CN101634837A

CN101634837A - 空分装置制氩系统氮塞的防控方法

Info

Publication number: CN101634837A
Application number: CN200910102150A
Authority: CN
Inventors: 李华银; 赵均; 徐祖华; 钱积新
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2010-01-27

Abstract

本发明公开了一种空分装置制氩系统氮塞的防控方法，它是通过选取氩馏分的氩含量、氩馏分温度、粗氩塔II顶部氩含量和产品氧气纯度各重要指标的测量值作为被控变量，其中，氩馏分的氩含量和氩馏分温度作为监测氮塞的第一道防线，粗氩塔II顶部氩含量作为其第二道防线，此两道防线用来直观、准确的反应制氩系统是否发生氮塞，产品氧气纯度用来反映主塔工况是否稳定；选取气氧取出量、上塔纯液氮回流量和粗氩气提取量作为操作变量；由预测控制算法计算出当前各操作变量的最优控制增量，用以调节主塔和氩系统的精馏工况。本发明能够实时在线监测和调节氩系统在平稳工况和变负荷时氧、氩、氮含量的变化，从根本上有效的预防和处理空分装置的氮塞。

Description

空分装置制氩系统氮塞的防控方法

技术领域

本发明属于空气分离控制工程技术领域，具体涉及空分生产过程中制氩系统氮塞的防控方法。

背景技术

氩是空气中含量最多的稀有气体，图1给出了一种空分制取氩的流程，原料空气经过在主塔低压塔的精馏，将在塔顶获得产品氮气，塔底得到产品氧，并在提馏段形成一个氩富集区；氩的提取就是通过从低压塔中下部抽取一定量的气相氩馏分，并进入粗氩塔进行精馏。由于粗氩塔塔板数较多，塔高不利于安装和保持垂直度，因而把粗氩塔分成粗氩塔I和粗氩塔II两段。粗氩塔II顶部是粗氩冷凝器，冷源是来自于经液空过冷器的液空；在塔内，上升的粗氩气大部分被粗氩冷凝器冷凝下来作为回流液；在塔底，被冷凝的液体通过循环液氩泵增压后被送入粗氩塔I顶部，作为粗氩塔I的回流液。粗氩塔I底部的液体靠位差和自重回到低压塔相应的部位。在粗氩冷凝器中，未被冷凝的粗氩气被引入到粗氩液化器中进行液化，然后将得到的粗液氩再送入精氩塔中进行氩、氮分离。

在上述制氩工艺流程中，为了防控氮塞，获得高纯度的氩产品，保证主塔精馏工况的稳定是其解决问题的最根本途径。这是因为氩馏分稳定是控制粗氩塔精馏工况的关键，而提取合格的氩馏分必须确保主塔各组分的分布梯度和塔内操作压力满足一定要求即主塔工况要稳定，如果主塔低压塔工况不平稳，从中抽取的氩馏分含氮过多，大量的氮进入粗氩塔内不能被粗氩冷凝器所冷凝，而积聚在冷凝器的粗氩侧，致使粗氩中的氮含量急剧增加，从而导致粗氩冷凝器温差减小，甚至为0。这样，粗氩气的冷凝量减少，氩馏分的抽出量亦减少，气体上升速度减慢，最终造成塔板漏液，粗氩塔精馏工况被破坏，出现“氮塞”问题。

目前，关于制氩系统氮塞防控方法均是操作人员依据经验手动控制的，但是人工操作存在工况难以稳定、组分波动较大等问题，这主要是由空分制氩生产过程复杂的动态特性、强烈的非线性和回路之间的耦合性等工艺特征引起的，因此，防控氩系统氮塞的常规手动控制方法是不能及时、准确的监测、预防和处理空分装置的氮塞。

发明内容

本发明的目的是提供一种空分装置制氩系统氮塞的防控方法。它能够很好的适应空分制氩操作的动态特性、强烈的非线性和回路之间的耦合性等工艺特点，实现空分装置氮塞的在线实时监测与控制。

本发明要解决的是目前空分行业缺乏一套有效的自动防控氮塞的控制方法的问题。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种空分装置制氩系统氮塞的防控方法，它由如下步骤组成：

步骤一、根据空分制氩工艺流程和控制要求，选取氧气纯度、氩馏分氩含量、氩馏分温度和粗氩塔II顶部氩含量作为被控变量；选取气氧取出量、纯液氮回流量和粗氩气提取量作为操作变量；扰动变量为空分负荷量-空气流量；

