CN101796360A - 用于控制低温蒸馏单元的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制低温蒸馏分离设备的方法，修正了至少一个操作变量，使用至少一个受控变量修正该操作变量或各个操作变量，从而使用控制方法调节各个受控变量，使用预测控制方法控制第一受控变量的至少一个设定点。

Description

用于控制低温蒸馏单元的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制低温蒸馏单元，例如空气分离单元或用于分离主要成分为氢和一氧化碳的混合物的单元的方法。
根据本发明的控制过程使用多变量预测控制方法，作为一种选择还可以使用非预测控制方法，例如新型前馈(AFF)策略。
通过示例说明此方法，特别是以氩提取产量的快速速率改变和优化为例。
在此不详细讨论空气蒸馏过程，该空气蒸馏过程在例如“OxygenEnhanced Combustion”CRC编著，1998，“Tieftemperaturtechnik”，Hausen和Linde等著的文献中有所描述。
总之，此方法用于通过压缩和然后冷却(液化)和蒸馏环境空气来生产氧、氮和氩(少数情况下是氪和氙)。
背景技术
在常规系统中，通过低压和中压塔(这些塔越来越常见地被叠加，且通过称为蒸发器-冷凝器的氧/氮热交换器热连通)将空气压缩，然后分离。在中压塔中，通过在塔底产生富氧液体和在塔的顶部产生富氮液体和蒸气而将氮从空气分离。这些产品被提取且其中至少一部分被单独地给送到低压塔。由于氩、氮和氧之间的相对挥发性的差异，实践中在塔顶形成纯氮，在实践中在塔底形成纯氧，且在塔的中部产生富氩气体。在中央，通常称为粗氩的富氩部分，可从低压塔回收以给送到辅助塔(氩)从而产生氩。该粗氩被精馏成富氧回流(该富氧回流然后被输送至低压塔以便在其中冷凝)和非常富氩的流(通常称为氩混合物)，该高度富氩流可用作产品或随后被净化。
在现代化的单元中，很少将来流空气、生产得到的氮、氧和氩以及中间流的流速(例如从高压塔上升至低压塔的液体的流速)的设定点值固定。同时使用控制系统以满足产品质量的要求(含量)而同时产生所需的量，且逐渐地满足与安全和环境相关的需求。
通常这些控制系统是新型前馈(AFF)类型，并且更主要是多变量预测控制(MVPC)类型。
这两种系统都具有优点和缺点。本发明提供一种使得这两种系统的用途最佳的组合系统。
发明内容
本发明涉及一种用于控制低温蒸馏分离设备的方法，其中修正了至少一个操作变量，使用至少一个受控变量来修正该操作变量或各个操作变量，可用一种控制方法调节各个受控变量，其特征在于预测控制方法用于控制第一受控变量的至少一个设定点。
根据其它方面：
-由预测方法控制的第一受控变量的至少一个设定点用于通过非预测方法(作为一种选择，该非预测方法可以是新型前馈类型)计算至少一个第二受控变量的至少一个设定点，
-由预测方法控制的受控变量中的一个的设定点推知的至少一个设定点用于通过非预测方法(作为一种选择，该非预测方法可以是新型前馈类型)计算至少一个第二受控变量的至少一个设定点，
-通过滤波，可选地通过斜坡滤波(filtrage de type‘rampe’)，所述设定点由预测方法控制的受控变量中的一个的设定点推知，
-第一受控变量是用于双塔形式的低温蒸馏空气分离设备的原料空气流速，该双塔包括中压塔和低压塔，且第二受控变量是来自中压塔和/或输送至低压塔的回流液体的流速，或来自中压塔和输送至低压塔的回流液体(Capa)的容器的液位/高度，
-通过超前-滞后滤波，优选地通过逆响应方案(variante ‘réponseinverse’)处理从中压塔到该容器的回流液体的设定点的计算值，
-通过超前-滞后滤波，优选地通过过冲方案(variante‘sur-dépassement’)处理从该容器至低压塔的回流液体的设定点的计算值，
-该回流液体富含氮，
-该方法是用于控制空气分离设备的方法，该空气分离设备包括中压塔、低压塔和氩分离塔，且第一受控变量是低压塔的预定高度处的氧含量，优选在该预定高度处氩含量为最大值，其中，
i)测量氩分离塔顶部处的氮的含量，如果所述氮含量超过第一阈值，使得第一受控变量的至少一个上限或下限增加，和/或
ii)测量从低压塔提取的富氧流的氧的含量，如果该氧含量低于第二阈值，使得第一受控变量的至少一个上限或下限增加，
-至少一个上限或下限至少增加0.1％，优选至少增加0.5％，
