程向龍，周兵，趙向遠，何偉

（1. 施耐德電氣（中國）有限公司西安分公司，陜西 西安 710119； 2. 盈德氣體（上海）有限公司，上海 200137； 3. 張家港盈鼎氣體有限公司，江蘇 張家港 215625）

空分裝置作為化工、電子、冶金、石油、煤化工行業(yè)的上游裝置，其可靠性對工廠的安全、穩(wěn)定生產具有十分重要的意義。 由于用氣需求具有間歇性、階段性等特點，空分裝置生產負荷也隨之大幅度變動。 空分裝置手動調節(jié)速度慢，容易發(fā)生事故，因此對操作人員的技術水平要求較高。隨著空分深冷技術的發(fā)展，空分工藝越來越先進，空分裝置越來越大型，智能化控制程度也越來越高。 近年來，隨著先進過程控制（Advanced Process Control，即APC）技術在流程工業(yè)中不斷被推廣應用并取得較好效果，APC 在空分裝置的應用也越來越被重視。 作為信息化技術在生產裝置上的應用，APC不僅提高了裝置的控制能力和管理水平，而且還為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經濟效益[1-3]。 張家港盈鼎氣體有限公司（以下簡稱“張家港盈鼎”）于2011年7月成立，有兩套60 000 m3/h 空分裝置和一套18 000 m3/h 液化裝置，一期裝置為外壓縮流程工藝，可為客戶提供中壓氧或者低壓氧；二期裝置為內壓縮流程工藝，供客戶低壓氧[4]。 二期裝置存在自動化投用率低，變負荷手動操作量大，時常發(fā)生小氮塞等問題，對此，分析了問題產生的原因，設計了完整的先進控制方案，解決了上述問題，實現(xiàn)了空分裝置智能化平穩(wěn)操作，本文對此做一介紹。

1 工藝介紹

張家港盈鼎二期空分裝置主要對沙鋼供氣。基于鋼廠的用氧特性，需要在短時間內改變氧氣量以滿足管網的需求，氧氣用量通常為57 000～63 000 m3/h。 空分裝置工藝流程示意圖見圖1所示。

圖1 空分裝置工藝流程示意圖Fig. 1 Process Flow Diagram for Air Separation Unit

原料空氣經空壓機壓縮后進入空冷塔冷卻。預冷后的空氣進入分子篩純化系統(tǒng)，脫除其中的二氧化碳、乙炔和水分等。純化后空氣主要分為三股：一股空氣去增壓機增壓，增壓機后又分兩路，經過主換熱器進入下塔和經過膨脹機增壓端再進入主換熱器，再回到膨脹機的膨脹端膨脹后進入下塔；另一股空氣直接進入主換熱器，被返流氣體冷卻至飽和溫度，出主換熱器冷端后直接進入下塔進行精餾； 最后一股經氬換熱器冷端后直接進入下塔進行精餾?？諝饨浵滤醪骄s后，獲得液空、純液氮和污液氮，并經過冷器過冷后節(jié)流進入上塔。 經上塔進一步精餾后，在其底部獲得液氧，經液氧泵壓縮后進入主換熱器，復熱后出冷箱，得到產品氧氣，進入氧氣管網。另抽取部分液氧過冷后作為液氧產品送入液氧貯槽，得到產品液氧。從下塔頂部抽出液氮，一部分經過冷器過冷后作為產品進入貯槽，得到產品液氮；一部分進入液氮泵增壓后送入主換熱器復熱，然后作為低壓氮產品送出，得到產品氮氣。在上塔中部抽取一定量的氬餾分入粗氬塔，氬餾分經粗氬塔精餾后得到粗液氬，并送入精氬塔中部，經精氬塔精餾后在塔底部得到純液氬產品。

2 存在的問題

2.1 自動化投用率較低

張家港盈鼎二期空分裝置主要有21 個自動控制回路，目前僅9 個投入使用，自動化投用率僅為42.86%。 重要的控制回路流量如高壓液空節(jié)流閥、低壓空氣進氬蒸發(fā)器、液氮至上塔、污液氮至上塔、液空至上塔、氧泵變頻、液氮泵變頻等均為手動控制，大大增加了空分裝置的操作難度和操作強度。

2.2 主要被控變量波動大

主要被控變量如氬餾分、氬中微量氧含量、上塔氮氣氧含量、 污氮氧含量等純度控制回路之間存在耦合，同時缺少有效的閉環(huán)控制方案，僅靠手動操作，不僅控制難度大，而且不及時。