步骤二、通过装置阶跃序列测试和模型参数辨识，获得各被控变量与相应操作变量间的传递函数模型，其扰动传递函数模型是通过辨识空气流量分别与产品氧气纯度、氩馏分氩含量和氩馏分温度之间的测试数据所获得的；然后将各传递函数模型转化非参数预测模型-阶跃响应模型；

步骤三、从计算机集散控制系统(DCS)中读取k-1时刻各个操作变量的当前值，并得出k-1时刻各操作变量的变化量；

步骤四、通过预测控制算法预测在k-1时刻各操作变量变化量作用下，相应被控变量的未来变化；

步骤五、检测当前各被控变量的测量值，并和原预测值进行比较，对各被控变量的未来预测值进行校正；

步骤六、根据预测控制算法的控制性能指标，优化计算出各操作变量设定值的未来变化量。

上述步骤一中被控变量氩馏分的温度反映其氮组分的变化比氩馏分氩含量纯度指标更及时、直接。

上述步骤一中，氩馏分的氩含量和氩馏分温度作为监测氮塞的第一道防线，粗氩塔II顶部氩含量作为其第二道防线，此两道防线用来直观、准确的反应监测制氩系统是否发生氮塞。

上述步骤一中，被控变量产品氧气纯度用来反映主塔低压塔内各组分的纯度和分布梯度，从而判断主塔的精馏工况是否正常，从根本上防止制氩系统氮塞的发生。

上述步骤一中，空气流量作为控制器的扰动变量，当空分装置进行负荷调整时，空气流量为控制器提供前馈信息，从而控制器采取相应的调节动作来保证变负荷过程中主塔以及制氩系统精馏工况正常。

所述的预测控制算法是增加了前馈控制功能的预测控制算法，其可测扰动变量-空气流量为各个操作变量提供前馈信息，此前馈控制方法计算出的控制作用分配后与预测控制算法计算出的控制作用叠加，形成最终的控制作用，具体步骤如下：

(1)初始化各被控变量的预测输出向量；各被控变量包括产品氧气纯度、氩馏分氩含量、氩馏分温度和粗氩塔II顶部氩含量；

(2)控制器通过OPC数据接口从DCS中读取各被控变量的当前值和空气流量的当前值，计算出被控变量的预测误差及空气流量的变化量；

(3)根据预测误差校正各被控变量的预测输出值；

(4)被控变量预测值进行移位操作，将作为下一时刻的预测初值；

(5)计算各操作变量(氧气流量、纯液氮回流量和粗氩气流量)的控制增量，并将空气流量所产生的前馈输出分配计算后叠加到各操作变量控制增量上，形成最终的控制作用；各操作变量包括氧气流量、纯液氮回流量和粗氩气流量。

(6)利用移除前馈输出后的控制输出来计算各被控变量的预测输出。

本发明基于空分生产装置的现有计算机集散控制系统(DCS)、组分分析仪、温度分析仪和流量表，采用集成前馈结合预测控制技术的算法；以被控变量氩馏分氩含量、氩馏分温度作为监测氮塞的第一道直观防线，以粗氩塔II顶部氩含量作为其第二道直观防线，并以产品氧气纯度来监测主塔的精馏工况；同时，将气氧取出量、上塔纯液氮回流量和粗氩气提取量作为调节氮塞的手段，实现了对空分制氩系统氧、氩、氮含量的实时在线监测与控制，取得了满意的控制效果。

本发明的有益效果主要表现在：(1)、能够适应空分操作复杂的动态特性、强烈的非线性和回路之间的耦合性，实现了对空分装置氮塞的有效预防和控制；(2)、通过监测和调节主塔的精馏工况，实现了从根本上防止和消除氩系统的氮塞(3)、能够克服空分装置负荷调整过程对主塔和氩系统的影响，实现了在全工况下对氩精馏过程的平稳控制；(4)、模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好。

附图说明

图1是空分装置制取氩的工艺流程图。图1中，F1：产品氧气流量；F2：纯液氮回上塔流量；F3：粗氩气提取量；D1：产品氧气纯度；D2：氩馏分氩含量；D3：粗氩塔II顶部氩含量；T：氩馏分温度。

图2是制氩系统防氮塞的控制方法原理框图。图2中，F1：产品氧气流量；F2：纯液氮回上塔流量；F3：粗氩气提取量；D1：产品氧气纯度；D2：氩馏分氩含量；D3：粗氩塔II顶部氩含量；T：氩馏分温度；G：空分制氩系统；DF：空气流量；MPC：设计了前馈控制功能的预测控制算法。

