35 000 Nm3/h空分裝置先進控制技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用

張 衛(wèi) 趙 玲 高國強

(河北鋼鐵集團邯鋼公司氣體廠，河北 邯鄲 056015)

0 引言

空分裝置的大型化、自動化帶來操作水平的差異化，減少人工干預(yù)、實現(xiàn)各單元綜合自動平衡優(yōu)化、進一步提高自動化水平、減少勞動強度已成為未來空分裝置自動化控制的發(fā)展趨勢。為此，在邯鋼公司氣體廠2009年初建成投產(chǎn)的2×35 000 Nm3/h空分裝置的控制系統(tǒng)中，在傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)的基礎(chǔ)上采用OPC數(shù)據(jù)接口，通過上位機實現(xiàn)先進控制(advanced process control，APC)。

APC先進控制系統(tǒng)是以建立流程數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)、以優(yōu)化控制算法為手段對設(shè)備進行自動控制和參數(shù)優(yōu)化。建模軟件可依托已采集的流程數(shù)據(jù)，通過對存貯下來的大量運行數(shù)據(jù)進行分析，得出各個控制點和控制回路之間的關(guān)聯(lián)，并結(jié)合工藝工程師的經(jīng)驗進行局部調(diào)整和修正，建立各主控制器，實現(xiàn)整個空分裝置的平穩(wěn)和高效控制。通過APC先進控制系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮裝置潛力，優(yōu)化生產(chǎn)操作，從而提高自動化控制水平以及產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品提取率，實現(xiàn)節(jié)能。同時，系統(tǒng)還實現(xiàn)了上位APC同DCS控制的無擾切換，以及在APC先控系統(tǒng)上的空分自動變負(fù)荷。

1 空分工藝流程簡介

邯鋼公司氣體廠2×35 000 Nm3/h空分裝置于2009年年初建成投產(chǎn)，其主要設(shè)計指標(biāo)為氧氣產(chǎn)量35 000 Nm3/h、氮氣產(chǎn)量 40 000 Nm3/h、氬氣產(chǎn)量1 300 Nm3/h。空分裝置主要由壓縮機組、空冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、透平膨脹機、分餾系統(tǒng)、產(chǎn)品貯存系統(tǒng)和產(chǎn)品加壓系統(tǒng)等組成。

空分系統(tǒng)(air separation unit，ASU)流程框圖如圖1所示。

圖1 空分系統(tǒng)流程框圖Fig.1 Process of the ASU system

原料空氣先經(jīng)空氣過濾器，將其中的灰塵過濾掉，再通過空壓機進行壓縮，由于壓縮后的空氣溫度較高，需經(jīng)空氣預(yù)冷系統(tǒng)進行冷卻、洗滌;然后通過分子篩凈化系統(tǒng)除去空氣中的水分和二氧化碳;經(jīng)膨脹機進行膨脹降溫，通過板式換熱器的冷、熱量交換，直至空氣液化。

利用氧、氮的沸點不同，在精餾塔內(nèi)讓溫度較高的蒸汽與溫度較低的液體不斷相互接觸，液體中的氮較多地蒸發(fā)，氣體中的氧較多地冷凝，使上升蒸汽中的含氮量不斷提高，下流液體中的含氧量不斷增大，從而實現(xiàn)空氣分離。精餾后的液體產(chǎn)品送至液體儲槽貯存，氣體產(chǎn)品經(jīng)氣體壓縮機加壓后并入氣體管網(wǎng)。

2 空分裝置對控制的要求

2.1 空分裝置的控制特點

空分裝置是一個綜合系統(tǒng)，它是由多股物料組成的復(fù)雜平衡連續(xù)的生產(chǎn)過程。該裝置具有以下幾個控制特點。

①空分精餾過程具有過程響應(yīng)遲緩的特點，操作中需要采用“小幅度、高頻率”的調(diào)節(jié)模式，逐步使生產(chǎn)過程趨于平穩(wěn)。