2.3 手動變負荷時間長

基于鋼廠用氧特性，該裝置需要在短時間內改變氧氣量，變負荷頻繁，但手動變負荷時間長，同時也缺少物料衡算，造成塔內純度波動較大。

2.4 氮塞發(fā)生概率較大

氬餾分含有一部分的氮，粗氬塔中只能除去氧雜質，氮雜質隨粗氬流體一起進入精氬塔分離后再排掉。 氮氣如果在粗氬塔頂部集聚過快而來不及被帶到精氬塔,就會出現(xiàn)氮塞的趨勢，氮集的越多，占用的換熱面積就越大，氮塞就越嚴重。 該裝置主塔沒有塔段溫度指示，不具備氮塞預警功能，一旦形成氮塞，就需要開啟粗氬塔頂部的放空閥減少餾分量，增加低壓空氣量，增加液氮取出量，氮塞后的恢復處理較為繁瑣，且容易誤操作。氬餾分過高或波動大均會造成氮塞概率的增大。

此外，空分裝置的空壓機、增壓機及膨脹機等均為用電大戶，整套裝置的能耗大。

3 解決方案

3.1 設計先進控制系統(tǒng)

針對以上問題，設計了完整的先進控制系統(tǒng)（APC）。 APC 是以現(xiàn)代控制理論為基礎，借助于計算機來實現(xiàn)各種先進控制的總稱，如解耦控制、最優(yōu)控制、自適應控制、智能控制及預測控制等。 目前，模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）是APC 的主要技術，模型預測控制算法是工業(yè)裝置應用最多的多變量控制器，適用于大純滯后和復雜動態(tài)特性的系統(tǒng)。 模型預測控制模塊通過辨識的模型認知各種擾動因素對被控變量的影響，圖2 為模型預測控制原理示意圖。

圖2 模型預測控制原理示意圖Fig. 2 Schematic Diagram for Control Principle of Model Prediction

如圖2 所示，當發(fā)生擾動變量FFW 時，可預測被控變量在未來時段發(fā)生的變化； 根據(jù)未來時刻變量對于設定值的偏差及時調整控制策略 （即MV MOVE PLAN），從而使實際被控變量PV 緊靠設定點，提高過程控制品質。

本文采用AVEVA APC 軟件進行項目實施，該軟件平臺支持嵌入式編程語言Python，基于多變量模型預測控制算法 （MPC）的先進控制軟件包，通過計算M 個未來預測周期后最小成本函數(shù)，得到一組合適的操作變量（Manipulated Variable, MV），從而施加有效控制動作，實現(xiàn)基于專家知識的邏輯控制、 自適應控制等多種智能控制功能。 AVEVA APC 成本函數(shù)計算如下：

式中，ek+1為裝置被控變量（Controlled Variable，CV）偏差向量；Δuk為控制作用向量；fk為MV 偏差向量；yk+1為下一時刻CV 瞬時值組成的向量；yss為一個包含設定值的向量，它定義輸出向量的元素所對應的值；uk為當前MV 瞬時值組成的向量；uss為一個由多變量控制器中的穩(wěn)態(tài)目標值組成的向量；P、Q 和R 分別為CV 設定值偏差、MV 控制作用、MV目標偏差權重矩陣。 通過改變上述權重，控制器的求解會“偏向于”某個變量，也會改變控制器實現(xiàn)“最優(yōu)”的軌跡。

3.2 優(yōu)化整定DCS 底層回路

在預測試過程中，通過工藝專家物料衡算，新增高壓液空流量、氧氣流量、液氮至上塔等5 個比值控制作為APC 的操作變量，同時對21 個控制回路進行PID 整定工作。 首先通過PID 回路結構優(yōu)化和參數(shù)整定實現(xiàn)了良好的底層控制，在此基礎上，以優(yōu)化后的PID 回路設定點作為MV，實現(xiàn)了APC 控制和傳統(tǒng)PID 控制的完美結合。

3.3 應用APC 控制矩陣

完整的階躍測試之后得到良好的響應數(shù)據(jù)結果，再通過AVEVA APC 軟件自帶的模型辨識功能，得到實際工藝過程下的響應結果（模型），即可實現(xiàn)CV 的預測，同時在成本函數(shù)不斷尋找最優(yōu)路徑下實現(xiàn)裝置的穩(wěn)定控制。 結合空分工藝專家的物料衡算和理論分析，得到最終的氧氮-氬控制器矩陣見圖3 所示。

