35 000 Nm3/h空分装置先进控制技术的开发和应用

张 卫 赵 玲 高国强

(河北钢铁集团邯钢公司气体厂，河北 邯郸 056015)

0 引言

空分装置的大型化、自动化带来操作水平的差异化，减少人工干预、实现各单元综合自动平衡优化、进一步提高自动化水平、减少劳动强度已成为未来空分装置自动化控制的发展趋势。为此，在邯钢公司气体厂2009年初建成投产的2×35 000 Nm3/h空分装置的控制系统中，在传统集散控制系统(distributed control system，DCS)的基础上采用OPC数据接口，通过上位机实现先进控制(advanced process control，APC)。

APC先进控制系统是以建立流程数学模型为基础、以优化控制算法为手段对设备进行自动控制和参数优化。建模软件可依托已采集的流程数据，通过对存贮下来的大量运行数据进行分析，得出各个控制点和控制回路之间的关联，并结合工艺工程师的经验进行局部调整和修正，建立各主控制器，实现整个空分装置的平稳和高效控制。通过APC先进控制系统，可以充分发挥装置潜力，优化生产操作，从而提高自动化控制水平以及产品质量和产品提取率，实现节能。同时，系统还实现了上位APC同DCS控制的无扰切换，以及在APC先控系统上的空分自动变负荷。

1 空分工艺流程简介

邯钢公司气体厂2×35 000 Nm3/h空分装置于2009年年初建成投产，其主要设计指标为氧气产量35 000 Nm3/h、氮气产量 40 000 Nm3/h、氩气产量1 300 Nm3/h。空分装置主要由压缩机组、空冷系统、纯化系统、热交换系统、透平膨胀机、分馏系统、产品贮存系统和产品加压系统等组成。

空分系统(air separation unit，ASU)流程框图如图1所示。

图1 空分系统流程框图Fig.1 Process of the ASU system

原料空气先经空气过滤器，将其中的灰尘过滤掉，再通过空压机进行压缩，由于压缩后的空气温度较高，需经空气预冷系统进行冷却、洗涤;然后通过分子筛净化系统除去空气中的水分和二氧化碳;经膨胀机进行膨胀降温，通过板式换热器的冷、热量交换，直至空气液化。

利用氧、氮的沸点不同，在精馏塔内让温度较高的蒸汽与温度较低的液体不断相互接触，液体中的氮较多地蒸发，气体中的氧较多地冷凝，使上升蒸汽中的含氮量不断提高，下流液体中的含氧量不断增大，从而实现空气分离。精馏后的液体产品送至液体储槽贮存，气体产品经气体压缩机加压后并入气体管网。

2 空分装置对控制的要求

2.1 空分装置的控制特点

空分装置是一个综合系统，它是由多股物料组成的复杂平衡连续的生产过程。该装置具有以下几个控制特点。

①空分精馏过程具有过程响应迟缓的特点，操作中需要采用“小幅度、高频率”的调节模式，逐步使生产过程趋于平稳。

②氩馏分是连接主塔和氩塔的重要物流，主要取决于上塔精馏工况，而膨胀空气量、温度和氩塔液空回流量等都将影响上塔工况。在操作过程中，应将主塔系统与氩系统作为一个整体来考虑，实现多变量耦合、大时滞和有约束过程的平稳控制的基本功能。

③空分装置是一个多参数耦合的复杂过程，需要深入分析工艺流程中，各主要参数之间的稳态和动态关系，建立多变量预测控制策略，从而保证产品品质、降低消耗。

2.2 存在的主要问题

空分装置的生产运行有其固有的特性，它存在的主要问题如下。

①分子筛切换时空气流量波动大，难以有效控制，采用空压机预留放空量来平衡，造成能源浪费;

②空分上塔氩馏分纯度波动大，影响氩系统稳定和氩提取率;

③氧气用户的用量不稳定，引起氧气管网压力波动大，氧压机系统控制较差，易造成低压氧气放散和能源浪费;

④富氧液空纯度存在一定的波动，影响产品纯度的稳定性;

⑤粗氩中氧含量波动非常大，氩系统极为脆弱;

⑥精氩塔塔顶压力波动大;

