CN109973412A - 一种用于外压缩空分装置氧压机防喘振方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于外压缩空分装置氧压机防喘振方法，包括以下步骤：建立空分装置预测控制器模型；选择空分装置的参数建立预测控制器；通过预测控制器控制氧压机防喘振。本发明通过氧压机喘振线计算当前最小导叶开度，并以开度值作为导叶开度最小约束下限，防止氧压机吸气不足导致的氧压机喘振现象发生，确保装置安全稳定的生产；通过合理设置氧压机导叶、回流调节阀、压比的约束重要性等级，来实现自动进行氧压机导叶及回流调节，防止氧压机压比过高引起的喘振现象发生，并降低操作工的劳动强度。

Description

一种用于外压缩空分装置氧压机防喘振方法

技术领域

本发明所涉及技术为空分行业压缩机防喘振技术，属于外压缩带氩空分设备自动化工程技术领域。

背景技术

外压缩空分装置采用筛板下塔、规整填料上塔、前段预净化、氧气外压缩、全精馏无氢制氩流程的制氧装置。即采用常温分子筛预净化，空气增压透平膨胀机提供装置所需冷量，双塔精馏，氧气外压缩技术。

整套空分设备包括：空气压缩系统、空气预冷系统、分子筛纯化系统、分馏塔系统，同时还设有全精馏无氢制氩系统、氧气压缩系统、氮气压缩系统、液体贮存及汽化系统、仪控系统和电控系统，在氧气外压缩空分装置中，空气首先进入空气过滤器，在过滤器中除去灰尘和机械杂质，进入空气压缩机，压缩空气在空冷塔内自下而上被循环水和低温水冷却。

出空冷塔的空气进入交替使用的分子筛吸附器，除去水分、二氧化碳和乙炔等杂质。净化后的加工空气分量股：一股经增压膨胀剂膨胀后送入上塔参与精馏。另一股进入主换热器被返流气体冷却至液化问题-173℃后进入下塔。

空气在下塔初步精馏后，在下塔底部获得含氧38％的富氧夜空、在下塔顶部获得纯液氮。抽取下塔夜空、纯液氮进入上塔响应部位，在上塔顶部获得纯氮气。经过冷器、主换热器复热至18℃后出冷箱作为产品输出。

在上塔底部获得氧气，经过主换热器复热至18℃后出冷箱作为产品输出。液氧产品从冷凝蒸发器底部抽出，进入液氧储槽。

从上塔中部抽出含氩7-11％的氩馏分送入粗氩塔。粗氩塔在结构上分为两段，第二段粗氩塔底部的液体经循环液氩泵加压后送入第一段顶部作为回流液。经粗氩塔精馏得到一定纯度的粗氩气，进入精氩塔中部。经精氩塔实现氩氧分离，在精氩塔底部得到高纯度的液氩。

从上塔中上部引出污气，经过冷器、主换热器复热后出冷箱，一部分进入蒸汽加热器作为分子筛再生气体，一部分经污氮鼓风机加压输出，其余气体送入水冷塔。

在上塔底部获得的高纯度氧气将直接为下游炼钢企业回转炉的直供氧气，由于下游回转炉具有间歇用氧炼钢的特点，钢厂用气量会突然增加或减小。氧气生产具有连续性，因此空分装置氧气出口往往通过加氧气球罐的方法对用氧进行缓冲，氧气先通过氧压机进行加压后输出到氧气球罐，钢厂用氧直接通过球罐获取。另外，氧压机出口与氧压机入口之间设置回流阀，防止氧压机因球罐压力过大引发的喘振现象发生，如图1所示。

钢厂用氧量发生变化时，将导致球罐压力的变化，例如用量增加时，球罐压力降低；用量减少时，球罐压力升高。

氧气外压缩流程中，氧压机的安全运行是生产运行的关键之一，即需要氧压机工作在喘振线以内，喘振对压缩机本体及空分装置的危害较大，影响装置正常生产。氧压机工作在喘振线以内，即是氧压机机后压力与机前压力之比，称为压比，应低于喘振线；同时氧压机导叶开度不能小于对应该压比时红线处的导叶开度值，即最小导叶开度，如图2所示。

