基于SIS的空冷塔液位控制參數(shù)優(yōu)化

李 帥 周廣利 侯興鑫 于庭芳 吳 楠

（華能（天津）煤氣化發(fā)電有限公司）

化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中需要使用純氧作為反應(yīng)原料， 空氣分離裝置是制取純氧的必要設(shè)備。 空氣分離方法有吸附法、膜分離法和低溫精餾法。 吸附法是利用分子篩對空氣各組分選擇性吸附而使空氣分離獲得氧氣， 該方法流程簡單，但產(chǎn)品單一，不能同時生產(chǎn)氧氣和氮氣，且制得的氧氣純度低，不適合大型化生產(chǎn)。 膜分離法是利用有機(jī)聚合膜的選擇滲透性這一特點，在空氣中將氧、氮分離，此方法產(chǎn)量低、成本高，僅適用于小規(guī)模生產(chǎn)。 低溫精餾法是將空氣壓縮、冷卻、膨脹、精餾而使氧、氮分離，該方法產(chǎn)量大且精度高， 是目前應(yīng)用較為廣泛的大型化空氣分離方法。

低溫精餾空氣分離的具體步驟有空氣過濾、壓縮、預(yù)冷、凈化、膨脹及精餾等，空冷塔是預(yù)冷步驟的核心設(shè)備，其作用是將空壓機(jī)排出的空氣進(jìn)行冷卻和洗滌，除去空氣中的大部分灰塵以及SO2、SO3、NH3等有害成分，將空氣溫度降低至13 ℃以下，便于分子篩進(jìn)行后續(xù)處理。

1 空冷塔液位參數(shù)整定特點及思路

1.1 空冷塔參數(shù)整定特點

空冷塔出口流量取決于上游設(shè)備的出力，可通過空壓機(jī)入口導(dǎo)葉進(jìn)行調(diào)節(jié)。 空壓機(jī)出口溫度取決于空氣與空冷塔內(nèi)冷媒的換熱效果，冷媒分為兩段進(jìn)入空冷塔內(nèi)， 空氣自下而上進(jìn)行換熱，下段冷媒為冷卻水，上段冷媒為經(jīng)水冷塔和冷水機(jī)組冷卻后的冷凍水。 空冷塔液位代表空冷塔內(nèi)的冷媒量，實現(xiàn)空冷塔液位的精確控制，即可有效控制空冷塔出口溫度。 工藝流程如圖1所示。

圖1 預(yù)冷系統(tǒng)工藝流程

化工產(chǎn)品的制取過程中涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，對反應(yīng)所需物質(zhì)濃度、溫度和反應(yīng)環(huán)境有著極為嚴(yán)苛的要求。 在參數(shù)整定過程中，任何不恰當(dāng)?shù)牟僮鞫紩罄m(xù)工藝造成不可逆的影響。 而空分預(yù)冷系統(tǒng)又存在較為明顯的系統(tǒng)耦合問題，在線整定危險性大，極易產(chǎn)生聯(lián)鎖反應(yīng)，具體特點如下：

a. 參數(shù)間存在系統(tǒng)耦合。外界負(fù)荷需求變化時需快速提高空氣流量，即通過調(diào)整空壓機(jī)入口導(dǎo)葉開度，改變空冷塔進(jìn)氣量，使空冷塔輸出空氣流量快速與外界負(fù)荷需求相適應(yīng)。 在冷媒量不變的前提下， 勢必造成空冷塔空氣出口溫度升高，液位調(diào)節(jié)閥需同時依據(jù)空氣溫度偏差調(diào)整空冷塔冷媒液位， 消除空冷塔空氣出口溫度偏差，達(dá)到新的平衡，整套工藝存在耦合影響。

b. 控制對象有大延遲特性?？绽渌何桓哂谠O(shè)定值時，開大調(diào)節(jié)閥，加快放水速率；液位低于設(shè)定值時，關(guān)小調(diào)節(jié)閥，減慢放水速率。 由于空冷塔容積較大，為大延遲對象，調(diào)節(jié)閥開度變化對液位的調(diào)節(jié)呈現(xiàn)出滯后的特點， 參數(shù)整定難度大。

c. 在線整定危險性大。 在線進(jìn)行調(diào)節(jié)閥PID參數(shù)整定將會造成氧純度波動，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運行。

