CN110243138B - 一种空气分离设备模型前馈控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空气分离设备模型前馈控制系统，应用于空气分离设备，包括：检测模块，用以判断所述空气分离设备是否需要变更控制方式；计算模块，连接所述检测模块，用以计算变更控制方式所需的参数；控制模块，连接所述计算模块，用以对所述空气分离设备进行控制调节；微调模块，连接所述控制模块，用以对调节后的所述空气分离设备进行微调操作。本发明在结合流程模拟、多参数控制的情况下，利用先进算法，对空气分离设备进行模型前馈控制。使设备自动调节并一直运行在设计的最佳工况，能做到减少人员干预的同时降低能耗和自动变负荷的效果。

Description

一种空气分离设备模型前馈控制系统及方法

技术领域

本发明涉及空气分离设备，尤其涉及一种空气分离设备模型前馈控制系统及方法。

背景技术

在MPC(ModelingPredictiveControl,模型前馈控制)系统的发展和应用业务模块方面，随着大型及特大型空分设备的迅速发展，空分设备用户对自动控制的要求越来越高，尤其是对自动变负荷的要求越来越高。由于装置产气量大，一旦负荷发生变化，如果产品放空，会造成很大的能量损失，于是提出变负荷控制要求的用户越来越多。此外由于空分装置具有流程复杂，耦合严重，以及大范围变负荷所产生的非线性等特点，使得人工变负荷操作存在工况难以稳定、组分波动较大等问题，特别是对于带氩产品的空分操作控制。因此，空分装置的自动变负荷技术就成为当今空分行业的迫切需求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种空气分离设备模型前馈控制系统及方法。

具体技术方案如下：

一种空气分离设备模型前馈控制系统，应用于空气分离设备，包括：

一检测模块，用以判断所述空气分离设备是否需要变更控制方式；

一计算模块，连接所述检测模块，用以计算变更控制方式所需的参数；

一控制模块，连接所述计算模块，用以对所述空气分离设备进行控制调节；

一微调模块，连接所述控制模块，用以对调节后的所述空气分离设备进行微调操作。

优选的，所述检测模块，包括：一输入单元，用以输入一预定周期以及新目标产量值；

一判断单元，连接所述输入单元，接收所述预定周期及所述新目标产量值，并获取所述空气分离设备当前目标产量值，用以周期性检测目标产量值是否变化，若变化则生成变更信号。

优选的，所述计算模块，包括：一模拟单元，连接所述判断单元，接收所述变更信号及所述新目标产量值，根据所述新目标产量值进行过程模拟，得到模拟调节后的结果值；

一计算单元，连接所述模拟单元，接收所述结果值，计算出调节控制方式所需的参数。

优选的，所述控制模块，包括：一参数设置单元，连接所述计算单元，接收所述参数，根据所述参数设置控制调节参数；

一控制单元，连接所述参数设置单元，接收所述控制调节参数，根据所述控制调节参数对所述空气分离设备的各个执行部件进行控制调节操作。

优选的，所述微调模块，包括一监测单元，连接各个所述执行部件，获取各个所述执行部件的复数个实时数据；

一微调单元，连接所述监测单元，接收所述实时数据，根据所述实时数据对相应所述执行部件进行调节。

一种空气分离设备模型前馈控制方法，应用于空气分离设备，包括以下步骤：

步骤S1、周期性检测目标产量值是否变化，若不变，则重复步骤S1，若发生变化则执行步骤S2；

步骤S2、计算空气需求量和膨胀气量需求量及下塔液氮量、去上塔液氮量；

步骤S3、根据空气需求量和膨胀气量需求量及下塔液氮量、去上塔液氮量以及新目标产量值，调节空压机、膨胀机，液氮节流阀，氧气阀门；

步骤S4、对空气分离设备进行小幅度调整，当氧气纯度、氩馏分纯度、液氮纯度满足所述新目标产量值，返回步骤S1。

优选的，所述步骤S1，包括以下步骤：

步骤S11、设定一预定周期；

步骤S12、每隔所述预定周期，获取当前目标产量值及用户输入的新目标产量值，将所述当前目标产量值与所述新目标产量值进行对比，若相同，或所述新目标产量值为空，则所述空气分离设备的控制方式不变，重复步骤S12；若不同，则进行步骤S2。

