先進(jìn)控制系統(tǒng)在6 萬(wàn)空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷中的應(yīng)用

程向龍，周兵，趙向遠(yuǎn)，何偉

（1. 施耐德電氣（中國(guó)）有限公司西安分公司，陜西 西安 710119； 2. 盈德氣體（上海）有限公司，上海 200137； 3. 張家港盈鼎氣體有限公司，江蘇 張家港 215625）

空分裝置作為化工、電子、冶金、石油、煤化工行業(yè)的上游裝置，其可靠性對(duì)工廠(chǎng)的安全、穩(wěn)定生產(chǎn)具有十分重要的意義。 由于用氣需求具有間歇性、階段性等特點(diǎn)，空分裝置生產(chǎn)負(fù)荷也隨之大幅度變動(dòng)。 空分裝置手動(dòng)調(diào)節(jié)速度慢，容易發(fā)生事故，因此對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求較高。隨著空分深冷技術(shù)的發(fā)展，空分工藝越來(lái)越先進(jìn)，空分裝置越來(lái)越大型，智能化控制程度也越來(lái)越高。 近年來(lái)，隨著先進(jìn)過(guò)程控制（Advanced Process Control，即APC）技術(shù)在流程工業(yè)中不斷被推廣應(yīng)用并取得較好效果，APC 在空分裝置的應(yīng)用也越來(lái)越被重視。 作為信息化技術(shù)在生產(chǎn)裝置上的應(yīng)用，APC不僅提高了裝置的控制能力和管理水平，而且還為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。 張家港盈鼎氣體有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“張家港盈鼎”）于2011年7月成立，有兩套60 000 m3/h 空分裝置和一套18 000 m3/h 液化裝置，一期裝置為外壓縮流程工藝，可為客戶(hù)提供中壓氧或者低壓氧；二期裝置為內(nèi)壓縮流程工藝，供客戶(hù)低壓氧[4]。 二期裝置存在自動(dòng)化投用率低，變負(fù)荷手動(dòng)操作量大，時(shí)常發(fā)生小氮塞等問(wèn)題，對(duì)此，分析了問(wèn)題產(chǎn)生的原因，設(shè)計(jì)了完整的先進(jìn)控制方案，解決了上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了空分裝置智能化平穩(wěn)操作，本文對(duì)此做一介紹。

1 工藝介紹

張家港盈鼎二期空分裝置主要對(duì)沙鋼供氣?；阡搹S(chǎng)的用氧特性，需要在短時(shí)間內(nèi)改變氧氣量以滿(mǎn)足管網(wǎng)的需求，氧氣用量通常為57 000～63 000 m3/h。 空分裝置工藝流程示意圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 空分裝置工藝流程示意圖Fig. 1 Process Flow Diagram for Air Separation Unit

原料空氣經(jīng)空壓機(jī)壓縮后進(jìn)入空冷塔冷卻。預(yù)冷后的空氣進(jìn)入分子篩純化系統(tǒng)，脫除其中的二氧化碳、乙炔和水分等。純化后空氣主要分為三股：一股空氣去增壓機(jī)增壓，增壓機(jī)后又分兩路，經(jīng)過(guò)主換熱器進(jìn)入下塔和經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)增壓端再進(jìn)入主換熱器，再回到膨脹機(jī)的膨脹端膨脹后進(jìn)入下塔；另一股空氣直接進(jìn)入主換熱器，被返流氣體冷卻至飽和溫度，出主換熱器冷端后直接進(jìn)入下塔進(jìn)行精餾； 最后一股經(jīng)氬換熱器冷端后直接進(jìn)入下塔進(jìn)行精餾?？諝饨?jīng)下塔初步精餾后，獲得液空、純液氮和污液氮，并經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷后節(jié)流進(jìn)入上塔。 經(jīng)上塔進(jìn)一步精餾后，在其底部獲得液氧，經(jīng)液氧泵壓縮后進(jìn)入主換熱器，復(fù)熱后出冷箱，得到產(chǎn)品氧氣，進(jìn)入氧氣管網(wǎng)。另抽取部分液氧過(guò)冷后作為液氧產(chǎn)品送入液氧貯槽，得到產(chǎn)品液氧。從下塔頂部抽出液氮，一部分經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷后作為產(chǎn)品進(jìn)入貯槽，得到產(chǎn)品液氮；一部分進(jìn)入液氮泵增壓后送入主換熱器復(fù)熱，然后作為低壓氮產(chǎn)品送出，得到產(chǎn)品氮?dú)狻Ｔ谏纤胁砍槿∫欢康臍屦s分入粗氬塔，氬餾分經(jīng)粗氬塔精餾后得到粗液氬，并送入精氬塔中部，經(jīng)精氬塔精餾后在塔底部得到純液氬產(chǎn)品。

