CN103324170B - 无级调节现场制气系统采用的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无级调节现场制气系统采用的控制方法，用于控制包括控制系统和在其控制下工作的变频动力机械、若干个吸附塔、连接管路、若干个阀门、监测仪表的无级调节现场制气系统的制气流程，该控制方法包括：流量计检测产品气的实际流量，当产品气的实际流量小于产品气的额定流量且大于所设定的第一用气量值时，调整吸附塔的吸附时间；当产品气的实际流量小于或等于第一用气量值且大于所设定的第二用气量值时，首先调整变频动力机械的输入频率，再调整吸附塔的吸附时间。本发明针对不同的产品气的实际流量控制制气流程，使得在无级调节现场制气系统能够通过调整吸附塔的吸附时间或变频动力机械的输入频率来降低能耗，达到节能的目的。

Description

无级调节现场制气系统采用的控制方法

技术领域

本发明涉及一种现场制气系统采用的控制方法。

背景技术

变压吸附制氮、氧作为一种成熟的现场制气技术，已经在多个行业都得到了成熟而良好的应用。它主要包含一套提供原料空气的动力机械（压缩机、鼓风机等）、至少两只装填有吸附剂的吸附塔、一套程序控制自动切换阀门及一套监测仪表和附件。通过程序设置，自动切换阀门定时开关，实现两只吸附塔同时进行吸附和解析过程，从而实现连续产气的目的。

通常情况下，每只吸附塔至少要经历充压、吸附（产气）、均压、放气和冲洗五个步骤，决定切换周期的关键步骤是吸附（产气）步骤，而吸附步骤的时间在设计吸附器时是固定的。

吸附器的设计原则是：空气在一定的流速下均匀通过吸附塔中的吸附剂床层，在吸附步骤时间内被吸附杂质的传质区前沿不会突破吸附剂床层。若吸附步骤时间过长或者气流分布不均，非产品气将突破吸附剂床层，混入产品气中，造成产品的纯度下降；而吸附时间过短，吸附周期内有效产气时间比例降低，造成空气耗量增加，从而造成动力机械能耗的增加。

变压吸附现场制气的特点是终端用气不稳定，尤其是一些特定行业，对气体的需求量在高峰期和低谷期时差别很大，这就对现场制气设备的适应性提出了挑战。当处于用气高峰时，制气装置要全负荷运行，而当用气量降低时，切换程序和动力机械还在正常运行，单位能耗会急剧上升，造成了能耗的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够根据实际用气量而自动调整制气系统的制气流程以降低能耗的控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种无级调节现场制气系统采用的控制方法，用于控制无级调节现场制气系统的制气流程，所述的无级调节现场制气系统包括控制系统和在其控制下协同工作的提供原料气的变频动力机械、装填有吸附剂以对所述的原料气进行吸附来产生产品气的若干个吸附塔、连接管路、设置于所述的连接管路上的若干个阀门、监测仪表，所述的监测仪表包括检测所述的产品气的实际流量并输出与所述的实际流量相对应的电信号的流量计、监测所述的产品气的实际纯度的气体纯度分析仪，所述的控制方法包括：所述的流量计检测所述的产品气的实际流量，即所述的产品气的用气量，当所述的产品气的实际流量小于所述的产品气的额定流量且大于所设定的第一用气量值时，所述的控制系统通过调整所述的吸附塔的吸附时间；当所述的产品气的实际流量小于或等于所述的第一用气量值且大于所设定的第二用气量值时，所述的控制系统首先调整所述的变频动力机械的输入频率，再调整所述的吸附塔的吸附时间。

优选的，当所述的产品气的实际流量相对所述的产品气的额定流量减小时，所述的流量计检测所述的产品气的实际流量并输出相应的电信号至所述的控制系统，所述的控制系统中设置有所述的第一用气量值和所述的第二用气量值，所述的控制系统判断所述的用气量与所述的第一用气量值和所述的第二用气量值的大小关系。

优选的，当所述的产品气的实际流量小于所述的产品气的额定流量且大于所述的第一用气量值时，所述的控制系统调整延长所述的吸附塔的吸附时间；

在调整延长所述的吸附塔的吸附时间的过程中，所述的气体纯度分析仪检测所述的产品气的实际纯度并得出其相对所述的产品气的额定纯度的变化率；若所述的变化率小于所设定的第一纯度变化率值，则结束对所述的吸附塔的吸附时间的调整；若所述的变化率大于或等于所设定的第一纯度变化率值，则继续调整所述的吸附塔的吸附时间，直至所述的变化率小于所设定的第一纯度变化率值；