圖3 氧氮-氬控制器矩陣Fig. 3 Oxygen-nitrogen-argon Controller Matrix

APC 控制矩陣實現(xiàn)功能如下。

3.3.1 對設備安全的控制

空壓機：通過對空氣流量的上、下限調整，以及對馬達電流上限約束、 壓縮機喘振余量下限約束，使空壓機在安全范圍內運行。

增壓機： 通過對高壓液空節(jié)流比值控制器的上、下限調整，以及對馬達電流上限約束、壓縮機喘振余量下限約束，使增壓機在安全范圍內運行。

3.3.2 對氧氣流量的控制

氧氣流量比值控制（HC1510C）將在目標值上下限范圍內控制，用以控制氬餾分純度。需要注意的是，當裝置工況穩(wěn)定或者加負荷時，氬餾分控制卡上限運行；當發(fā)生減負荷或小氮塞時，氬餾分控制卡下限運行。最大程度減少氬餾分波動的同時，緩解了小氮塞的發(fā)生，同時增加經濟性卡邊操作。

3.3.3 對精餾塔內系統(tǒng)的控制

（1）利用高壓空氣流量比值對高壓液空溫度進行控制。

（2）利用低壓空氣進換熱器流量控制低壓空氣氬蒸發(fā)器的溫度（以防換熱器冷端溫差過大）。

（3）利用上塔液氮回流比值對下塔液氮氧含量純度進行控制。

（4）利用污氮壓力對下塔加以控制，使下塔壓力大于414 Pa。

（5）利用常壓氮氣出主換熱器的壓力設定對上塔氮氣氧含量純度控制。 其次，利用液氮流量對上塔氮氣氧含量純度進行控制。

（6）利用粗氬塔至精氬塔的流量對氬產品微量氧含量純度進行控制。

（7）操作員給出液氮產量的指令，APC 通過液氮閥位對液氮產量進行控制。

3.4 開發(fā)自動變負荷功能

當裝置完成了先進控制優(yōu)化后，各項被控變量均在APC 的預測和控制中，此時只需要設計APC的自動變負荷指令和變化速率，即可實現(xiàn)裝置穩(wěn)定運行下的自動變負荷功能。 具體設計方案如下。

（1）自動變負荷開始：設定目標氧量（程序計算出目標總空氣量）和變負荷速率，點擊按鈕“GO”執(zhí)行變負荷操作。 APC 接收目標總空氣量，對操作變量2FIC1294.SV 中產生的目標按照變負荷速率開始操作。

（2）變負荷過程中：其他操作變量控制其對應的CV。 當氬餾分高于11 時閉鎖增加空氣量；當氬餾分低于6 時，閉鎖減空氣量，實現(xiàn)變負荷閉鎖邏輯。

（3）當操作變量=目標總空氣量，延時5 min自動觸發(fā)按鈕“HOLD”保持當前設定。同時在變負荷過程中也可點擊按鈕“HOLD”暫停，或者點擊按鈕“GO”繼續(xù)。

3.5 開發(fā)小氮塞自愈功能

對于空分裝置來說，在小氮塞形成后，能夠很快通過各種調節(jié)手段來緩解小氮塞事故的擴大，避免或減少大氮塞的形成；對于大氮塞，只能采取開啟粗氬塔頂部的放空閥、減少餾分量、增加低壓空氣量、增加液氮取出量等一系列的操作應對。大氮塞初期都是以小氮塞的形式表現(xiàn)。因此，為了降低大氮塞發(fā)生，設計開發(fā)了小氮塞的自愈功能。 設計使用操作變量為2HC1510C-氧氣流量比值。 氮塞自愈邏輯如下：

A：AI1707-粗氬塔含氬量的當前值

B：AI1707-粗氬塔含氬量前5 min 滑動平均值

當A-B<-0.12% 時，程序評定為氮塞發(fā)生。氮塞觸發(fā)后氬餾分設定值卡邊下限運行。

如果HC1510C 已處于范圍低限值，則保持HC1510C 的當前輸出。 否則，HC1510C 馬上減0.2%。

當A-B>0，且AI1707>99.1%時，氬餾分設定值恢復卡邊上限運行。

4 投用效果

4.1 提高自動投用率

張家港盈鼎二期空分裝置采用APC 后，對系統(tǒng)中21 個PID 回路整定，又新建5 個PID 回路，創(chuàng)建5套串級控制系統(tǒng)，自動投用率從42.86%提高到100%。