所述新目标产量值包括新目标氧气流量、新目标氩馏分纯度、新目标液氮纯度；

所述当前产量值，包括:当前目标氧气流量、目标氩馏分纯度、目标液氮纯度。

优选的，所述步骤S2中，还包括以下步骤：

步骤S21、根据所述新目标产量值进行过程模拟，得到预设设备提取率及预设膨胀气量系数；

步骤S22、根据所述预设设备提取率及所述预设膨胀气量系数，计算所述空气需求量和所述膨胀气量；

步骤S23、根据所述空气需求量及所述膨胀气量，进一步计算出所述下塔液氮量；

步骤S24、根据所述新目标产量值进行过程模拟，计算得出所述去上塔液氮量；

所述下塔液氮量包括：下塔液氮产量及下塔液氮需求量。

优选的，所述步骤S3中，还包括以下步骤：

步骤S31、根据所述空气需求量，设置空压机PID(Proportion-Integral-Derivative,比例-积分-微分)调节的目标值；

步骤S32、根据所述膨胀气量，设置膨胀机自动调节的目标值；

步骤S33、根据所述新目标氧气流量，设置氧气阀门的目标值，调节氧气阀门；

步骤S34、根据所述去上塔液氮量，调节液氮节流阀。

优选的，所述步骤S4中，还包括以下步骤：

步骤S41、获取所述空气分离设备的各个执行部件的实时数据；

步骤S42、根据所述实时数据，实时对相应所述执行部件进行调节；

步骤S43、当所述氧气纯度、所述氩馏分纯度、所述液氮纯度满足所述新目标产量值，则停止调节，返回步骤S1。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

上述技术方案通过一种空气分离设备模型前馈控制系统及方法，在结合流程模拟、多参数控制的情况下，利用先进算法，对空气分离设备进行模型前馈控制。使设备自动调节并一直运行在设计的最佳工况，能做到减少人员干预的同时降低能耗和自动变负荷的效果。

附图说明

图1为本发明一种空气分离设备模型前馈控制系统及方法实施例中，一种空气分离设备模型前馈控制系统的功能模块图；

图2-6为本发明一种空气分离设备模型前馈控制系统及方法实施例中，一种空气分离设备模型前馈控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图1-6和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种空气分离设备模型前馈控制系统及方法，包括：

一种空气分离设备模型前馈控制系统1，应用于空气分离设备，如图1所示，包括：

一检测模块2，用以判断空气分离设备是否需要变更控制方式；

一计算模块3，连接检测模块2，用以计算变更控制方式所需的参数；

一控制模块4，连接计算模块3，用以对空气分离设备进行控制调节；

一微调模块5，连接控制模块4，用以对调节后的空气分离设备进行微调操作。

上述技术方案，将检测模块2、计算模块3、控制模块4、微调模块5依次连接，形成有效的空气分离设备模型前馈控制系统1，对空气分离设备进行模型前馈控制。使设备自动调节并一直运行在设计的最佳工况，达到减少人员干预的同时降低能耗和自动变负荷的效果。

作为优选的实施方式，检测模块2，包括：一输入单元6，用以输入一预定周期以及新目标产量值；

一判断单元7，连接输入单元6，接收预定周期及新目标产量值，并获取空气分离设备当前目标产量值，用以周期性检测目标产量值是否变化，若变化则生成变更信号。

上述技术方案中，通过输入单元6获取用以周期性检测的预定周期以及新目标产量值，当当前目标产量值与新目标产量值不同时，判断单元7生成变更信号。

进一步的，预定周期以及新目标产量值根据实际工况设定，在此不做具体限定。

作为优选的实施方式，计算模块3，包括：一模拟单元8，连接判断单元7，接收变更信号及新目标产量值，根据新目标产量值进行过程模拟，得到模拟调节后的结果值；

一计算单元9，连接模拟单元8，接收结果值，计算出调节控制方式所需的参数。

作为优选的实施方式，控制模块4，包括：一参数设置单元10，连接计算单元9，接收参数，根据参数设置控制调节参数；

一控制单元11，连接参数设置单元10，接收控制调节参数，根据控制调节参数对空气分离设备的各个执行部件12进行控制调节操作。

上述技术方案中，可以选用多参数控制器来对各个执行部件12进行调节操作。

作为优选的实施方式，微调模块5，包括一监测单元13，连接各个执行部件12，获取各个执行部件12的复数个实时数据；

一微调单元14，连接监测单元13，接收实时数据，根据实时数据对相应执行部件12进行调节。

上述技术方案中，由于部分执行部件12中的气体流量的变化会影响其他部件的执行，通过监测单元13连接各个执行部件12，并获取并根据各个执行部件12的实时数据，进而通过微调单元14对受到影响的执行部件12进行调节，从而使氧气纯度、氩馏分纯度、液氮纯度满足新目标产量值。

