空分設(shè)備自動變負荷控制策略研究

羅建偉

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

現(xiàn)代冶金材料、化工、鋼鐵等領(lǐng)域生產(chǎn)過程中廣泛用到惰性氣體做能源介質(zhì)，如O2、N2、Ar。空分設(shè)備的主要功能即利用空氣分離技術(shù)把這些氣體處理到標準純度，以供生產(chǎn)使用。某企業(yè)采用的空分設(shè)備已用于生產(chǎn)一段時間，其功能和性能均能達到設(shè)計和生產(chǎn)要求，但是生產(chǎn)中用氧量和空分設(shè)備匹配不夠完善，存在無功損耗大、氧氣放散率高等問題。怎樣提高設(shè)備利用率，生產(chǎn)中保持設(shè)備低負荷運行，減少能耗，是該公司當前急需改進的內(nèi)容。且空分設(shè)備當前已具備DCS 控制系統(tǒng)，為空分裝置自動化優(yōu)化改造奠定了基礎(chǔ)[1]。

1 空分設(shè)備控制系統(tǒng)

1.1 設(shè)備組成

某企業(yè)采用的空分設(shè)備主要由四部分組成：空氣壓縮系統(tǒng)、預冷及純化系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)、貯存氣化系統(tǒng)。空分設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成復雜，必須具備完善的技術(shù)及工藝設(shè)計才能妥善實現(xiàn)自動化運行。空壓機作為空分設(shè)備能耗最大的結(jié)構(gòu)，用于給空分設(shè)備加工原料空氣。預冷系統(tǒng)以及純化系統(tǒng)共同構(gòu)成空分設(shè)備的凈化系統(tǒng)，完成空氣中雜質(zhì)和有害成分的篩選凈化，由空壓機加工過的原料空氣具有較高的溫度，需要經(jīng)過預冷系統(tǒng)冷卻，之后進行篩分凈化，去除空氣中H2O、CO2、C3H3等對生產(chǎn)過程有害的成分。分餾塔系統(tǒng)的功能是經(jīng)凈化的壓縮空氣深度冷卻，在逐級精餾出O2、N2、Ar 等氣體。

1.2 工藝流程

該企業(yè)采用的空分設(shè)備系統(tǒng)中用到了分子篩純化、增壓透平膨脹機以及上塔規(guī)整填料的內(nèi)部壓縮工藝。工藝流程如圖1 所示。

圖1 空分設(shè)備工藝流程

空分設(shè)備原料為空氣，空氣進入塔后先經(jīng)過空氣過濾器，清除其中的灰塵雜質(zhì)，然后進入透平壓縮機，經(jīng)壓縮溫度升高，后經(jīng)預冷系統(tǒng)冷卻處理至15 ℃，然后被送入分子篩純化系統(tǒng)凈化處理，除去其中有害物質(zhì)。凈化后空氣分兩部分，一部分進入換熱器，被反流的O2、N2等冷卻后進入下塔，經(jīng)下塔初步分離得到富含氧氣的液態(tài)空氣。另一部分增壓機增壓后進入主換熱器，經(jīng)過絕熱膨脹獲得冷量。下塔底部得到的富氧液空經(jīng)過冷進入上塔，頂部N2通過冷凝蒸發(fā)器經(jīng)液氧作用成為液氮，一部分成為下塔回流液體，另一部分經(jīng)過冷后進入上塔參加精餾。所有進入上塔的物質(zhì)經(jīng)上塔處理，在上塔頂部得到N2產(chǎn)品，底部得到O2。液氬的獲取是通過從上塔中部提取氬餾分氣，之后經(jīng)粗氬塔精餾得到粗氬氣，再將粗氬氣引入精氬塔進一步精餾，在精氬塔底部得到液氬產(chǎn)品。

為優(yōu)化控制過程并實時監(jiān)測生產(chǎn)過程，必須準確掌握生產(chǎn)參數(shù)，如溫度、液位、壓力，進而妥善控制設(shè)備啟停、運行等過程，進而生產(chǎn)出優(yōu)良產(chǎn)品。為實現(xiàn)控制系統(tǒng)的自動化技術(shù)，需要在原DCS 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過預測控制、工藝手段等實現(xiàn)控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中穩(wěn)調(diào)參數(shù)變化，進而提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗。

2 自動變負荷控制設(shè)計

自動變負荷控制即根據(jù)O2產(chǎn)量的變化，在保證氣體產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，利用較短的時間調(diào)節(jié)到最優(yōu)生產(chǎn)負荷，減少O2放散率，提高生產(chǎn)效率。

2.1 系統(tǒng)基礎(chǔ)

自動變負荷控制設(shè)計建立于先進DCS 控制系統(tǒng)之上。DCS 控制系統(tǒng)不僅是實現(xiàn)空分設(shè)備先進控制的前提條件，同時也是實現(xiàn)自動變負荷控制的基礎(chǔ)。DCS 控制系統(tǒng)對配置要求嚴格，需具備性能優(yōu)異的執(zhí)行機構(gòu)和儀器儀表，具備完善的保護、報警裝置，同時DCS 系統(tǒng)還應(yīng)具備能夠與上位機進行數(shù)據(jù)交互的通訊接口，即OPC 接口，OPC 接口具備讀寫功能，保證上位機實時監(jiān)控運行數(shù)據(jù)，如PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)等。

先進系統(tǒng)DCS 控制的控制中心為上位機，硬件系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與上位機建立物理連接。實現(xiàn)上位機對現(xiàn)場設(shè)備的優(yōu)化控制，完成現(xiàn)場設(shè)備的精準控制和及時管理。先進控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 先進控制系統(tǒng)