当所述的产品气的实际流量大于所述的第二用气量值且小于或等于所述的第一用气量值时，所述的控制系统首先调整所述的变频动力机械的输入频率以降低其转速，在调整所述的变频动力机械的输入频率的过程中，所述的气体纯度分析仪检测所述的产品气的实际纯度并得出其相对所述的产品气的额定纯度的变化率；若所述的变化率大于或等于所设定的第二纯度变化率值，则继续调整所述的变频动力机械的输入频率，直至所述的变化率小于所设定的第二纯度变化率值则结束对所述的变频动力机械的输入频率的调整；

在调整所述的变频动力机械的输入频率而使所述的变化率小于所设定的第二纯度变化率值时，所述的控制系统再调整延长所述的吸附塔的吸附时间，在调整延长所述的吸附塔的吸附时间的过程中，所述的气体纯度分析仪继续检测所述的产品气的实际纯度并得出其相对所述的产品气的额定纯度的变化率，若所述的变化率小于所设定的第三纯度变化率值，则结束对所述的吸附塔的吸附时间的调整；若所述的变化率大于或等于所设定的第三纯度变化率值，则继续调整所述的吸附塔的吸附时间，直至所述的变化率小于所设定的第三纯度变化率值。

优选的，所述的控制系统采用PLC进行控制。

优选的，所述的产品气的额定流量为Q，所述的产品气的实际流量为q，所述的第一用气量值为K₁Q，所述的第二用气量值为K₂Q，其中0.8≤K₁＜1，0.3≤K₂＜0.8。

优选的，所述的产品气的实际纯度为a，所述的产品气的额定纯度为A，所述的变化率为|a-A|/A。

优选的，所述的第一纯度变化率值为K₃，所述的第二纯度变化率值为K₄，所述的第三纯度变化率值为K₅，其中0＜K₃≤0.005，0.005＜K₄≤0.2，0＜K₅≤0.005。

优选的，所述的流量计输出4-20mA的电信号线性对应所述的产品气的0-Q的实际流量。

优选的，所述的变频动力机械包括变频电机，所述的变频电机连接有控制其输入频率的变频器。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明针对不同的产品气的实际流量控制制气流程，使得在无级调节现场制气系统在适应用气量变化的前提下，能够通过调整吸附塔的吸附时间或变频动力机械的输入频率来降低能耗，达到节能的目的。

附图说明

附图1为本发明的无级调节现场制气系统采用的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：参见附图1所示。

一种无级调节现场制气系统采用的控制方法，用于控制无级调节现场制气系统的制气流程。无级调节现场制气系统包括控制系统和在其控制下协同工作的提供原料气的变频动力机械、装填有吸附剂以对原料气进行吸附来产生产品气的若干个吸附塔、连接管路、设置于连接管路上的若干个阀门、监测仪表，监测仪表包括检测产品气的实际流量并输出与实际流量相对应的电信号的流量计、监测产品气的实际纯度的气体纯度分析仪。变频动力机械包括变频电机，变频电机连接有控制其输入频率的变频器。

首先介绍几项有关定义：该无级调节现场制气系统的产品气的额定产气量（即产品气的额定流量）为Q，而通过流量计所检测的产品气的实际用气量（即产品气的实际流量）为q。产品气的额定纯度为A，而通过气体纯度分析仪所检测的产品气的实际纯度为a。吸附塔的额定吸附时间为T，实际吸附时间为t。

在正常工况下，无级调节现场制气系统按额定情况制气，即其吸附塔的吸附时间为T，而其产生的产品气的流量为Q、纯度为A。

而当实际用气量变化时，则采用本方法进行控制。概括地说，该控制方法包括：流量计检测产品气的实际流量，即产品气的用气量，当产品气的实际流量小于产品气的额定流量且大于所设定的第一用气量值时，控制系统通过调整吸附塔的吸附时间；当产品气的实际流量小于或等于第一用气量值且大于所设定的第二用气量值时，控制系统首先调整变频动力机械的输入频率，再调整吸附塔的吸附时间。

具体的控制流程如下：

（1）当产品气的实际流量相对产品气的额定流量减小时，流量计检测产品气的实际流量并输出相应的电信号至控制系统，具体的，流量计输出4-20mA的电信号线性对应产品气的0-Q的实际流量。