图3是空分系统重要组分产品氧气纯度含量控制效果图。

图4是空分系统重要组分产品氩馏分氩含量控制效果图。

图5是空分系统重要组分产品粗氩塔II顶部氩含量控制效果图。

图6前馈结合预测控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明：

本发明空分装置制氩系统氮塞的控制原理结构图如图2所示，它是通过选取氩馏分的氩含量、氩馏分温度、粗氩塔II顶部氩含量和产品氧气纯度各重要指标的测量值作为被控变量(CVs)，其中，氩馏分的氩含量、氩馏分温度作为监测制氩系统是否发生氮塞的第一道直观防线，粗氩塔II顶部氩含量作为其第二道直观防线，产品氧气纯度用来反映主塔工况是否稳定，保证主塔工况的稳定是防止氩系统发生氮塞的最根本手段；选取气氧取出量、上塔纯液氮回流量和粗氩气提取量作为操作变量(MVs)；由预测控制器通过滚动优化，计算出当前各操作变量的最优控制增量，用以调节主塔和制氩系统的精馏工况。此外，控制器还设计了前馈控制功能，将影响主塔低压塔精馏工况的空分负荷量-空气流量引入到控制器的扰动变量(DVs)中，为各操作变量提供前馈信息。

本发明空分装置制氩系统防控氮塞的关键因素：

空分装置制氩系统是否发生氮塞的根本原因是主塔精馏工况的稳定与否，这是因为主塔高压塔的富氧液空经过低压塔精馏后抽出气相氩馏分到粗氩塔中，气相氩馏分的稳定是控制粗氩塔精馏工况的关键，然而要保证氩馏分中氧、氩、氮含量的组成在所要求的范围内就必须保障主塔各组分的纯度以及分布梯度稳定。产品氧、氮纯度发生变化时，氩在上塔的分布也会发生变化，而氩馏分抽口是固定不变的，因此氩馏分的组分也会随之发生变化。经验证明，氧气纯度变化0.1％，氩馏分中氧含量就会变化0.8％～1％，氩馏分中氩含量是随着氧气纯度的提高而降低的。这是因为氧气纯度提高后，提馏段的氩富集区上移，氩馏分抽口处气体中的氩含量降低。反之，提馏段的氩富集区下移，氩馏分抽口处气体中的氩含量上升，相应氮含量也会相应增大。因此，本发明将产品氧气纯度用来反映主塔的精馏工况，工业模型预测控制器则根据氧气纯度的当前值，自动操纵各操作变量(产品氧气流量、上塔纯液氮回流量和粗氩气提取量)PID回路的设定值，将主塔稳定在正常的精馏工况，从而从根本上来防控制氩系统的氮塞。

本发明所述的空分装置制氩系统防氮塞的两道重要直观防线：

空分装置生产过程中制氩系统发生氮塞的直接原因是主塔氩馏分控制失常。基于此，本发明设计了两道重要防线来直观、准确的反映制氩系统是否发生氮塞，以便控制器采取相应的调节动作。

(1)、第一道防线包括：氩馏分氩含量、氩馏分温度。它主要是用来监测从主塔抽取的氩馏分中氧、氩、氮含量的变化，在一般情况下，氩馏分氩含量可以准确的反映出氩馏分中各组分是否合格；但在实际操作中，有时会发生在氧含量不低的情况下却发生了不同程度的氮塞，因此，本发明增加了氩馏分温度作为监测指标，它主要是用来检验氩馏分中的氮含量是否超标，当氩馏分中的氮含量升高时，氩馏分温度就会下降，如果长时间运行，就有可能发生氮塞。此时，主要通过改变气氧取出量和上塔纯液氮回流量来调整氩馏分各组分的含量，同时，微量增大粗氩气的抽取量。

(2)、第二道防线是粗氩塔II顶部氩含量。它是监测制氩系统是否发生氮塞的最后一道防线，当氩馏分的氩含量高于10％且粗氩塔II顶部氩含量低于98.6％的偏差逐渐加大时，通常说明空分制氩系统已经发生了一定程度的氮塞。此时，主要通过加大粗氩气去精氩塔的抽取量来快速消除氮塞，同时，调整主塔的精馏工况以便最终建立氩系统的生产工况。

