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。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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，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；

⑵控制器通過OPC數(shù)據(jù)接口從DCS中讀取各被控變量的當前值和均壓閥閥位的當前值，計算出被控變量的預(yù)測誤差及均壓閥閥位的變化量；

⑶根據(jù)預(yù)測誤差校正各被控變量的預(yù)測輸出值；

⑷被控變量預(yù)測值進行移位操作，將作為下一時刻的預(yù)測初值；

⑸計算各操作變量的控制增量，并將分子篩充壓所產(chǎn)生的前饋輸出分配后疊加到氣氧流量控制增量和純液氮回流控制增量上，形成最終的控制作用；

⑹利用移除前饋輸出后的控制輸出來計算各被控變量的預(yù)測輸出。

本發(fā)明基于現(xiàn)有空分生產(chǎn)裝置的計算機集散控制系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)有的組分分析儀、溫度分析儀、流量表，采用集成前饋結(jié)合預(yù)測控制技術(shù)的算法；以被控變量氬餾分氬含量、氬餾分溫度作為監(jiān)測氮塞的第一道防線，以粗氬塔Ⅱ頂部氬含量作為其第二道防線；并將氣氧取出量、上塔純液氮回流量和粗氬氣提取量作為調(diào)節(jié)氮塞的手段，實現(xiàn)了對空分制氬系統(tǒng)氧、氬、氮含量的實時在線監(jiān)測與控制，取得了滿意的控制效果，因此應(yīng)用前景非常廣闊。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：⑴、能夠適應(yīng)空分制氬系統(tǒng)操作的動態(tài)特性、強烈的非線性和回路之間的耦合性，實現(xiàn)了對空分裝置氮塞的有效預(yù)防和控制；⑵、能夠克服分子篩純化系統(tǒng)切換升壓對氬系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)了分子篩充壓時對氬精餾過程的平穩(wěn)控制；⑶、模型要求低、在線計算方便、控制綜合效果好。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述空分裝置制取氬的工藝流程圖。

圖中的標號是：1：產(chǎn)品氧氣流量；F2：純液氮回上塔流量；F3：粗氬氣提取量；D1：氬餾分氬含量；D2：粗氬塔Ⅱ頂部氬含量；T：氬餾分溫度。

圖2是本發(fā)明所述制氬系統(tǒng)的氮塞防控方法原理框圖。

圖中的標號是：F1：產(chǎn)品氧氣流量；F2：純液氮回上塔流量；F3：粗氬氣提取量；D1：氬餾分氬含量；D2：粗氬塔Ⅱ頂部氬含量；T：氬餾分溫度；G：空分制氬系統(tǒng)；REPRESS：分子篩純化器切換升壓；MPC：設(shè)計了前饋控制功能的預(yù)測控制算法。

圖3是本發(fā)明制氬系統(tǒng)重要組分氬餾分氬含量

圖4是本發(fā)明粗氬塔Ⅱ頂部氬含量控制效果圖。

圖5是本發(fā)明前饋結(jié)合預(yù)測控制算法流程圖

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過實施例對本發(fā)明作進一步說明：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，優(yōu)化計算出各操作變量設(shè)定值的未來變化量。

本發(fā)明所述步驟一中，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前是否充壓，并采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作。

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。

本發(fā)明所述的預(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；

⑵控制器通過OPC數(shù)據(jù)接口從DCS中讀取各被控變量的當前值和均壓閥閥位的當前值，計算出被控變量的預(yù)測誤差及均壓閥閥位的變化量；

⑶根據(jù)預(yù)測誤差校正各被控變量的預(yù)測輸出值；

⑷被控變量預(yù)測值進行移位操作，將作為下一時刻的預(yù)測初值；

⑸計算各操作變量的控制增量，并將分子篩充壓所產(chǎn)生的前饋輸出分配后疊加到氣氧流量控制增量和純液氮回流控制增量上，形成最終的控制作用；

⑹利用移除前饋輸出后的控制輸出來計算各被控變量的預(yù)測輸出；

實施例：本發(fā)明以圖1所示的內(nèi)壓縮流程空分裝置為例，在標準工況下，該空分裝置的氧氣產(chǎn)量為20000Nm³/h，其控制方法的具體實施步驟為：

⑴、根據(jù)空分制氬工藝流程和控制要求，選取氬餾分氬含量、氬餾分溫度和粗氬塔Ⅱ頂部氬含量作為被控變量，氣氧取出量、純液氮回流量和粗氬氣提取量作為操作變量，分子篩切換升壓過程作為事件變量引入到控制器的擾動變量中；

⑵、通過對各操作變量階躍測試獲得所需辨識數(shù)據(jù)，利用辨識軟件FRONT-ID辨識出氣氧取出量、純液氮回流量分別與氬餾分氬含量、氬餾分溫度之間的一階傳遞函數(shù)，以及粗氬氣流量與粗氬塔Ⅱ頂部氬含量間的一階傳遞函數(shù)，其擾動傳遞函數(shù)模型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)模型轉(zhuǎn)化非參數(shù)預(yù)測模型—階躍響應(yīng)序列；

