先進(jìn)控制技術(shù)在空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷中的應(yīng)用

趙強(qiáng)

摘要：現(xiàn)在的空分裝置變負(fù)荷操作大都是人工進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，存在產(chǎn)品純度不穩(wěn)定、勞動(dòng)強(qiáng)度大和工況不穩(wěn)等情況。為了有效地改變這種情況，可以把先進(jìn)的控制技術(shù)與空分裝置相結(jié)合，根據(jù)工藝原理和相關(guān)的操作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)化、信息化的自動(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制系統(tǒng)，從而達(dá)到對(duì)工藝過(guò)程的把控、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定、減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度以及節(jié)能減耗的目的。在具體的實(shí)施過(guò)程中雖然還存在一些問(wèn)題，但是只要理清先進(jìn)控制技術(shù)在空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷的設(shè)計(jì)思路，充分把握它的特點(diǎn)，了解它的主要功能，并熟練地運(yùn)用它的控制策略，就完全可以實(shí)現(xiàn)之前預(yù)定的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：控制技術(shù);空分裝置;自動(dòng)變負(fù)荷

中圖分類號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6487（2019）02-0005-02

0引言

空分裝置的作用是用來(lái)生產(chǎn)氧氣和氮?dú)?，是鋼鐵冶煉企業(yè)的重要環(huán)節(jié)，主要為下游客戶提供服務(wù)。又因?yàn)橄掠慰蛻魧?duì)氧氣使用量的間歇性特點(diǎn)，所以對(duì)空分裝置的變負(fù)荷操作提出了很高的要求?？辗盅b置主要由壓縮機(jī)、膨脹機(jī)以及精餾塔等元件構(gòu)成，因?yàn)榍昂笪锪现g關(guān)聯(lián)密切并且變量之間存在耦合，所以對(duì)產(chǎn)品的純度把控難度較大。與此同時(shí)，空分裝置的自動(dòng)化水平往往較低，大都需要人工進(jìn)行調(diào)控，人工調(diào)控又難以很好地兼顧各個(gè)工藝之間的變量，從而進(jìn)一步導(dǎo)致產(chǎn)品的純度不穩(wěn)定等問(wèn)題。在最近幾年中，模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)在石油化工等行業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用，也為空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷可行性提供了技術(shù)支持。

1控制難點(diǎn)分析

一方面，從平時(shí)的正常生產(chǎn)負(fù)荷來(lái)看，裝置在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)附近有小幅波動(dòng)，這時(shí)只需要小幅度調(diào)整各個(gè)控制回路就能保證裝置穩(wěn)定的運(yùn)行。但由于周期性工作的分子篩系統(tǒng)每個(gè)一段固定的時(shí)間就會(huì)進(jìn)行充壓，而這時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的空氣量與氧氣量就會(huì)出現(xiàn)短期內(nèi)的物料不均。所以，這就需要在充壓時(shí)提前調(diào)整空壓機(jī)的導(dǎo)葉，以彌補(bǔ)因充壓而引起空氣量的不足。

另一方面，所謂變負(fù)荷操作是指裝置從當(dāng)前的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)向目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)變化，這就使得變負(fù)荷操作不僅要保證穩(wěn)定的生產(chǎn)還要提供一定的速率，大大增加了人工手動(dòng)變負(fù)荷的難度。在這個(gè)過(guò)程中有兩個(gè)問(wèn)題需要仔細(xì)考慮：一是變負(fù)荷操作的幅度要在裝置的承受范圍之內(nèi)，與設(shè)備的各個(gè)閥門狀況也要相互匹配;二是裝置在變負(fù)荷操作前后工藝量之間的響應(yīng)有滯后性，調(diào)整不及時(shí)就會(huì)使物料之間的比例不平衡，進(jìn)而影響產(chǎn)品的純度。在減負(fù)荷過(guò)程中，如果空氣量下降的速度過(guò)快與氧氣量之間失去平衡，那么在這種情況下長(zhǎng)時(shí)間如此會(huì)出現(xiàn)氧純度不合格等問(wèn)題。所以，要設(shè)計(jì)科學(xué)合理的計(jì)算方法，并進(jìn)行正確和有效的操作，以此確保在變負(fù)荷操作中物料之間保持平衡”。

