[发明专利]空分装置制氩系统氮塞的防控方法

说明书

技术领域

本发明属于空气分离控制工程技术领域，具体涉及空分生产过程中制氩系统氮塞的防控方法。

背景技术

氩是空气中含量最多的稀有气体，图1给出了一种空分制取氩的流程，原料空气经过在主塔低压塔的精馏，将在塔顶获得产品氮气，塔底得到产品氧，并在提馏段形成一个氩富集区；氩的提取就是通过从低压塔中下部抽取一定量的气相氩馏分，并进入粗氩塔进行精馏。由于粗氩塔塔板数较多，塔高不利于安装和保持垂直度，因而把粗氩塔分成粗氩塔I和粗氩塔II两段。粗氩塔II顶部是粗氩冷凝器，冷源是来自于经液空过冷器的液空；在塔内，上升的粗氩气大部分被粗氩冷凝器冷凝下来作为回流液；在塔底，被冷凝的液体通过循环液氩泵增压后被送入粗氩塔I顶部，作为粗氩塔I的回流液。粗氩塔I底部的液体靠位差和自重回到低压塔相应的部位。在粗氩冷凝器中，未被冷凝的粗氩气被引入到粗氩液化器中进行液化，然后将得到的粗液氩再送入精氩塔中进行氩、氮分离。

在上述制氩工艺流程中，为了防控氮塞，获得高纯度的氩产品，保证主塔精馏工况的稳定是其解决问题的最根本途径。这是因为氩馏分稳定是控制粗氩塔精馏工况的关键，而提取合格的氩馏分必须确保主塔各组分的分布梯度和塔内操作压力满足一定要求即主塔工况要稳定，如果主塔低压塔工况不平稳，从中抽取的氩馏分含氮过多，大量的氮进入粗氩塔内不能被粗氩冷凝器所冷凝，而积聚在冷凝器的粗氩侧，致使粗氩中的氮含量急剧增加，从而导致粗氩冷凝器温差减小，甚至为0。这样，粗氩气的冷凝量减少，氩馏分的抽出量亦减少，气体上升速度减慢，最终造成塔板漏液，粗氩塔精馏工况被破坏，出现“氮塞”问题。

目前，关于制氩系统氮塞防控方法均是操作人员依据经验手动控制的，但是人工操作存在工况难以稳定、组分波动较大等问题，这主要是由空分制氩生产过程复杂的动态特性、强烈的非线性和回路之间的耦合性等工艺特征引起的，因此，防控氩系统氮塞的常规手动控制方法是不能及时、准确的监测、预防和处理空分装置的氮塞。

发明内容

本发明的目的是提供一种空分装置制氩系统氮塞的防控方法。它能够很好的适应空分制氩操作的动态特性、强烈的非线性和回路之间的耦合性等工艺特点，实现空分装置氮塞的在线实时监测与控制。

本发明要解决的是目前空分行业缺乏一套有效的自动防控氮塞的控制方法的问题。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种空分装置制氩系统氮塞的防控方法，它由如下步骤组成：

步骤一、根据空分制氩工艺流程和控制要求，选取氧气纯度、氩馏分氩含量、氩馏分温度和粗氩塔II顶部氩含量作为被控变量；选取气氧取出量、纯液氮回流量和粗氩气提取量作为操作变量；扰动变量为空分负荷量-空气流量；

步骤二、通过装置阶跃序列测试和模型参数辨识，获得各被控变量与相应操作变量间的传递函数模型，其扰动传递函数模型是通过辨识空气流量分别与产品氧气纯度、氩馏分氩含量和氩馏分温度之间的测试数据所获得的；然后将各传递函数模型转化非参数预测模型-阶跃响应模型；

步骤三、从计算机集散控制系统(DCS)中读取k-1时刻各个操作变量的当前值，并得出k-1时刻各操作变量的变化量；

步骤四、通过预测控制算法预测在k-1时刻各操作变量变化量作用下，相应被控变量的未来变化；

步骤五、检测当前各被控变量的测量值，并和原预测值进行比较，对各被控变量的未来预测值进行校正；

步骤六、根据预测控制算法的控制性能指标，优化计算出各操作变量设定值的未来变化量。

上述步骤一中被控变量氩馏分的温度反映其氮组分的变化比氩馏分氩含量纯度指标更及时、直接。

上述步骤一中，氩馏分的氩含量和氩馏分温度作为监测氮塞的第一道防线，粗氩塔II顶部氩含量作为其第二道防线，此两道防线用来直观、准确的反应监测制氩系统是否发生氮塞。

上述步骤一中，被控变量产品氧气纯度用来反映主塔低压塔内各组分的纯度和分布梯度，从而判断主塔的精馏工况是否正常，从根本上防止制氩系统氮塞的发生。

上述步骤一中，空气流量作为控制器的扰动变量，当空分装置进行负荷调整时，空气流量为控制器提供前馈信息，从而控制器采取相应的调节动作来保证变负荷过程中主塔以及制氩系统精馏工况正常。

所述的预测控制算法是增加了前馈控制功能的预测控制算法，其可测扰动变量-空气流量为各个操作变量提供前馈信息，此前馈控制方法计算出的控制作用分配后与预测控制算法计算出的控制作用叠加，形成最终的控制作用，具体步骤如下：