本发明采用前馈控制与预测控制的有机结合：

空分装置变负荷时，其空分负荷量-空气流量会随着生产调度的要求而变化，则在变负荷过程中，进入主塔的空气量会以较大幅度不断波动，从而影响主塔的精馏工况，进而延缓甚至破坏粗氩塔生产工况的建立。如减负荷过程中，进入精馏塔的空气量不断减少，工况未稳定时低压塔(上塔)操作压力会下降，氩馏分中的氩、氮含量升高；升负荷时，进入精馏塔的空气量会不断增加，从而高压塔(下塔)的压力以及进入其顶部冷凝蒸发器的氮气量亦会相应增加，则冷凝蒸发器热负荷增大，冷凝液氮量和蒸发氧气量增加，从而低压塔内气氧量不断增多，推动氩富集区上移，造成氩馏分抽口处的回流比变小，氩馏分中氧含量增加，氩含量降低。因此，为了降低变负荷过程对制氩系统精馏工况的影响，将空气流量引入到控制器的可测扰动变量中，控制器通过读取当前空气流量的测量值为各操作变量提供前馈信息。

该前馈有助于在空分装置变负荷时，及时提前调整各操作变量，从而稳定主塔和粗氩塔的精馏工况，提高控制系统的品质。

此前馈控制方法与预测控制算法的结合机理为：修改预测控制算法的控制作用输出部分，将可测扰动变量空气流量引起的操作变量控制作用(气氧流量、纯液氮回流量与粗氩气流量)和预测控制算法本身所计算出的控制作用叠加，形成最终的控制作用；对预测控制算法的预测部分，仅预测在上一次由预测控制算法本身计算出的控制作用下被控变量(氩馏分氩含量、氩馏分温度和产品氧气纯度)的变化，即在上次计算产生的最终控制作用中减去由空分装置负荷调整引起的控制作用，将其作为预测控制算法计算预测输出时的控制作用增量。

其具体控制方法流程如下：

设制氩系统被控对象相对于所对应的操作变量的阶跃响应采样数据为a_ij(1)，a_ij(2)…a_ij(N)(i＝1…4 j＝1…3)，N为模型长度。

动态矩阵为

A_{DM} = {[\begin{matrix} A_{11} & \cdot \cdot \cdot & A_{13} \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ A_{41} & \cdot \cdot \cdot & A_{43} \end{matrix}]}_{4 P \times 3 M},

A_{ij} = {[\begin{matrix} a_{ij} (1) & \cdot \cdot \cdot & 0 \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ a_{ij} (M) & \cdot \cdot \cdot & a_{ij} (1) \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ a_{ij} (P) & \cdot \cdot \cdot & a_{ij} (P - M + 1) \end{matrix}]}_{P \times M}, (i = 1 \cdot \cdot \cdot 4, j = 1 \cdot \cdot \cdot 3);

误差校正矩阵为

h_{st} = {[\begin{matrix} h_{st} (1) \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ h_{st} (N) \end{matrix}]}_{N \times 1}, (s, t = 1 \cdot \cdot \cdot 4);

移位矩阵为

f是前馈转换系数，y_r是控制要求。

(1)初始化各被控变量(产品氧气纯度、氩馏分氩含量、氩馏分温度和粗氩塔II顶部氩含量)的预测输出向量

X＝[x_1，0(1)…x_1，0(N) x_2，0(1)…x_2，0(N) x_3，0(1)…x_3，0(N) x_4，0(1)…x_4，0(N)]^T；

(2)控制器通过OPC数据接口从DCS中读取各被控变量的当前值y(k)＝[y₁(k)…y₄(k)]^T和空分负荷调整时空气流量的测量值d(k)，计算出被控变量的预测误差e＝y(k)-[x_1，0(1) x_2，0(1) x_3，0(1) x_4，0(1)]^T及空气流量的变化量Δd(k)＝d(k)-d(k-1)；

(3)根据预测误差校正各被控变量的预测输出值X＝X+H*e；

(4)被控变量预测值进行移位操作X＝S₀X，将作为下一时刻的预测初值；

(5)计算各操作变量的最优控制增量以及当前时刻的最优控制增量ΔU_M(k)＝D(y_r-X)，Δu(k)＝D*(y_r-X)，并将空分负荷调整时空气流量变化量所产生的前馈输出分配叠加到各操作变量的控制增量上，形成最终的控制作用u(k)＝u(k-1)+Δu(k)+f*Δd；

(6)利用移除前馈输出后的控制输出来计算各被控变量的预测输出X＝X+A_DM*ΔU_M(k)，重复步骤(2)-(6)。

本发明的空分装置制氩系统氮塞的防控方法现以采用杭氧公司专利技术的内压缩流程空分装置为例进行说明。此装置(图1)在标准工况下，氧气产量为20000Nm³/h。其控制方法的具体实施步骤为：

(1)、根据空分制氩工艺流程和控制要求，选取氧气纯度、氩馏分氩含量、氩馏分温度和粗氩塔II顶部氩含量作为被控变量，气氧取出量、纯液氮回流量和粗氩气提取量作为操作变量，并将空气流量引入到控制器的扰动变量中；