控制系统中设置有第一用气量值K₁Q和第二用气量值K₂Q，控制系统判断用气量q与第一用气量值K₁Q和第二用气量值K₂Q的大小关系。通常，控制系统可以采用PLC进行控制，而该第一用气量值K₁Q和第二用气量值K₂Q可以根据实际情况自行设定，即在0.8≤K₁＜1，0.3≤K₂＜0.8的范围内，可选择适用的K₁值和K₂值。例如，设置第一用气量值为0.8Q，而第二用气量值为0.3Q。

若产品气的实际流量q小于产品气的额定流量Q且大于第一用气量值K₁Q，则进入步骤（2）；若产品气的实际流量q大于第二用气量值K₂Q且小于或等于第一用气量值K₁Q，则进入步骤（3）。

（2）当产品气的实际流量q小于产品气的额定流量Q且大于第一用气量值0.8Q时，控制系统在不停机的情况下调整延长吸附塔的吸附时间t。

在调整延长吸附塔的吸附时间t的过程中，气体纯度分析仪检测产品气的实际纯度a并通过控制系统得出其相对产品气的额定纯度的变化率，该变化率为|a-A|/A。控制系统将该变化率与其中设定的第一纯度变化率K₃进行比较，该K₃的取值范围为0＜K₃≤0.005，例如设定的第一纯度变化率值为0.005。若变化率|a-A|/A小于所设定的第一纯度变化率值0.005，则结束对吸附塔的吸附时间的调整。若变化率|a-A|/A大于或等于所设定的第一纯度变化率值0.005，则继续调整吸附塔的吸附时间t，直至变化率|a-A|/A小于所设定的第一纯度变化率值0.005。

在该情况下，由于延长了吸附塔的切换周期，减少单位时间内的放气量，使之保持在纯度一定的情况下，减少消耗原料空气的量。单位时间内变频动力机械输出气体的质量减少，即消耗电能减少，达到节能目的。但是吸附时间t的增大不是无限制的，吸附时间增大，同时会造成被吸附杂质的传质区前沿突破吸附剂最上沿，造成产品气纯度降低，因此需要将吸入时间延长至一个合适的值。

（3）当产品气的实际流量q大于第二用气量值0.3Q且小于或等于第一用气量值0.8Q时，控制系统首先调整变频动力机械的输入频率以降低其转速。在调整变频动力机械的输入频率的过程中，气体纯度分析仪检测产品气的实际纯度a并得出其相对产品气的额定纯度的变化率|a-A|/A。若变化率|a-A|/A大于或等于所设定的第二纯度变化率值K₄，该K₄的取值范围为0.005＜K₄≤0.2，例如设定的第二纯度变化率值K₄为0.2，则继续调整变频动力机械的输入频率，直至变化率|a-A|/A小于所设定的第二纯度变化率值0.2则结束对变频动力机械的输入频率的调整。

在调整变频动力机械的输入频率而使变化率|a-A|/A小于所设定的第二纯度变化率值0.2时，控制系统再调整延长吸附塔的吸附时间t，在调整延长吸附塔的吸附时间的过程中，气体纯度分析仪继续检测产品气的实际纯度a并得出其相对产品气的额定纯度的变化率|a-A|/A，若变化率|a-A|/A小于所设定的第三纯度变化率值K₅，该K₅的取值范围为0＜K₅≤0.005，例如设定该第三纯度变化率值为0.005，则结束对吸附塔的吸附时间t的调整；若变化率|a-A|/A大于或等于所设定的第三纯度变化率值0.005，则继续调整吸附塔的吸附时间t，直至变化率|a-A|/A小于所设定的第三纯度变化率值0.005。

在该情况下，仅通过吸附周期的调整已不能充分发挥其节能性，这时可通过PLC输出信号给变频器自动降低变频动力设备的电机转速，使之输出空气的量降低，产品气纯度a也会随之变化，当a变化到一定范围内时，再通过监测产品气纯度反馈改变吸附时间t的方式，进一步降低能耗。

