工作時，通過調整導葉、調整冷卻水的流量等步驟，逐步實現先進控制技術下自動變負荷的目標。在建立數據的采樣點時不僅要考慮的采樣點的多樣性和代表性，同時還要提高調節手段的多樣化，對先進控制技術下自動變負荷變化過程中使用到的調節閥門都要明確地使用自動調節的方法，這便于及時調整中間過程中的變量。選擇閥門時，要注重閥門的調節功能是否能夠達到所需要的要求，因為在先進控制技術下自動變負荷過程中，要求閥門無論是在高負荷狀態下還是在低負荷狀態下都要有良好的調節性，還要對一些閥門設置信息反饋功能，這將非常有利于實時觀察調節的效果;同時還要增設一個在線分析儀，以便于實時分析中間過程各物料的純度。這些準備工作有助于觀察在先進控制技術下自動變負荷調節過程中成分每時每刻的變化情況，有利于達預期目標的情況下還不能夠保證產品的質量。

3自動變負荷先進控制系統的功能

自動變負荷先進控制系統有兩點很重要的特性：一是它的理論基礎是現代控制論;二是數據的處理、傳輸、控制的監控系統的監視等工作都由內置小型計算機進行計算、分析、處理。就是說在上位機上安裝的自動變負荷先進控制軟件，是MPC與RT0結合而成的專門用來實現自動變負荷控制系統，這時實現自動變負荷操作只需要工作人員改變其中幾個參數值就可以完成，操作人員通過對參數設定點的調控，從而達到對整個工藝過程自動變負荷控制的目的。在RT0給出一個參考值且MPC保證產品質量的條件下，先進控制站開始逐步向目標值遷移，并逐漸逼近給定的工況目標。MPC和RT0相結合可以有效地提高自動變負荷的速度，能明顯改善產品的質量，使自動變負荷操作變得穩定，還可以消除因為人為原因在變負荷過程中的誤操作。液氧、液氮和氧氣是變負荷過程中可以設定的主要產品。

4自動變負荷先進控制系統的特點

自動變負荷先進控制系統的各控制回路設定的最佳值，是由氧氣含量的需求、工藝的要求所決定的，也就是說當工藝要求和氧氣含量在不同的標準下發生改變時，設定值也要做出相應的改變，以符合當前的標準。自動變負荷先進控制系統可以根據生產過程中氧氣含量的不斷變化，從而實現對流程參數的準確計算，與此同時把計算得到的數值傳送到調節回路中，并把計算后傳送回來的數值作為設定值，這樣就可以全面建成MPC隨動系統，然后與監控等系統一起，在上位機以及基本控制系統上實現對生產負荷的調節，最終使無功生產大大減少，也使能耗進一步降低。

5自動變負荷先進控制系統的目標

自動變負荷多變量、時變性、系統強耦合、滯后等特點決定了它需要應用流程模擬和計算、實時監控和優化控制等措施來實現。其中優化控制的最終目標是保證自動變負荷過程中能夠以一定的速率進行調節，同時還要確保空分設備的穩定運行和產品的質量。將先進的控制技術運用到沒有進行工藝改進改進的空分設備上，可以產生以下效益：一，實現工藝流程自動變負荷調節，且變負荷能力達到75%～110%，另外還能保證產品的質量;二，能在兩個小時以內使變負荷速率達到氧氣產量的變化的30%，這就使速度加快且時間變短，遠遠高過手動調節的效率：三，使氧氣放散量大大地減少。

6自動變負荷先進控制系統的控制策略

自動變負荷先進控制系統主要的控制基礎是動態仿真以及穩態流程模擬，然后是在此基礎上的遠程對象數學模擬。MPC模擬預測系統是遠程對象數學模擬的基礎，同時用可測量信息和過程中的動態模擬，預測出過程輸出的未來行為。模型、滾動優化以及與反饋校正相結合的優化控制算法是預測控制技術的主要組成部分。它的作用是收集測量模型的信息以及實時信息，并不斷進行滾動優化，然后和實際測出的數據進行比較，并對對象輸出進行修正。魯棒PID多變量的建立，主要作用是使自動變負荷過程中始終具有較強的魯棒性。確立可操縱量的最高允許偏差和最佳的調控幅度，并使關鍵數據點得到有效地監控。第一步，控制器要降低關鍵變量的范圍波動，確保裝置的平穩運行，還要根據被控變量的重要程度，優先保證重要的被控變量;第二步，在遵守設備的使用規定和保證質量指標的前提下，通過控制器的優化功能，是工況過程盡可能地提高經濟效益。另外，重要的被控變量優化完成后，如果還有其它的變量，也應對這些變量進行優化操作。

7結束語

綜上所述，先進的控制技術在空分設備自動變負荷過程中極大地提高了空分設備的自動變負荷的能力，也讓優化控制節能效果得到了很大的提升，這將極大地推動我國空分設備行業走向信息化和智能化，并帶動空分設備行業周邊相關行業的快速發展，使新技術能夠得到更大規模的應用從而推動整個行業的技術創新，同時與空分設備行業有關的冶金、石化等行業得到進一步的發展，最終推動我國工業氣體市場的發展。

參考文獻

[1]唐瑞尹，許子林.自動變負荷在空分系統中的應用[J].中國科技信息，2017（12）：82-84.

[2]徐銘陽.多變量預測控制在空分裝置自動變負荷中的實踐探究[J].科學與財富，2015（1）：108-109.

[3]李蘭蘭.空分設備自動變負荷控制技術探討[J].中國科技縱橫，2015（14）：85.