⑶、在DCS系統(tǒng)的局域網(wǎng)上增加一臺上位機用來創(chuàng)建防控氮塞的預(yù)測控制器MPC(圖2)，其控制算法是設(shè)計了前饋控制功能的預(yù)測控制算法，其中，預(yù)測時域為P＝30，控制周期T＝60s；

⑷、氣氧取出量、純液氮回流量和粗氬氣提取量各PID控制回路改為串級模式，其設(shè)定值由上層模型預(yù)測控制器MPC(圖2)給定，而氬餾分氬含量、氬餾分溫度和粗氬塔Ⅱ頂部氬含量的控制要求由工藝人員所確定；

⑸、投運制氬系統(tǒng)防氮塞模型預(yù)測控制器，則將控制器狀態(tài)參數(shù)設(shè)為ON，停止投運預(yù)測控制器，則將狀態(tài)參數(shù)設(shè)為OFF，且各控制回路切出預(yù)測控制器，返回到常規(guī)控制狀態(tài)；

⑹、制氬系統(tǒng)防氮塞模型預(yù)測控制器根據(jù)當前時刻各操作變量氣氧取出量、純液氮回流量和粗氬氣提取量的測量值，計算各操作變量的變化量；根據(jù)各被控變量氬餾分的氬含量、氬餾分溫度和粗氬塔Ⅱ頂部氬含量的當前測量值來校正被控變量的預(yù)測值；由預(yù)測控制算法依據(jù)控制性能指標，優(yōu)化計算出各操作變量的最優(yōu)控制增量；同時，如果分子篩目前正在充壓，則根據(jù)其當前均壓閥的閥位與前一時刻閥位的差值，通過擾動模型計算前饋量，并將其分配計算后分別與原先計算的氣氧取出控制增量、純液氮回流控制增量疊加，作為此二者控制回路新的設(shè)定值。

圖3-4顯示了本控制方法在所述內(nèi)壓縮流程專利空分裝置上的在線實時運行結(jié)果。分界線前為手動控制制氬系統(tǒng)兩道防線的重要組分的波動曲線，分界線后為本控制方法運行后組分的波動曲線。在圖3中，采用手動控制時，氬餾分氬含量的波動范圍為7.5％～11.1％；預(yù)測控制器投運后，實際氬餾分氬含量的波動范圍減小到8％～10％，且主要在9％上下波動。在圖4中，控制器投運前，粗氬塔Ⅱ頂部氬含量的波動范圍為98.4％～99.4％；本控制方法運行后，其波動范圍縮小到98.9％～99.1％。從以上可以看出，本控制方法運行后，明顯縮小了兩重要組分的變化范圍，使之在精餾過程中不超出工藝所要求的限定，有效的防控了制氬系統(tǒng)的氮塞。

本發(fā)明空分裝置制氬系統(tǒng)氮塞的控制原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，它是通過選取氬餾分的氬含量、氬餾分溫度和粗氬塔Ⅱ頂部氬含量各重要指標的測量值作為被控變量(CVs)，其中，氬餾分的氬含量、氬餾分溫度作為監(jiān)測制氬系統(tǒng)是否發(fā)生氮塞的第一道防線，粗氬塔Ⅱ頂部氬含量作為其第二道防線；選取氣氧取出量、上塔純液氮回流量和粗氬氣提取量作為操作變量(MVs)；由預(yù)測控制器通過滾動優(yōu)化，計算出當前各操作變量的最優(yōu)控制增量，其中，氣氧取出控制增量、上塔純液氮回流控制增量用以調(diào)節(jié)主塔的氬餾分氬含量和氬餾分溫度，粗氬氣提取控制增量用來調(diào)節(jié)粗氬塔Ⅱ頂部氬含量。此外，預(yù)測控制器還增加了前饋控制功能，將影響氬餾分氬含量和氬餾分溫度的分子篩純化器切換升壓過程作為事件變量引入到控制器的擾動變量(DVs)中，為氣氧取出量和純液氮回流量兩個操作變量提供前饋信息。

空分裝置制氬系統(tǒng)防氮塞的兩道重要防線

空分裝置生產(chǎn)過程中制氬系統(tǒng)發(fā)生氮塞的原因主要是由兩個方面引起的，一方面是由于主塔氬餾分控制失常，另一方面是由于粗氬塔冷凝器熱負荷過大。基于此，本發(fā)明設(shè)計了監(jiān)測氮塞的兩道重要防線：

⑴、第一道防線包括：氬餾分氬含量、氬餾分溫度。它主要是用來監(jiān)測從主塔抽取的氬餾分中氧、氬、氮含量的變化，在一般情況下，氬餾分氬含量可以準確的反映出氬餾分中各組分是否合格；但在實際操作中，有時會發(fā)生在氧含量不低的情況下卻發(fā)生了不同程度的氮塞，因此，本發(fā)明增加了氬餾分溫度作為監(jiān)測指標，它主要是用來檢驗氬餾分中的氮含量是否超標，當氬餾分中的氮含量升高時，氬餾分溫度就會下降，如果長時間運行，就有可能發(fā)生氮塞。此時，通過改變氣氧取出量和上塔純液氮回流量來調(diào)整氬餾分各組分的含量。

