[發(fā)明專利]一種空分裝置制氬系統(tǒng)的氮塞防控方法

在審

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• 申請日: 2016-07-27
• 公開（公告）號: CN106642992A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔣明;徐祖華;王凱;趙均;孫健;牛健;褚瑞華;陳曦;周芬芳;邵之江;周小瑩
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州杭氧股份有限公司;浙江大學(xué)
• 主分類號: F25J3/04
• 分類號: F25J3/04
• 代理公司: 杭州九洲專利事務(wù)所有限公司33101
• 代理人: 翁霽明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種空分裝置制氬系統(tǒng)的氮塞防控方法，屬于空氣分離控制工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

氬是空氣中含量最多的稀有氣體，圖1給出了一種空分制取氬的流程，原料空氣經(jīng)過在主塔低壓塔的精餾，將在塔頂獲得產(chǎn)品氮氣，塔底得到產(chǎn)品氧，并在提餾段形成一個氬富集區(qū)；氬的提取就是通過從低壓塔中下部抽取一定量的氣相氬餾分，并進入粗氬塔進行精餾。由于粗氬塔塔板數(shù)較多，塔高不利于安裝和保持垂直度，因而把粗氬塔分成粗氬塔Ⅰ和粗氬塔Ⅱ兩段。粗氬塔Ⅱ頂部是粗氬冷凝器，冷源是來自于經(jīng)液空過冷器的液空；在塔內(nèi)，上升的粗氬氣大部分被粗氬冷凝器冷凝下來作為回流液；在塔底，被冷凝的液體通過循環(huán)液氬泵增壓后被送入粗氬塔Ⅰ頂部，作為粗氬塔Ⅰ的回流液。粗氬塔Ⅰ底部的液體靠位差和自重回到低壓塔相應(yīng)的部位。在粗氬冷凝器中，未被冷凝的粗氬氣被引入到粗氬液化器中進行液化，然后將得到的粗液氬再送入精氬塔中進行氬、氮分離。

在上述制氬工藝流程中，為了獲得高純度的氬產(chǎn)品，監(jiān)測、調(diào)節(jié)氬系統(tǒng)中的氮含量來防控氮塞是相當(dāng)重要的。這是因為如果從低壓塔抽取的氬餾分含氮過多，大量的氮進入粗氬塔內(nèi)不能被粗氬冷凝器所冷凝，而積聚在冷凝器的粗氬側(cè)，致使粗氬中的氮含量急劇增加，從而導(dǎo)致粗氬冷凝器溫差減小，甚至為0。這樣，粗氬氣的冷凝量減少，氬餾分的抽出量亦減少，氣體上升速度減慢，最終造成塔板漏液，粗氬塔精餾工況被破壞，出現(xiàn)“氮塞”問題。

目前，常規(guī)設(shè)計的制氬系統(tǒng)氮塞防控方案是依靠幾套單回路PID組成的，但是單回路PID控制算法存在以下的不足：

⑴、空分制氬生產(chǎn)過程具有復(fù)雜的動態(tài)特性、強烈的非線性和回路之間的耦合性等特征，傳統(tǒng)的單變量PID控制算法是不能取得滿意的控制效果的。

⑵、分子篩純化器切換升壓過程對制氬系統(tǒng)氧、氬、氮組分的影響，常規(guī)PID控制是不能夠預(yù)測的，從而不能提前采取控制作用預(yù)防氬系統(tǒng)中的氮含量超標(biāo)。

因此，常規(guī)制氬系統(tǒng)氮塞防控方案是不能及時、準(zhǔn)確的監(jiān)測、預(yù)防和處理空分裝置的氮塞。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服已有空分制氬系統(tǒng)氮塞防控方案不能適應(yīng)空分制氬操作的動態(tài)特性、強烈的非線性和回路之間的耦合性等不足，本發(fā)明提供一種能夠?qū)崟r在線監(jiān)測和調(diào)節(jié)制氬系統(tǒng)中氧、氬、氮含量的變化，實現(xiàn)空分裝置氮塞的在線實時監(jiān)測與控制的空分裝置制氬系統(tǒng)的氮塞防控方法。

本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成，一種空分裝置制氬系統(tǒng)的氮塞防控方法，所述的氮塞防控方法由如下步驟組成：

步驟一、確定控制方案的被控變量為氬餾分氬含量、氬餾分溫度和粗氬塔Ⅱ頂部氬含量，操作變量為氣氧取出量、純液氮回流量和粗氬氣提取量，擾動變量為事件變量—分子篩純化器切換升壓過程；

步驟二、通過裝置階躍序列測試和模型參數(shù)辨識，獲得氣氧取出量、純液氮回流量分別與氬餾分氬含量、氬餾分溫度之間的傳遞函數(shù)，以及粗氬氣流量與粗氬塔Ⅱ頂部氬含量間的傳遞函數(shù)，其擾動傳遞函數(shù)是通過辨識分子篩純化器切換升壓時均壓閥的閥位分別與氬餾分氬含量、氬餾分溫度之間的突變過程數(shù)據(jù)所獲得的；然后將各傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化非參數(shù)預(yù)測模型—階躍響應(yīng)模型；

步驟三、從計算機集散控制系統(tǒng)(DCS)中讀取k-1時刻各個操作變量的當(dāng)前值，并得出k-1時刻各操作變量的變化量；

步驟四、通過預(yù)測控制算法預(yù)測在k-1時刻各操作變量變化量作用下，相應(yīng)被控變量的未來變化；

步驟五、檢測當(dāng)前各被控變量的測量值，并和原預(yù)測值進行比較，對各被控變量的未來預(yù)測值進行校正；

步驟六、根據(jù)預(yù)測控制算法的控制性能指標(biāo)，優(yōu)化計算出各操作變量設(shè)定值的未來變化量。

作為優(yōu)選：所述步驟一中，用被控變量氬餾分的溫度反映其氮組分的變化比純度指標(biāo)更及時、直觀；所述步驟一中，分子篩切換升壓過程是作為一個事件變量引入到控制器的擾動變量中，控制器通過讀取均壓閥的閥位值來判斷分子篩當(dāng)前是否充壓，并采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作。

作為優(yōu)選：所述步驟一中，被控變量組成了兩道防線來監(jiān)測制氬系統(tǒng)是否發(fā)生氮塞，所述第一道防線包括：氬餾分中的氬含量和氬餾分溫度，所述第二道防線是粗氬塔Ⅱ頂部氬含量。

作為優(yōu)選：所述的預(yù)測控制算法是增加了前饋控制功能的預(yù)測控制算法，其可測擾動變量—分子篩充壓過程為氣氧取出量、純液氮回流量兩個操作變量提供前饋信息，此前饋控制方法計算出的控制作用分配后與預(yù)測控制算法計算出的控制作用疊加，形成最終的控制作用，具體步驟如下：

⑴初始化各被控變量的預(yù)測輸出向量；