氧压机机后压力即氧压机球罐压力，将会随钢厂用氧量的变化而变化。机后压力的变化将导致压比的变化，当机后压力升高时，由于机前压力由上塔塔压决定，基本保持恒定，此时压比升高；反之，压比降低。当氧压机压比发生变化时，对应的氧压机导叶最小值也发生变化，压比升高，氧压机最小开度提高；反之，最小开度降低。当压比高于喘振线或氧压机导叶低于当前压比对应的最小导叶开度时，氧压机出现喘振现象，引发生产事故。此时需要打开回流阀，提高机前压力，从而降低压比。

现有控制方案采用人工手动调节，无法投入自动，人工调节时，当用户观察到压比即将靠近喘振线时：

1)用户优先关闭氧压机导叶，减少氧气进入球罐的进气量，以降低机后压力，从而降低氧压机压比，减缓喘振的发生；

2)当氧压机导叶关至最小导叶时，不能通过继续关小导叶来防止喘振现象的发生，此时需要开通回流，提高机前压力，从而杜绝喘振的发生。

3)开回流后，机前压力升高，主塔上塔压力升高，此时氧气纯度上高、氩馏分纯度下降，此时需要减小空压机负荷，以补偿开回流引起的装置扰动。

这是典型的多输入多输出控制对象，同时具备明显的优先顺序，优先关导叶最后开回流，尽量降低回流量，尽量减少能量的浪费。如果直接开回流，氧压机将会多做工，能耗提高。同时开回流后，主塔压力发生变化，进而影响了产品纯度，因此采用传统的PID控制难以解决，因此只能依靠人工调节。人工调节具有以下几个缺点：

1)需要实时观测氧压机，开度以及压比情况，费事费力；

2)为了防止氧压机喘振，操作人员无法精确计算出导叶最小位置与回流最小开度。因此在需要开回流时，往往给出一个较大的回流阀开度，同时导叶未关至下限，这样无形中增加了氧压机的电耗。

3)开回流对系统的影响无法精确估量，势必给装置带来产品质量波动。

发明内容

针对上述技术不足，本发明的目的在于有效防止氧压机喘振现象发生，降低钢厂用氧量波动对装置产生的影响，降低氧压机的能耗，同时降低操作人员劳动强度。具体目的详见如下：有效防止氧压机喘振现象的发生，确保装置安全稳定的生产；自动进行氧压机导叶及回流调节，降低操作工的劳动强度；根据氧压机的实际工作状态，优化氧压机导叶与回流调节次序，最小化实现回流调节量，降低氧压机电耗，提高经济效益。通过建立回流阀与液氧纯度、氩馏分的扰动模型，抵抗下游用气量变化对产品质量的影响，提高装置抗干扰能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于外压缩空分装置氧压机防喘振方法，包括以下步骤：

建立空分装置预测控制器模型；选择空分装置的参数建立预测控制器；通过预测控制器控制氧压机防喘振。

所述建立空分装置预测控制器模型具体为：

建立空压机空气流量阀开度与氧含量、氩馏分之间的控制模型，用于调节产品质量；

建立膨胀旁通阀开度与氩馏分之间的控制模型，用于调节氩馏分含量；

建立氧压机导叶开度与压比、氧压机导叶开度之间的控制模型，同时建立氧压机导叶开度与氧含量、氩馏分之间的扰动模型，用于消除用氧量变化对主塔的影响；

建立氧压机回流阀开度与压比、氧压机回流阀开度之间的控制模型，同时建立氧压机导叶开度与氧含量、氩馏分之间的扰动模型，用于消除用氧量变化对主塔的影响。

所述选择空分装置的参数包括：

1)被控变量包括上塔底氧气氧含量、上塔氩馏分含氩量，作为预测控制器的输入；

2)操作变量包括空压机流量调节阀、膨胀机旁通阀开度、氧压机导叶开度、氧压机回流阀开度，作为预测控制器的输出；

3)虚拟被控变量为氧压机压比、氧压机导叶开度以及回流阀开度，作为预测控制器的输入。

所述氧压机压比通过下式得到：

R_press＝P_out/P_in

P_press为氧压机压比，P_out、P_in分别为测得的氧压机出口压力、氧压机入口压力。

所述氧压机的最小导叶值通过下式得到：

x＝(y-b)/k

其中，k为喘振线斜线斜率，b为截距，x为当前时刻导叶开度，y为喘振压比线。

当氧压机压比升高时，控制器优先降低氧压机导叶开度以降低氧压机压比，而不是调节回流阀开度；

当氧压机导叶开度降低至当前压比对应的喘振线上氧压机的最小导叶值时，虚拟被控变量氧压机导叶开度下限约束起作用，氧压机导叶将停止继续关小；此时控制器将增大回流阀开度，回流阀将放弃其虚拟被控变量回流阀开度的设定目标，进一步降低压比至设定范围内；