1.2 空冷塔參數(shù)整定思路

為避免在線整定給機(jī)組帶來不可逆的影響，最佳方法是利用仿真軟件搭建仿真回路，在仿真軟件中得到最佳控制參數(shù)，進(jìn)而應(yīng)用于實際控制系統(tǒng)中。 仿真回路能否精準(zhǔn)替代實際設(shè)備，取決于對各對象模型辨識的復(fù)原程度。 為做到模型的充分復(fù)原，需要提取大量原始數(shù)據(jù)，而DCS數(shù)據(jù)存儲量有限，且進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出時亦存在風(fēng)險。 因此，可利用廠級監(jiān)控層中的SIS進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，有效避免對應(yīng)用控制層中的設(shè)備造成影響。

綜上所述，筆者提出基于SIS的空冷塔液位控制參數(shù)優(yōu)化方案，在SIS中提取原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用粒子群法辨識出設(shè)備傳遞函數(shù)。 針對系統(tǒng)耦合的特性進(jìn)行動態(tài)解耦，將原復(fù)雜耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單回路控制系統(tǒng)。 在CAE仿真軟件中搭建仿真回路完成PID參數(shù)整定，進(jìn)而應(yīng)用至DCS中， 提升空冷塔出口溫度及流量的控制精度，提高空冷塔冷卻效率。

2 預(yù)冷系統(tǒng)模型辨識

2.1 數(shù)據(jù)提取

廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)中的SIS，主要用于獲取現(xiàn)場各生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲， 制成生產(chǎn)報表，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理過程中不會對現(xiàn)場設(shè)備造成影響［1］。 通過SIS獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理， 使用粒子群算法 （Particle Swarm Optimization，PSO）進(jìn)行預(yù)冷系統(tǒng)各對象模型的辨識。

在SIS中導(dǎo)出相應(yīng)數(shù)據(jù)，包含：空冷塔出口流量、空冷塔出口溫度、液位調(diào)節(jié)閥開度、空壓機(jī)入口導(dǎo)葉開度、空冷塔上下壓差和空冷塔液位。

2.2 數(shù)據(jù)處理

使用五點濾波法進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，進(jìn)行五點濾波后，曲線平滑度明顯提升，有助于進(jìn)行準(zhǔn)確的系統(tǒng)辨識。 具體公式如下：

式中 i——秒級采樣點編號；

y1——濾波前原始數(shù)值；

y2——濾波后數(shù)值。

以空冷塔上下壓差為例，濾波前、后曲線如圖2所示。

圖2 濾波前、后空冷塔上下塔壓差曲線

2.3 模型辨識

粒子群算法是1995年EBERHART R博士和KENNEDY J博士一起提出的［2］。 算法通過模擬鳥群捕食行為在設(shè)定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行尋優(yōu)，假設(shè)區(qū)域內(nèi)有大小不同的食物，鳥群的任務(wù)是找到最大的食物（全局最優(yōu)解）。 在搜尋過程中，個體間相互傳遞信息， 使其他鳥知道食物源的最佳探索方向，最終整個鳥群聚集在最大的食物周圍，即找到了最優(yōu)解。

以空冷塔出口流量設(shè)定值u1對空冷塔出口流量實際值y1間的傳遞函數(shù)W11的辨識為例，使用粒子群算法進(jìn)行模型辨識，設(shè)置粒子個數(shù)為150，未知參數(shù)個數(shù)為3，循環(huán)次數(shù)為50。 首先為所有粒子設(shè)置初始位置和速度，根據(jù)每個粒子的尋優(yōu)速度和粒子已知的最優(yōu)位置推進(jìn)每個粒子的位置。 隨著50次尋優(yōu)循環(huán)結(jié)束，得出目前的最優(yōu)解，即3個最優(yōu)未知參數(shù)。 采用相同方法，分別得到如下傳遞函數(shù)：

