空分装置先进控制解决方案

1、空分装置先进控制解决方案吴庆 金晓明（中国空分设备有限公司，杭州市东新路462号，310004）1 空分装置工艺简介空分装置采用深冷技术，利用氧、氮气体在相同压力下沸点的不同实现气体的分离，提取空气中氧、氮及其它气体组分。目前主要的空分流程分为内压缩流程和外压缩流程。其基本原理是空气及其组分在低温时的热力性质、低温下的传热和传质过程、空气净化和低温精馏原理。其主要单元设备是精馏塔、换热器、分子筛吸附器、空气冷却塔等，主要部机是透平膨胀机、透平压缩机等，另外还有稀有气体的制取、低温液体贮运和空分设备的控制系统。深冷空分的基本工艺流程是：空气从空气吸入塔进入工艺系统，经过过滤和空气压缩机加压后，进

2、入空气预冷塔，用冷却水对空气进行冷却，经冷却后的空气送入纯化系统（MS系统），空气经过纯化系统吸附净化后，可去除空气中的水分、CO2和碳氢化合物等杂质。经净化的空气在膨胀机中进行膨胀，温度急剧下降。在分馏塔系统中，经前面工段加压、净化、膨胀的空气将实现分离，最终得到氧气和氮气。在现阶段，氩气等稀有气体也是空分装置生产的一种重要产品，很多大型空分装置都设有氩塔提取氩，一般主要由粗氩塔和精氩塔完成提氩。现阶段常见的深冷空分工艺有两种：外压缩流程工艺即传统的深冷空分工艺，和内压缩流程工艺。下面针对这两种工艺分别进行介绍。1.1 外压缩流程工艺下图为外压缩流程的空分装置流程示意图：空气从空气吸入塔进入

3、，经过过滤、空气压缩机加压，进入空气预冷塔，用冷却水进行预冷，经冷却后的空气送入分子筛纯化系统（MS系统），空气经过分子筛吸附器净化后，除去空气中的水分、CO2和碳氢化合物。经净化的空气分成两部分，一部分经膨胀机系统、主换热器后进入空分塔，一部分在与产品氧、氮换热后，进入分馏塔下塔。在分馏塔系统中，经前面工段加压、净化、预冷的空气将实现分离，最终得到氧气和氮气。氧气和氮气在压缩机系统压缩后，供其它工段使用。1.2 内压缩流程工艺下图为内压缩流程的空分装置流程示意图：空气从空气吸入塔进入，经过过滤、空气压缩机加压，进入空气预冷塔，用冷却水进行预冷，经冷却后的空气送入分子筛纯化系统（MS系统），空

4、气经过分子筛吸附器净化后，除去空气中的水分、CO2和碳氢化合物。经净化的空气去增压机，增压机出来的加压空气分成两部分，一部分经膨胀机系统、主换热器后进入空分塔，一部分在与产品氧、氮换热后，进入分馏塔下塔。在分馏塔系统中，经前面工段加压、净化、预冷的空气将实现分离，最终得到氧气和氮气。液氧经液氧泵后进主换热器换热后可直接送氧用户。氮气在压缩机系统压缩后，供其它工段使用。1.3 流程比较对比两者可以发现，氧内压缩流程相对外压缩流程增加了1台增压机、2台液氧泵，减少了1台氧气透平压缩机。相比较而言，内压缩流程取消了氧压机，因而无高温气氧，火险隐患小，安全性好；高压液氧泵操作方便，维修工作量极少。但是

5、，内压缩流程使得冷箱压力升高，这对冷箱设备提出了更高的要求；内压缩流程的单位产品能耗要比常规外压缩流程约高37(按相同产品工况比较)。2 需求分析空分装置的工艺流程比较复杂，各工段的生产装置如空压机、膨胀机、精馏塔等控制点较多，且多变量彼此关联、相互制约，给过程控制提出了较高的要求。随着计算机过程控制的迅速发展，大多新设计的空分装置均采用了DCS控制系统，DCS控制系统较好的实现了空压机的连锁保护和防喘振控制、分子筛系统的时序控制以及其它常规控制等。DCS系统的实施应用在一定程度上平稳了装置的运行，提高了装置的控制水平。由于空分装置存在流程复杂，各单元部机间联系密切，整个过程的物料流和能量流相

