饒 汀

（1.南京市石油化工建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 南京 210048；2.南京化學工業(yè)園區(qū)建筑安裝管理站，江蘇 南京 210048）

淺談空分裝置的自動變負荷技術(shù)

饒 汀1,2

（1.南京市石油化工建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 南京 210048；2.南京化學工業(yè)園區(qū)建筑安裝管理站，江蘇 南京 210048）

本文介紹了目前空分裝置的自動變負荷技術(shù)的研究現(xiàn)狀、方式、基本設(shè)計思路、模型控制和負荷變化幅度限制的因素，進一步討論了自動變負荷技術(shù)在體系的耦合性、純度波動、非線性、暫態(tài)時間和魯棒性等方面的技術(shù)難點，提出要將自動變負荷控制和模型預測控制相結(jié)合的解決思路，并展望了空分裝置自動變負荷技術(shù)的未來發(fā)展方向。

空分裝置；自動變負荷；模型預測控制

空分裝置作為大型的氣體生產(chǎn)設(shè)備，其產(chǎn)品為氧氣、氮氣和氬氣，目前廣泛應(yīng)用于電子、石油、化工、鋼鐵和航空領(lǐng)域，并朝著設(shè)備巨型化、產(chǎn)品更高純度化的方向發(fā)展?？辗盅b置的組成復雜，主要由動力系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成。

空分裝置的工藝流程復雜且生產(chǎn)必須連續(xù)，而外部管網(wǎng)的下游用戶對氧氣的需求又存在階段性、間歇性或不均衡性等特點，使得空分裝置的設(shè)計產(chǎn)量與氧氣需求量之間存在矛盾[1]。尤其在鋼鐵和石油化工行業(yè)中，氣體放散現(xiàn)象時常發(fā)生，導致大量的能源浪費。為了緩解供需矛盾，實現(xiàn)節(jié)能減耗，變負荷技術(shù)應(yīng)運而生。

變負荷技術(shù)就是在保證產(chǎn)品純度的前提下，當下游用戶需氧量變化時，空分裝置能通過控制和優(yōu)化，使物料和冷量達到新的平衡，使體系調(diào)節(jié)到最佳的生產(chǎn)工況，從而減少氧氣的放散率，降低空分裝置的整體能耗。

1 研究現(xiàn)狀

種第一性原理的動力學模型和線性化模型，進行了多變量模型預測控制研究。Bian等[2]通過微擾理論建立了空分裝置上塔的降階分段集結(jié)模型動態(tài)模型，并用ASPEN PLUS 軟件對空分精餾塔進行了非線性建模和控制的研究。Vinson[3]討論了空分裝置的控制技術(shù)，并指出目前最先進的控制方法是模型預測控制。在國內(nèi)，周志敏等[4]開發(fā)了一套自動變負荷控制系統(tǒng)，根據(jù)用戶用氧量的變化，自動調(diào)節(jié)生產(chǎn)運行工況。薛平安[5]以60000m3·h-1空分設(shè)備為例，得到相關(guān)物料流量控制點的計算公式，并通過對自動變負荷控制回路的控制功能圖，分析說明自動變負荷的具體實施方法。李華銀等[6]和Wang等[7]分別提出了一種多變量預測控制策略，實現(xiàn)自動變負荷功能。Xu等[8]通過非線性穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和非線性模型預測控制，實現(xiàn)自動變負荷。Zhou等[9]通過建立負載變化時的暫態(tài)行為，考慮不同設(shè)備的負載特征，提出了一種分離模型的策略。Zhu等[10]為解決變負荷操作的流程模擬過程中傳統(tǒng)算法計算控制點不收斂的問題，提出了一種同倫回溯法（HBM）。

變負荷技術(shù)最初由國外大型空分公司如德國LINDE、英國BOC、美國PRAXAIR和法國AIR LIQUIDE等，通過流程模擬、操作優(yōu)化和控制方法發(fā)展起來。

目前國內(nèi)外學者的研究主要集中在自動變負荷的控制技術(shù)。在國際上，B.Roffel等人[1]發(fā)展了一

2 自動變負荷技術(shù)概述

自動變負荷可以分為兩種方式[11]，一種是通過目標控制，即根據(jù)某一目標被控量（如氧管網(wǎng)的壓力設(shè)為目標被控量）來自動實現(xiàn)產(chǎn)品負荷變化的控制。當用戶用氧量變化時，根據(jù)氧管網(wǎng)內(nèi)的壓力值偏差來進行控制。這種方式是一種隨機的、連續(xù)的控制，實現(xiàn)起來較為復雜。另一種是通過指令控制，即人為地去改變某一被控量的設(shè)定值（如產(chǎn)品氧氣量為被控量）。當用戶氧產(chǎn)量變化時，改變氧產(chǎn)量設(shè)定值來控制。這種方式是一種預知的、階躍的控制方式，實現(xiàn)起來有一定的預見性。