⑦氧和氩的提取率不高。

3 先进控制系统设计方案

3.1 总体框架

邯钢35 000 Nm3/h空分装置采用了浙江中控先进过程控制APC软件平台支持下的高级多变量鲁棒预测控制软件和智能控制软件等，实现对空分装置的优化控制。

先进控制系统框架结构如图2所示。

图2 先进控制系统框架图Fig.2 Framework of the advanced control system

本系统以常规控制系统DCS系统为基础，以OPC数据接口为桥梁，通过以太网与上位机进行连接，实现双向通信。上位机硬件采用DELL服务器，以先进控制系列软件为工具，进行多变量预测控制模型的建立。

3.2 总体技术方案

本系统的总体技术方案分为以下几个步骤。

①对本套空分工艺流程进行分析研究，并结合相似流程实际操作经验，以增强空分装置运行的稳定性，减少氧气和氮气放散，提高氩提取率和降低空压机单位能耗为总体控制目标;

②根据本套空分装置的流程特点和运行现状，确定空压机、主分馏塔、氩系统、自动变负荷4个控制区域和控制目标;

③提取该装置6个月以来的运行数据和阶跃实验数据，通过先进控制工具软件进行分析，提取并筛选出各操作干扰变量，找出控制规律;

④通过建立先进控制建模软件，预测控制模型的控制器;

⑤通过编写脚本程序和运用软测量技术，对各控制器加以修正和完善;

⑥试运行并跟踪调试参数的变化，再不断地修正完善，最终实现控制目标。

4 APC控制的具体实现

4.1 空压机控制器

目前，空气进分馏塔流量回路采用PID控制，在空分装置运行的一般时段，空气进分馏塔流量是可以实现稳定控制的，但是在分子筛切换过程均压阶段，由于PID调节的局限性，空气进分馏塔流量具有较大波动，所以给后续单元的操作带来了很大的影响。通过调节空压机导叶开度，克服干扰及滞后因素。同时，考虑对放空阀的协调控制，在防止空压机导叶进入喘振区的前提下，尽量节约能耗。

4.2 主分馏塔控制器

主分馏塔是空分装置的主体，它主要包括下塔控制器和上塔控制器2个控制器。通过调节液氮进上塔量、液空进上塔量，克服外界干扰，实现产品氮纯度、富氧液空纯度的稳定。通过调节空气进分馏塔流量、气氮产量、气氧产量、膨胀空气旁通量和膨胀空气量，克服外界干扰影响，实现氩馏分以及产品氧纯度的稳定。

4.2.1 下塔控制器

下塔是上塔工况的基础，控制好液空、液氮纯度是整个精馏工况的关键。下塔富氧液空液位采用DCS系统PID常规控制，效果良好，富氧液空液位相对稳定。富氧液空纯度以及产品氮纯度存在一定程度的波动。因此，有必要采取有效的控制手段，实现下塔的稳定控制。下塔变量列表如表1所示。

表1 下塔变量列表Tab.1 Variables of lower tower

表1中，MV为操纵变量，CV为被控变量。通过对变量间相互影响的强弱进行分析和筛选，将富氧液空纯度AIA_1A、产品氮纯度AIA_103A作为被控变量，液氮进上塔量FIC1.SV以及污液氮进上塔量FIC2.SV作为操作变量，建立模型预测控制器，实现了下塔的稳定控制。

4.2.2 上塔控制器

上塔的稳定是氩系统稳定的基础，一旦上塔工况发生变化，将给氩系统带来较大的波动，同时也会对下塔产生很大的影响。目前，操作人员根据经验调节气氧产量、气氮产量和空气进分馏塔流量来控制氩馏分及氧纯度，这在一定程度上能确保氩馏分及氧纯度的稳定，但仍存在一定的波动。因此，有必要采取有效控制手段，进一步提高氩馏分及氧纯度的稳定性，从而实现上塔的平稳控制。上塔变量列表如表2所示。

表2 上塔变量列表Tab.2 Variables of upper tower

4.3 氩系统控制器

控制器的目标是维持氩系统稳定，提高氩的提取率。该控制器是以粗氩Ⅱ塔顶冷凝液空量FICA701、粗氩出粗氩Ⅱ塔粗氩流量FIC702为操纵变量，粗氩中氧含量AIA702为被控变量，建立模型预测控制器，实现了粗氩塔的稳定控制。同时，在粗氩中氧含量稳定的情况下，该控制器提高了粗氩的产量。