当氧压机导叶开度低于氧压机最小导叶开度时，控制器提高导叶开度直至最小导叶开度；同时打开氧压机回流阀，用回流阀调节氧压机压比，将至设定范围内。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.通过氧压机喘振线计算当前最小导叶开度，并以开度值作为导叶开度最小约束下限，防止氧压机吸气不足导致的氧压机喘振现象发生，确保装置安全稳定的生产；

2.通过合理设置氧压机导叶、回流调节阀、压比的约束重要性等级，来实现自动进行氧压机导叶及回流调节，防止氧压机压比过高引起的喘振现象发生，并降低操作工的劳动强度；

3.根据氧压机的实际工作状态，优化氧压机导叶与回流调节次序，最小化实现回流调节量，降低氧压机电耗，提高经济效益。

4.通过建立回流阀与液氧纯度、氩馏分的前馈补偿模型，预防下游用气量变化对产品质量的影响，提高装置抗干扰能力。

附图说明

图1是氧压机与球罐连接示意图；

图2是喘振线示意图；

图3是预测控制原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种用于外压缩空分装置氧压机防喘振技术，它采用动态矩阵控制技术为核心，选取氧压机压比、氧压机导叶开度测量值、氧压机回流阀开度测量值作为预测控制器的被控变量(CV)，氧压机导叶开度、氧压机回流阀开度作为操作变量(MV)；其中氧压机导叶被控变量的下限通过喘振线来计算得到，防止氧压机吸气不足引起的喘振现象发生；预测控制器通过调节氧压机导叶MV与氧压机回流MV来实现氧压机压比在喘振线之内，防止氧压机由于压比过高导致的喘振现象发生；氧压机回流测量值CV变量采用设定点控制策略，实现优先调节氧压机导叶开度，其次调节氧压机回流，达到降低氧压机电耗的目的；通过引入氧压机开度、氧压机导叶开度与主塔上塔气氧含量与主塔上塔氩馏分的前馈模型关系，降低下游钢厂用氧波动对于主塔的影响，达到稳定空分主塔的目的。

本专利提出一种用于外压缩空分装置氧压机防喘振方法，替代传统的人工操作，实现自动化调节空分装置导叶及回流，分配氧压机机前、机后压力，防止氧压机喘振现象的发生，阻止了由此引起的生产事故；同时提高装置抗干扰能力，降低氧压机电能消耗；并大大降低操作人员的劳动强度。

为达到有效防止氧压机喘振现象发生，降低钢厂用氧量波动对装置产生的影响，降低氧压机的能耗，同时降低操作人员劳动强度的目的。本法明提出采用动态矩阵控制技术进行氧压机压比与导叶控制，并引入氧压机回流对空分主塔氧含量、氩馏分之间的扰动模型关系，组成一个整体预测控制器，通过合理的控制器方案，实现上述控制需求。

如图3所示，为达到上述目的，本专利的技术方案如下：

1)选择控过程中需要检测的量作为控制器的被控变量(CV)。

被控变量选取为上塔底氧气氧含量、上塔氩馏分含氩量，目的是控制氧含量、氩馏分在工艺设定点范围，满足控制需求。

2)选择过程变量作为控制器的操作变量(MV)。

操作变量选取为空压机流量调节阀、膨胀机旁通阀开度、氧压机导叶开度、氧压机回流阀开度。目的是调节防止氧压机由于压比过大出现的喘振现象，同时将氧压机导叶开度与氧压机回流阀开度作为氧含量、氩馏分的扰动变量，提高上塔的稳定性，进而达到稳定主塔的目的。