空分裝置在集散控制系統(tǒng)（DCS）的基礎(chǔ)上，建立數(shù)學模型，以控制器為基本要素，通過流程計算和優(yōu)化控制來實現(xiàn)自動變負荷，其基本設(shè)計思路

為 [12-14]：

1）在流程計算過程中，首先針對不同的負荷，進行流程的多個工況下的模擬計算，建立數(shù)學機理模型；其次，結(jié)合靜態(tài)分析，建立空分裝置自動變負荷的控制變量、操縱變量及擾動變量等，確定關(guān)鍵監(jiān)控點（工藝參數(shù)和設(shè)備約束條件）；

2）建立數(shù)據(jù)采樣點，在負荷調(diào)節(jié)過程中隨時觀察產(chǎn)品純度的變化，確保不影響工況和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，更好、更快地達到負荷調(diào)節(jié)的要求；

3）對流程建立動態(tài)模型進行動態(tài)模擬, 進行多變量模型辨識及動態(tài)響應(yīng), 考慮滯后因素的影響，形成初步控制方案；

4）根據(jù)現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，對建立的數(shù)學模型進行參數(shù)修正，優(yōu)化選擇控制的上位機管理及操作系統(tǒng)。

目前自動變負荷技術(shù)研究的不同控制模型見表1。

表1 自動變負荷技術(shù)的不同的控制模型

空分裝置的負荷變幅范圍，理論上是越寬越好，范圍太小沒有意義，但是體系的變負荷能力又受到體系中各子裝置如空壓機、循環(huán)增壓機、精餾塔等設(shè)備負荷的調(diào)節(jié)能力以及體系整體的穩(wěn)定性約束[15]。不同子裝置典型的最佳變負荷范圍見表2。

表2 不同設(shè)備最佳變負荷范圍[16]

3 技術(shù)難點

自動變負荷技術(shù)的應(yīng)用,對于空分設(shè)備的高效低耗、節(jié)能減排和低碳環(huán)保具有十分重要的推動作用，但同時也存在許多的技術(shù)難點。

3.1 高度耦合

由于空分系統(tǒng)中存在許多熱集成和物料再循環(huán)過程，物料和能量的內(nèi)部循環(huán)存在反饋，使得物料和能量高度耦合，體系存在多變量相互作用，因此，空分裝置在變負荷時，不能只考慮單回路的調(diào)整。

3.2 純度波動

空分生產(chǎn)的產(chǎn)品典型的純度要求為：N2含氧量小于10×10-6，O2＞99.5%，Ar含氧量小于10×10-6?？辗盅b置在變負荷時，任何一個環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)不及時，就會很容易導致產(chǎn)品純度波動，甚至是出現(xiàn)氮塞。

3.3 非線性顯著

由于空分工藝過程本質(zhì)上是非線性的，因此，在空分裝置大范圍變負荷時，會引起過程的非線性控制要求。

3.4 暫態(tài)時間

暫態(tài)時間是指體系從舊工況點轉(zhuǎn)變到新工況點的時間。在空分裝置變負荷時，暫態(tài)時間越短，體系的能耗越小，而典型的變負荷過程可能需要上百分鐘。

3.5 魯棒性

由于變負荷過程需要計算出不同工況下的穩(wěn)態(tài)，而空分系統(tǒng)中物料和能量的高度耦合、空分模型的復雜性等，造成精確計算方法的計算量大和收斂性問題，因此需要魯棒性的變負荷控制優(yōu)化技術(shù)。

4 解決思路

空分裝置自動變負荷技術(shù)的基本原則是要保證在任意時刻整個裝置遵守了物料平衡和冷量平衡的基本定律，為了克服以上技術(shù)難點，需要綜合考慮自動變負荷控制與多變量模型預測控制的協(xié)同作用，將二者有機結(jié)合，相互補充。特別需要注意的是，如果空分裝置負荷發(fā)生變化，壓縮過程、分子篩純化系統(tǒng)、精餾過程等各裝置的物料平衡和能量平衡將被打破，此時要求多變量模型預測控制器能夠準確判斷，并能及時對相應(yīng)的物料流量、設(shè)備的運行負荷等進行合理調(diào)整，進而使產(chǎn)品純度指標及關(guān)鍵工藝指標得到有效控制，促使生產(chǎn)裝置的物料和能量達到新的平衡。

