摘 要：在空分装置变负荷过程中，应用多变量预测控制方式能实现自动变负荷，多变量预测控制方式是以模型预测控制技术为核心，能解决空分装置存在的强耦合问题，满足大变负荷范围造成的过程非线性控制，从而为空分装置自动变负荷操作的速度提供保障。文章从空分装置的变负荷难点出发，分析了自动变负荷控制系统的结构，介绍了空分装置自动变负荷控制方案，并提出了自动变负荷控制系统的应用效果。
关键词：多变量预测控制；空分装置；变负荷
前言
空分装置在生产过程中，外部管网气体需要满足间歇式、阶段性、周期性的特点，如果没有对空分装置的符合进行相应的调整，当氧气的需求量降低时，就会释放剩余的氧气，从而引起大量的能耗和经济损失。由于空分装置具有耦合作用严重、工艺流程复杂、人工变负荷操作困难、大范围变负荷产生非线性等特点，实现空分装置的自动变负荷成为行业的首要任务。在国外发达国家，先后采用流程模拟、优化操作、模型预测控制技术进行空分装置的自动变负荷操作，下面以2×104Nm3/h空分装置采用液氧内压缩及全精馏制氩流程生产氮气、氧气、液氮、液氧、液氩产品为例，分析多变量预测控制在该空分装置自动变负荷中的实践应用。
1. 空分装置的变负荷难点
空分装置中采用了大量的物料再循环技术和热集成技术，因此，空分装置具有典型的物料和能量高度耦合的特点，例如空分装置的上塔和下塔共用一个冷凝蒸发器，下塔的一部分液空会为粗氩塔冷凝器提供冷量，然后参与到空分上塔的精馏过程中，另一部分会直接当成上塔中部的回流液，这样带有正反馈的物料和能量会形成内部循环，从而对整个过程造成影响，这就导致在变负荷过程中，无法单独对装置的独立单元进行调节，增加了空分变负荷的操作难度，使得常规的PID控制无法满足空分装置变负荷控制需求。由于空分生产的本质是非线性的，空分装置在进行大范围变负荷时，部分过程的控制会从传统的线性控制转变为满足空分装置大范围操作的非线性控制，这也会增加空分装置变负荷的难点。
2. 自动变负荷控制系统的结构
对于空分装置的物料与能量高度耦合现象，可以采用工业模型预测控制算法，这种算法是一种基于被控对象阶跃响应的最优控制算法，具有很强的解耦能力。通过工业模型预测控制算法能对空分装置进行解耦控制，优化整个空分装置变负荷过程中，自动变负荷预测控制系统的结构如下图所示。
自动变负荷预测控制系统的结构
自动变负荷预测控制系统的结构主要包括模型预测、局部稳态优化、动态控制等三个部分，其中模型预测模块会根据稳态增益矩阵和阶跃响应矩阵将稳态优化初值、动态控制初值等计算出来；局部稳态优化模块能对工作点、自由度进行分析、优化，从而得出最佳空分控制过程的工作点；动态控制模块能根据动态控制和内部控制的要求，将未来控制作用计算出来，使得空分装置变负荷过程趋向于最优工作点。
3. 空分装置自动变负荷控制方案
空分装置自动变负荷控制系统是以变负荷技术为核心的控制系统，其控制方案的核心是参与变负荷过程计算变量的选择，也就是被控变量、操纵变量、扰动变量的选择。
3.1 被控变量
2×104Nm3/h空分装置主塔的上塔是规整填料塔，下塔是筛板塔，如果下塔的负荷比较低就会降低蒸汽流过筛孔的速度，容易发生漏液的现象，从而对下塔的精馏工况造成影响，进而对上塔的正常运行造成影响。因此，为保证空分装置的正常生产，需要将上塔阻力和下塔阻力当成被控制变量引入控制系统中。在变负荷操作过程中，无论负荷变小或是变大，都需要将产品组分的波动控制在一定范围内，而产品的纯度也必须保持在相应的范围内，因此，需要将产品氮气、氧气的纯度以及污氮气的纯度当成多变量预测控制系统的被控变量。由于产品液氮、氧气的流量是空分装置的负荷变量，因此，也需要将液氮流量、氧气流量当成控制系统的被控变量。
3.2 操纵变量
操纵变量的合理性直接关系到被控变量控制要求能否实现，根据被控变量的选择情况，操作变量选择为：将纯液氮流进上塔的流量、污液氮进上塔流量当成下塔调节手段，然后利用纯液氮流进上塔的流量控制纯液氮的纯度，采用污液氮流进上塔的流量对液空纯度进行控制。将氮气流量、氧气流量、液氮流量、液氧流量当成上塔的调节手段。
3.3 扰动变量
在空分装置变负荷生产过程中，分子筛纯化器再生床层会出现升压现象，从而对变负荷过程中造成干扰，其主要原因是分子筛纯化系统在切换升压过程中，会自动打开均压阀，这样正在进行吸附工作的吸附器会将一部分空气吸入再生吸附器中，这样进入精馏塔中的空气就会减少，从而降低上塔的操作压力，对氩馏分组成的稳定性造成影响，因此，要将分子筛纯化器升压过程中当成一个变量，引入多变量系统中。
4. 自动变负荷控制系统的应用效果
4.1 自动变负荷控制系统的实施
针对2×104Nm3/h空分装置设计出DCS系统，该系统是在PKS系统的局域网上，增加专用的变负荷工作站，然后安装模型辨识工具FRONT―ID、模型测试工具FRONT―TEST、在线控制器FRONT―APC、仿真组态工具FRONT―SIM等自动变负荷控制系统软件工具，实现自动变负荷控制。空分装置自动变负荷控制系统图如下所示：
空分装置自动变负荷控制系统图
在自动变负荷过程中，在线控制器FRONT―APC能定期将变负荷相关PID回路的MV设定值计算出来，同时将算出的MV设定值送到DCS系统中，然后通过DCS系统的PID控制回路对各个环节的CV进行调节。
4.2 自动变负荷控制系统的实施效果
自动变负荷控制系统实施投运后，在线控制器FRONT―APC对2×104Nm3/h空分装置进行5次自动变负荷操作，在操作过程中，产品的组成、纯度波动都不太大，在第一次自动变负荷操作中，产品氮气流量、产品氧气流量、原料空气流量等都有提高了很多，并且在负荷变化过中，自动变负荷控制系统能及时的将各个负荷变量的目标值计算出来，并自动进行调整。同时在变负荷过程中，氩馏分的氩含量开始有所下降，随着时间的推移，氩含量逐渐回升上去，当变负荷结束后，氩馏分的氩含量维持在规定范围内。产品氮气的纯度和氧气的纯度在变负荷开始时有所下降，然后逐步提升，在变负荷结束后，维持在规定的纯度范围内。由此可见，自动变负荷控制系统的应用完全符合相关规定，满足大变负荷范围造成的过程非线性控制，能为空分装置变负荷操纵的科学性提供保障。
5. 总结
针对空分装置变负荷困难问题，本文提出了一种多变量预测控制系统，从而实现空分装置的自动变负荷，并保证空分装置在变负荷过程中，能安全、平稳的运行。通过多变量预测控制系统能解决传统的PID控制回路不能解决的空分装置强耦合问题，保证空分装置能在不同负荷下，稳定、经济的运行。
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