3)选取虚拟被控变量。

虚拟被控变量是通过可检测到的测量变量通过计算得到的变量，从而实现特殊的控制需求。本方案中采用的虚拟变量为氧压机压比、氧压机导叶开度以及回流阀开度。由于氧压机导叶开度本身作为了操作变量，因此我们需要建立一个虚拟的CV变量CV4，该变量的测量值为氧压机导叶开度的测量值，他们的之间模型增益为1，用于限制氧压机的导叶开度不能低于氧压机导叶开度下限，防止氧压机由于吸气不足导致的喘振现象发生；同理，为了保证控制器优先关导叶而不是优先开回流，此时需要对氧压机回流添加设定目标，设定目标值为0 (希望回流正常情况为关闭状态)，因此需要加一个虚拟CV变量CV5，MV4 与CV5之间的模型增益同样为1。

虚拟变量氧压机压比的计算公式如下：

R_press＝P_out/P_in

最终得到防喘振预测控制器的变量表为控制变量表，见表1。

表1

表2为变量之间的模型关系。

表2

4)实时计算CV3压比值。

Rpress＝PICA2301.PV*1000/(PICA2401.PV+1)

压比值将作为CV3的测量值，计算压比时需要判断位号PICA2301.PV与PICA2401.PV的质量码，质量码为192表示测量值可信，如果不可信需要将CV3 开关关闭，保障控制器安全。公式中分母加1的目的是除零保护。

5)通过阶跃测试建立变量之间的阶跃响应模型。

建立空压机空气流量阀开度与氧含量、氩馏分之间的控制模型，用于调节产品质量；建立膨胀旁通阀开度与氩馏分之间的控制模型，用于调节氩馏分含量；建立氧压机导叶开度与压、氧压机导叶开度之间的控制模型，同时建立氧压机导叶开度与氧含量、氩馏分之间的扰动模型，用于消除用氧量变化对主塔的影响；建立氧压机回流阀开度与压比、氧压机回流阀开度之间的控制模型，同时建立氧压机导叶开度与氧含量、氩馏分之间的扰动模型，用于消除用氧量变化对主塔的影响。

6)实时计算CV4变量的操作下限。

为了防止氧压机喘振现象的发生，需要保证氧压机导叶大于当前压比对应的喘振线上氧压机的最小导叶值。因此这里需要实时根据氧压机喘振线计算当前时刻氧压机的最小导叶开度。不同的压缩机喘振线时不同的，以图2所示压缩机喘振线为例(但不限于此)，计算防喘振线斜线段内的最小氧压机导叶开度 PIC1103_PV_LOW：

x＝(y-b)/k

其中k为喘振线斜线斜率，b为截距，x为当前时刻导叶开度，y为喘振压比线。在这里，b＝10。

7)设置变量优先级顺序。

设置优先级顺序的原则是：优先满足安全约束，其次满足工艺指标约束，最后是经济约束。安全约束为氧压机安全运行相关约束，这里设置CV4氧压机导叶开度下限，为不能逾越的边界约束重要性等级最高；其次是压比上限约束，不可违反；再次回流阀设定值约束，保证控制器优先调节氧压机导叶；最后为质量变量约束，设置氧含量与氩馏分含量等级最低。

当氧压机压比升高时，控制器优先降低氧压机导叶开度以降低氧压机压比，而不是调节回流阀开度，因为回流阀将跟踪其虚拟被控变量回流阀开度的设定目标；当氧压机导叶开度降低至当前压比对应的喘振线上氧压机的最小导叶值时，虚拟被控变量氧压机导叶开度下限约束起作用，由于虚拟被控变量氧压机导叶开度下限的重要性等级高于压比等级，氧压机导叶将停止继续关小；此时控制器将增大回流阀开度，回流阀将放弃其虚拟被控变量回流阀开度的设定目标，进一步降低压比至安全范围内；

当氧压机导叶开度低于氧压机最小导叶开度时，控制器将提高导叶开度直至最小导叶开度；同时打开氧压机回流阀，用回流阀调节氧压机压比，将至安全范围内。

根据如上设置进行预测控制器设计，能有效防止氧压机喘振的发生，同时通过最经济的调节方式降低氧压机的电耗(优先调节氧压机导叶，导叶调节达到下限时调节回流)，实现氧压机相关变量自动调节，降低操作工的劳动强度，并能有效降低将下游用户用氧量变量对主塔的影响。