4.4 自动变负荷控制器

空分装置自动升降负荷是实现减少节能降耗的重要手段。因此，实现安全、快速的自动升降负荷是大型空分装置过程控制的必然要求。由于变负荷过程涉及到多个变量的相互关系，在常规DCS系统中，只有使用大量的内部计算和串级控制方式，才可能局部实现这种复杂控制。先进控制器对多变量控制有很好的解决方法，其通过对不同控制变量约束条件的限制，使多变量控制关系间更为有序和友好。

上位机对历史数据的变化趋势有很强的分析能力，各参数的取值在必要时可以釆用不断滚动、优化的方式进行调整，使调节器具有“记忆功能”，使一种状态到另一种状态的改变具有延续性，从而使工况的改变更为稳定，具体实现过程如下。

①整理出相关联的主要设计参数和运行参数，选定主要参数，建立多变量预测控制模型。

②基于输出期望设定值与预测值的偏差，按优化目标函数计算出当前及未来一定时域的控制量。

③操作人员根据变负荷要求在先进控制操作人机界面修改气氧产量目标值。

5 操作界面设计及控制冗错

5.1 操作界面设计

先进控制系统界面是操作人员访问先进控制系统的操作平台。操作人员必须通过先进控制系统操作界面，才能实现先控的切除与投用及画面参数修正。其主要实现了先进控制系统总开关、各单元控制器分开关、各控制变量回路的上下限及各子控制器开关的输入和显示，控制器运行状态监控及其他相关报警功能。

5.2 控制冗错设计

为保障系统安全，当先进控制服务器与DCS之间的通信中断、服务器死机等异常状况发生时，需要及时切除先进控制系统，并给出报警提示，便于操作人员进行处理。这些功能通过在DCS上建立通信监控程序来实现。

6 实施效果

6.1 氩馏分分析的稳定性

氩馏分是全精馏制氩流程中的主要控制参数之一，它的稳定性直接影响整个精馏过程的稳定。

作为空分运行极为重要的参数，先控系统投运前与投运后的氩馏分趋势如图3所示。

图3 氩馏分趋势曲线Fig.3 Trend curves of argon distillation

从图3可以看出，自先进控制系统投运后，各关键工艺指标的控制效果均得到了明显改善。

6.2 自动变负荷控制

在变负荷过程中，系统保持稳定，各关键工艺指标无明显波动。先控自动变负荷控制系统能够在保证空分装置工况稳定的情况下，成功实现氧产量在32 000～35 000 Nm3/h范围内的自动升降负荷控制，取得了良好的应用效果。

在氧产量FIC102从32 000～35 000 Nm3/h的变负荷控制过程中，先进控制系统还在一定程度上实现了物料平衡、冷量平衡，保证了氩馏分AIA_701的基本稳定，克服了干扰因素的影响，提高了变负荷控制过程中装置稳定运行的能力。在相同负荷的情况下，粗氩产量提高了77 Nm3/h。

其中1个35 000 Nm3/h空分装置变负荷过程中氩馏分分析值变化趋势如图5所示。

图4 氩馏分与氧产量变化趋势图Fig.4 Varying trend of argon distiuation and oxygen

7 结束语

综上所述，在先进控制与过程优化的思想指导下，在自动控制、化工工艺、计算机、网络通信等多种技术的支持下，开发设计了空分装置先进控制系统，并采用APC-Adcon高级多变量鲁棒预测控制软件等工具加以实现，有效地克服了干扰和滞后影响，大大提高了生产过程的自动化水平[8];统一了操作方法，降低了劳动强度，提高了空分装置各工艺指标的平稳性，保证了产品质量，降低了能耗。

在国外，业界对空分装置的优化计算、设计、控制等方面进行了较为系统性的研究和应用。目前，国产空分装置的优化预测控制还不够成熟，作为空分装置控制领域的技术创新，邯钢35 000 Nm3/h空分装置高级多变量预测控制的成功投运可以作为该领域的一个成功案例。

[1]张晓宇，苏宏业，禇健.可逆冷轧机的APC的一种积分型LQ采样控制器设计[J].自动化仪表，2003，24(1)：11 －14.

[2]李化治.制氧技术[M].北京：冶金工业出版社，2009.

[3]李华银，赵均，徐祖华.多变量预测控制在空分装置自动变负荷中的应用[J].化工自动化及仪表，2009(4)：64 －67.

[4]王树青，金晓明.先进控制技术应用实例[M].北京：化学工业出版社，2005.

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