一种空气分离设备模型前馈控制方法，应用于空气分离设备，如图2所示，包括以下步骤：

步骤S1、周期性检测目标产量值是否变化，若不变，则重复步骤S1，若发生变化则执行步骤S2；

步骤S2、计算空气需求量和膨胀气量需求量及下塔液氮量、去上塔液氮量；

步骤S3、根据空气需求量和膨胀气量需求量及下塔液氮量、去上塔液氮量以及新目标产量值，调节空压机、膨胀机，液氮节流阀，氧气阀门；

步骤S4、对空气分离设备进行小幅度调整，当氧气纯度、氩馏分纯度、液氮纯度满足新目标产量值，返回步骤S1。

上述技术方案通过一种空气分离设备模型前馈控制方法，周期性地检测目标产量值是否变化，在变化时计算空气需求量、膨胀气量需求量、下塔液氮量、去上塔液氮量以及新目标产量值，并调节空压机、膨胀机，液氮节流阀，氧气阀门。结合流程模拟、多参数控制的情况下，利用先进算法，对空气分离设备进行模型前馈控制。使设备自动调节并一直运行在设计的最佳工况，达到减少人员干预的同时降低能耗和自动变负荷的效果。

作为优选的实施方式，如图3所示，步骤S1，包括以下步骤：

步骤S11、设定一预定周期；

步骤S12、每隔预定周期，获取当前目标产量值及用户输入的新目标产量值，将当前目标产量值与新目标产量值进行对比，若相同，或新目标产量值为空，则空气分离设备的控制方式不变，重复步骤S12；若不同，则进行步骤S2。

新目标产量值包括新目标氧气流量、新目标氩馏分纯度、新目标液氮纯度；

当前产量值，包括:当前目标氧气流量、目标氩馏分纯度、目标液氮纯度。

上述技术方案通过周期性地将当前目标产量值与新目标产量值的每一项一一对比，来判断空气分离设备是否需要变更控制方式。进而使设备自动调节并一直运行在设计的最佳工况，达到减少人员干预的同时降低能耗和自动变负荷的效果。

作为优选的实施方式，如图4所示，步骤S2中，还包括以下步骤：

步骤S21、根据新目标产量值进行过程模拟，得到预设设备提取率及预设膨胀气量系数；

步骤S22、根据预设设备提取率及预设膨胀气量系数，计算空气需求量和膨胀气量；

步骤S23、根据空气需求量及膨胀气量，进一步计算出下塔液氮量；

步骤S24、根据新目标产量值进行过程模拟，计算得出去上塔液氮量；

下塔液氮量包括：下塔液氮产量及下塔液氮需求量。

上述技术方案中，根据过程模拟结果值及新目标产量值倒推计算得到预设设备提取率及预设膨胀气量系数以及去上塔液氮量，再根据预设设备提取率及预设膨胀气量系数计算得到空气需求量和膨胀气量。

进一步的，根据空气需求量和膨胀气量计算出下塔液氮量。

上述技术方案的基础上，进一步的，空气需求量计算公式为：空气需求量＝(模拟氧气量+模拟液氧量)/大气中氧气含量/氧气提取率+空气系数，空气系数值与实时氩馏分有关，在氩馏分小于13.5％时，空气系数值为0。氧气提取率随着氧气产量的不同，值也不同。

作为优选的实施方式，如图5所示，步骤S3中，还包括以下步骤：

步骤S31、根据空气需求量，设置空压机PID调节的目标值；

步骤S32、根据膨胀气量，设置膨胀机自动调节的目标值；

步骤S33、根据新目标氧气流量，设置氧气阀门的目标值，调节氧气阀门；

步骤S34、根据去上塔液氮量，调节液氮节流阀。

上述技术方案中，根据计算得到的空气需求量、膨胀气量、去上塔液氮量，以及获取的新目标产量值中的新目标氧气流量调节对应的执行部件。

上述技术方案的基础上，进一步的，在步骤S33中，部分实施例中氧气阀门后连锁氧气压缩机，需将氧压机的目标量设置为新目标氧气流量。

作为优选的实施方式，如图6所示，步骤S4中，还包括以下步骤：

步骤S41、获取空气分离设备的各个执行部件的实时数据；

步骤S42、根据实时数据，实时对相应执行部件进行调节；

步骤S43、当氧气纯度、氩馏分纯度、液氮纯度满足新目标产量值，则停止调节，返回步骤S1。

上述技术方案中，由于部分执行部件中的气体流量的变化会影响其他部件的执行，通过获取并根据各个执行部件的实时数据对受到影响的执行部件进行调节，从而使氧气纯度、氩馏分纯度、液氮纯度满足新目标产量值。

上述技术方案的基础上，进一步的，氧气流量的变动会影响空气分离设备中上塔抽出氩馏分纯度的变动，但因氧气流量已满足新目标产量值，无法再用氧气量来从大方向调整氩馏分的纯度。氧气流量满足新目标氧气流量后，空压机再次调整，并实时跟踪氩馏分的变化来进行调整。氩馏分的变化快慢，决定了空压机PID调节过程的快慢。