2自動(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

首先在不同的負(fù)荷范圍內(nèi)，進(jìn)行不同的流程模擬計(jì)算，在進(jìn)行相關(guān)流程的模擬計(jì)算之后制作出與之相應(yīng)的數(shù)學(xué)機(jī)理模型。然后通過(guò)分析計(jì)算，在自動(dòng)變負(fù)荷操作中要逐步建立控制變量和操縱變量等關(guān)鍵變量監(jiān)控點(diǎn)的位置確定。以單元的形式將上下塔和粗精氬塔之間獨(dú)立并關(guān)聯(lián)起來(lái)進(jìn)行分析，其他系統(tǒng)要在重要單元部分正常工作時(shí)，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)葉、調(diào)整冷卻水的流量等步驟，逐步實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制技術(shù)下自動(dòng)變負(fù)荷的目標(biāo)。在建立數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)時(shí)不僅要考慮的采樣點(diǎn)的多樣性和代表性，同時(shí)還要提高調(diào)節(jié)手段的多樣化，對(duì)先進(jìn)控制技術(shù)下自動(dòng)變負(fù)荷變化過(guò)程中使用到的調(diào)節(jié)閥門都要明確地使用自動(dòng)調(diào)節(jié)的方法，這便于及時(shí)調(diào)整中間過(guò)程中的變量。選擇閥門時(shí)，要注重閥門的調(diào)節(jié)功能是否能夠達(dá)到所需要的要求，因?yàn)樵谙冗M(jìn)控制技術(shù)下自動(dòng)變負(fù)荷過(guò)程中，要求閥門無(wú)論是在高負(fù)荷狀態(tài)下還是在低負(fù)荷狀態(tài)下都要有良好的調(diào)節(jié)性，還要對(duì)一些閥門設(shè)置信息反饋功能，這將非常有利于實(shí)時(shí)觀察調(diào)節(jié)的效果;同時(shí)還要增設(shè)一個(gè)在線分析儀，以便于實(shí)時(shí)分析中間過(guò)程各物料的純度。這些準(zhǔn)備工作有助于觀察在先進(jìn)控制技術(shù)下自動(dòng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中成分每時(shí)每刻的變化情況，有利于達(dá)預(yù)期目標(biāo)的情況下還不能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

3自動(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制系統(tǒng)的功能

自動(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制系統(tǒng)有兩點(diǎn)很重要的特性：一是它的理論基礎(chǔ)是現(xiàn)代控制論;二是數(shù)據(jù)的處理、傳輸、控制的監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)視等工作都由內(nèi)置小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算、分析、處理。就是說(shuō)在上位機(jī)上安裝的自動(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制軟件，是MPC與RT0結(jié)合而成的專門用來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變負(fù)荷控制系統(tǒng)，這時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變負(fù)荷操作只需要工作人員改變其中幾個(gè)參數(shù)值就可以完成，操作人員通過(guò)對(duì)參數(shù)設(shè)定點(diǎn)的調(diào)控，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程自動(dòng)變負(fù)荷控制的目的。在RT0給出一個(gè)參考值且MPC保證產(chǎn)品質(zhì)量的條件下，先進(jìn)控制站開(kāi)始逐步向目標(biāo)值遷移，并逐漸逼近給定的工況目標(biāo)。MPC和RT0相結(jié)合可以有效地提高自動(dòng)變負(fù)荷的速度，能明顯改善產(chǎn)品的質(zhì)量，使自動(dòng)變負(fù)荷操作變得穩(wěn)定，還可以消除因?yàn)槿藶樵蛟谧冐?fù)荷過(guò)程中的誤操作。液氧、液氮和氧氣是變負(fù)荷過(guò)程中可以設(shè)定的主要產(chǎn)品。

4自動(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

自動(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制系統(tǒng)的各控制回路設(shè)定的最佳值，是由氧氣含量的需求、工藝的要求所決定的，也就是說(shuō)當(dāng)工藝要求和氧氣含量在不同的標(biāo)準(zhǔn)下發(fā)生改變時(shí)，設(shè)定值也要做出相應(yīng)的改變，以符合當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中氧氣含量的不斷變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流程參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算，與此同時(shí)把計(jì)算得到的數(shù)值傳送到調(diào)節(jié)回路中，并把計(jì)算后傳送回來(lái)的數(shù)值作為設(shè)定值，這樣就可以全面建成MPC隨動(dòng)系統(tǒng)，然后與監(jiān)控等系統(tǒng)一起，在上位機(jī)以及基本控制系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷的調(diào)節(jié)，最終使無(wú)功生產(chǎn)大大減少，也使能耗進(jìn)一步降低。