-至少一个上限或下限即刻增加，
-或者
i)一所述旦氮含量超过第一阈值，如果该氮含量然后降至低于第三低阈值，等于或高于第一阈值，使得第一受控变量的至少一个上限或下限减少，和/或
ii)一旦所述氧含量低于第二阈值，如果该氧含量然后超过第四低阈值，等于或高于第二阈值，使得第一受控变量的至少一个上限或下限减小，
-至少一个上限或下限至少减小0.1％，优选至少减小0.2％，
-至少一个上限或下限是在一段至少为10分钟的时间内减小，
-第一阈值是至少0.2％的氮，优选为至少0.3％且可选地第三阈值等于第一阈值。
附图说明
下面结合附图详细描述本发明。
图1、2和7示意性地示出根据本发明的控制方法，图3至图6示出滤波系统的效果，该滤波系统可用于本发明中，图8A示出利用图8B的空气分离设备的情况下根据本发明的控制方法，且图9和图10是示出根据本发明的方法控制的变量图。
具体实施方式
本发明包括一种组合方法控制系统，该组合方法控制系统用于从AFF和MVPC系统二者的优点获益。
第一步包括限定控制矩阵(matrice)，即MV(操作变量)，CV(受控变量)和DV(扰动和/或可观察到的偏差)。
通过使用该方法的知识：所述单元的静态行为(热动力平衡等)以及动态行为(液压流和动态助留(écoulement hydraulique et retentiondynamique))、由SNCC(数值监控控制系统)控制的某些变量之间的等式，以及控制矩阵(DV和MV)的其它变量被定义。作为一种选择，可以由MV的值执行随后的计算，且这些计算的结果是新的设定点，如图1所示。MVPC控制器接收扰动值DV1、DV2和受控变量的值CV1、CV2。基于这些值，MVPC控制器(使用下文描述的动态相互关系以及各种专用(ad hoc)参数)计算操作变量MV1、MV2的新的设定点(RSP)，这些新的设定点被发送至各种类型的控制器(例如发送至流量指示器和控制器(FIC)或液位指示器和控制器(LIC))。在所示的情况下，此示例涉及一种流量控制器。通常这些等式使用一个或多个操作变量。
但是在某些情况下，如图2所示，也能够通过和某些操作变量(MV1、MV2)结合以使用一个或多个扰动值(DV1、DV2)和一个或多个受控变量(CV1、CV2)以便产生流量控制器(FIC)和液位控制器(LIC)的新的设定点(RSP或远程设定点)。图1和图2之间的不同之处在于，在图2的情况下，某些CV和DV参与某些计算的设定点(RSP)的值的计算，该设定点的值被发送至FIC、LIC类型的控制器等，而不通过MVPC。
在某些情况下，操作变量的值被直接使用。由于这些在预测多变量控制器的每个计算循环都被重新计算，所以设定点的计算产生增量。
规律是，来自控制器的值通过滤波器从离散域进入连续域。
这用于使用慢滤波器(例如第一阶滤波器)以得到如图3所示的(对于具有高惯性系统的)变换缓慢的设定点。
在其它情况下，使用类似图4的限制变化的滤波器。
另一种滤波是超前-滞后(或提前/延迟)类型的，以便为设定点的改变提供动力(dynamique)。
我们具有“逆响应”类型的超前-滞后(图5)：当由控制器给出的设定点增加时，信号首先开始减小，然后增加至期望值。
另一种类型是“过冲”类型：滤波器将设定点的变化临时放大(图6)。
无需仅使用一个滤波器，且可使用多个滤波器的组合。如图7所示，第一滤波器用于修正MV1的值，第二滤波器用于修正MV2的值，第三滤波器用于修正计算产生的设定点的值。
可得到很多优点：
·首先，多变量控制器的矩阵尺寸减小(首先，更少的操纵变量)。从而该系统更加易于使用。
·花费更少的时间识别系统的模型(表示CV和DV和MV之间的动态连接的相互关系)(这个时间是和操作变量的数目直接成正比)。
·SNCC和PC之间的通信更少，该PC包含并运行MVPC软件(最常见的情况)。
·SNCC中(程序)启动更少。
·MVPC控制器中调节参数更少(启动更快)。
·控制器更强大。
根据本发明的系统用于使得生产单元优化。优化变量包括在矩阵中。使用线性或方均根(rms)优化程序通过将受控变量推至其极限值而找到该单元的操作点的最佳值。
但是，本发明的系统还用于形成非常快的速率变化。实际上，由于预定了控制循环的一部分，这用于预估该单元的载荷改变。
因此，此系统既用于优化又使得载荷在0.1％/分钟(伪静态速率改变)和大于7％/分钟(非常快的速率改变)之间变化。