4.2 改善主要被控變量的波動

隨機統(tǒng)計APC 系統(tǒng)投用前（2021-07-29—31）后（2022-01-08—10）各64 h AI1706-氬中微量氧和AI1716-氬餾分對比分別見圖4、5 所示。由圖4、5 可以看出，在總進氣空氣量正常調整的情況下，APC 系統(tǒng)投用后可有效地穩(wěn)定氬中微量氧和氬餾分，減小二者的波動。

圖4 APC 系統(tǒng)投用前后AI1706-氬中微量氧對比Fig. 4 Comparison of Trace Oxygen Content in Argon AI1706 before and after Application of APC System

圖5 APC 系統(tǒng)投用前后AI1716-氬餾分對比Fig. 5 Comparison of AI1716 Argon Fraction before and after Application of APC System

APC 系統(tǒng)投用前后主要被控變量對比見表1。

表1 APC 系統(tǒng)投用前后主要被控變量對比Table 1 Comparison of Main Controlled Variables before and after Application of APC System%

由表1 得出，APC 投用后主要被控變量氬中微量氧、氬餾分、污氮氧含量、氮氣氧含量標準差平均降低41%。

4.3 改善裝置變負荷操作

APC 系統(tǒng)投用后，不斷進行變負荷，且大負荷變化的概率比較高。 APC 升負荷時的速度達到333 m3/min，比原手動（229 m3/min）提升45%；降負荷變化速度為220 m3/min，比原手動（208 m3/min）提升5.77%?？偪諝饬康恼{節(jié)控制更加精準，變負荷速度提高，操作人員勞動強度降低，同時也大大降低手動操作的出錯概率。降負荷時，尤其是液氮產量較低的工況時主冷液位容易升高，但是在升負荷時，主冷液位沒有變化。由于本項目的液氧去儲槽管道相對較細，當快速降負荷時，液氧在分餾塔主蒸發(fā)器會快速集聚，液氧輸送受限，分餾塔主蒸發(fā)器液位上升會比較快，將影響整個上塔和下塔的控制，因此本裝置不能降負荷過快。

4.4 實現(xiàn)小氮塞自愈功能

圖6 為小氮塞自愈過程曲線。

圖6 小氮塞自愈過程曲線Fig. 6 Self-healing Process Curves of Light Nitrogen Blocking Self-healing

當小氮塞功能被觸發(fā)后，APC 系統(tǒng)經過自主判讀和控制，自動將小氮塞事件按照自愈的方式處理完成。 小氮塞自愈功能大大降低了小氮塞轉化為大氮塞的概率，APC 投用后14 天內氮塞由3 次降至0，大大降低了氮塞的發(fā)生概率。

4.5 大幅降低氧氣放散率

由于本裝置氧氣放空閥沒有配置相應的流量表計，不能直觀統(tǒng)計氧氣放空量，因此對比了APC投用前后14 天的放空閥開度平均值，APC 投用后的放空閥平均開度從0.13%降至0.03%，大大降低了氧氣放散率。

4.6 提高經濟效益

表2 為APC 系統(tǒng)投用后收益情況，APC 系統(tǒng)投用后，氬餾分提取率提高顯著，為78.52%-74.08%=4.44%，相同負荷下空壓機單耗略有下降，氬餾分提取率提高獲得的經濟效益為191.64 萬元/a。

表2 APC 系統(tǒng)投用后收益情況Table 2 Profits Achieved after Application of APC System

5 結語

張家港盈鼎有限公司二期空分裝置應用先進控制系統(tǒng)（APC）實現(xiàn)自動變負荷后，設備自動化投用率由42.86%提高到100%，主要被控變量（氬中微量氧、氬餾分、污氮氧含量、氮氣氧含量）標準差平均降低41%，減少了人工誤操作，降低了裝置放散率，降低了裝置能耗，氬餾分提取率提高獲得的經濟效益為191.64 萬元/a。 裝置使用APC 控制系統(tǒng)后，操作平穩(wěn)，同時設計并投用的小氮塞自愈功能可以自動調節(jié)氧量抽取率，促使小氮塞自愈。本先進控制設計方案具有較強的推廣性。