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(xué)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(dòng)變負(fù)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(xué)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(dòng)變負(fù)荷技術(shù)的研究現(xiàn)狀、方式、基本設(shè)計(jì)思路、模型控制和負(fù)荷變化幅度限制的因素，進(jìn)一步討論了自動(dòng)變負(fù)荷技術(shù)在體系的耦合性、純度波動(dòng)、非線性、暫態(tài)時(shí)間和魯棒性等方面的技術(shù)難點(diǎn)，提出要將自動(dòng)變負(fù)荷控制和模型預(yù)測(cè)控制相結(jié)合的解決思路，并展望了空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷技術(shù)的未來發(fā)展方向。

空分裝置；自動(dòng)變負(fù)荷；模型預(yù)測(cè)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?dú)夂蜌鍤?，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(fù)雜，主要由動(dòng)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(gè)子系統(tǒng)組成。

空分裝置的工藝流程復(fù)雜且生產(chǎn)必須連續(xù)，而外部管網(wǎng)的下游用戶對(duì)氧氣的需求又存在階段性、間歇性或不均衡性等特點(diǎn)，使得空分裝置的設(shè)計(jì)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(shí)常發(fā)生，導(dǎo)致大量的能源浪費(fèi)。為了緩解供需矛盾，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗，變負(fù)荷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

變負(fù)荷技術(shù)就是在保證產(chǎn)品純度的前提下，當(dāng)下游用戶需氧量變化時(shí)，空分裝置能通過控制和優(yōu)化，使物料和冷量達(dá)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(dòng)力學(xué)模型和線性化模型，進(jìn)行了多變量模型預(yù)測(cè)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(dòng)態(tài)模型，并用ASPEN PLUS 軟件對(duì)空分精餾塔進(jìn)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(jìn)的控制方法是模型預(yù)測(cè)控制。在國內(nèi)，周志敏等[4]開發(fā)了一套自動(dòng)變負(fù)荷控制系統(tǒng)，根據(jù)用戶用氧量的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)生產(chǎn)運(yùn)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(diǎn)的計(jì)算公式，并通過對(duì)自動(dòng)變負(fù)荷控制回路的控制功能圖，分析說明自動(dòng)變負(fù)荷的具體實(shí)施方法。李華銀等[6]和Wang等[7]分別提出了一種多變量預(yù)測(cè)控制策略，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變負(fù)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(yù)測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變負(fù)荷。Zhou等[9]通過建立負(fù)載變化時(shí)的暫態(tài)行為，考慮不同設(shè)備的負(fù)載特征，提出了一種分離模型的策略。Zhu等[10]為解決變負(fù)荷操作的流程模擬過程中傳統(tǒng)算法計(jì)算控制點(diǎn)不收斂的問題，提出了一種同倫回溯法（HBM）。

變負(fù)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(xué)者的研究主要集中在自動(dòng)變負(fù)荷的控制技術(shù)。在國際上，B.Roffel等人[1]發(fā)展了一

2 自動(dòng)變負(fù)荷技術(shù)概述

自動(dòng)變負(fù)荷可以分為兩種方式[11]，一種是通過目標(biāo)控制，即根據(jù)某一目標(biāo)被控量（如氧管網(wǎng)的壓力設(shè)為目標(biāo)被控量）來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品負(fù)荷變化的控制。當(dāng)用戶用氧量變化時(shí)，根據(jù)氧管網(wǎng)內(nèi)的壓力值偏差來進(jìn)行控制。這種方式是一種隨機(jī)的、連續(xù)的控制，實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)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(dāng)用戶氧產(chǎn)量變化時(shí)，改變氧產(chǎn)量設(shè)定值來控制。這種方式是一種預(yù)知的、階躍的控制方式，實(shí)現(xiàn)起來有一定的預(yù)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(xué)模型，以控制器為基本要素，通過流程計(jì)算和優(yōu)化控制來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變負(fù)荷，其基本設(shè)計(jì)思路