同样的，去上塔液氮量变动对下塔执行部件的执行也会产生影响，通常在液氮管路设置流量计，以实时监控去上塔液氮流量，在下塔设置分析仪，对下塔液氮纯度的检测，根据下塔液氮纯度及上塔液氮流量，对液氮节流阀再次调整。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种空气分离设备模型前馈控制系统，应用于空气分离设备，其特征在于，包括：

一检测模块，用以判断所述空气分离设备是否需要变更控制方式；

一计算模块，连接所述检测模块，用以计算变更控制方式所需的参数；

一控制模块，连接所述计算模块，用以根据所述参数对所述空气分离设备进行控制调节；

一微调模块，连接所述控制模块，用以对调节后的所述空气分离设备进行微调操作；

所述检测模块，包括：一输入单元，用以输入一预定周期以及新目标产量值；

一判断单元，连接所述输入单元，接收所述预定周期及所述新目标产量值，并获取所述空气分离设备当前目标产量值，用以周期性检测目标产量值是否变化，若变化则生成变更信号。

2.根据权利要求1所述的空气分离设备模型前馈控制系统，其特征在于，所述计算模块，包括：

一模拟单元，连接所述判断单元，接收所述变更信号及所述新目标产量值，根据所述新目标产量值进行过程模拟，得到模拟调节后的结果值；

一计算单元，连接所述模拟单元，接收所述结果值，计算出调节控制方式所需的参数。

3.根据权利要求2所述的空气分离设备模型前馈控制系统，其特征在于，所述控制模块，包括：

一参数设置单元，连接所述计算单元，接收所述参数，根据所述参数设置控制调节参数；

一控制单元，连接所述参数设置单元，接收所述控制调节参数，根据所述控制调节参数对所述空气分离设备的各个执行部件进行控制调节操作。

4.根据权利要求3所述的空气分离设备模型前馈控制系统，其特征在于，所述微调模块，包括一监测单元，连接各个所述执行部件，获取各个所述执行部件的复数个实时数据；

一微调单元，连接所述监测单元，接收所述实时数据，根据所述实时数据对相应所述执行部件进行调节。

5.一种空气分离设备模型前馈控制方法，应用于空气分离设备，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、周期性检测目标产量值是否变化，若不变，则重复步骤S1，若发生变化则执行步骤S2；

步骤S2、计算空气需求量和膨胀气量需求量及下塔液氮量、去上塔液氮量；

步骤S3、根据空气需求量和膨胀气量需求量及下塔液氮量、去上塔液氮量以及新目标产量值，调节空压机、膨胀机，液氮节流阀，氧气阀门；

步骤S4、对空气分离设备进行微调操作，当氧气纯度、氩馏分纯度、液氮纯度满足所述新目标产量值，返回步骤S1；

所述步骤S1，包括以下步骤：

步骤S11、设定一预定周期；

步骤S12、每隔所述预定周期，获取当前目标产量值及用户输入的新目标产量值，将所述当前目标产量值与所述新目标产量值进行对比，若相同，或所述新目标产量值为空，则所述空气分离设备的控制方式不变，重复步骤S12；若不同，则进行步骤S2；

所述新目标产量值包括新目标氧气流量、新目标氩馏分纯度、新目标液氮纯度；

所述当前目标产量值，包括：当前目标氧气流量、目标氩馏分纯度、目标液氮纯度。

6.根据权利要求5所述的空气分离设备模型前馈控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，还包括以下步骤：

步骤S21、根据所述新目标产量值进行过程模拟，得到预设设备提取率及预设膨胀气量系数；

步骤S22、根据所述预设设备提取率及所述预设膨胀气量系数，计算所述空气需求量和所述膨胀气量；

步骤S23、根据所述空气需求量及所述膨胀气量，进一步计算出所述下塔液氮量；

步骤S24、根据所述新目标产量值进行过程模拟，计算得出所述去上塔液氮量；

所述下塔液氮量包括：下塔液氮产量及下塔液氮需求量。

7.根据权利要求6所述的空气分离设备模型前馈控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，还包括以下步骤：

步骤S31、根据所述空气需求量，设置空压机PID调节的目标值；

步骤S32、根据所述膨胀气量，设置膨胀机自动调节的目标值；

步骤S33、根据所述新目标氧气流量，设置氧气阀门的目标值，调节氧气阀门；

步骤S34、根据所述去上塔液氮量，调节液氮节流阀。

8.根据权利要求5所述的空气分离设备模型前馈控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，还包括以下步骤：

步骤S41、获取所述空气分离设备的各个执行部件的实时数据；

步骤S42、根据所述实时数据，实时对相应所述执行部件进行调节；

步骤S43、当所述氧气纯度、所述氩馏分纯度、所述液氮纯度满足所述新目标产量值，则停止调节，返回步骤S1。

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