2.2 自動變負荷控制設(shè)計

在自動變負荷控制系統(tǒng)中，空分設(shè)備先進控制器為一個包含多個子控制器的控制系統(tǒng)，各子控制器互相獨立，相互作用，緊密聯(lián)系。先進控制器作為各子控制器的統(tǒng)一控制器，其功能為統(tǒng)一優(yōu)化控制變量，由先進控制器優(yōu)化的變量兼顧了各子控制器的自身需求和彼此之間的影響，能滿足空分設(shè)備平穩(wěn)運行、自動變負荷控制等的要求。

2.2.1 空壓機子系統(tǒng)控制器設(shè)計

空壓機子系統(tǒng)主要用于提供空分設(shè)備生產(chǎn)運行所需的空氣和冷量。該部分控制器的設(shè)計主要是實現(xiàn)空壓機入口處導葉開放程度和流量的自動調(diào)節(jié)跟蹤，確保提供足夠且穩(wěn)定的空氣。對于冷量，系統(tǒng)根據(jù)預計目標與實際工況的偏差來計算冷量的需求變化，從而在空分設(shè)備負荷發(fā)生變化時，及時作出中間調(diào)整，平衡負荷變化引起的冷量供需偏差[2]。另外為了消除分子篩均勻階段對分餾環(huán)節(jié)造成影響，提前調(diào)整空壓機導葉開度，及時補償分子篩均勻階段引發(fā)的壓力波動，從而避免對分餾環(huán)節(jié)的影響。

2.2.2 分子篩純化系統(tǒng)控制器設(shè)計

設(shè)計分子篩純化系統(tǒng)控制器，實時監(jiān)測分子篩加熱數(shù)據(jù)，使得分子篩在空分設(shè)備正常運行過程中按DCS 控制過程正常運行，當加熱峰值低于設(shè)定下限值時，控制下個再生周期加熱時間加長5 分鐘左右；增加異常報警功能，如分子篩強制閥門故障報警、電爐出口溫度檢測報警、分子篩出口溫度報警等，當發(fā)生故障時，系統(tǒng)立即作出報警指導維護，確保系統(tǒng)安全，有效、穩(wěn)定地運行。分子篩純化系統(tǒng)設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，一備一用，定期切換。

2.2.3 精餾系統(tǒng)控制器設(shè)計

空分塔和氬塔作為空分設(shè)備的核心結(jié)構(gòu)，應(yīng)具備確保系統(tǒng)正常生產(chǎn)的多種回路。控制器利用APC-Adcon 軟件設(shè)計實現(xiàn)多變量預測控制，以系統(tǒng)運行過程中的溫度、壓力、液位為參考數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)節(jié)液氮、液氧的流量，保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定。通過多變量預測控制，保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗可知，Ar 的純度是塔系統(tǒng)運行穩(wěn)定的重要依據(jù)，可以通過Ar 的純度來判定塔的穩(wěn)定性。

3 自動變負荷控制應(yīng)用分析

3.1 工程應(yīng)用

對空分設(shè)備進行自動變負荷控制優(yōu)化設(shè)計并應(yīng)用，通過Ar 的純度及產(chǎn)量分析控制系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。在自動變負荷控制下，系統(tǒng)的溫度、壓力等過程參數(shù)均能得到及時準確的調(diào)整，設(shè)備運行的實際數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)存在的偏差較小，結(jié)果表明自動變負荷控制有效解決了人工變負荷生產(chǎn)過程中生產(chǎn)效率低、事故概率大的問題，此外還減輕了人力勞動，Ar 的純度和產(chǎn)量也得到了充分保障，相關(guān)數(shù)據(jù)對比如表1 所示，自動變負荷控制系統(tǒng)除了安裝費稍高，其他方面優(yōu)勢突出，既節(jié)約了人力成本，提高了生產(chǎn)效率和品質(zhì)，又提高了運行的安全穩(wěn)定性，并且具有環(huán)保優(yōu)勢。

表1 自動變負荷控制與人工變負荷控制效果對比表

3.2 經(jīng)濟效益分析

經(jīng)過一段時間的生產(chǎn)運行，統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

1）每月運行時間按600 h 計算，空壓機能耗減少了約365 kW，增壓機能耗減少了約94 kW，工業(yè)用電按平均1 元/kW·h，則每年的經(jīng)濟效益為：1×（365+94）×600×12≈330 萬元。

2）O2放散率也有所降低，平均每小時減少放散1 000 m3，每年經(jīng)濟效益約100 萬元。

3）Ar 提取率由69%提升至72%，每年經(jīng)濟效益約40 萬元。

4 結(jié)論

1）提出某企業(yè)當前空分設(shè)備生產(chǎn)運行中氧氣放散率高，能耗大，生產(chǎn)效率低下等問題，并對當前空分設(shè)備的構(gòu)成和工藝流程作說明。

2）闡述自動變負荷控制方案的設(shè)計思路，分析現(xiàn)有的系統(tǒng)基礎(chǔ)，說明以先進控制為基礎(chǔ)的自動變負荷控制系統(tǒng)中空壓機子系統(tǒng)控制器設(shè)計、分子篩純化系統(tǒng)控制器設(shè)計、精餾系統(tǒng)控制器設(shè)計的設(shè)計辦法。

3）在實際生產(chǎn)中應(yīng)用自動變負荷控制方案，結(jié)果表明自動變負荷控制有效解決了人工變負荷控制中生產(chǎn)效率低，O2放散率高，能耗大的問題，可產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益470 萬元/年，并提高了生產(chǎn)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。