②氬餾分是連接主塔和氬塔的重要物流，主要取決于上塔精餾工況，而膨脹空氣量、溫度和氬塔液空回流量等都將影響上塔工況。在操作過程中，應(yīng)將主塔系統(tǒng)與氬系統(tǒng)作為一個整體來考慮，實現(xiàn)多變量耦合、大時滯和有約束過程的平穩(wěn)控制的基本功能。

③空分裝置是一個多參數(shù)耦合的復(fù)雜過程，需要深入分析工藝流程中，各主要參數(shù)之間的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)關(guān)系，建立多變量預(yù)測控制策略，從而保證產(chǎn)品品質(zhì)、降低消耗。

2.2 存在的主要問題

空分裝置的生產(chǎn)運行有其固有的特性，它存在的主要問題如下。

①分子篩切換時空氣流量波動大，難以有效控制，采用空壓機預(yù)留放空量來平衡，造成能源浪費;

②空分上塔氬餾分純度波動大，影響氬系統(tǒng)穩(wěn)定和氬提取率;

③氧氣用戶的用量不穩(wěn)定，引起氧氣管網(wǎng)壓力波動大，氧壓機系統(tǒng)控制較差，易造成低壓氧氣放散和能源浪費;

④富氧液空純度存在一定的波動，影響產(chǎn)品純度的穩(wěn)定性;

⑤粗氬中氧含量波動非常大，氬系統(tǒng)極為脆弱;

⑥精氬塔塔頂壓力波動大;

⑦氧和氬的提取率不高。

3 先進控制系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 總體框架

邯鋼35 000 Nm3/h空分裝置采用了浙江中控先進過程控制APC軟件平臺支持下的高級多變量魯棒預(yù)測控制軟件和智能控制軟件等，實現(xiàn)對空分裝置的優(yōu)化控制。

先進控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 先進控制系統(tǒng)框架圖Fig.2 Framework of the advanced control system

本系統(tǒng)以常規(guī)控制系統(tǒng)DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以O(shè)PC數(shù)據(jù)接口為橋梁，通過以太網(wǎng)與上位機進行連接，實現(xiàn)雙向通信。上位機硬件采用DELL服務(wù)器，以先進控制系列軟件為工具，進行多變量預(yù)測控制模型的建立。

3.2 總體技術(shù)方案

本系統(tǒng)的總體技術(shù)方案分為以下幾個步驟。

①對本套空分工藝流程進行分析研究，并結(jié)合相似流程實際操作經(jīng)驗，以增強空分裝置運行的穩(wěn)定性，減少氧氣和氮氣放散，提高氬提取率和降低空壓機單位能耗為總體控制目標(biāo);

②根據(jù)本套空分裝置的流程特點和運行現(xiàn)狀，確定空壓機、主分餾塔、氬系統(tǒng)、自動變負(fù)荷4個控制區(qū)域和控制目標(biāo);

③提取該裝置6個月以來的運行數(shù)據(jù)和階躍實驗數(shù)據(jù)，通過先進控制工具軟件進行分析，提取并篩選出各操作干擾變量，找出控制規(guī)律;

④通過建立先進控制建模軟件，預(yù)測控制模型的控制器;

⑤通過編寫腳本程序和運用軟測量技術(shù)，對各控制器加以修正和完善;

⑥試運行并跟蹤調(diào)試參數(shù)的變化，再不斷地修正完善，最終實現(xiàn)控制目標(biāo)。

4 APC控制的具體實現(xiàn)

4.1 空壓機控制器

目前，空氣進分餾塔流量回路采用PID控制，在空分裝置運行的一般時段，空氣進分餾塔流量是可以實現(xiàn)穩(wěn)定控制的，但是在分子篩切換過程均壓階段，由于PID調(diào)節(jié)的局限性，空氣進分餾塔流量具有較大波動，所以給后續(xù)單元的操作帶來了很大的影響。通過調(diào)節(jié)空壓機導(dǎo)葉開度，克服干擾及滯后因素。同時，考慮對放空閥的協(xié)調(diào)控制，在防止空壓機導(dǎo)葉進入喘振區(qū)的前提下，盡量節(jié)約能耗。