通过使用图8A和图8B可显示出在快速的速率变化(高达7％的产品流速/每分钟)的情况下本发明的方法的效率。
在图8B中，双塔包括被蒸发器-冷凝器热连接在一起的中压塔MP和低压塔BP。该设备在BP塔的底部产生气态形式的低压氧OGBP。
中压空气AirMP被输送至中压塔MP且膨胀的空气AirTurb被输送至BP塔。
富液体(rich liquid)被从MP塔的底部输送至BP塔。
被称为低贫液体的富氮液体LP被输送至容器C，且来自该容器的液体被输送至BP塔。
高贫液体被从MP塔输送至BP塔。
目的在于很快速地增加和/或降低空气分离单元的空气给送以便更快地调整它以适于消耗需求。应当理解这些载荷改变必须满足被输送产品的安全需求和质量规定。
为了将纯度保持在装备有根据本发明的系统的空气分离单元的要求的范围内，必须使得以下塔中的回流尽量保持为不变：
·低压塔(BP)
·中压塔(MP)
在非常快的速率改变的情况下，不能仅仅在该控制系统中找到此问题的解决方案。这是因为在快速速率改变期间，(MP以及BP)塔中的气体流速被修正成比液体流速(该液体流速被修正成很低，这是因为塔中的塔板或填料相关的液体阻滞)快。这产生塔内回流值的极大的变化，直接的结果是含量损失和生产暂停。
根据本发明的方案是开发塔的全部液体容器，或甚至安装附加的液体容器——该附加的液体容器由有效的控制系统进行管理，确保充分的回流，从而在速率改变期间也可保持纯度。
图8提供了该设备的示意简图。
安装了附加容器以便在快速速率改变期间从所获得的液体体积获益。此容器的有用容积可基于详细计算(动态建模)。容器C填充有来自MP塔的贫氧液体(LP)且离开的液体在特定(ad hoc)位置被输送至BP塔。
容器C的填充/排出原理如下：当(给送到所述单元的)空气流速处于其最高值时，容器的液位处于其最低值(例如20％)，且当空气流速处于最低可能值时，容器中的新的液体的设定点处于最高可能值(例如40％、50％或80％)。
但是，这种相对简单的原理必须由有效的控制系统管理，这是因为容器的填充或排出流速一定不能仅仅和空气流速成比例地变化。这是由于空气流速变化和LP在回流上的动态影响并不相同。因此，这些差别必须由合适的控制系统进行管理以便使得回流尽可能保持稳定。同时，必须将容器的液位保持在合适的值。从而总是需要计算三个设定点(远程设定点)(见图8)：
-RSP_1：从MP通向容器C的贫液体(poor liquid，LP)的流速设定点，
-RSP_2：容器C的LIC的设定点，
-RSP_3：从容器到BP塔的LP的流速设定点。
此外，为了实现速率变化，必须确保空气流速以及OGBP(低压氧气)流速的合适的变化，从而：
-尽量迅速满足OGBP生产的需求，
-将OGBP含量保持在设定的界限内。
因此，与AFF方法和MVPC相结合使用各种类型的滤波器的组合(以便开发变量的多种变化和预测管理的可能性)。
总之，在这种情况下：
-流向和来自附加容器的BP流速通过AFF方法并合适地使用各种过滤器而进行管理(见图8)。这有助于将塔内的回流保持在合适的值，
-空气和OGBP流速由MVPC进行管理。这确保以期望值生产OGBP，且保持OGBP的含量。
实际上，如果观察图8A会发现以下现象：
-由合适的计算(calcul_1)反应作为空气流速要求的氧要求(GOX要求)(这也可这样调节：该单元可和其它单元共享一个原料空气网络-和氧-生产网络)，
-通过考虑此OGBP要求，此时的空气压缩机的、OGBP含量的各种可能性，扰动变量的值等，MVPC将为空气(FAIR_1)和OGBP提供新的设定点。
-空气、FAIR_1的新的设定点具有“阶梯”形，这是因为MVPC需要时间用于其计算，因此MVPC将每分钟或每三十秒等给PID发送设定点(RSP)。对于“AFF/容器RSP管理”系统来说这样“零碎的”输入是不可接受的。因此在将设定点发送至附加容器的流速管理前使用“斜坡”滤波器将此设定点“平滑”。这给出了新的设定点(FAIR_2)，
-通过计算(calcul_2，例如ax+b类型)此新的设定点被转化为贫液体(poor liquid)的流速(F LP)，该贫液体的流速表示在稳定状态下的贫液体的流速。需要使用此流速的动机是：
·计算从MP至所述容器的LP的设定点(远程设定点)(RSP_1)。此计算要求经历前进-滞后(逆响应)过滤器，
·计算从容器至BP塔的LP的设定点(远程设定点)(RSP_3)，该LP通过了：
·“过冲”过滤器