5自動(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制系統(tǒng)的目標(biāo)

自動(dòng)變負(fù)荷多變量、時(shí)變性、系統(tǒng)強(qiáng)耦合、滯后等特點(diǎn)決定了它需要應(yīng)用流程模擬和計(jì)算、實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化控制等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中優(yōu)化控制的最終目標(biāo)是保證自動(dòng)變負(fù)荷過(guò)程中能夠以一定的速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)還要確保空分設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)品的質(zhì)量。將先進(jìn)的控制技術(shù)運(yùn)用到?jīng)]有進(jìn)行工藝改進(jìn)改進(jìn)的空分設(shè)備上，可以產(chǎn)生以下效益：一，實(shí)現(xiàn)工藝流程自動(dòng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)，且變負(fù)荷能力達(dá)到75%～110%，另外還能保證產(chǎn)品的質(zhì)量;二，能在兩個(gè)小時(shí)以內(nèi)使變負(fù)荷速率達(dá)到氧氣產(chǎn)量的變化的30%，這就使速度加快且時(shí)間變短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)的效率：三，使氧氣放散量大大地減少。

6自動(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制系統(tǒng)的控制策略

自動(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制系統(tǒng)主要的控制基礎(chǔ)是動(dòng)態(tài)仿真以及穩(wěn)態(tài)流程模擬，然后是在此基礎(chǔ)上的遠(yuǎn)程對(duì)象數(shù)學(xué)模擬。MPC模擬預(yù)測(cè)系統(tǒng)是遠(yuǎn)程對(duì)象數(shù)學(xué)模擬的基礎(chǔ)，同時(shí)用可測(cè)量信息和過(guò)程中的動(dòng)態(tài)模擬，預(yù)測(cè)出過(guò)程輸出的未來(lái)行為。模型、滾動(dòng)優(yōu)化以及與反饋校正相結(jié)合的優(yōu)化控制算法是預(yù)測(cè)控制技術(shù)的主要組成部分。它的作用是收集測(cè)量模型的信息以及實(shí)時(shí)信息，并不斷進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化，然后和實(shí)際測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并對(duì)對(duì)象輸出進(jìn)行修正。魯棒PID多變量的建立，主要作用是使自動(dòng)變負(fù)荷過(guò)程中始終具有較強(qiáng)的魯棒性。確立可操縱量的最高允許偏差和最佳的調(diào)控幅度，并使關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)得到有效地監(jiān)控。第一步，控制器要降低關(guān)鍵變量的范圍波動(dòng)，確保裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，還要根據(jù)被控變量的重要程度，優(yōu)先保證重要的被控變量;第二步，在遵守設(shè)備的使用規(guī)定和保證質(zhì)量指標(biāo)的前提下，通過(guò)控制器的優(yōu)化功能，是工況過(guò)程盡可能地提高經(jīng)濟(jì)效益。另外，重要的被控變量?jī)?yōu)化完成后，如果還有其它的變量，也應(yīng)對(duì)這些變量進(jìn)行優(yōu)化操作。

7結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，先進(jìn)的控制技術(shù)在空分設(shè)備自動(dòng)變負(fù)荷過(guò)程中極大地提高了空分設(shè)備的自動(dòng)變負(fù)荷的能力，也讓優(yōu)化控制節(jié)能效果得到了很大的提升，這將極大地推動(dòng)我國(guó)空分設(shè)備行業(yè)走向信息化和智能化，并帶動(dòng)空分設(shè)備行業(yè)周邊相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展，使新技術(shù)能夠得到更大規(guī)模的應(yīng)用從而推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)與空分設(shè)備行業(yè)有關(guān)的冶金、石化等行業(yè)得到進(jìn)一步的發(fā)展，最終推動(dòng)我國(guó)工業(yè)氣體市場(chǎng)的發(fā)展。

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