空分純化系統(tǒng)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)與優(yōu)化

周小瑩，禇瑞華（杭州杭氧股份有限公司設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310004）

空分純化系統(tǒng)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)與優(yōu)化

周小瑩，禇瑞華（杭州杭氧股份有限公司設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310004）

根據(jù)空分設(shè)備分子篩純化系統(tǒng)的工藝流程控制要求,詳細(xì)闡述DCS組態(tài)中分子篩純化系統(tǒng)的自動(dòng)控制過程,并且對(duì)分子篩程序進(jìn)行優(yōu)化,使空分運(yùn)行更穩(wěn)定,操作更簡(jiǎn)便。

分子篩；吸附器；DCS；自動(dòng)控制；優(yōu)化

1 分子篩純化系統(tǒng)簡(jiǎn)述

低溫法制氧的工藝流程，都配有用于凈化流程空氣的前置凈化系統(tǒng)，從第四代空分開始采用分子篩純化系統(tǒng)。分子篩純化系統(tǒng)一般由兩只互相切換的吸附器、一套閥門及加熱器等組成，其對(duì)空氣的吸附凈化功能，直接影響到整個(gè)空分裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。吸附器內(nèi)裝吸附劑：活性氧化鋁和分子篩?；钚匝趸X，主要用來吸附空氣中的水分；分子篩，主要用來吸附空氣中的二氧化碳和碳?xì)浠衔铩?/p>

2 工藝流程介紹

兩只分子篩吸附器交替工作，即當(dāng)一只吸附器處于吸附工作狀態(tài)時(shí)，另一只則處于再生狀態(tài)，處在吸附工作狀態(tài)的吸附器，通以經(jīng)過冷卻的原料空氣，先經(jīng)氧化鋁將其所含的水份吸附，然后再經(jīng)分子篩吸附空氣中的二氧化碳和碳?xì)浠衔铮箍諝獾玫絻艋?。?jīng)過一段時(shí)間的吸附，吸附器就得進(jìn)行再生，再生用氣為污氮?dú)?。吸附器的再生一般分四步進(jìn)行，降壓、加熱、吹冷、升壓。吸附器在工作周期即將結(jié)束時(shí)，須將容器內(nèi)的帶壓空氣排放出去，即降壓；污氮?dú)饨?jīng)加熱器加熱到165℃以上進(jìn)入吸附器，使吸附劑析出水份及二氧化碳等；加熱結(jié)束后吹冷用的污氮?dú)膺M(jìn)入吸附器進(jìn)行冷卻，冷卻后需要將正在工作的一只吸附器中的空氣充入即將再生完畢的一只吸附器中，使兩只吸附器的壓力均衡，即升壓結(jié)束。此時(shí)經(jīng)過再生的吸附器又可以投入吸附工作。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 分子篩工藝流程圖

吸附器A所對(duì)應(yīng)的控制閥有空氣進(jìn)口切換閥V1201，空氣出口切換閥V1203，污氮進(jìn)口切換閥V1211，污氮出口切換閥V1213，空氣卸壓調(diào)節(jié)閥V1205; 吸附器B所對(duì)應(yīng)的控制閥有空氣進(jìn)口切換閥V1202，空氣出口切換閥V1204，污氮進(jìn)口切換閥V1212，污氮出口切換閥V1214，空氣卸壓調(diào)節(jié)閥V1206。吸附器A、B共同所用調(diào)節(jié)閥有污氮吹冷控制閥V1217，污氮加熱控制閥V1218，污氮?dú)夥趴臻yV1219，污氮?dú)膺M(jìn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥V1226。其中V1201～V1204、V1211～V1214、V1217、V1218均為兩位閥，帶有閥位開和關(guān)限位開關(guān)和調(diào)速器，保證閥門開關(guān)緩慢，速度均勻，V1219用來調(diào)節(jié)污氮?dú)鈮毫Γ琕1226用來調(diào)節(jié)污氮?dú)饬髁俊?/p>