本发明所述控制方案中添加虚拟变量氧压机导叶开度测量值作为被控变量，并将其优化重要性等级设置为最高，用于限制氧压机导叶开度，目的是防止氧压机因为吸气不足导致的喘振现象的发生。

本发明所述控制方案添加虚拟变量氧压机压比作为被控变量，并将其等级设置为次高，用于驱动氧压机导叶以及氧压机回流阀动作，目的是防止机后压比过高导致的氧压机喘振现象发生。

本发明所述控制方案添加虚拟变量回流阀开度测量值作为被控变量，并且采用定点控制策略，将其设定点等级设置为中，设定目标为0。目的是尽量保证回流处于关闭状态，优先调节氧压机导叶进行喘振保护，当导叶开度达到下限时，开启氧压机回流来进行氧压机喘振保护。从而实现防喘振的同时，达到降低氧压机电耗的目的。

本发明所述控制方案建立了氧压机导叶和氧压机回流阀与上塔氧含量、上塔氩馏分之间的扰动模型关系，目的是降低下游用氧压力波动对主塔上塔的影响，达到稳定主塔的目的。

Claims (6)

1.一种用于外压缩空分装置氧压机防喘振方法，其特征在于包括以下步骤：

建立空分装置预测控制器模型；选择空分装置的参数建立预测控制器；通过预测控制器控制氧压机防喘振。

2.根据权利要求1所述的一种用于外压缩空分装置氧压机防喘振方法，其特征在于所述建立空分装置预测控制器模型具体为：

建立空压机空气流量阀开度与氧含量、氩馏分之间的控制模型，用于调节产品质量；

建立膨胀旁通阀开度与氩馏分之间的控制模型，用于调节氩馏分含量；

建立氧压机导叶开度与压比、氧压机导叶开度之间的控制模型，同时建立氧压机导叶开度与氧含量、氩馏分之间的扰动模型，用于消除用氧量变化对主塔的影响；

建立氧压机回流阀开度与压比、氧压机回流阀开度之间的控制模型，同时建立氧压机导叶开度与氧含量、氩馏分之间的扰动模型，用于消除用氧量变化对主塔的影响。

3.根据权利要求1所述的一种用于外压缩空分装置氧压机防喘振方法，其特征在于所述选择空分装置的参数包括：

1)被控变量包括上塔底氧气氧含量、上塔氩馏分含氩量，作为预测控制器的输入；

2)操作变量包括空压机流量调节阀、膨胀机旁通阀开度、氧压机导叶开度、氧压机回流阀开度，作为预测控制器的输出；

3)虚拟被控变量为氧压机压比、氧压机导叶开度以及回流阀开度，作为预测控制器的输入。

4.根据权利要求3所述的一种用于外压缩空分装置氧压机防喘振方法，其特征在于所述氧压机压比通过下式得到：

R_press＝P_out/P_in

P_press为氧压机压比，P_out、P_in分别为测得的氧压机出口压力、氧压机入口压力。

5.根据权利要求1所述的一种用于外压缩空分装置氧压机防喘振方法，其特征在于所述氧压机的最小导叶值通过下式得到：

x＝(y-b)/k

其中，k为喘振线斜线斜率，b为截距，x为当前时刻导叶开度，y为喘振压比线。

6.根据权利要求1所述的一种用于外压缩空分装置氧压机防喘振方法，其特征在于:

当氧压机压比升高时，控制器优先降低氧压机导叶开度以降低氧压机压比，而不是调节回流阀开度；

当氧压机导叶开度降低至当前压比对应的喘振线上氧压机的最小导叶值时，虚拟被控变量氧压机导叶开度下限约束起作用，氧压机导叶将停止继续关小；此时控制器将增大回流阀开度，回流阀将放弃其虚拟被控变量回流阀开度的设定目标，进一步降低压比至设定范围内；

当氧压机导叶开度低于氧压机最小导叶开度时，控制器提高导叶开度直至最小导叶开度；同时打开氧压机回流阀，用回流阀调节氧压机压比，将至设定范围内。