⑵、第二道防線是粗氬塔Ⅱ頂部氬含量。它是監(jiān)測制氬系統(tǒng)是否發(fā)生氮塞的最后一道防線，當氬餾分的氬含量高于10％且粗氬塔Ⅱ頂部氬含量低于98.6％的偏差逐漸加大時，通常說明空分制氬系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了一定程度的氮塞。此時，可以增加粗氬氣去精氬塔的流量，以消除氮塞。

本發(fā)明所述的預(yù)測控制算法是增加了前饋控制功能的預(yù)測控制算法，分子篩純化系統(tǒng)切換升壓時，均壓閥自動打開，使正在進行吸附工作的吸附器中的一部分空氣進入再生吸附器中，進入精餾塔的空氣量減少，造成上塔操作壓力下降，氬餾分中氬、氮含量升高；吸附器卸壓階段，來自上塔的再生污氮氣不會進入吸附器而經(jīng)放空閥放空，如果放空閥沒有及時打開，就可能使上塔憋壓而引起操作壓力升高，精餾效果降低，氬餾分中的氬含量減少，氮含量增加，此過程將會延緩甚至破壞粗氬塔精餾工況的建立。因此，為了降低分子篩純化系統(tǒng)周期性切換對制氬系統(tǒng)精餾工況的影響，將分子篩純化器升壓過程作為一個事件變量引入到控制器的可測擾動變量中，控制器通過讀取均壓閥的閥位值來判斷分子篩當前是否充壓，從而為氣氧取出量、純液氮回流量兩個操作變量提供前饋信息。

該前饋有助于在分子篩切換升壓時，及時提前調(diào)整氣氧流量和純液氮回流量，使得氬餾分氬含量和氬餾分溫度能夠控制在所要求的范圍內(nèi)，提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)。

此前饋控制方法與預(yù)測控制算法的結(jié)合機理為：修改預(yù)測控制算法的控制作用輸出部分，將可測擾動變量分子篩充壓引起的控制作用氣氧流量、純液氮回流量和預(yù)測控制算法本身所計算出的控制作用疊加，形成最終的控制作用；對預(yù)測控制算法的預(yù)測部分，僅預(yù)測在上一次由預(yù)測控制算法本身計算出的控制作用下被控變量氬餾分氬含量和氬餾分溫度的變化，即在上次計算產(chǎn)生的最終控制作用中減去由分子篩充壓所引起的控制作用，將其作為預(yù)測控制算法計算預(yù)測輸出時的控制作用增量。

其具體控制方法流程如下：

設(shè)制氬系統(tǒng)被控對象相對于所對應(yīng)的操作變量的階躍響應(yīng)采樣數(shù)據(jù)為s_ij(1),s_ij(2)…s_ij(N)(i＝1…3j＝1…3)，N為模型長度。

動態(tài)矩陣為D＝(A^TQA+R)^-1A^TQ D^*＝L(A^TQA+R)^-1A^TQ誤差校正矩陣為移位矩陣為f是前饋轉(zhuǎn)換系數(shù)，y_r是控制要求。

⑴初始化被控變量氬餾分的氬含量、氬餾分溫度和粗氬塔Ⅱ頂部氬含量的預(yù)測輸出向量X＝[x_1,0(1) … x_1,0(N) x_2,0(1) … x_2,0(N) x_3,0(1) … x_3,0(N)]^T；

⑵控制器通過OPC數(shù)據(jù)接口從DCS中讀取各被控變量的當前值y(k)＝[y₁(k)…y₃(k)]^T和分子篩充壓時均壓閥的當前閥位值d(k)，計算出被控變量的預(yù)測誤差e＝y(tǒng)(k)-[x_1,0(1) x_2,0(1) x_3,0(1)]^T及均壓閥閥位的變化量Δd(k)＝d(k)-d(k-1)；

⑶根據(jù)預(yù)測誤差校正各被控變量的預(yù)測輸出值X＝X+H*e；

⑷被控變量預(yù)測值進行移位操作X＝S₀X，將作為下一時刻的預(yù)測初值；

⑸計算各操作變量的最優(yōu)控制增量以及當前時刻的最優(yōu)控制增量ΔU_M(k)＝D(y_r-X)，Δu(k)＝D*(y_r-X)并將分子篩充壓所產(chǎn)生的前饋輸出分配疊加到氣氧流量控制增量和純液氮回流控制增量上，形成最終的控制作用u(k)＝u(k-1)+Δu(k)+f*Δd；

⑹利用移除前饋輸出后的控制輸出來計算各被控變量的預(yù)測輸出X＝X+A_DM*ΔU_M(k)，重復(fù)步驟⑵—⑹，見圖5所示。