2 存在的問(wèn)題

2.1 自動(dòng)化投用率較低

張家港盈鼎二期空分裝置主要有21 個(gè)自動(dòng)控制回路，目前僅9 個(gè)投入使用，自動(dòng)化投用率僅為42.86%。 重要的控制回路流量如高壓液空節(jié)流閥、低壓空氣進(jìn)氬蒸發(fā)器、液氮至上塔、污液氮至上塔、液空至上塔、氧泵變頻、液氮泵變頻等均為手動(dòng)控制，大大增加了空分裝置的操作難度和操作強(qiáng)度。

2.2 主要被控變量波動(dòng)大

主要被控變量如氬餾分、氬中微量氧含量、上塔氮?dú)庋鹾俊?污氮氧含量等純度控制回路之間存在耦合，同時(shí)缺少有效的閉環(huán)控制方案，僅靠手動(dòng)操作，不僅控制難度大，而且不及時(shí)。

2.3 手動(dòng)變負(fù)荷時(shí)間長(zhǎng)

基于鋼廠(chǎng)用氧特性，該裝置需要在短時(shí)間內(nèi)改變氧氣量，變負(fù)荷頻繁，但手動(dòng)變負(fù)荷時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)也缺少物料衡算，造成塔內(nèi)純度波動(dòng)較大。

2.4 氮塞發(fā)生概率較大

氬餾分含有一部分的氮，粗氬塔中只能除去氧雜質(zhì)，氮雜質(zhì)隨粗氬流體一起進(jìn)入精氬塔分離后再排掉。 氮?dú)馊绻诖謿逅敳考圻^(guò)快而來(lái)不及被帶到精氬塔,就會(huì)出現(xiàn)氮塞的趨勢(shì)，氮集的越多，占用的換熱面積就越大，氮塞就越嚴(yán)重。 該裝置主塔沒(méi)有塔段溫度指示，不具備氮塞預(yù)警功能，一旦形成氮塞，就需要開(kāi)啟粗氬塔頂部的放空閥減少餾分量，增加低壓空氣量，增加液氮取出量，氮塞后的恢復(fù)處理較為繁瑣，且容易誤操作。氬餾分過(guò)高或波動(dòng)大均會(huì)造成氮塞概率的增大。

此外，空分裝置的空壓機(jī)、增壓機(jī)及膨脹機(jī)等均為用電大戶(hù)，整套裝置的能耗大。

3 解決方案

3.1 設(shè)計(jì)先進(jìn)控制系統(tǒng)

針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了完整的先進(jìn)控制系統(tǒng)（APC）。 APC 是以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，借助于計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)控制的總稱(chēng)，如解耦控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、智能控制及預(yù)測(cè)控制等。 目前，模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）是APC 的主要技術(shù)，模型預(yù)測(cè)控制算法是工業(yè)裝置應(yīng)用最多的多變量控制器，適用于大純滯后和復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性的系統(tǒng)。 模型預(yù)測(cè)控制模塊通過(guò)辨識(shí)的模型認(rèn)知各種擾動(dòng)因素對(duì)被控變量的影響，圖2 為模型預(yù)測(cè)控制原理示意圖。

圖2 模型預(yù)測(cè)控制原理示意圖Fig. 2 Schematic Diagram for Control Principle of Model Prediction

如圖2 所示，當(dāng)發(fā)生擾動(dòng)變量FFW 時(shí)，可預(yù)測(cè)被控變量在未來(lái)時(shí)段發(fā)生的變化； 根據(jù)未來(lái)時(shí)刻變量對(duì)于設(shè)定值的偏差及時(shí)調(diào)整控制策略 （即MV MOVE PLAN），從而使實(shí)際被控變量PV 緊靠設(shè)定點(diǎn)，提高過(guò)程控制品質(zhì)。

本文采用AVEVA APC 軟件進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施，該軟件平臺(tái)支持嵌入式編程語(yǔ)言Python，基于多變量模型預(yù)測(cè)控制算法 （MPC）的先進(jìn)控制軟件包，通過(guò)計(jì)算M 個(gè)未來(lái)預(yù)測(cè)周期后最小成本函數(shù)，得到一組合適的操作變量（Manipulated Variable, MV），從而施加有效控制動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)基于專(zhuān)家知識(shí)的邏輯控制、 自適應(yīng)控制等多種智能控制功能。 AVEVA APC 成本函數(shù)計(jì)算如下：