上述的第一纯度变化率值、第二纯度变化率值、第三纯度变化率值也是根据实际情况设定的，本申请中的数字仅作为示例。

通过以上方式进行自动调整，可以使现场制气设备能够实时适应用气量的变化，且达到节能的目的。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无级调节现场制气系统采用的控制方法，用于控制无级调节现场制气系统的制气流程，所述的无级调节现场制气系统包括控制系统和在其控制下协同工作的提供原料气的变频动力机械、装填有吸附剂以对所述的原料气进行吸附来产生产品气的若干个吸附塔、连接管路、设置于所述的连接管路上的若干个阀门、监测仪表，所述的监测仪表包括检测所述的产品气的实际流量并输出与所述的实际流量相对应的电信号的流量计、监测所述的产品气的实际纯度的气体纯度分析仪，其特征在于：所述的控制方法包括：所述的流量计检测所述的产品气的实际流量，即所述的产品气的用气量，当所述的产品气的实际流量小于所述的产品气的额定流量且大于所设定的第一用气量值时，所述的控制系统通过调整所述的吸附塔的吸附时间；当所述的产品气的实际流量小于或等于所述的第一用气量值且大于所设定的第二用气量值时，所述的控制系统首先调整所述的变频动力机械的输入频率，再调整所述的吸附塔的吸附时间。

2.根据权利要求1所述的无级调节现场制气系统采用的控制方法，其特征在于：当所述的产品气的实际流量相对所述的产品气的额定流量减小时，所述的流量计检测所述的产品气的实际流量并输出相应的电信号至所述的控制系统，所述的控制系统中设置有所述的第一用气量值和所述的第二用气量值，所述的控制系统判断所述的用气量与所述的第一用气量值和所述的第二用气量值的大小关系。

3.根据权利要求1或2所述的无级调节现场制气系统采用的控制方法，其特征在于：当所述的产品气的实际流量小于所述的产品气的额定流量且大于所述的第一用气量值时，所述的控制系统调整延长所述的吸附塔的吸附时间；

在调整延长所述的吸附塔的吸附时间的过程中，所述的气体纯度分析仪检测所述的产品气的实际纯度并得出其相对所述的产品气的额定纯度的变化率；若所述的变化率小于所设定的第一纯度变化率值，则结束对所述的吸附塔的吸附时间的调整；若所述的变化率大于或等于所设定的第一纯度变化率值，则继续调整所述的吸附塔的吸附时间，直至所述的变化率小于所设定的第一纯度变化率值；

当所述的产品气的实际流量大于所述的第二用气量值且小于或等于所述的第一用气量值时，所述的控制系统首先调整所述的变频动力机械的输入频率以降低其转速，在调整所述的变频动力机械的输入频率的过程中，所述的气体纯度分析仪检测所述的产品气的实际纯度并得出其相对所述的产品气的额定纯度的变化率；若所述的变化率大于或等于所设定的第二纯度变化率值，则继续调整所述的变频动力机械的输入频率，直至所述的变化率小于所设定的第二纯度变化率值则结束对所述的变频动力机械的输入频率的调整；

在调整所述的变频动力机械的输入频率而使所述的变化率小于所设定的第二纯度变化率值时，所述的控制系统再调整延长所述的吸附塔的吸附时间，在调整延长所述的吸附塔的吸附时间的过程中，所述的气体纯度分析仪继续检测所述的产品气的实际纯度并得出其相对所述的产品气的额定纯度的变化率，若所述的变化率小于所设定的第三纯度变化率值，则结束对所述的吸附塔的吸附时间的调整；若所述的变化率大于或等于所设定的第三纯度变化率值，则继续调整所述的吸附塔的吸附时间，直至所述的变化率小于所设定的第三纯度变化率值。

4.根据权利要求1或2所述的无级调节现场制气系统采用的控制方法，其特征在于：所述的控制系统采用PLC进行控制。

5.根据权利要求1或2所述的无级调节现场制气系统采用的控制方法，其特征在于：所述的产品气的额定流量为Q，所述的产品气的实际流量为q，所述的第一用气量值为K₁Q，所述的第二用气量值为K₂Q，其中0.8≤K₁＜1，0.3≤K₂＜0.8。

6.根据权利要求3所述的无级调节现场制气系统采用的控制方法，其特征在于：所述的产品气的实际纯度为a，所述的产品气的额定纯度为A，所述的变化率为|a-A|/A。

7.根据权利要求3所述的无级调节现场制气系统采用的控制方法，其特征在于：所述的第一纯度变化率值为K₃，所述的第二纯度变化率值为K₄，所述的第三纯度变化率值为K₅，其中0＜K₃≤0.005，0.005＜K₄≤0.2，0＜K₅≤0.005。

8.根据权利要求2所述的无级调节现场制气系统采用的控制方法，其特征在于：所述的流量计输出4-20mA的电信号线性对应所述的产品气的实际流量。

9.根据权利要求1或2所述的无级调节现场制气系统采用的控制方法，其特征在于：所述的变频动力机械包括变频电机，所述的变频电机连接有控制其输入频率的变频器。