6、互影响，且精馏系统的冷凝器连接上下塔，使上下塔之间不仅在物料上相互联接，在能量平衡上又联成一体，相互制约。同时，因空分装置对各组分的纯度又有一定的要求，故整个系统的控制较为复杂，简单的单回路控制不能使装置运行在最佳状态。为应对目前激烈的市场竞争，各空分设备制造厂家及使用厂家积极寻求更先进的控制系统，使各种自动化装置更具智能化，进一步发掘设备潜力，实现最优操作，达到节能降耗，提高产量的目的。另外，由于空分装置主要为其它工业过程提供氧气、氮气等产品，因此其生产负荷受到后续工业过程对氧气、氮气需求量变化的影响。当空分装置负荷需求大幅度变动时，空分装置生产过程中不可能将生产能力立即提高或降低，实际生产

7、中经常出现氧气放散或供不应求的现象，前者造成了大量的能耗与经济损失，后者则影响了后续工业过程的生产。因此迫切需要根据空分装置的实际生产特点开发一套自动变负荷生产控制技术，即根据用户用氧量的变化自动调节生产运行工况，运行参数在自动控制过程中向最佳点逼近，以降低氧气放散量和减少电耗（汽耗），实现优化操作，从而进一步平稳生产，保证产品质量，降低劳动强度。综上，在空分装置上应用先进控制和自动变负荷技术是进一步提高空分装置自动化水平，实现节能降耗的研究开发方向，也是当前空分行业的迫切需求。3 先进控制方案应用多变量模型预测控制及智能控制技术，并结合空分装置的生产特点，设计以产品产量为目标的自动变负荷控制

8、及装置优化控制系统，建立空分塔、粗氩塔与精氩塔的动态数学模型，优化精馏塔操作，实现装置液化能力的动态调节，稳定关键纯度控制指标，达到平稳生产，节能降耗的目的。同时，为各关键设备的控制手段及控制目标设置约束，并根据控制目标的重要程度定义约束条件的优先级，使尽可能多的约束条件得到满足，确保生产装置的安全运行和平稳控制。3.1 定义变量操纵变量（MV）被控变量（CV）干扰变量（DV）进冷箱空气流量上塔中部氧纯度（%O2）纯化器增压空压机导叶开度污氮氧纯度（10-6O2）冷箱进料空气量（进料空气测量值与设定值之差）膨胀机导叶开度产品氧纯度（%O2）产品氧气流量下塔液氮纯度（10-6O2）产品液氮流量产

9、品氩中氧纯度（10-6O2）进上塔液氮流量（液氮与膨胀空气之比）空压机喘振余量（%）进下塔空气流量空压机出口压力（MPa）下塔液氮回流量增压机出口压力（MPa）进氩冷凝器液空阀开度膨胀机增压出口压力（MPa）粗氩流量膨胀机增压机喘振余量（%）精氩塔进料流量下塔液空液位（%）产品氩流量粗氩塔底部液氩液位（%）下塔液空到上塔阀开度进上塔空气温度（）氩冷凝器空气回上塔阀开度进下塔空气温度（）氧气管网压力目标值（MPa）或氧气流量目标值（m3/h）3.2 控制策略（1）自动变负荷控制根据空分装置的生产特点，建立空分装置自动变负荷控制系统，以满足后续工业过程对产品氧气或氮气的需求（以氧气需求为例）。空分

10、装置自动变负荷系统的控制思路如下：人工设定氧气管网的压力目标值或氧气流量目标值，自动变负荷系统将判断目标值与实际值是否存在偏差，无偏差则维持原运行状态，若存在偏差则自动变负荷系统将根据偏差的大小按一定调整周期（5S）和一定调整幅度（每次调节幅度不超过上次氧产量的5%）进行装置升降负荷的调整。同时计算出完成此次变负荷所需要的时间，再由氧产量和完成变负荷的时间构成一个一次函数即斜坡方程，自动变负荷系统将按照计算好的斜坡方程完成负荷的调整。自动变负荷系统根据设定的目标值大小不断调整空分塔氧气采出量，为尽量减小对空分塔上下塔的物料平衡、能量平衡以及关键纯度指标的影响，需要在设备约束条件范围内按相应调节