式中，ek+1為裝置被控變量（Controlled Variable，CV）偏差向量；Δuk為控制作用向量；fk為MV 偏差向量；yk+1為下一時(shí)刻CV 瞬時(shí)值組成的向量；yss為一個(gè)包含設(shè)定值的向量，它定義輸出向量的元素所對(duì)應(yīng)的值；uk為當(dāng)前MV 瞬時(shí)值組成的向量；uss為一個(gè)由多變量控制器中的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)值組成的向量；P、Q 和R 分別為CV 設(shè)定值偏差、MV 控制作用、MV目標(biāo)偏差權(quán)重矩陣。 通過(guò)改變上述權(quán)重，控制器的求解會(huì)“偏向于”某個(gè)變量，也會(huì)改變控制器實(shí)現(xiàn)“最優(yōu)”的軌跡。

3.2 優(yōu)化整定DCS 底層回路

在預(yù)測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)工藝專(zhuān)家物料衡算，新增高壓液空流量、氧氣流量、液氮至上塔等5 個(gè)比值控制作為APC 的操作變量，同時(shí)對(duì)21 個(gè)控制回路進(jìn)行PID 整定工作。 首先通過(guò)PID 回路結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)了良好的底層控制，在此基礎(chǔ)上，以?xún)?yōu)化后的PID 回路設(shè)定點(diǎn)作為MV，實(shí)現(xiàn)了APC 控制和傳統(tǒng)PID 控制的完美結(jié)合。

3.3 應(yīng)用APC 控制矩陣

完整的階躍測(cè)試之后得到良好的響應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果，再通過(guò)AVEVA APC 軟件自帶的模型辨識(shí)功能，得到實(shí)際工藝過(guò)程下的響應(yīng)結(jié)果（模型），即可實(shí)現(xiàn)CV 的預(yù)測(cè)，同時(shí)在成本函數(shù)不斷尋找最優(yōu)路徑下實(shí)現(xiàn)裝置的穩(wěn)定控制。 結(jié)合空分工藝專(zhuān)家的物料衡算和理論分析，得到最終的氧氮-氬控制器矩陣見(jiàn)圖3 所示。

圖3 氧氮-氬控制器矩陣Fig. 3 Oxygen-nitrogen-argon Controller Matrix

APC 控制矩陣實(shí)現(xiàn)功能如下。

3.3.1 對(duì)設(shè)備安全的控制

空壓機(jī)：通過(guò)對(duì)空氣流量的上、下限調(diào)整，以及對(duì)馬達(dá)電流上限約束、 壓縮機(jī)喘振余量下限約束，使空壓機(jī)在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。

增壓機(jī)： 通過(guò)對(duì)高壓液空節(jié)流比值控制器的上、下限調(diào)整，以及對(duì)馬達(dá)電流上限約束、壓縮機(jī)喘振余量下限約束，使增壓機(jī)在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。

3.3.2 對(duì)氧氣流量的控制

氧氣流量比值控制（HC1510C）將在目標(biāo)值上下限范圍內(nèi)控制，用以控制氬餾分純度。需要注意的是，當(dāng)裝置工況穩(wěn)定或者加負(fù)荷時(shí)，氬餾分控制卡上限運(yùn)行；當(dāng)發(fā)生減負(fù)荷或小氮塞時(shí)，氬餾分控制卡下限運(yùn)行。最大程度減少氬餾分波動(dòng)的同時(shí)，緩解了小氮塞的發(fā)生，同時(shí)增加經(jīng)濟(jì)性卡邊操作。

3.3.3 對(duì)精餾塔內(nèi)系統(tǒng)的控制

（1）利用高壓空氣流量比值對(duì)高壓液空溫度進(jìn)行控制。

（2）利用低壓空氣進(jìn)換熱器流量控制低壓空氣氬蒸發(fā)器的溫度（以防換熱器冷端溫差過(guò)大）。

（3）利用上塔液氮回流比值對(duì)下塔液氮氧含量純度進(jìn)行控制。

（4）利用污氮壓力對(duì)下塔加以控制，使下塔壓力大于414 Pa。

（5）利用常壓氮?dú)獬鲋鲹Q熱器的壓力設(shè)定對(duì)上塔氮?dú)庋鹾考兌瓤刂啤?其次，利用液氮流量對(duì)上塔氮?dú)庋鹾考兌冗M(jìn)行控制。