3 分子篩純化系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

分子篩純化系統(tǒng)的控制是空分設(shè)備運(yùn)行過程中，十分重要的控制環(huán)節(jié)。其控制質(zhì)量直接影響到空分的穩(wěn)定運(yùn)行、設(shè)備效率，對(duì)氬產(chǎn)量也有很大的影響。選用集散控制系統(tǒng)（DCS）實(shí)現(xiàn)分子篩純化系統(tǒng)的自動(dòng)控制，安全可靠、操作更方便、直觀。

分子篩吸附器自動(dòng)控制過程實(shí)際上是分子篩吸附器再生的自動(dòng)控制過程，DCS組態(tài)中主要對(duì)分子篩再生過程進(jìn)行控制，通過對(duì)分子篩切換閥的控制、均壓閥及卸壓閥的控制及再生污氮?dú)饬髁考皦毫Φ目刂茖?shí)現(xiàn)兩只分子篩吸附器的切換，保證分子篩純化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

分子篩吸附器的再生過程為：

整個(gè)再生過程必須嚴(yán)格按照規(guī)定的控制程序和時(shí)間、壓力、壓差等條件，以及前一步動(dòng)作完成之后，有關(guān)閥門的開關(guān)狀態(tài)來進(jìn)行。各閥門的程序切換是由DCS順控程序?qū)崿F(xiàn)。

分子篩吸附器自動(dòng)控制程序主要是根據(jù)分子篩純化系統(tǒng)自動(dòng)切換程序表，按工藝要求編制的，切換過程每一步的時(shí)間長(zhǎng)短由DCS內(nèi)計(jì)時(shí)器控制（如卸壓、加熱、吹冷、充壓），其閥門開關(guān)順序如表1所示。

表1 閥門開關(guān)順序表

3.1 控制程序設(shè)計(jì)

3.1.1 初始化程序

（1）第一次啟動(dòng)時(shí)通過初始化按鈕將順控程序啟動(dòng)，所有閥門處于程序控制狀態(tài)，所有狀態(tài)顯示及標(biāo)志位復(fù)位，計(jì)時(shí)器復(fù)位。V1201、V1202、V1203、V1204、V1217閥門全開，V1219置于自動(dòng)，V1205、V1206、V1207、V1211、V1212、V1213、V1214、V1218閥門全關(guān)。

（2）選擇分子篩吸附筒

程序具有選擇從哪個(gè)吸附器開始再生的功能，以下以選擇吸附器A再生為例，吸附器B再生與此相同，不再贅述。

3.1.2 主控制程序

（1）準(zhǔn)備卸壓

V1201、V1202、V1203、V1204、V1217閥門全開，V1219置于自動(dòng)，V1205、V1206、V1207、V1211、V1212、V1213、V1214、V1218閥門全關(guān)。判斷上述閥門的閥位反饋，每個(gè)閥門閥位反饋確認(rèn)步計(jì)時(shí)60秒，計(jì)時(shí)時(shí)間到閥位開關(guān)還沒到位則系統(tǒng)報(bào)警。

（2）卸壓階段

卸壓標(biāo)志位顯示，此階段最重要的是卸壓閥的調(diào)節(jié)控制。避免上部分子篩層受到壓力波動(dòng)的沖擊，卸壓速度不能太快，采用分段控制，如圖2所示。

全關(guān)V1201、V1203，確認(rèn)V1201、V1203全關(guān)后，V1205電磁閥得電，對(duì)V1205開度采用分段控制。

圖2 卸壓閥開度與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

啟動(dòng)卸壓計(jì)時(shí)器T_DOWN。

計(jì)時(shí)結(jié)束及吸附筒A出口壓力PIS1201小于10kPa后，卸壓結(jié)束，進(jìn)入加熱階段。

（3）加熱階段

加熱標(biāo)志位顯示，打開V1213，確認(rèn)V1213全開后，打開V1211，確認(rèn)V1211全開后，打開V1218，確認(rèn)V1218全開后，關(guān)閉V1217。V1219設(shè)定值自動(dòng)增加一定值，確認(rèn)V1217全關(guān)后，加熱計(jì)時(shí)器T_HEAT開始計(jì)時(shí)，待計(jì)時(shí)結(jié)束進(jìn)入吹冷階段。

