1、空分設備自動變負荷控制技術綜述陳秋霞, 周芬芳(杭州杭氧股份有限公司設計院, 浙江省杭州市中山北路592號 310014摘要:綜述國內外大型空分設備的自動變負荷控制技術的發展狀況, 分析自動變負荷控制技術的難點, 著重對空分設備先進控制系統結構和操作流程、模型預測控制基本原理及其在空分領域的研究成果等進行了較全面的闡述, 最后對空分設備自動變負荷技術的發展進行了展望。關鍵詞:空分設備; 自動變負荷; 模型預測控制; 控制系統中圖分類號:TB663 文獻標識碼:BGeneral description of automatic variable -load control technique f

2、orair separation plant Chen Qiuxia, Zhou Fenfang(Designing Institute, H angz hou H angy ang Co. , Ltd. , 592#North Zhongshan Road , Hangzhou 310014, Zhej iang, P. R. ChinaAbstract:The development situation of home and abroad automatic variable -load control technique for large -sized air separation

3、plant is briefed, the difficult problems of automatic variable load control technique are analyzed, the structure and operation process of advanced control system for air separation plant, the fundamental principle, model prediction control and its research achievements in air separation field are o

4、verall described, and finally the development of automatic load variation technique for air separation plant is prospected. Keywords:Air separation plant; Automatic load v ariation; M odel prediction control; Control system前 言空分設備是冶金、化工、石油、醫療和航空航天領域廣泛采用的大型設備。我國每年用于空分設備的能源消耗很大, 約占空分產品成本的70%80%, 但能源利用

5、率相對較低。由于工業氣體需求呈現階段性、間歇式的特點, 空分設備生產負荷也隨之大幅度變動, 手動調節速度慢, 氧氣放散量高, 經濟損失大。據統計, 我國鋼鐵企業的氧氣放散率一般在7%12%, 有的甚至超過20%, 放散率每降低1%可節約成本約200萬元/年。空分行業中, 在不同負荷要求之間切換的變負荷技術統稱為自動變負荷控制(Automatic Load Change,收稿日期:2011-06-06; 修回日期:2011-10-16ALC 技術, 是當前國際大型空分設備先進自動化的標志性技術, 對于空分設備的節能降耗具有很好的推進作用, 市場需求較大。在節能減排、低碳環保日益得到重視的今天,

6、如何設計高效、節能的自動變負荷先進控制系統, 已成為當今空分行業的一個迫切需求。現對近幾年國內外大型空分設備的自動變負荷控制系統的發展狀況進行綜述, 并闡述空分設備自動變負荷技術的難點和先進控制系統結構, 分析模型預測控制(Model Predictive Control, M PC 基本原理及其技術現狀, 最后對空分設備自動變負荷技術發展前景進行探討。作者簡介:陳秋霞, 女, 1982年生, 2011年1月獲浙江工業大學控制理論與控制工程專業博士學位, 現為杭州杭氧股份有限公司設計院儀控設計師。#1 空分設備自動變負荷技術的現狀隨著空分設備大型化和節能降耗的需求, 自動變負荷控制技術越來越受

7、到國內用戶的青睞。20世紀80年代中期, 本溪鋼鐵有限公司10000m /h 空分設備首次引進自動變負荷技術。但由于各種原因, 自動變負荷系統并未正式投用1。1994年, 武漢鋼鐵集團30000m 3/h 空分設備引進了德國林德公司的自動變負荷控制系統, 使氧氣放散率降低至10%以下2。萊蕪鋼鐵有限公司1997年投運的12000m 3/h 空分設備同樣引進林德公司產品, 基礎自動化控制系統具有一級的DCS 、PLC 系統控制和二級自動變負荷控制, 實現了70%100%的負荷變化, 調節時間小于1小時。此后, 渭河化肥廠40000m 3/h 空分設備4和兗礦國泰化工有限公司60000m 3/h

8、空分設備5相繼引進了法國液化空氣公司設計的自動變負荷控制系統, 可實現70%105%間的負荷變化。以上均是以法國液化空氣和德國林德等公司為代表的第一代ALC 系統, 采用物料平衡計算、開環前饋設定方案, 產品質量波動大、變負荷操作不連續性、穩定性差6。而第二代以英國比歐西公司為代表的ALC 系統采用閉環反饋控制方案, 雖然在操作平穩性方面有很大進步, 但無法主動維持物料平衡, 操作經濟性不佳。近年來, 德國林德、法國液化空氣、英國比歐西、美國普萊克斯等國外空分公司先后采用了流程模擬、操作優化和模型預測控制技術來實施空分設備自動變負荷生產, 進一步降低了生產能耗且改善了變負荷過程的平穩性, 但仍

