技术领域
[0001] 本
发明涉及的是一种用于内压缩带氩空分设备的自动变负荷优化控制方法，属于内压缩带氩空分设备自动化工程技术领域。
背景技术
[0002] 内压缩带氩空分设备采用常温分子筛
净化空气、中压
增压透平膨胀机制冷、液
氧内压缩、部分液氩内压缩的流程；采用规整填料技术及全精馏制氩工艺。
[0003] 原料空气在
过滤器中除去灰尘和机械杂质后，进入空气
压缩机压缩至一定压
力，送入空气
冷却塔进行预冷。空气冷却塔的给
水分为两段，冷却塔的下段使用经
水处理过的
循环水，而冷却塔的上段则使用经水冷却塔和冷水机组冷却的低温水；空气冷却塔顶部设置丝网除雾器，以除去空气中的水滴。
[0004] 出空气冷却塔的空气进入交替使用的分子筛
吸附器；在那里原料空气中的水份、CO2、C2H2等不纯物质被分子筛吸附。
[0005] 净化后的加工空气分为四股，一股作为仪表空气；一股进入主换热器，与返流的污氮气、低压氮气、中压液氧换热后进入下塔进行精馏；一股经空气增压机一段压缩后再分为两股，一股相当于膨胀量的空气经增压膨胀机的增压端增压后再经气体冷却器冷却，进入主换热器，从换热器中部抽出，进入膨胀机，膨胀后进入下塔进行精馏。另一股气体经空气增压机二段压缩，再进入主换热器冷却，节流后进入下塔。
[0006] 空气经下塔初步精馏后，在下塔底部获得液空，在下塔顶部获得纯液氮,并经
过冷器过冷后节流进入上塔。经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得液氧，并经液氧
泵压缩到3.1MPa(A)进入主换热器，复热后作为产品出冷箱。部分液氧直接出冷箱作为液氧产品进入贮槽。
[0007] 从上塔顶部引出纯氮气,经过冷器、主换热器复热后出冷箱，其中一股送入低压氮压机压缩到1.1MPa(A)，这股低压氮气产品可以切换去水冷塔；另一股送入中压氮气压缩机压缩到2.6MPa(A)。
[0008] 从上塔顶部
抽取液氮产品，进入贮槽。从上塔上部引出污氮气,经过冷器、主换热器复热后出冷箱，首先满足用作分子筛的再生气体的需要，多余部分送往水冷塔。
[0009] 从上塔中部抽取一定量的氩馏分送入粗氩塔。粗氩塔在结构上分为两段，第二段(粗氩塔Ⅱ)氩塔底部的回流液体经液体泵送入第一段(粗氩塔Ⅰ)顶部作为回流液。氩馏分经粗氩塔精馏得到粗氩气，并送入精氩塔中部，经精馏后在塔底部得到产品精液氩，送入液氩贮槽。
[0010] 从液氩贮槽抽取部分精液氩产品经中压液氩泵增压后送入冷箱，再经中压氩换热器复热后出冷箱，送入中压氩管网。
[0011] 由于空分装置具有单元多、流程长、相关性大、结构复杂的工艺特点，决定了变负荷过程操作具有涉及控制点多、耦合严重、操作难度大的特点：
[0012] (1)在空分装置中大量使用了热集成与物料再循环技术，如上塔与下塔共用一个冷凝
蒸发器；下塔液空一部分直接作为上塔中部回流，另外部分为粗氩塔
冷凝器提供冷量，最后返回空分上塔参与精馏。热集成技术和物料再循环技术使空分装置具有典型的
能量与物料高度耦合的特征：热集成减少了系统
自由度，使得单元之间关联增强，导致扰动易于在单元间传递；物料再循环使得空分流程的动态特性变得更加复杂，形成了带有正反馈性质的物料与能量的内部循环，延缓了过程整体的动态响应。这些因素加大了空分装置变负荷操作的难度，使得在变负荷过程中，不能单独对装置的各个单元进行调节，故常规的PID控制难以胜任空分变负荷的操作要求。
[0013] (2)空分装置大范围变负荷会引起过程的非线性控制要求。为了适应下游用氧需求的变化，空分装置不可能长期固定在某个操作条件下运行，必须及时进行变负荷操作以避免产品氧气的放散，造成无谓的经济损失。由于工业过程的本质是非线性的，使得相应的过程控制从传统某一操作区域内的线性控制，转变为满足工业装置在大操作区域内要求的非线性控制。
[0014] (3)空分装置变负荷操作是一个变工作点的动态调节过程，是生产过程从一个工况到另一个工况的过渡。但在升、降负荷过程中，用户确定仅是产品产量的大小，并没有确定目标工况其它过程变量的目标值，这就涉及到了最优工况计算的问题。在空分装置的最优工况计算中，在满足全流程物料平衡、能量平衡、产品约束和产量要求的前提下，还需要考虑空分装置的全流程操作优化，提高产品提取率，降低操作压力，实现变负荷情况下的最优能量平衡、物料平衡，实现节能降耗的目标。