5 結(jié)語和展望

隨著科學技術(shù)水平的不斷進步和自主創(chuàng)新能力的不斷提高，空分裝置的自動變負荷控制技術(shù)得到一定程度的應(yīng)用與推廣，大大降低了產(chǎn)品的成本，提高了產(chǎn)品效益和能源利用率，避免了因人為操作不當而造成的損失，降低了氧氣的放散,延長了純化操作時間，減少了空分裝置的損耗和切換損失。目前，空分裝置的自動變負荷技術(shù)發(fā)展的良好態(tài)勢，為我國的空分行業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇，同時與國外的空分市場的競爭也愈加激烈。因此，在國家大力倡導節(jié)能減排、生態(tài)和諧的新形勢下，我們既要提高空分設(shè)備和加工工藝的技術(shù)水平，更要整體提升我國空分設(shè)備的信息化和自動化水平。

[1] B. Roffel, B.H.L. Betlem, J.A.F. Ruijter. First principles dynamic modeling and multivariable control of a cryogenic distillation process[J]. Comput. Chem. Eng., 2000, 24: 111-123.

[2] Shoujun Bian, Suabtragool Khowinij, Michael A. Henson, et al. Compartmental modeling of high purity air separation columns[J]. Computers & Chemical Engineering,2005, 29: 2096-2109.

[3] D.R. Vinson, Air separation control technology[J]. Comput. Chem. Eng., 2006, 30: 1436-1446.

[4] 周志敏.制氧生產(chǎn)的自動變負荷控制[J].冶金自動化，1999(5)：25-31.

[5] 薛平安.自動變負荷技術(shù)在60000m3/h空分裝置中的應(yīng)用[J].寶鋼技術(shù)，2013(1)：71-75.

[6] 李華銀，趙均，徐祖華.多變量預測控制在空分裝置自動變負荷中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2009，36(4)：64-67.

[7] Jinhui Wang, Jianyi Kong, Jintang Yang, Gongfa Li, Yao Li. Multi-variable Model Predictive Control of Automatic Variable-load in Air Separation Unit Production Process[J]. Applied Mechanics and Materials, 2010(29/32): 2356-2359.

[8] Zuhua Xu, Jun Zhao, Xi Chen, Zhijiang Shao, Jixin Qian, Lingyu Zhu, Zhiyong Zhou, Haizhong Qin. Automatic load change system of cryogenic air separation process[J]. Separation and Purification Technology, 2011(81): 451-465.

[9] Danyan Zhou, Kai Zhou, Lingyu Zhu, Jun Zhao, Zuhua Xu, Zhijiang Shao, Xi Chen. Optimal scheduling of multiple sets of air separation units with frequent load-change operation[J]. Separation and Purification Technology, 2017(172): 178-191.

[10] Lingyu Zhua,b, Zhiqiang Chena, Xi Chena, Zhijiang Shaoa, Jixin Qiana. Simulation and optimization of cryogenic air separation units using a homotopy-based backtracking method[J]. Separation and Purification Technology, 2009(67): 262-270.

[11] 劉軍奮.談空分設(shè)備自動變負荷控制技術(shù)[J].深冷技術(shù)，2002(4)：14-16.

[12] 周芬芳，王凱.空分設(shè)備自動變負荷先進控制技術(shù)[J].深冷技術(shù)，2009 (3)：28-31.

[13] 張永護，劉玉良，李宗輝.大型空分設(shè)備自動變負荷技術(shù)應(yīng)用[J].深冷技術(shù)，2007(5)：25-29.

[14] 靳瑞安.運用自動和手動變負荷操作方法實現(xiàn)空分設(shè)備生產(chǎn)節(jié)能[J]. 深冷技術(shù)，2002(2)：20-27.

[15] 秦海中.南鋼KDON-20000/30000 型內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備變負荷操作實踐[J].深冷技術(shù)，2009(2)：6-8.

[16] Jiang R., Shu S. M., Huang K., Ding G. Z., Hu X. H. Simulation and Optimization of Air Separation Unit Based on ASPEN PLUS[A]. The Fourth International Conference on Cryogenics and Refrigeration[C]. Shanghai, 2008.

Analysis on Technology of Automatic Load Change in Air Separation Unit

RAO Ting1,2
(1.Department of Quality and Safety Supervison on Petrolchemical Construction of Nanjing, Nanjing 210048, China; 2. Department of Construction & Installation Management of Nanjing Chemical Industy Park, Nanjing 210048, China)

The automatic load change technology in air separation unit were introduced, included the research situation, methods, basic design, model control and load change range limiting factors. Five technical difficulties were further discussed, included system coupling of the automatic load change, purity fluctuation, nonlinearity, transient time and robustness. The solution design about combination of automatic load change control and model predictive control was proposed. The future development direction of automatic load change technology in air separation unit was forecasted.

air separation unit; automatic load change; model predictive control

TB 663

A

1671-9905(2017)08-0037-03

饒?。?979-），男，安徽廣德人，博士，主要研究方向：表面化學反應(yīng)體系非平衡反應(yīng)動力學、化工設(shè)備安裝和管理。E-mail：raot@mail.ustc.edu.cn

2017-05-18