（6）利用粗氬塔至精氬塔的流量對(duì)氬產(chǎn)品微量氧含量純度進(jìn)行控制。

（7）操作員給出液氮產(chǎn)量的指令，APC 通過(guò)液氮閥位對(duì)液氮產(chǎn)量進(jìn)行控制。

3.4 開(kāi)發(fā)自動(dòng)變負(fù)荷功能

當(dāng)裝置完成了先進(jìn)控制優(yōu)化后，各項(xiàng)被控變量均在APC 的預(yù)測(cè)和控制中，此時(shí)只需要設(shè)計(jì)APC的自動(dòng)變負(fù)荷指令和變化速率，即可實(shí)現(xiàn)裝置穩(wěn)定運(yùn)行下的自動(dòng)變負(fù)荷功能。 具體設(shè)計(jì)方案如下。

（1）自動(dòng)變負(fù)荷開(kāi)始：設(shè)定目標(biāo)氧量（程序計(jì)算出目標(biāo)總空氣量）和變負(fù)荷速率，點(diǎn)擊按鈕“GO”執(zhí)行變負(fù)荷操作。 APC 接收目標(biāo)總空氣量，對(duì)操作變量2FIC1294.SV 中產(chǎn)生的目標(biāo)按照變負(fù)荷速率開(kāi)始操作。

（2）變負(fù)荷過(guò)程中：其他操作變量控制其對(duì)應(yīng)的CV。 當(dāng)氬餾分高于11 時(shí)閉鎖增加空氣量；當(dāng)氬餾分低于6 時(shí)，閉鎖減空氣量，實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷閉鎖邏輯。

（3）當(dāng)操作變量=目標(biāo)總空氣量，延時(shí)5 min自動(dòng)觸發(fā)按鈕“HOLD”保持當(dāng)前設(shè)定。同時(shí)在變負(fù)荷過(guò)程中也可點(diǎn)擊按鈕“HOLD”暫停，或者點(diǎn)擊按鈕“GO”繼續(xù)。

3.5 開(kāi)發(fā)小氮塞自愈功能

對(duì)于空分裝置來(lái)說(shuō)，在小氮塞形成后，能夠很快通過(guò)各種調(diào)節(jié)手段來(lái)緩解小氮塞事故的擴(kuò)大，避免或減少大氮塞的形成；對(duì)于大氮塞，只能采取開(kāi)啟粗氬塔頂部的放空閥、減少餾分量、增加低壓空氣量、增加液氮取出量等一系列的操作應(yīng)對(duì)。大氮塞初期都是以小氮塞的形式表現(xiàn)。因此，為了降低大氮塞發(fā)生，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了小氮塞的自愈功能。 設(shè)計(jì)使用操作變量為2HC1510C-氧氣流量比值。 氮塞自愈邏輯如下：

A：AI1707-粗氬塔含氬量的當(dāng)前值

B：AI1707-粗氬塔含氬量前5 min 滑動(dòng)平均值

當(dāng)A-B<-0.12% 時(shí)，程序評(píng)定為氮塞發(fā)生。氮塞觸發(fā)后氬餾分設(shè)定值卡邊下限運(yùn)行。

如果HC1510C 已處于范圍低限值，則保持HC1510C 的當(dāng)前輸出。 否則，HC1510C 馬上減0.2%。

當(dāng)A-B>0，且AI1707>99.1%時(shí)，氬餾分設(shè)定值恢復(fù)卡邊上限運(yùn)行。

4 投用效果

4.1 提高自動(dòng)投用率

張家港盈鼎二期空分裝置采用APC 后，對(duì)系統(tǒng)中21 個(gè)PID 回路整定，又新建5 個(gè)PID 回路，創(chuàng)建5套串級(jí)控制系統(tǒng)，自動(dòng)投用率從42.86%提高到100%。

4.2 改善主要被控變量的波動(dòng)

隨機(jī)統(tǒng)計(jì)APC 系統(tǒng)投用前（2021-07-29—31）后（2022-01-08—10）各64 h AI1706-氬中微量氧和AI1716-氬餾分對(duì)比分別見(jiàn)圖4、5 所示。由圖4、5 可以看出，在總進(jìn)氣空氣量正常調(diào)整的情況下，APC 系統(tǒng)投用后可有效地穩(wěn)定氬中微量氧和氬餾分，減小二者的波動(dòng)。