（4）吹冷階段

吹冷標(biāo)志位顯示，打開V1217，確認(rèn)V1217全開后，關(guān)閉V1218，確認(rèn)V1218全關(guān)后，啟動(dòng)吹冷計(jì)時(shí)器T_COOL，開始計(jì)時(shí)，待計(jì)時(shí)結(jié)束及吸附筒A進(jìn)口溫度TIS1201低于40℃時(shí)，吹冷結(jié)束，進(jìn)入均壓階段。

（5）均壓階段

均壓標(biāo)志位顯示。此階段最重要的控制為再生污氮放空閥V1219的控制和均壓閥V1207的控制。

為減少吸附器切換過程中引起的上塔壓力波動(dòng)，此階段對(duì)V1219的控制需具備預(yù)設(shè)開的功能，即將V1219打開到預(yù)先設(shè)定的開度。

均壓閥V1207采用分段控制，如圖3所示。這樣閥門開度隨著時(shí)間緩慢變大，減少壓力波動(dòng)時(shí)導(dǎo)致的氣流沖擊吸附劑床層，使床層發(fā)生移動(dòng)或摩擦，使分子篩工作效果更好。

圖3 均壓閥開度與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

關(guān)閉V1211、V1213、V1205，V1219的PID置成自動(dòng)，在預(yù)設(shè)開度值的基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。確認(rèn)V1211、V1213、V1205全關(guān)后，V1207電磁閥得電，對(duì)V1207開度采用分段控制。

均壓計(jì)時(shí)器T_UP開始計(jì)時(shí)，待計(jì)時(shí)結(jié)束及兩只吸附筒后壓差PDIS1201小于8kPa，則進(jìn)入交換階段。

（6）交換階段

交換標(biāo)志位顯示，關(guān)閉V1207，確認(rèn)V1207關(guān)閉后，打開V1203，確認(rèn)V1203全開后，打開V1201，確認(rèn)V1201全開后，交換計(jì)時(shí)器T_CHANGE開始計(jì)時(shí)，此時(shí)吸附器A、B并列運(yùn)行，此階段時(shí)間一般為3分鐘，待計(jì)時(shí)結(jié)束后轉(zhuǎn)入吸附器B再生程序。

3.1.3 中斷程序

程序暫停條件：

（1）空分大聯(lián)鎖；

（2）組態(tài)畫面暫停按鈕“暫停/繼續(xù)”；

（3）分子篩阻力PDIAS1205達(dá)到高聯(lián)鎖值。

3.2 DCS組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

DCS組態(tài)畫面要直觀、易于操作，針對(duì)圖1的工藝流程圖，DCS組態(tài)畫面需要包括以下內(nèi)容：

（1）狀態(tài)顯示

通過字體顏色顯示分子篩吸附器處于再生過程之卸壓、加熱、吹冷、充壓、交換中的某一階段，同時(shí)需設(shè)置各個(gè)階段所對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)器：T_DOWN(卸壓計(jì)時(shí))，T_HEAT(加熱計(jì)時(shí))，T_ COOL(吹冷計(jì)時(shí))，T_UP(充壓計(jì)時(shí))，T_CHANGE(交換計(jì)時(shí))，T_ STOP(暫停計(jì)時(shí))，所有計(jì)時(shí)器以“秒”為單位顯示。

閥門狀態(tài)：以顏色區(qū)別閥門開關(guān)的狀態(tài)。

程序狀態(tài)：運(yùn)行/暫停，指示分子篩順控程序的狀態(tài)。

（2）畫面按鈕

“暫停/繼續(xù)”按鈕：可用來暫?；蚶^續(xù)順控程序。

“跳步”按鈕：順控程序可根據(jù)工藝要求，人為地執(zhí)行跳過某一步驟，尤其是在開車調(diào)試初期，如果認(rèn)為某只分子篩吸附器的加熱、吹冷或其他時(shí)間段不需要執(zhí)行或要重復(fù)一段時(shí)間，則操作員可以通過修改計(jì)時(shí)器的時(shí)間，使程序向前或向后跳轉(zhuǎn)，以完成相應(yīng)的操作過程。這里只是描述分子篩吸附器順控程序具備這種功能，但為了安全起見，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，通常不建議采用這種“跳步”的方法，但在程序調(diào)試時(shí)，為避免重復(fù)調(diào)試某段程序或跳過某一步長(zhǎng)時(shí)間的執(zhí)行，可采用這種方法。