9、然存在一些技術問題, 如:沒有考慮流程模擬與實際生產裝置的誤差, 以及變負荷過程中的動態協調等。現有的采用預測控制策略的空分設備先進控制系統大多通過過程的輸入與輸出變量建立線性動態模型, 并利用經典的線性預測控制策略實現自動變負荷調節, 常用的有動態矩陣控制方法。為了進一步降低能耗、提升利潤, 國外的一些空分公司已經開始嘗試采用非線性預測控制(Nonlinear Model Predictive Control, NMPC 策略8733氧與浙江大學聯合研發并投運于南京鋼鐵聯合有限公司的20000m 3/h 內壓縮流程空分設備, 2008年底在保證產品質量的前提下實現了氧氣產量在15000220

10、00m 3/h 范圍內變化, 變負荷速率達到氧產量變化30%耗時小于2小時。杭氧自主研發的自動變負荷先進控制系統填補了我國空分行業自動變負荷技術的空白, 打破了國外空分公司在自動變負荷控制技術方面的壟斷, 有利于企業形成自主知識產權的創新產品, 并提高綜合自動化產品的設計能力, 增強國際競爭力。92 自動變負荷控制技術自動變負荷是一個典型的多變量、系統強耦合、時變、強非線性、大滯后的控制命題, 其目標是根據氧氣產量的需求變化, 在產品(氧、氮、氬 純度合格的條件下, 調節與負荷變化有關的多個調節回路的設定值, 在最短時間內實現生產負荷調節, 以減少無功生產、降低氧氣放散率。211 空分設備的變

11、負荷范圍空分設備的變負荷能力主要受空壓機、循環增壓機、精餾塔等設備負荷調節能力的約束及產品需求的限制。空壓機與增壓機的負荷調節范圍一般在70%105%, 但壓縮機在低負荷運行時為了避免進入喘振區通常打開放空閥或回流閥, 使得能耗提高。精餾塔采用篩板塔時的最佳負荷調節范圍為70%110%, 負荷過低則氣體流速過低, 從而使篩板漏液; 精餾塔采用填料塔時持液量少, 操作彈性較大, 負荷調節范圍可達40%110%1。考慮到膨脹機、閥門等調節范圍要求, 且為了保證穩定運行, 空分設備整體變負荷范圍通常選取在75%105%。212 自動變負荷難點對大型空分設備進行自動變負荷操作通常會遇到以下困難:(1

12、熱集成和物料再循環技術在空分設備中多次使用, 造成了能量與物料的高度耦合, 僅靠空分設備的各單元設備獨立調節無法達到變負荷要求, 常規PID 控制難以勝任。(2 空分設備大范圍變負荷引起動態過程的強非線性變化。213 模型預測控制技術針對空分設備自動變負荷控制過程中遇到的強耦合、非線性、多變量等技術難點, 各大空分公司9。然而, 由于滾動優化過程中需要在線求解復雜的非線性規劃問題, 造成計算量過大, 從而限制了非線性預測控制的有效應用。國產空分設備在自動調節負荷控制方面也展開了初步探索。國產首套自動變負荷空分設備是由杭均已設計了以模型預測控制為核心的自動變負荷先進控制系統10-12。雖然各個空

13、分公司在其設備上應用預測控制的范圍、目標和復雜度各不相同, 但足以說明模型預測控制是目前大型空分設備首選的先進控制策略。預測控制器可直接處理系統的各種動態特性, 提前預測各種因素對系統的影響并加以控制, 具有強大的約束處理能力, 并兼具模型要求低、魯棒性強、設計簡單等優點。一般而言, 預測控制13主要由三部分組成:預測模型、滾動優化和反饋校正。它綜合利用歷史信息和模型信息, 對目標函數不斷進行滾動優化, 并根據實際測得的對象輸出來修正或補償預測模型。在空分設備自動變負荷預測控制技術方面已取得了不少理論研究成果。Vinson 14對空分系統的控制技術進行了詳細的綜述, 并指出模型預測控制是工程上