发明内容
[0015] 针对目前空分行业缺乏一套有效的自动变负荷系统，本发明的目的是提供内压缩带氩空分设备的自动变负荷优化控制方法，它有效减少变负荷过程中的过程变量
波动范围，更快速、平稳地实现变负荷操作,降低氧气放散率，实现空分设备的节能降耗。
[0016] 本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，所述的一种用于内压缩带氩空分设备的自动变负荷优化控制方法，其特征在于所述的自动变负荷优化控制方法主要考虑到空分装置的上塔、下塔、粗氩塔、空压机、增压机、膨胀机各单元之间相互影响、耦合严重的现象，采用一个大型预测
控制器来实现空分装置的变负荷控制功能，其范围包括上塔、下塔、分子筛、粗氩塔、精氩塔、空压机、增压机、膨胀机各单元；
[0017] 所述大型预测控制器采用以产品氧气流量为调度变量的操作轨迹LPV建模方法，建立空分设备的变负荷非线性动态模型。
[0018] 作为优选：所述的自动变负荷优化控制方法，具体包括以下步骤：
[0019] 1)由于产品氧气流量决定变负荷过程的非线性动态行为，选取产品氧气流量作为调度变量；
[0020] 2)根据产品氧气流量的操作轨迹范围，选择若干个典型工作点；
[0021] 3)在各典型工作点，进行常规的装置测试，得到测试数据；
[0022] 4)根据各工作点测试数据，辨识出相应的线性动态模型；
[0023] 5)根据工作点测试数据及各工作点间的过渡数据，通过产品氧气流量的多项式函数来插值各工作点模型，获得空分设备的变负荷非线性动态模型。
[0024] 作为优选：所述的大型预测控制器的被控变量为：下塔液空纯度、下塔中上部氧分析、产品氧气纯度分析、产品氮气纯度分析、上塔污氮气纯度分析、氩馏分氩含量、粗氩塔I顶氧含量分析、粗氩塔II顶氧含量分析、粗氩塔II顶氩含量分析、精氩塔氮含量分析、产品氧气流量、产品氮气流量、产品液氮流量、产品液氧流量、粗氩流量、氩馏分流量、空压机
电流、空压机导叶开度、增压机一级导叶开度、增压机二级导叶开度、空压机
喘振裕度、一段增压机喘振裕度、二段增压机喘振裕度、空气进膨胀机
温度、空气出膨胀机温度、下塔阻力、上塔阻力、粗氩塔I阻力和粗氩塔II阻力。
[0025] 作为优选：所述的大型预测控制器的操作变量为：总空气流量、产品氧气流量、产品氮气流量、产品液氮流量、污液氮进上塔流量、纯液氮进上塔流量、膨胀空气流量、高压空气流量、上塔污氮压力、粗氩塔冷凝器液位、粗氩气流量、精氩塔压差、冷凝
蒸发器液位设定值和高压节流
阀。
[0026] 作为优选：所述的大型预测控制器的操作变量为：产品氧气设定值与实际值的偏差和分子筛升压事件。
[0027] 作为优选：所述被控变量的优先级别，优先保证重要的被控变量，优先考虑设备的安全约束，然后保证阀位约束，最后考虑产品的纯度指标及产量指标，且纯度与产量相比，首先要满足的是纯度指标。
[0028] 本发明保证变负荷操作的速度与品质，解决了变负荷过程的非线性问题、操作耦合问题，能够更有效减少设备关键变量的波动，更快速、平稳地实现变负荷操作。
具体实施方式
[0029] 下面将结合具体
实施例对本发明作详细的介绍：一种用于内压缩带氩空分设备的自动变负荷优化控制方法，所述的自动变负荷优化控制方法主要考虑到空分装置的上塔、下塔、粗氩塔、空压机、增压机、膨胀机各单元之间相互影响、耦合严重的现象，采用一个大型预测控制器来实现空分装置的变负荷控制功能，其范围包括上塔、下塔、分子筛、粗氩塔、精氩塔、空压机、增压机、膨胀机各单元；
[0030] 所述大型预测控制器采用以产品氧气流量为调度变量的操作轨迹LPV建模方法，建立空分设备的变负荷非线性动态模型。
[0031] 本发明所述的自动变负荷优化控制方法，具体包括以下步骤：
[0032] 1)由于产品氧气流量决定变负荷过程的非线性动态行为，选取产品氧气流量作为调度变量；
[0033] 2)根据产品氧气流量的操作轨迹范围，选择若干个典型工作点；
[0034] 3)在各典型工作点，进行常规的装置测试，得到测试数据；
[0035] 4)根据各工作点测试数据，辨识出相应的线性动态模型；
[0036] 5)根据工作点测试数据及各工作点间的过渡数据，通过产品氧气流量的多项式函数来插值各工作点模型，获得空分设备的变负荷非线性动态模型。