“初始化”按鈕：此按鈕用于第一次啟動(dòng)順控程序時(shí)使用。初始化后所有閥門處于程序控制狀態(tài)，所有狀態(tài)顯示及標(biāo)志位復(fù)位，計(jì)時(shí)器復(fù)位。DCS組態(tài)畫面示意圖如圖4所示。

圖4 分子篩純化系統(tǒng)DCS組態(tài)畫面示意圖

3.3 純化系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化

3.3.1 分子篩系統(tǒng)報(bào)警設(shè)置

（1）分子篩出口壓力（PIS1201, PIS1203）：若卸壓時(shí)間結(jié)束后壓力仍達(dá)未到低聯(lián)鎖值，則需要報(bào)警。

（2）分子篩差壓（PDIS1201）：若均壓時(shí)間結(jié)束后壓力仍未達(dá)到低聯(lián)鎖值，則需要報(bào)警。

（3）分子篩進(jìn)口溫度（TIS1201, TIS1203）：若吹冷時(shí)間結(jié)束后溫度仍未達(dá)到低聯(lián)鎖值，則需要報(bào)警。

（4）每臺(tái)切換閥打開或者關(guān)閉后，60秒后閥位反饋不到則需報(bào)警。

3.3.2 分子篩系統(tǒng)控制功能

（1）順控程序暫停時(shí)分子篩系統(tǒng)的切換閥允許手動(dòng)操作，但8個(gè)切換閥的手動(dòng)操作需受到差壓聯(lián)鎖邏輯限制，若聯(lián)鎖條件成立，則不允許手動(dòng)操作此8個(gè)切換閥，以免造成分子篩沖床。

（2）分子篩均壓時(shí)，程序設(shè)置將空壓機(jī)導(dǎo)葉自動(dòng)跟蹤進(jìn)行調(diào)節(jié)：空壓機(jī)入口導(dǎo)葉出口壓力控制器設(shè)定值自動(dòng)在原來的基礎(chǔ)上以一定的速率增加，均壓結(jié)束前一定時(shí)間內(nèi)，空壓機(jī)出口壓力設(shè)定值自動(dòng)以一定的速率恢復(fù)到均壓前的設(shè)定值，以減少進(jìn)塔空氣量的波動(dòng)。

（3）優(yōu)化控制分子篩的冷卻時(shí)間，以保證出分子篩的空氣溫度，分子篩吹冷開始一段時(shí)間后，進(jìn)分子篩污氮?dú)饬髁縁IC1201設(shè)定值自動(dòng)在原來的基礎(chǔ)上以一定的速率增加一定值，吹冷結(jié)束前一定時(shí)間，F(xiàn)IC1201設(shè)定值自動(dòng)以一定的速率恢復(fù)到冷吹前的設(shè)定值。

4 結(jié)束語

空分純化系統(tǒng)作為空分設(shè)備的重要環(huán)節(jié)，自動(dòng)控制程序的可靠性、安全性和易操作性非常重要，經(jīng)過優(yōu)化后的分子篩程序完全適合空分系統(tǒng)生產(chǎn)工藝要求，自動(dòng)化作業(yè)率高，故障查找與分析更方便，減輕了生產(chǎn)操作工人的工作難度與強(qiáng)度，使空分設(shè)備的穩(wěn)定性、可操作性有了很高的改善，對(duì)以后的空分純化系統(tǒng)的自動(dòng)控制具有很大的推廣意義。

Design and Optimization of Molecular Sieve Purification System Automatic Control

According to the control requirements of molecular sieve purification system, this paper introduces the control process of its automatic control in DCS control system. The molecular sieve purification scheme is optimized so that the operation of molecular sieve is more stable and operation is more simpe.

Molecular sieve; Absorber ; DCS; Automatic control; Optimization

B

1003-0492(2015)06-0094-03

TP273

周小瑩（1982-）,女，2008年畢業(yè)于陜西科技大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，現(xiàn)就職于杭州杭氧股份有限公司設(shè)計(jì)院，從事空分設(shè)備儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組態(tài)調(diào)試等工作。