圖4 APC 系統(tǒng)投用前后AI1706-氬中微量氧對(duì)比Fig. 4 Comparison of Trace Oxygen Content in Argon AI1706 before and after Application of APC System

圖5 APC 系統(tǒng)投用前后AI1716-氬餾分對(duì)比Fig. 5 Comparison of AI1716 Argon Fraction before and after Application of APC System

APC 系統(tǒng)投用前后主要被控變量對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 APC 系統(tǒng)投用前后主要被控變量對(duì)比Table 1 Comparison of Main Controlled Variables before and after Application of APC System%

由表1 得出，APC 投用后主要被控變量氬中微量氧、氬餾分、污氮氧含量、氮?dú)庋鹾繕?biāo)準(zhǔn)差平均降低41%。

4.3 改善裝置變負(fù)荷操作

APC 系統(tǒng)投用后，不斷進(jìn)行變負(fù)荷，且大負(fù)荷變化的概率比較高。 APC 升負(fù)荷時(shí)的速度達(dá)到333 m3/min，比原手動(dòng)（229 m3/min）提升45%；降負(fù)荷變化速度為220 m3/min，比原手動(dòng)（208 m3/min）提升5.77%?？偪諝饬康恼{(diào)節(jié)控制更加精準(zhǔn)，變負(fù)荷速度提高，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度降低，同時(shí)也大大降低手動(dòng)操作的出錯(cuò)概率。降負(fù)荷時(shí)，尤其是液氮產(chǎn)量較低的工況時(shí)主冷液位容易升高，但是在升負(fù)荷時(shí)，主冷液位沒(méi)有變化。由于本項(xiàng)目的液氧去儲(chǔ)槽管道相對(duì)較細(xì)，當(dāng)快速降負(fù)荷時(shí)，液氧在分餾塔主蒸發(fā)器會(huì)快速集聚，液氧輸送受限，分餾塔主蒸發(fā)器液位上升會(huì)比較快，將影響整個(gè)上塔和下塔的控制，因此本裝置不能降負(fù)荷過(guò)快。

4.4 實(shí)現(xiàn)小氮塞自愈功能

圖6 為小氮塞自愈過(guò)程曲線(xiàn)。

圖6 小氮塞自愈過(guò)程曲線(xiàn)Fig. 6 Self-healing Process Curves of Light Nitrogen Blocking Self-healing

當(dāng)小氮塞功能被觸發(fā)后，APC 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)自主判讀和控制，自動(dòng)將小氮塞事件按照自愈的方式處理完成。 小氮塞自愈功能大大降低了小氮塞轉(zhuǎn)化為大氮塞的概率，APC 投用后14 天內(nèi)氮塞由3 次降至0，大大降低了氮塞的發(fā)生概率。

4.5 大幅降低氧氣放散率

由于本裝置氧氣放空閥沒(méi)有配置相應(yīng)的流量表計(jì)，不能直觀統(tǒng)計(jì)氧氣放空量，因此對(duì)比了APC投用前后14 天的放空閥開(kāi)度平均值，APC 投用后的放空閥平均開(kāi)度從0.13%降至0.03%，大大降低了氧氣放散率。

4.6 提高經(jīng)濟(jì)效益

表2 為APC 系統(tǒng)投用后收益情況，APC 系統(tǒng)投用后，氬餾分提取率提高顯著，為78.52%-74.08%=4.44%，相同負(fù)荷下空壓機(jī)單耗略有下降，氬餾分提取率提高獲得的經(jīng)濟(jì)效益為191.64 萬(wàn)元/a。

表2 APC 系統(tǒng)投用后收益情況Table 2 Profits Achieved after Application of APC System

5 結(jié)語(yǔ)

張家港盈鼎有限公司二期空分裝置應(yīng)用先進(jìn)控制系統(tǒng)（APC）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變負(fù)荷后，設(shè)備自動(dòng)化投用率由42.86%提高到100%，主要被控變量（氬中微量氧、氬餾分、污氮氧含量、氮?dú)庋鹾浚?biāo)準(zhǔn)差平均降低41%，減少了人工誤操作，降低了裝置放散率，降低了裝置能耗，氬餾分提取率提高獲得的經(jīng)濟(jì)效益為191.64 萬(wàn)元/a。 裝置使用APC 控制系統(tǒng)后，操作平穩(wěn)，同時(shí)設(shè)計(jì)并投用的小氮塞自愈功能可以自動(dòng)調(diào)節(jié)氧量抽取率，促使小氮塞自愈。本先進(jìn)控制設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的推廣性。