王盛慧, 金 星, 田 巍

(1.長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,吉林長春 130012;2.中國人民解放軍裝甲兵技術(shù)學(xué)院電子工程系,吉林長春 130117)

0 引 言

深冷空氣分離技術(shù)是在高壓狀態(tài)下,將作為原料的空氣液化,依據(jù)氣、液濃度以及氣體沸點(diǎn)的差異,分離出氧氣、氮?dú)獾绕渌鼩怏w的精餾生產(chǎn)工藝。深冷空氣分離系統(tǒng)由空氣凈化及壓縮單元、冷凝及精餾單元、產(chǎn)品輸送和貯存單元組成[1],如圖1所示。

圖1 深冷空氣分離裝置系統(tǒng)框圖

其生產(chǎn)過程的控制要點(diǎn)是保證空氣壓縮機(jī)恒壓輸出,使空氣壓縮物流變化與生產(chǎn)負(fù)荷保持一致,不僅有利于上、下精餾塔中氣氮冷凝、液氮分離、富氧液空提純,而且有效地達(dá)到節(jié)約能源的目的[2]。因此,空壓機(jī)恒壓控制是高質(zhì)量空氣分離技術(shù)的關(guān)鍵[3-5]。

1 空壓機(jī)的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

空壓機(jī)恒壓控制是通過調(diào)節(jié)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的。監(jiān)測(cè)供氣管網(wǎng)壓力的變化,調(diào)節(jié)電機(jī)給定電流,改變轉(zhuǎn)速,控制空壓機(jī)單位時(shí)間的出風(fēng)量,從而達(dá)到總管管網(wǎng)壓強(qiáng)恒定的目的。由于管網(wǎng)壓變阻力慣性比較大,當(dāng)檢測(cè)電網(wǎng)諧波引起電機(jī)頻率的擾動(dòng)或用戶用氣量的變化而導(dǎo)致管網(wǎng)壓強(qiáng)變化后,再通過PID調(diào)節(jié)器抑制頻率或壓力擾動(dòng),此期間空壓機(jī)裝置系統(tǒng)內(nèi)管道、管件的壓力和管內(nèi)空氣流量的變化可能已經(jīng)出現(xiàn)大幅偏差,因而,無法達(dá)到恒壓調(diào)解過程平穩(wěn)、迅速的要求。尤其在下塔液氮回流、富氧液空提純階段,管網(wǎng)壓力的波動(dòng)極易造成氣體精餾純度的變化。

空壓機(jī)恒壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)采用主、副串級(jí)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 空壓機(jī)恒壓串級(jí)控制系統(tǒng)框圖

在主控制調(diào)節(jié)回路中,壓力變送器檢測(cè)管網(wǎng)出口壓力,與生產(chǎn)工藝壓強(qiáng)設(shè)定值比較得到壓強(qiáng)偏差,作為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)空壓機(jī)的給定,并作為副環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)定值輸出。在副控制調(diào)節(jié)回路中,副調(diào)節(jié)器的被調(diào)參數(shù)來自管網(wǎng)流量與轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,抑制流量擾動(dòng)對(duì)管網(wǎng)壓力產(chǎn)生影響,調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓強(qiáng)滿足工藝設(shè)定值要求。

2 空壓機(jī)時(shí)變模型的建立

基于串級(jí)控制的空壓機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng),采集到的現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)排氣量、壓力、流量等數(shù)據(jù)本身并不滿足彼此統(tǒng)計(jì)獨(dú)立,存在一定的數(shù)據(jù)自相關(guān),利用近似線性化傳遞函數(shù)模型所設(shè)計(jì)出的PID調(diào)解器,會(huì)造成系統(tǒng)穩(wěn)定精度較差,動(dòng)態(tài)品質(zhì)、控制效果不理想等問題。文中基于空壓機(jī)裝置特性曲線,結(jié)合數(shù)據(jù)自相關(guān)現(xiàn)象,將空壓機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為一種受控自回歸積分滑動(dòng)平均CARIMA(Controlled autoregressive integrated moving average)模型,設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù),計(jì)算相關(guān)矩陣,優(yōu)化空壓機(jī)系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制律,實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的自動(dòng)化控制。