[0037] 所述的大型预测控制器的被控变量为：下塔液空纯度、下塔中上部氧分析、产品氧气纯度分析、产品氮气纯度分析、上塔污氮气纯度分析、氩馏分氩含量、粗氩塔I顶氧含量分析、粗氩塔II顶氧含量分析、粗氩塔II顶氩含量分析、精氩塔氮含量分析、产品氧气流量、产品氮气流量、产品液氮流量、产品液氧流量、粗氩流量、氩馏分流量、空压机电流、空压机导叶开度、增压机一级导叶开度、增压机二级导叶开度、空压机喘振裕度、一段增压机喘振裕度、二段增压机喘振裕度、空气进膨胀机温度、空气出膨胀机温度、下塔阻力、上塔阻力、粗氩塔I阻力和粗氩塔II阻力。
[0038] 所述被控变量的优先级别，优先保证重要的被控变量，优先考虑设备的安全约束，然后保证阀位约束，最后考虑产品的纯度指标及产量指标，且纯度与产量相比，首先要满足的是纯度指标。
[0039] 所述的大型预测控制器的操作变量为：总空气流量、产品氧气流量、产品氮气流量、产品液氮流量、污液氮进上塔流量、纯液氮进上塔流量、膨胀空气流量、高压空气流量、上塔污氮压力、粗氩塔冷凝器液位、粗氩气流量、精氩塔压差、冷凝蒸发器液位设定值和高压
节流阀。
[0040] 所述的大型预测控制器的操作变量为：产品氧气设定值与实际值的偏差和分子筛升压事件。
[0041] 实施例：
[0042] 本发明考虑到空分装置的上塔、下塔、粗氩塔、空压机、增压机、膨胀机各单元之间相互影响、耦合严重的现象，采用一个大型预测控制器来实现空分装置的变负荷控制功能，其范围包括上塔、下塔、分子筛、粗氩塔、精氩塔、空压机、增压机、膨胀机各单元。
[0043] 所述预测控制器采用以产品氧气流量为调度变量的操作轨迹LPV建模方法，建立空分设备的变负荷非线性动态模型。
[0044] 该方法具体包括以下步骤：
[0045] 1)由于产品氧气流量决定变负荷过程的非线性动态行为，选取产品氧气流量作为调度变量；
[0046] 2)根据产品氧气流量的操作轨迹范围，选择若干个典型工作点；
[0047] 3)在各典型工作点，进行常规的装置测试，得到测试数据；
[0048] 4)根据各工作点测试数据，辨识出相应的线性动态模型；
[0049] 5)根据工作点测试数据及各工作点间的过渡数据，通过产品氧气流量的多项式函数来插值各工作点模型，获得空分设备的变负荷非线性动态模型。
[0050] 所述的大型预测控制器由以下部分组成：
[0051] (1)大型预测控制器的被控变量及说明如表1所示
[0052] 表1被控变量(CVs)
[0053]
[0054]
[0055] (2)大型预测控制器的操作变量及说明如表2所示
[0056] 表2操作变量(MVs)
[0057]
[0058]
[0059] (3)大型预测控制器的扰动变量及说明如表3所示
[0060] 表3扰动变量(DVs)
[0061]序号 描述
产品氧气设定值与实际值的偏差
分子筛升压事件
[0062] (4)大型预测控制器的根据被控变量的优先级别，优先保证重要的被控变量。控制器保证装置操作稳定，减少关键被控变量的波动；根据被控变量的优先级别，优先保证重要的被控变量。
[0063] 空分装置的被控变量一般分为以下四类：
[0064] 1)设备约束：空压机喘振裕度、一段增压机喘振裕度、二段增压机喘振裕度、空气进膨胀机温度、空气出膨胀机温度、下塔阻力、上塔阻力、粗氩塔I阻力和粗氩塔II阻力；
[0065] 2)阀位约束：空压机电流、空压机导叶开度、增压机一级导叶开度和增压机二级导叶开度
[0066] 3)产品纯度约束：下塔液空纯度、下塔中上部氧分析、产品氧气纯度分析、产品氮气纯度分析、上塔污氮气纯度分析、氩馏分氩含量、粗氩塔I顶氧含量分析、粗氩塔II顶氧含量分析、粗氩塔II顶氩含量分析和精氩塔氮含量分析。
[0067] 4)产量指标：产品氧气流量、产品氮气流量、产品液氮流量、产品液氧流量、粗氩流量和氩馏分流量。
[0068] 上述被控变量，在重要性和优先级别上是从高到低的。因为，在任何情况下都应将设备的安全放在首位，超出设备的限制必将造成设备损坏或装置停车。阀位约束是维持装置正常控制所不能违背的条件。因而这两点高于产品的纯度指标及产量指标。纯度与产量相比，首先要满足的是纯度指标。
[0069] 本发明解决了变负荷过程的非线性问题、操作耦合问题，保证变负荷操作的速度与品质，能够更有效减少设备关键变量的波动，更快速、平稳地实现变负荷操作。