14、最適用于自動變負荷的方法。Roffeld 等人15在正常工況下對操作點附近進行線性化得到預測模型, 通過選取較大的輸入權系數可使得多變量預測控制器滿足全工況的控制需求。Vinson 通過參考執行能力指數(the Operability Index , OI 來輔助設計空分設備的線性預測控制器。OI 值與每次滾動優化中控制量和被控量的起作用集相關, 從而為動態過程的實時控制提供了有效信息。線性預測控制方法已在實際過程控制中得到成功應用, 但直接應用到非線性系統中會產生一定偏差, 降低控制精度。利用線性預測控制策略進行空分設備大范圍自動變負荷調節時偏差較為明顯, 因此大家把目光轉移到了非線性預測控

15、制中, 期望其獲得較好的控制品質。NMPC 的基本原理與線性MPC 相同, 但預測模型和目標函數是非線性的, 本質是一個動態的有限時域非凸的非線性最優控制問題。預測過程中的最優化解問題是預測控制算法的核心問題。NM PC 通常需要求解一個非凸的非線性規劃問題, 在線計算量隨著決策變量個數呈指數增長, 屬于NP -hard 問題, 精確計算全局最優解的時間長。非線性預測控制在空分設備變負荷方面的研究剛剛起步。Bian 等人建立了空分設備上塔的降階分段集結動態模型, 用于精餾塔的非線性模型預測控制19。針對在線求解非線性規劃問題計算負荷大的問題, Rui 提出一種基于敏感度的改進單步非線性預測控制

16、算法, 極大地縮短了在線計算時間20。#1816, 17214 自動變負荷控制系統的結構與功能21411 傳統的自動變負荷控制系統現以1994年投產的武漢鋼鐵集團30000m 3/h 空分設備為例, 給出傳統定點模式的自動變負荷控制系統的大體結構。(1 操作點計算模型, 用于判斷輸入的產品產量是否超出允許范圍;(2 狀態模型, 根據物料平衡、冷量平衡和產量值等計算出工藝過程中主要環節的模型狀態值;(3 設置點計算模型, 為每個優化控制器計算出設置點值, 且每個設置點有相應的線性化模型和變化率;(4 傳送控制模塊, 將控制設置點傳送到優化控制器;(5 動態優化控制器, 由濾波器、調節器組成, 使

17、上位機的控制達到工藝要求的最佳狀態。上述自動變負荷控制的運行流程主要有:首先輸入氧氣、液氧及液氮產量的目標值, 由系統判斷輸入數據是否在負荷范圍內, 若有誤則提示重新輸入; 通過狀態模型計算出所需空氣量及自動變負荷控制點的目標值; 系統自動讀取當前負荷下各控制點的測量值及變負荷時間; 啟動自動變負荷后, 將目標值作為控制點設定值, 從當前測量值開始根據斜坡方程計算出按設定速率變化的控制點模型值, 并將其傳送到DCS 系統中, 由PID 回路調整工況, 促使測量值不斷逼近模型值, 直至所有控制點參數的目標值、模型值、測量值一致時, 結束自動變負荷操作。常規PID 控制回路采用獨立工作模式, 屬于

18、單輸入、單輸出系統, 以物料平衡和冷量平衡為前提, 通過工藝計算出各工況下的理論值。但在實際應用中, 由于參數不確定性導致該理論值計算偏差較大, 不斷修改系數會導致工況的不穩定。而先進控制以整個裝置或關鍵單元為對象, 是一個多輸入、多輸出系統, 通過建立各變量的模型關系, 對裝置實施協調統一控制, 彌補常規控制難以對付大型復雜工業過程的缺點。21412 先進控制策略的自動變負荷控制系統基于先進控制策略的自動變負荷控制系統以DCS 系統為基礎, 以OPC (OLE for Process Control, 用于過程控制的OLE 為橋梁與上位機相連, 先進控制軟件通常被加載于上位機平臺, 只需輸入