2.1 空壓機(jī)CARIMA模型

設(shè)定空壓機(jī)裝置控制系統(tǒng)中,管網(wǎng)是指壓縮機(jī)后面背壓系統(tǒng)的管路、排氣管路以及管路上的附件、設(shè)備等全部裝置。因而在研究空壓機(jī)與其管網(wǎng)壓強(qiáng)關(guān)系時(shí)就可忽略空壓機(jī)進(jìn)氣情況,使問題得以簡(jiǎn)化[6]。管網(wǎng)入口I和出口O之間根據(jù)流動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械能守恒,列出伯努利方程。

式中:UI,UO管網(wǎng)入口和出口管道內(nèi)氣體內(nèi)能;

ZI,ZO管網(wǎng)入口和出口管道升舉高度;

QI,QO管網(wǎng)入口和出口管道內(nèi)氣體流量;

YI,YO管網(wǎng)入口和出口管道內(nèi)靜止壓強(qiáng);

VI,VO管網(wǎng)入口和出口管道內(nèi)氣體體積;

Qe氣體管路內(nèi)獲得的熱能。

氣體流經(jīng)管網(wǎng)過程中,內(nèi)能U的變化與氣體壓力、流量、溫度有關(guān),由物化關(guān)系得出:

忽略氣體體積、密度的變化,空氣密度ρ為常量。

則:

將式(3)和式(4)代入式(2)得:

可見,流量Q的大小與Δ Y的變化并非標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系,而存在明顯的時(shí)變、非線性。根據(jù)空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行特性,空壓機(jī)轉(zhuǎn)速N與流量Q成正比,則管網(wǎng)壓強(qiáng)Y與流量Q的關(guān)系可轉(zhuǎn)化為管路壓強(qiáng)Y與空壓機(jī)轉(zhuǎn)速N之間的關(guān)系,建立動(dòng)態(tài)方程:

i=1,2,…,n

YS最終控制目標(biāo),管路壓強(qiáng)恒定值;

NS當(dāng)實(shí)現(xiàn)管路壓強(qiáng)恒定在Y=YS時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速;

式(6)可進(jìn)一步整理:

設(shè)ζ為白噪聲干擾。將式(8)離散化得:

由式(9)可建立起CARIMA模型[7-9]:

其中:

式中:z-1離散系統(tǒng)的后移算子;

2.2 參數(shù)估計(jì)

對(duì)包括副回路在內(nèi)的廣義對(duì)象建立CARIMA模型,選取目標(biāo)函數(shù):

式中:NY輸出預(yù)測(cè)時(shí)域長度;

引入Diophantine方程,則廣義預(yù)測(cè)控制律為:

其中:

方程解的遞推形式為:

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

某化工廠深冷空氣分離裝置選用排氣量為32 000 Nm3/h的離心式空壓機(jī),其配用電機(jī)3 400 kW,管網(wǎng)氣體壓強(qiáng)運(yùn)行范圍為≤0.58 MPa,波動(dòng)范圍不能超過±0.02 MPa,排氣溫度≤100℃,不間斷運(yùn)行。

以某日空氣壓縮參數(shù)為例,管網(wǎng)入口初始?jí)簭?qiáng)為0.5 MPa,負(fù)荷為80%。由于產(chǎn)排量的增加,負(fù)荷增加至85%,空分設(shè)備變負(fù)荷運(yùn)行,調(diào)整曲線如圖3所示。

圖3 空壓機(jī)變負(fù)荷運(yùn)行調(diào)整曲線

圖3記錄了現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)壓強(qiáng)與記錄時(shí)間之間的變化關(guān)系。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析如下:

(1)空壓機(jī)變負(fù)荷調(diào)整過程,廣義預(yù)測(cè)控制率與PID控制相比,在管網(wǎng)壓強(qiáng)波動(dòng)范圍方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。曲線2在空壓機(jī)負(fù)荷增加5%時(shí),輸出管網(wǎng)壓強(qiáng)下降至0.482 MPa,而曲線3則接近0.487 MPa。兩者比較,曲線3波動(dòng)幅度減小28%。這不但減少放空閥打開的機(jī)會(huì),保護(hù)空壓機(jī)不發(fā)生喘振,而且能量損失也會(huì)隨之而越少,達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

(2)空壓機(jī)變負(fù)荷調(diào)整過程,廣義預(yù)測(cè)控制率與PID控制相比,管網(wǎng)壓強(qiáng)調(diào)節(jié)時(shí)間短,調(diào)節(jié)平和。由于現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)諧波影響,電流存在隨機(jī)干擾,管網(wǎng)沿程摩擦阻力損失和局部阻力損失等因素,曲線2調(diào)整管網(wǎng)壓強(qiáng)至穩(wěn)定大約需要50 min,而曲線3則僅需要35 min,調(diào)整時(shí)間減小30%。如按全年無休運(yùn)轉(zhuǎn)8 760 h,功率因素0.85,僅變工況調(diào)整電機(jī)穩(wěn)定工作大約可節(jié)電4%,約1.12萬kW?h。

4 結(jié) 語

遵循深冷空氣分離工藝,在分析空壓機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)和各主要參數(shù)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,克服現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)間的相關(guān)性、非線性和不確定干擾因素,將空壓機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為一種受控自回歸積分滑動(dòng)平均CARIMA模型,以管路氣體壓強(qiáng)充分逼近設(shè)定值、電機(jī)轉(zhuǎn)速變化量盡量小為目標(biāo)函數(shù),引入Diophantine方程,運(yùn)用遞推、差分運(yùn)算,獲得廣義預(yù)測(cè)控制律。以空壓機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)采集的管網(wǎng)排氣量、壓力、流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)為參考,建立的空壓機(jī)時(shí)變模型和控制策略,與PID控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)相比,能有效消除非線性和不確定干擾對(duì)空壓機(jī)恒壓調(diào)速系統(tǒng)的影響,系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程平和,控制精度、動(dòng)態(tài)品質(zhì)有所提升,實(shí)現(xiàn)了對(duì)空壓機(jī)的優(yōu)化控制,降低系統(tǒng)能源消耗,保證了氧氣、氮?dú)獾犬a(chǎn)品質(zhì)量。

[1] Li Guilan.The theoretical and experimental research on operation energy saving technology of Type DH-71 centrifugal air compressor[J].Sichuan University,2005(2):13-40.

[2] 劉克平.吉林省節(jié)能監(jiān)測(cè)服務(wù)技術(shù)體系建設(shè)意義及對(duì)策[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,28(1):42-45.

[3] 鄒正文,鄒曉東,周耀密.離心式壓縮機(jī)葉輪拋光的節(jié)能原理及應(yīng)用[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2001,6:23-27.

[4] 李海根.離心式壓縮機(jī)節(jié)能改造綜述[J].大氮肥,2001(2):77-80.

[5] 黃鐘岳,王曉放.透平式壓縮機(jī)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:1-155.

[6] 王榮祥,郭業(yè)兵,張永鵬,等.流體輸送設(shè)備[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002:125-260.

[7] Qin S J,Badgwell T A.A survey of industrial model predictive control technology[J].Control Engineering Practice,2003,11(7):733-764.

[8] Li Qi-An,Chu Jian.M ultivariable generalized predictive control for diagonal CARIMA model[J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science,2006,40(4):541-545.

[9] SHI Xiao-ping,ZHU Yi.Study on generalized predictive control for the neutron flux density of the nuclear reactor[J].Atomic Energy Science and Technology,2003,37(4):340-344.