(2)、通过对各操作变量阶跃测试获得所需辨识数据，利用辨识软件FRONT-ID辨识出各被控变量分别与相应操作变量间的一阶传递函数模型，其扰动传递函数模型是通过辨识总空气流量分别与氧气纯度、氩馏分氩含量和氩馏分温度之间的测试数据所获得的；然后将各传递函数模型转化非参数预测模型-阶跃响应序列；

(3)、在DCS系统的局域网上增加一台上位机用来创建防控氮塞的预测控制器MPC(图2)，其控制算法是设计了前馈控制功能的预测控制算法，其中，预测时域为P＝30，控制周期T＝60s；

(4)、气氧取出量、纯液氮回流量和粗氩气提取量各PID控制回路改为串级模式，其设定值由上层模型预测控制器MPC(图2)给定，而各被控变量的控制要求由工艺人员所确定；

(5)、投运防氮塞模型预测控制器，则将控制器状态参数设为ON，停止投运模型预测控制器，则将状态参数设为OFF，且各控制回路切出此预测控制器，返回到常规控制状态；

(6)、制氩系统防氮塞模型预测控制器根据当前时刻各操作变量(气氧取出量、纯液氮回流量和粗氩气提取量)的测量值，计算各操作变量的变化量；根据各被控变量(氧气纯度、氩馏分氩含量、氩馏分温度和粗氩塔II顶部氩含量)的当前测量值来校正其预测值；由预测控制算法依据控制性能指标，优化计算出各操作变量的最优控制增量；同时，根据当前时刻与前一时刻空气流量测量值的差值(特别考虑空分负荷调整的情况)，通过扰动模型计算前馈量，并将其分配计算后分别与原先计算的各操作变量控制增量叠加，作为各控制回路新的设定值。

图3显示了本控制方法在杭氧公司内压缩流程专利空分装置上的在线实时运行结果。分界线前为手动控制三重要组分(氧气纯度、氩馏分氩含量和粗氩塔II顶部氩含量)的波动曲线，分界线后为本控制方法运行后组分的波动曲线。在图3.1中，手动控制时，氧气纯度的波动范围为99.69％～99.98％；本控制器运行后，其波动范围缩小到99.9％～99.7％，使得主塔的工况更稳定。在图3.2中，采用手动控制时，氩馏分氩含量的波动范围为7.5％～11.1％；预测控制器投运后，氩馏分氩含量的实际波动范围减小到8％～10％，且主要稳定在9％上下波动。在图3.3中，控制器投运前，粗氩塔II顶部氩含量的波动范围为98.4％～99.4％；本控制方法运行后，其波动范围缩小到98.9％～99.1％。从以上可以看出，本控制方法运行后，明显缩小了三重要组分的变化范围，使之在精馏过程中不超出工艺所要求的限定，从根本上有效的防控了制氩系统的氮塞。

Claims

1、一种空分装置制氩系统氮塞的防控方法，其特征在于它由下列步骤组成：

2.根据权利要求1所述的空分装置制氩系统氮塞的防控方法，其特征在于步骤一中被控变量氩馏分的温度反映其氮组分的变化比氩馏分氩含量纯度指标更及时、直接。

3.根据权利要求1所述的空分装置制氩系统氮塞的防控方法，其特征在于步骤一中，氩馏分的氩含量和氩馏分温度作为监测氮塞的第一道防线，粗氩塔II顶部氩含量作为其第二道防线，此两道防线用来直观、准确的反应监测制氩系统是否发生氮塞。

4.根据权利要求1所述的空分装置制氩系统氮塞的防控方法，其特征在于步骤一中，被控变量产品氧气纯度用来反映主塔低压塔内各组分的纯度和分布梯度，从而判断主塔的精馏工况是否正常，从根本上防止制氩系统氮塞的发生。

5.根据权利要求1所述的空分装置制氩系统氮塞的防控方法，其特征在于步骤一中，空气流量作为控制器的扰动变量，当空分装置进行负荷调整时，空气流量为控制器提供前馈信息，从而控制器采取相应的调节动作来保证变负荷过程中主塔以及制氩系统精馏工况正常。

6.根据权利要求1所述的空分装置制氩系统氮塞的防控方法，其特征在于所述的预测控制算法是增加了前馈控制功能的预测控制算法，其可测扰动变量-空气流量为各个操作变量提供前馈信息，此前馈控制方法计算出的控制作用分配后与预测控制算法计算出的控制作用叠加，形成最终的控制作用，具体步骤如下：

(3)根据预测误差校正各被控变量的预测输出值；