4.2 主分餾塔控制器

主分餾塔是空分裝置的主體，它主要包括下塔控制器和上塔控制器2個控制器。通過調(diào)節(jié)液氮進上塔量、液空進上塔量，克服外界干擾，實現(xiàn)產(chǎn)品氮純度、富氧液空純度的穩(wěn)定。通過調(diào)節(jié)空氣進分餾塔流量、氣氮產(chǎn)量、氣氧產(chǎn)量、膨脹空氣旁通量和膨脹空氣量，克服外界干擾影響，實現(xiàn)氬餾分以及產(chǎn)品氧純度的穩(wěn)定。

4.2.1 下塔控制器

下塔是上塔工況的基礎(chǔ)，控制好液空、液氮純度是整個精餾工況的關(guān)鍵。下塔富氧液空液位采用DCS系統(tǒng)PID常規(guī)控制，效果良好，富氧液空液位相對穩(wěn)定。富氧液空純度以及產(chǎn)品氮純度存在一定程度的波動。因此，有必要采取有效的控制手段，實現(xiàn)下塔的穩(wěn)定控制。下塔變量列表如表1所示。

表1 下塔變量列表Tab.1 Variables of lower tower

表1中，MV為操縱變量，CV為被控變量。通過對變量間相互影響的強弱進行分析和篩選，將富氧液空純度AIA_1A、產(chǎn)品氮純度AIA_103A作為被控變量，液氮進上塔量FIC1.SV以及污液氮進上塔量FIC2.SV作為操作變量，建立模型預(yù)測控制器，實現(xiàn)了下塔的穩(wěn)定控制。

4.2.2 上塔控制器

上塔的穩(wěn)定是氬系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，一旦上塔工況發(fā)生變化，將給氬系統(tǒng)帶來較大的波動，同時也會對下塔產(chǎn)生很大的影響。目前，操作人員根據(jù)經(jīng)驗調(diào)節(jié)氣氧產(chǎn)量、氣氮產(chǎn)量和空氣進分餾塔流量來控制氬餾分及氧純度，這在一定程度上能確保氬餾分及氧純度的穩(wěn)定，但仍存在一定的波動。因此，有必要采取有效控制手段，進一步提高氬餾分及氧純度的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)上塔的平穩(wěn)控制。上塔變量列表如表2所示。

表2 上塔變量列表Tab.2 Variables of upper tower

4.3 氬系統(tǒng)控制器

控制器的目標(biāo)是維持氬系統(tǒng)穩(wěn)定，提高氬的提取率。該控制器是以粗氬Ⅱ塔頂冷凝液空量FICA701、粗氬出粗氬Ⅱ塔粗氬流量FIC702為操縱變量，粗氬中氧含量AIA702為被控變量，建立模型預(yù)測控制器，實現(xiàn)了粗氬塔的穩(wěn)定控制。同時，在粗氬中氧含量穩(wěn)定的情況下，該控制器提高了粗氬的產(chǎn)量。

4.4 自動變負(fù)荷控制器

空分裝置自動升降負(fù)荷是實現(xiàn)減少節(jié)能降耗的重要手段。因此，實現(xiàn)安全、快速的自動升降負(fù)荷是大型空分裝置過程控制的必然要求。由于變負(fù)荷過程涉及到多個變量的相互關(guān)系，在常規(guī)DCS系統(tǒng)中，只有使用大量的內(nèi)部計算和串級控制方式，才可能局部實現(xiàn)這種復(fù)雜控制。先進控制器對多變量控制有很好的解決方法，其通過對不同控制變量約束條件的限制，使多變量控制關(guān)系間更為有序和友好。

上位機對歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢有很強的分析能力，各參數(shù)的取值在必要時可以釆用不斷滾動、優(yōu)化的方式進行調(diào)整，使調(diào)節(jié)器具有“記憶功能”，使一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的改變具有延續(xù)性，從而使工況的改變更為穩(wěn)定，具體實現(xiàn)過程如下。

①整理出相關(guān)聯(lián)的主要設(shè)計參數(shù)和運行參數(shù)，選定主要參數(shù)，建立多變量預(yù)測控制模型。

②基于輸出期望設(shè)定值與預(yù)測值的偏差，按優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)計算出當(dāng)前及未來一定時域的控制量。