式中 W11——空冷塔出口流量設(shè)定值u1對空冷塔出口流量實際值y1間的傳遞函數(shù)；

W12——空冷塔出口流量設(shè)定值u1對空冷塔出口溫度實際值y2間的傳遞函數(shù)；

W21——空冷塔出口溫度設(shè)定值u2對空冷塔出口流量實際值y1間的傳遞函數(shù)；

W22——空冷塔出口溫度設(shè)定值u2對空冷塔出口溫度實際值y2間的傳遞函數(shù)。

2.4 動態(tài)解耦

對于耦合系統(tǒng)， 在整定參數(shù)前需要進(jìn)行解耦，最常用的方法是在邏輯中加入耦合器［3］。編寫控制框圖表示完整的預(yù)冷系統(tǒng)，并加入耦合器進(jìn)行動態(tài)解耦，以求達(dá)到最佳控制效果，空冷塔耦合控制如圖3所示，其中，K11、K12、K21、K22均為解耦器傳遞函數(shù)，需計算后得到表達(dá)式。

圖3 空冷塔耦合控制框圖

根據(jù)前饋控制的擾動補償原理，u1（s）對被控參數(shù)y2（s）的影響為：

如果要求u1（s）對被控參數(shù)y2（s）沒有影響，則應(yīng)滿足：

在控制邏輯中加入對應(yīng)解耦器表達(dá)式，將原復(fù)雜耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為兩個獨立的單回路控制系統(tǒng)，分別為空壓機(jī)入口導(dǎo)葉開度控制回路，用于控制空冷塔出口流量，如圖4所示；液位調(diào)節(jié)閥開度控制回路，用于控制空壓機(jī)出口溫度，如圖5所示。

圖4 空壓機(jī)入口導(dǎo)葉開度控制回路

圖5 液位調(diào)節(jié)閥開度控制回路

3 預(yù)冷系統(tǒng)參數(shù)整定

3.1 PID介紹

PID控制是一種負(fù)反饋控制， 即控制器與廣義被控對象構(gòu)成的系統(tǒng)為閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)［4］。 其作用是對輸入偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而緩解系統(tǒng)的不平衡，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定。

PID參數(shù)整定方法分為理論計算整定法和工程整定法兩大類。 理論計算整定法包括根軌跡法、頻率特性法等，基于數(shù)學(xué)模型通過計算直接求得調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，整定過程復(fù)雜，且往往由于被控對象是近似的，故所求得的整定參數(shù)不可靠。 工程整定法包括臨界比例帶法、衰減曲線法、圖表整定法及試湊法等。 這些方法通過并不復(fù)雜的試驗，便能迅速獲得調(diào)節(jié)器的近似最佳整定參數(shù)，因而在工程中得到廣泛的應(yīng)用。

3.2 預(yù)冷系統(tǒng)PID參數(shù)整定

在CAE仿真軟件中搭建傳遞函數(shù)進(jìn)行仿真，使用試湊法整定PID參數(shù)。 首先整定比例部分，將比例系數(shù)由小變大， 并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。 加入積分環(huán)節(jié)，在整定時先將積分時間設(shè)定到一個比較大的值， 然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略微縮小，并減小積分時間，使得系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。 在此過程中，根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時間，即可得到滿足要求的控制過程和整定參數(shù)。 預(yù)冷系統(tǒng)參數(shù)整定結(jié)果見表1。

表1 預(yù)冷系統(tǒng)參數(shù)整定結(jié)果

將仿真整定后的參數(shù)應(yīng)用至DCS中， 空冷塔出口溫度由原來的11.5～14.0 ℃優(yōu)化為12.5～13.5 ℃，控制精度明顯提高。 空冷塔出口流量能夠快速跟蹤負(fù)荷變化， 空壓機(jī)導(dǎo)葉實現(xiàn)自動控制，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

根據(jù)筆者提出的參數(shù)整定方法，可以安全可靠地對空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。使用SIS采集原始數(shù)據(jù)，對DCS生產(chǎn)系統(tǒng)不產(chǎn)生任何影響，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全采集。 使用五點濾波法進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，有利于提高模型辨識準(zhǔn)確性。 使用粒子群算法進(jìn)行模型辨識，辨識速度快。 整定得出的PID參數(shù)可直接應(yīng)用于系統(tǒng)中，對系統(tǒng)干擾極小。同時， 該方法也可應(yīng)用于其他系統(tǒng)的參數(shù)整定中，具有很高的實際應(yīng)用價值。