·添加有容器的LIC的校正的计算(-ax+b类型的calcul_3)。
通过这种方法，由AFF类型的管理和MVPC的有利组合得到这种情况(快速速率改变)的动态管理。这是本发明的原理。实际上，MVPC的内在预测和多变量能力有助于加速运行而同时符合OGBP含量的限制。
在必须非常快速地响应氧消耗的速率改变的设备处，安装基于上述原理的MACCS系统。
生产的氧气的纯度通常必须保持在接近于95％，且总是在最低94％(规定的含量)和最高96.5％(为了安全的原因)之间。
图9和图10中示出各参数的变化。速率的改变迅速发生但是同时将OGBP的含量保持在期望的界限内。
AFF部分(带有滤波器)控制与附加容器和MVPC的流速、空气流速和OGBP流速相关的整个部分。
根据本发明的系统的其它用途是使得从空气分离单元(ASU)提取的氩最优。
可参考上述空气分离单元的简要描述。
(从低压塔至氩塔的)粗氩流包含一定百分比的氮。当氩被蒸馏时，氮的存在引起很多操作上的担忧(préoccupation)。
这是因为，为了提取最多量的氩，氩“塔腹(belly)”(在低压塔的氩流待被提取的位置处的氧含量)必须保持尽量低。这源于蒸馏的基本原理，并且是操作中公知的规定。相反，氩塔腹的极低值的结果是在氩蒸馏塔的顶部极易出现氮，这妨碍了此塔的正常运行。这些机制都是完全(éminemment)非线性的。结果是纯的产品的含量的降低和操作单元的被迫中断运行(déclenchement)。
由于发生这些情况，安装在空气蒸馏塔上的MVPC系统遭遇到很严重的问题，这是因为再次导致在氩塔顶部出现氮的取决于各个参数的模型是高度非线性的，且难以由“单纯的”MVPC方法进行管理。
在控制所述塔的氩塔腹的基本系统上的MVPC方法(作为示例)的情况下，可构建以下系统：
操作变量，MV(该操作变量的设定点由MVPC系统提出)
MV1：空气流速
MV2：低压氧气(OGBP)流速
受控变量，CV(只要通过MVPC可以实施，就需要通过操纵MV变量必须将该受控变量CV的值保持在两个界限-高和低-之间)。
CV1：氩塔腹的值——在低压塔的预定高度处的氧含量(％的形式)
CV2：为了生产的原因必须被满足的空气流速(目标空气)的“目标”值。
扰动变量，DV(MVPC并不操作该值，但是该值对CV变量的影响由模型确定)：
DV1、DV2...：用于空气、OGBP流速等的测量-设定点偏差(该流速被结合至MV变量中)。
DVx、DVx+1：可选地，顶部梳刷滚筒的增压、中压或高压OG流速、中压或高压氮气流速等的影响。
明显地，此配置是一个示例，且可认为MV、CV和DV之间的很多种配置也可解决相同的问题。
在本发明的组合方法的情况下，采取以下策略：
1.位在氩塔顶部出现的氮设定阈值。这通常约为0.2％至1％，但是可以更高或更低，这取决于各个塔的具体特征。将此阈值称为(A)。
2.当超出阈值(A)时，作为变量CV1(氩塔腹)必须保持的极限被发送给MVPC的极低极限、低极限、高极限和极高极限的值全部瞬时增加了预定值(将此值称为V1)，该预定值取决于所述方法，且这些值通常可以是约0.2％至3％且更典型地在0.5％至1.5％之间。使得所有极限上升的此值(V1)称为“自动偏差”。
3.当在塔顶的氮分析值随后降至低于阈值(B)，该阈值(B)可等于阈值(A)，或(B)＝(A)+/-(C)，其中(C)是确保滞后的值(在所研究的情况下通常约为0.1％至0.5％)，然后从塔腹的各个极限值去除V1，优选不是瞬时地去除，而是带有斜坡(-V1/min)以便防止突然返回至氩塔腹的设定点的初始值。
此技术用于避免该单元无意识地中断运行，这会产生生产的损失、能量损失以及生产单元的意外的中断的潜在危险，且同时用于保持最佳(很低)的氩塔腹设定点，该最佳设定点使得氩的提取最佳。
上述原理由图10所示的示例示出。
为了帮助总结得更加清晰，仅示出极低极限值和极高极限值，但是低极限值和高极限值也增加相同的值(V1)。
在所示出的情况下：
偏差活化(activation)阈值(A)＝0.3％氩塔顶部的氮
偏差失活阈值(B)＝(A)＝0.3％
自动偏差的值(V1)：1.5％，该值自动加到发送至MVPC的氩塔腹的各极限值中。
返回至塔腹设定点的初始值的斜坡时间：30分钟。
此外，在所示出的情况下，CV1(氩塔腹)的所有极限由例如单元的载荷、生产的非纯氧的流速等的一组参数进行计算。
可观察到氮的出现是高度非线性的，因此需要MVPC之外的这种技术来考虑这种情况的发生。