11、速率调整进冷箱空气流量、膨胀机喷嘴开度、空压机导叶开度等操作手段，并结合空分塔上下塔和氩精馏部分的粗氩塔、精氩塔的多变量预测控制器，实现整个空分装置生产负荷调整的平稳过渡。此自动变负荷控制系统可实现在氧气设计产量70100%范围内的负荷调整。（2）精馏过程多变量模型预测控制根据空分塔上下塔和氩精馏部分的粗氩塔、精氩塔的工艺特点，对空分塔和氩精馏部分的粗氩塔、精氩塔、膨胀机等装置的控制回路进行阶跃测试、数据分析及建模，建立以空分装置生产负荷为目标的多变量模型预测控制器，综合空分塔、粗氩塔、精氩塔各关键工艺指标的变化情况，协调控制各操纵变量，稳定空气精馏过程的控制。建立产品氧纯度、上塔中部氧纯度与

12、进冷箱空气流量、产品氧气流量、产品液氮流量、粗氩流量的模型预测控制器；建立下塔液氮纯度与进上塔液氮流量（液氮与膨胀空气之比）、下塔液氮回流量的模型预测控制器；建立进上塔空气温度、膨胀机出口喘振余量与膨胀机导叶开度模型预测控制器；建立空压机出口压力、空压机喘振余量与空压机导叶开度模型预测控制器；建立下塔液空液位与下塔液空到上塔阀开度、进下塔空气流量模型预测控制器；建立产品氩中氧纯度与产品氩流量、精氩塔进料流量的模型预测控制器；建立粗氩塔底部液氩液位与粗氩塔顶部氩回流量、粗氩流量模型预测控制器。3.3 控制运用以上各模型预测控制器相互协调，以装置产量设定目标为中心，合理控制相关操纵变量，稳定控制空

13、分塔上下塔、粗氩塔、精氩塔的产品纯度指标及工艺指标。为提高系统的安全性能，需要对模型预测控制器中涉及到的被控变量、操纵变量设置优先级，按重要性和优先控制级别从高到低排列为：设备限制（喘振、电机电流/功率限制、压力等）、阀位限制（空压机导叶、气氧放空阀开度等）、产品纯度限制（产品氧纯度、产品液氮纯度、产品氩中氧纯度等）、产品流量（冷箱空气量、氧气产量、液氩产量、液氧液氮流量）。自动变负荷控制与多变量模型预测控制两者相互协调，互为补充，当空分装置负荷调整后，将打破精馏过程、压缩过程、纯化系统等各装置的物料平衡和能量平衡，因此需要多变量模型预测控制器准确判断并及时对相应物料流量、设备的运行负荷等进行

14、合理调整，实现产品纯度指标及关键工艺指标的有效控制，使生产装置达到新的平衡。4 注意事项为实现自动变负荷控制和多变量预测控制，并使之发挥出更好的控制效果，在装置设计和仪表上需要采用以下几项措施来保证优化控制系统的运行。（1）空压机的性能在低负荷运行时能避免进入防喘振区，并且入口导叶具有良好的控制快速性和平稳性。（2）膨胀机的设计要符合负荷变化的要求，保证膨胀空气量要求变化时，膨胀机在一定的转速范围内安全、可靠地运行。（3）填料塔比筛板塔的液体滞留量少，操作气液比和弹性较大，变负荷迅速，因此其操作负荷可以在较大的范围内变动。填料塔设计负荷范围可达40%110%。（4）精馏塔在全负荷范围内能保证高的稳定性。（5）阀门的尺寸和性能适合流量动态变化的要求，控制阀应有较大的可控化，并且在整个负荷变化范围内能控制及时和精确。（6）仪表的选型和调节控制系统的设计使测量滞后减到最小程度，保证连续检测的精确性。对现场仪表的精确度及快速性