空分設(shè)備降低系統(tǒng)能耗的優(yōu)化控制及效果研究

楊學(xué)碩

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)O2、N2和Ar 等氣體的使用需求越來(lái)越大。一般情況下，采用空分設(shè)備實(shí)現(xiàn)上述相關(guān)氣體的供給和應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，空分設(shè)備的能耗較高，所消耗的能源占據(jù)該設(shè)備成本的80%左右。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中可采取相應(yīng)的節(jié)能降耗措施降低其能耗，從而達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。本文將結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)對(duì)空分設(shè)備的節(jié)能降耗優(yōu)化控制策略進(jìn)行研究，并對(duì)最終的控制效果進(jìn)行評(píng)估。

1 空分設(shè)備概述

所謂空分設(shè)備指的就是空氣分離設(shè)備，其核心是將空氣中的各種氣體采取合理的物理或化學(xué)方法分離出來(lái)[1-2]。目前，應(yīng)用較為的廣泛的分離技術(shù)為低溫精餾方法，制取的一般為稀有氣體，包括O2、N2和Ar等。具體操作流程為：將空氣的溫度降低至173 ℃，凝結(jié)為液體，根據(jù)不同組分氣體的不同蒸發(fā)點(diǎn)，將其分離處理[3-5]。

一般情況下，空分工藝流程主要包括過(guò)濾、壓縮、冷卻、純化、換熱、膨脹和精餾等，對(duì)應(yīng)的分系統(tǒng)包括空氣壓縮系統(tǒng)、空氣預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩吸附系統(tǒng)、板式換熱系統(tǒng)、增壓透平膨脹系統(tǒng)和空氣精餾系統(tǒng)。

2 空分系統(tǒng)的能量分析及優(yōu)化控制

2.1 空分系統(tǒng)能量分析及節(jié)能措施

為盡可能降低空分設(shè)備的能耗，主要通過(guò)降低壓縮系統(tǒng)的有效能損耗和精餾塔的能耗來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于壓縮系統(tǒng)而言，當(dāng)氣體壓縮前后的溫度越大，對(duì)應(yīng)的有效能損失也越大。因此，可通過(guò)對(duì)冷卻器的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到提高冷卻器效率的目的。可采用的措施有：提高進(jìn)口壓力、降低排氣壓力、降低排氣量和提高等溫效率等。

對(duì)于精餾系統(tǒng)而言，其有效能損失主要是由于氣態(tài)和液態(tài)在化學(xué)層面的差異所導(dǎo)致的。在實(shí)際操作過(guò)程中，需要確保其操作線和平衡線接近，使精餾系統(tǒng)各個(gè)塔板的傳熱和傳質(zhì)的推動(dòng)力減少，最終達(dá)到降低有效損失的目的?？刹扇〉拇胧┯校赫{(diào)節(jié)上塔液氮回流比，減少液氧汽化量；增加冷量至氮組分、調(diào)整加工空氣量。

2.2 降低系統(tǒng)能耗的優(yōu)化控制

2.2.1 壓縮機(jī)的優(yōu)化控制

壓縮機(jī)為空分裝置中的關(guān)鍵核心設(shè)備，對(duì)于空分效果尤為重要。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，壓縮系統(tǒng)的喘振現(xiàn)象影響壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，通過(guò)解決壓縮機(jī)的喘振問(wèn)題可達(dá)到降低能耗的目的。

理論上講，壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行要求有一個(gè)最小的體積流程。因此，為了保證壓縮系統(tǒng)的氣體流量降低，保證在壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定范圍制備，一般在壓縮系統(tǒng)加裝一套旁通閥或者吹除閥。上述兩種閥門(mén)的主要作用是減小當(dāng)前流量與最小體積流量之間的差值。閥門(mén)的開(kāi)啟與閉合由喘振控制器進(jìn)行控制。

2.2.2 精餾系統(tǒng)的優(yōu)化控制

精餾系統(tǒng)為空分設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中較為復(fù)雜的分系統(tǒng)，若實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行需考慮多種控制變量。精餾系統(tǒng)是得到高純度產(chǎn)品的關(guān)鍵，因此，在節(jié)能優(yōu)化控制中，需要綜合考慮產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及能耗等多方面的因素。

對(duì)精餾系統(tǒng)的控制，傳統(tǒng)采用以前饋控制系統(tǒng)為代表的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)干擾變量進(jìn)行檢測(cè)，提前作出預(yù)判控制動(dòng)作，但是，與實(shí)際控制效果存在較大的偏差和滯后。因此，為解決傳統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)存在的滯后和偏差較大的問(wèn)題，在實(shí)際生產(chǎn)中引入了軟測(cè)量和推斷控制方法，其控制流程如圖1 所示。