③操作人員根據(jù)變負(fù)荷要求在先進控制操作人機界面修改氣氧產(chǎn)量目標(biāo)值。

5 操作界面設(shè)計及控制冗錯

5.1 操作界面設(shè)計

先進控制系統(tǒng)界面是操作人員訪問先進控制系統(tǒng)的操作平臺。操作人員必須通過先進控制系統(tǒng)操作界面，才能實現(xiàn)先控的切除與投用及畫面參數(shù)修正。其主要實現(xiàn)了先進控制系統(tǒng)總開關(guān)、各單元控制器分開關(guān)、各控制變量回路的上下限及各子控制器開關(guān)的輸入和顯示，控制器運行狀態(tài)監(jiān)控及其他相關(guān)報警功能。

5.2 控制冗錯設(shè)計

為保障系統(tǒng)安全，當(dāng)先進控制服務(wù)器與DCS之間的通信中斷、服務(wù)器死機等異常狀況發(fā)生時，需要及時切除先進控制系統(tǒng)，并給出報警提示，便于操作人員進行處理。這些功能通過在DCS上建立通信監(jiān)控程序來實現(xiàn)。

6 實施效果

6.1 氬餾分分析的穩(wěn)定性

氬餾分是全精餾制氬流程中的主要控制參數(shù)之一，它的穩(wěn)定性直接影響整個精餾過程的穩(wěn)定。

作為空分運行極為重要的參數(shù)，先控系統(tǒng)投運前與投運后的氬餾分趨勢如圖3所示。

圖3 氬餾分趨勢曲線Fig.3 Trend curves of argon distillation

從圖3可以看出，自先進控制系統(tǒng)投運后，各關(guān)鍵工藝指標(biāo)的控制效果均得到了明顯改善。

6.2 自動變負(fù)荷控制

在變負(fù)荷過程中，系統(tǒng)保持穩(wěn)定，各關(guān)鍵工藝指標(biāo)無明顯波動。先控自動變負(fù)荷控制系統(tǒng)能夠在保證空分裝置工況穩(wěn)定的情況下，成功實現(xiàn)氧產(chǎn)量在32 000～35 000 Nm3/h范圍內(nèi)的自動升降負(fù)荷控制，取得了良好的應(yīng)用效果。

在氧產(chǎn)量FIC102從32 000～35 000 Nm3/h的變負(fù)荷控制過程中，先進控制系統(tǒng)還在一定程度上實現(xiàn)了物料平衡、冷量平衡，保證了氬餾分AIA_701的基本穩(wěn)定，克服了干擾因素的影響，提高了變負(fù)荷控制過程中裝置穩(wěn)定運行的能力。在相同負(fù)荷的情況下，粗氬產(chǎn)量提高了77 Nm3/h。

其中1個35 000 Nm3/h空分裝置變負(fù)荷過程中氬餾分分析值變化趨勢如圖5所示。

圖4 氬餾分與氧產(chǎn)量變化趨勢圖Fig.4 Varying trend of argon distiuation and oxygen

7 結(jié)束語

綜上所述，在先進控制與過程優(yōu)化的思想指導(dǎo)下，在自動控制、化工工藝、計算機、網(wǎng)絡(luò)通信等多種技術(shù)的支持下，開發(fā)設(shè)計了空分裝置先進控制系統(tǒng)，并采用APC-Adcon高級多變量魯棒預(yù)測控制軟件等工具加以實現(xiàn)，有效地克服了干擾和滯后影響，大大提高了生產(chǎn)過程的自動化水平[8];統(tǒng)一了操作方法，降低了勞動強度，提高了空分裝置各工藝指標(biāo)的平穩(wěn)性，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了能耗。

在國外，業(yè)界對空分裝置的優(yōu)化計算、設(shè)計、控制等方面進行了較為系統(tǒng)性的研究和應(yīng)用。目前，國產(chǎn)空分裝置的優(yōu)化預(yù)測控制還不夠成熟，作為空分裝置控制領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，邯鋼35 000 Nm3/h空分裝置高級多變量預(yù)測控制的成功投運可以作為該領(lǐng)域的一個成功案例。

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