19、目標值, 氧產量將按一定速率變化, 關鍵變量、模型計算值、回路設定值和調節閥輸出值都處于自動調節狀態, 整個調節過程中任一回路都作為整體的一部分考慮, 該調整方式彌補了傳統DCS 系統單回路調整的缺陷, 且考慮了純滯后等干擾因素的影響。以2009年杭氧在南京鋼鐵聯合有限公司投產的20000m 3/h 空分設備為例, 將基于模型預測控制策略的自動變負荷先進控制系統的主要核心控制模塊列舉如下:(1 模型預測模塊, 根據階躍響應矩陣和穩態增益矩陣計算出穩態優化初值和動態控制初值;(2 穩態優化模塊, 通過自由度分析、工作點優化確定空分過程中的最佳工作點;(3 動態控制模塊, 按照穩態優化給出的內部控

20、制要求和動態控制的性能要求計算出未來控制作用, 使變負荷過程趨向穩態優化計算出的最優工作點。上述自動變負荷先進控制系統的主要運行流程有:當系統出現階躍變負荷事件時, 首先將變負荷要求送入穩態優化模塊進行評估和計算, 給出合理的產量設定值并送入動態控制模塊。動態預測控制器根據變負荷的速率和幅度約束對產量階躍信號進行濾波, 產生目標產量設定曲線并反饋給穩態優化模塊, 并下達指令給裝置; 穩態優化模塊再根據反饋信息產生最優的控制變量設定值, 直接送入底層控制器作為前饋。同時, 預測控制器在不違背設備約束與產品質量的前提下, 逐步將裝置推向最優穩態工作點。該先進控制系統集流程模擬、操作優化和預測控制技

21、術為一體, 解決了常規PID 控制難以處理具有非線性、強耦合、多變量、大時滯的空分設備的自動變負荷控制問題。其中, 預測控制技術可較好地對空分設備進行解耦協調控制, 減少前饋變量數, 提高系統的魯棒性, 有利于實現變負荷過程中整套空分設備的優化要求。操作優化除了通過自由度分析和工作點優化以確定空分過程局部最優穩態操作點外, 還利用剩余自由度平衡能耗與產量關系, 從而獲得更大的經濟效益。整個自動變負荷過程兼顧優化與控制, 且按照一定速率進行調節, 可保證空分設備平穩運行和產品質量。技術結構, 這一領域仍存在許多問題需要進一步研究, 很多成果有待繼續完善。(1 近年來, 空分設備自動變負荷技術多采

22、用線性預測控制, 這一領域的非線性預測控制成果較少, 主要是受到非線性滾動優化問題在線求解困難的限制。因此, 提出快速、有效的非線性預測控制方法是今后需要長期努力的方向。(2 空分設備自動變負荷控制效果很大程度受模型精確度的影響, 現多采用線性逼近, 大范圍變負荷過程偏差明顯, 可以嘗試采用非線性建模方法, 如神經網絡建模、支持向量機建模等。(3 自動變負荷過程中難免會出現一些故障, 可建立故障動態模型庫, 研究模型預測容錯控制技術, 以提高變負荷先進控制系統的可靠性。4 結 論近年來, 國內外空分設備自動變負荷控制技術都得到了長足的進步, 模型預測控制能有效解決大范圍變負荷過程中出現的非線性

23、、強耦合等問題, 已作為空分領域首選的先進控制策略得到成功應用。為了降低在線計算量, 減小模型偏差, 研究精確的非線性建模方法和快速非線性預測控制策略是今后主攻的方向。對變負荷過程實施監控和故障診斷, 建立故障動態模型庫, 研究容錯控制技術也是需要長期努力的方向。參考文獻:1肖家立. 鋼鐵企業氧氣放散與空分設備的負荷調節J.深冷技術, 2002(6 :3-7.2靳瑞安. 自動變負荷操作方法實現空分設備生產節能J.深冷技術, 2002(2 :20-27.3利銘, 史保鋒. 自動變負荷技術在空分裝置中的應用J.工業儀表與自動化裝置, 2001(5 :44-45. 4魯正樂. 空分裝置變負荷系統介紹

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25、lumns J .Industrial and Eng ineering Chemistr y Research,3 空分設備自動變負荷技術發展前景以上是空分設備自動變負荷控制的發展現狀和2005, 44(1 :153-167.9秦海中. 南鋼KDON -20000/30000型內壓縮流程空分設備變負荷操作實踐M M 邊瑾. 深冷技術:安裝運轉1杭州:杭州出版社, 2009:6-8. 10BOC.BOC extends global contr ol and infor mationtechnology solut ion to 50plants M . 2003.11GOODHART S G

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