為 [12-14]：

1）在流程計(jì)算過程中，首先針對(duì)不同的負(fù)荷，進(jìn)行流程的多個(gè)工況下的模擬計(jì)算，建立數(shù)學(xué)機(jī)理模型；其次，結(jié)合靜態(tài)分析，建立空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷的控制變量、操縱變量及擾動(dòng)變量等，確定關(guān)鍵監(jiān)控點(diǎn)（工藝參數(shù)和設(shè)備約束條件）；

2）建立數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，在負(fù)荷調(diào)節(jié)過程中隨時(shí)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(dá)到負(fù)荷調(diào)節(jié)的要求；

3）對(duì)流程建立動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬, 進(jìn)行多變量模型辨識(shí)及動(dòng)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(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)修正，優(yōu)化選擇控制的上位機(jī)管理及操作系統(tǒng)。

目前自動(dòng)變負(fù)荷技術(shù)研究的不同控制模型見表1。

表1 自動(dòng)變負(fù)荷技術(shù)的不同的控制模型

空分裝置的負(fù)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(fù)荷能力又受到體系中各子裝置如空壓機(jī)、循環(huán)增壓機(jī)、精餾塔等設(shè)備負(fù)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(fù)荷范圍見表2。

表2 不同設(shè)備最佳變負(fù)荷范圍[16]

3 技術(shù)難點(diǎn)

自動(dòng)變負(fù)荷技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)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(dòng)作用，但同時(shí)也存在許多的技術(shù)難點(diǎn)。

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(fù)荷時(shí)，不能只考慮單回路的調(diào)整。

3.2 純度波動(dòng)

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(fù)荷時(shí)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)不及時(shí)，就會(huì)很容易導(dǎo)致產(chǎn)品純度波動(dòng)，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(fù)荷時(shí)，會(huì)引起過程的非線性控制要求。

3.4 暫態(tài)時(shí)間

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

3.5 魯棒性

由于變負(fù)荷過程需要計(jì)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(fù)雜性等，造成精確計(jì)算方法的計(jì)算量大和收斂性問題，因此需要魯棒性的變負(fù)荷控制優(yōu)化技術(shù)。

4 解決思路

空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷技術(shù)的基本原則是要保證在任意時(shí)刻整個(gè)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(diǎn)，需要綜合考慮自動(dòng)變負(fù)荷控制與多變量模型預(yù)測(cè)控制的協(xié)同作用，將二者有機(jī)結(jié)合，相互補(bǔ)充。特別需要注意的是，如果空分裝置負(fù)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(shí)要求多變量模型預(yù)測(cè)控制器能夠準(zhǔn)確判斷，并能及時(shí)對(duì)相應(yīng)的物料流量、設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷等進(jìn)行合理調(diào)整，進(jìn)而使產(chǎn)品純度指標(biāo)及關(guān)鍵工藝指標(biāo)得到有效控制，促使生產(chǎn)裝置的物料和能量達(dá)到新的平衡。

5 結(jié)語和展望

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步和自主創(chuàng)新能力的不斷提高，空分裝置的自動(dòng)變負(fù)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(dāng)而造成的損失，降低了氧氣的放散,延長了純化操作時(shí)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(dòng)變負(fù)荷技術(shù)發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)，為我國的空分行業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)與國外的空分市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也愈加激烈。因此，在國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排、生態(tài)和諧的新形勢(shì)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(dòng)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(dòng)變負(fù)荷控制[J].冶金自動(dòng)化，1999(5)：25-31.

[5] 薛平安.自動(dòng)變負(fù)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(yù)測(cè)控制在空分裝置自動(dòng)變負(fù)荷中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)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(dòng)變負(fù)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(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制技術(shù)[J].深冷技術(shù)，2009 (3)：28-31.

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

[14] 靳瑞安.運(yùn)用自動(dòng)和手動(dòng)變負(fù)荷操作方法實(shí)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(fù)荷操作實(shí)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(xué)反應(yīng)體系非平衡反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、化工設(shè)備安裝和管理。E-mail：raot@mail.ustc.edu.cn

2017-05-18