圖1 軟測(cè)量與推斷控制流程

如圖1 所示，軟測(cè)量與推斷控制流程不僅可通過(guò)軟測(cè)量模型得出控制策略，而且還可通過(guò)采集到的實(shí)時(shí)工藝參數(shù)對(duì)控制策略進(jìn)行在線校準(zhǔn)，極大地提高了精餾系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性。

基于上述軟測(cè)量與推斷控制策略的綜合應(yīng)用，對(duì)精餾系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的控制，在保證系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的基礎(chǔ)上達(dá)到了節(jié)能的控制效果。

2.2.3 變負(fù)荷優(yōu)化控制

空分系統(tǒng)在實(shí)際供氣過(guò)程中，由于下游氣體需求量處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的空分裝置的輸出量也應(yīng)根據(jù)需求量進(jìn)行調(diào)節(jié)，否則會(huì)出現(xiàn)供大于求浪費(fèi)氣體的情況或者供不應(yīng)求的問(wèn)題。在傳統(tǒng)控制中，由工作人員對(duì)空分裝置的輸出量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。由于空分裝置工序復(fù)雜且控制變量較多，人工控制往往會(huì)出現(xiàn)控制滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致各類安全問(wèn)題和浪費(fèi)問(wèn)題發(fā)生。

因此，在上述喘振控制和軟測(cè)量與推斷控制優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用變負(fù)荷控制方式，即根據(jù)下游的用氣需求量對(duì)空分系統(tǒng)的運(yùn)行功率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，對(duì)應(yīng)的控制流程如圖2 所示。

3 空分裝置節(jié)能經(jīng)濟(jì)綜合分析

結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)，驗(yàn)證上述優(yōu)化控制策略對(duì)空分裝置的綜合降耗效果。唐鋼氣體有限公司空分裝置對(duì)空氣的處理能力為53 500 m3/h。其中，氧氣生產(chǎn)量為10 000 m3/h、氮?dú)馍a(chǎn)量為6 500 m3/h、液氧生產(chǎn)量為1 000 m3/h、液氮生產(chǎn)量為500 m3/h 以及液氬生產(chǎn)量為450 m3/h。

1）在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，未解決壓縮機(jī)喘振問(wèn)題。加入喘振保護(hù)系統(tǒng)可保證壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，從而避免設(shè)備不必要的停機(jī)和啟動(dòng)所造成的電能損失。唐鋼氣體有限公司每年液態(tài)壓縮機(jī)由于喘振問(wèn)題重新啟動(dòng)要多消耗68 000 kW·h 的電能，引入喘振保護(hù)系統(tǒng)可直接節(jié)約3.67 萬(wàn)元。

2）系統(tǒng)引入變負(fù)荷控制系統(tǒng)后，對(duì)應(yīng)所需空氣量從48 750 m3/h 減少為47 200 m3/h，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)能耗降低了159 kW。經(jīng)核算，每天可節(jié)能3 816 kW·h，節(jié)約0.2 萬(wàn)元。

對(duì)引入優(yōu)化控制策略后的平均能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3 所示。

圖3 能耗綜合對(duì)比

從圖3 可看出，在引入優(yōu)化控制策略后的第二個(gè)月后，該廠的平均能耗明顯降低。

4 結(jié)語(yǔ)

O2、N2和Ar 等氣體為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的氣體，這些氣體主要通過(guò)空分裝置獲取。空分裝置作為能耗較大的設(shè)備，如何通過(guò)采取有效的優(yōu)化控制策略達(dá)到降低能耗的目的，是企業(yè)非常關(guān)注的問(wèn)題。因此，本文提出了控制空分設(shè)備降低能耗的策略。

1）針對(duì)空分裝置壓縮機(jī)喘振問(wèn)題導(dǎo)致設(shè)備頻繁啟動(dòng)能源浪費(fèi)的問(wèn)題，引入了喘振保護(hù)器，可直接節(jié)約68 000 kW·h 的電能，節(jié)約3.67 萬(wàn)元。

2）引入了軟測(cè)量與推斷控制策略和變負(fù)荷控制策略后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)空分裝置的精準(zhǔn)控制?？筛鶕?jù)下游的實(shí)際需求量對(duì)空分裝置的供氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，每天可節(jié)約電能3 816 kW·h，節(jié)約0.2 萬(wàn)元。

3）經(jīng)綜合分析，采用優(yōu)化控制策略后，該空分系統(tǒng)的平均能耗從0.597 1 kW·h/m3降低至0.565 7 kW·h/m3，效果顯著。