还应当观察到这种自动偏差的激活并不必需只和在氩塔顶部氮的出现相关，而是可以和出现其它的机制，例如超出氧含量的低阈值(例如由低压塔生产的低压氧含量等)相关。
对于某些受控变量——该受控变量的死亡(mort)期比15分钟更长，使用预测控制方法。例如，来自由低压塔供应的非纯氩塔的产品流速的变化对于该塔中测量的氧含量有影响，该塔的死亡时间超过15分钟。因此非纯氩塔的氧含量由预测方法控制。

Claims (15)

1.一种用于控制低温蒸馏分离设备的方法，其中修正了至少一个操作变量，使用至少一个受控变量修正该操作变量或各个所述操作变量，使用控制方法能够调节各个受控变量，其特征在于，使用预测控制方法控制第一受控变量的至少一个设定点。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述预测方法控制的第一受控变量的至少一个设定点用于通过非预测方法计算至少一个第二受控变量的至少一个设定点，该非预测方法可选为新型前馈类型。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述预测方法控制的所述受控变量中的一个的设定点推知的至少一个设定点用于通过非预测方法计算至少一个第二受控变量的至少一个设定点，该非预测方法可选为新型前馈类型。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，由所述预测方法控制的所述受控变量中的一个的设定点推知的所述设定点是通过滤波推知的，该滤波可选为斜坡滤波。
5.根据权利要求2至4之一所述的方法，其中，第一受控变量是双塔形式的低温蒸馏空气分离设备的原料空气流速，该双塔包括中压塔和低压塔，且第二受控变量是来自中压塔和/或输送至低压塔的回流液体的流速，或来自中压塔和输送至低压塔的回流液体(Capa)的容器的液位。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过超前-滞后滤波，优选地通过逆响应类型的超前-滞后滤波来处理从中压塔至该容器的回流液体的所述设定点的所述计算值。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，通过超前-滞后滤波，优选地通过过冲类型的超前-滞后滤波来处理从该容器至低压塔的回流液体的所述设定点的所述计算值。
8.根据权利要求5至9之一所述的方法，其中，所述回流液体富含氮。
9.根据权利要求1所述的方法，用于控制空气分离设备，该空气分离设备包括中压塔、低压塔和氩分离塔，且第一受控变量是低压塔的预定高度处的氧含量，在该位置处氩含量优选为最大值，其中，
i)测量氩分离塔顶部处的氮的含量，且如果该氮含量超过第一阈值，使得用于第一受控变量的至少一个上限或下限增加，和/或
ii)测量从低压塔提取的富氧流的氧的含量，且如果该氧含量降至低于第二阈值，使得用于第一受控变量的至少一个上限或下限增加。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，至少一个上限或下限至少增加0.1％，优选至少增加0.5％。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，至少一个上限或下限瞬时地增加。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其中，
-一旦氮含量超过第一阈值，如果该氮含量随后降至低于第三低阈值，等于或高于第一阈值，使得用于第一受控变量的至少一个上限或下限减少，和/或
-一旦所述氧含量降至低于第二阈值，如果该氧含量随后超过第四低阈值，等于或高于第二阈值，使得用于第一受控变量的至少一个上限或下限减小。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，至少一个上限或下限至少减小0.1％，优选至少减少为0.2％。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，至少一个上限或下限被减小至少10分钟的时间段。
15.根据权利要求9至14之一所述的方法，其中，第一阈值是至少0.2％的氮，优选为至少0.3％，且可选地第三阈值等于第一阈值。
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