[发明专利]一种空分装置制氩系统的氮塞防控方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种空分装置制氩系统的氮塞防控方法，属于空气分离控制工程技术领域。

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，为了获得高纯度的氩产品，监测、调节氩系统中的氮含量来防控氮塞是相当重要的。这是因为如果从低压塔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，常规设计的制氩系统氮塞防控方案是依靠几套单回路PID组成的，但是单回路PID控制算法存在以下的不足：

⑴、空分制氩生产过程具有复杂的动态特性、强烈的非线性和回路之间的耦合性等特征，传统的单变量PID控制算法是不能取得满意的控制效果的。

⑵、分子筛纯化器切换升压过程对制氩系统氧、氩、氮组分的影响，常规PID控制是不能够预测的，从而不能提前采取控制作用预防氩系统中的氮含量超标。

因此，常规制氩系统氮塞防控方案是不能及时、准确的监测、预防和处理空分装置的氮塞。

发明内容

为了克服已有空分制氩系统氮塞防控方案不能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不足，本发明提供一种能够实时在线监测和调节制氩系统中氧、氩、氮含量的变化，实现空分装置氮塞的在线实时监测与控制的空分装置制氩系统的氮塞防控方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成，一种空分装置制氩系统的氮塞防控方法，所述的氮塞防控方法由如下步骤组成：

步骤一、确定控制方案的被控变量为氩馏分氩含量、氩馏分温度和粗氩塔Ⅱ顶部氩含量，操作变量为气氧取出量、纯液氮回流量和粗氩气提取量，扰动变量为事件变量—分子筛纯化器切换升压过程；

步骤二、通过装置阶跃序列测试和模型参数辨识，获得气氧取出量、纯液氮回流量分别与氩馏分氩含量、氩馏分温度之间的传递函数，以及粗氩气流量与粗氩塔Ⅱ顶部氩含量间的传递函数，其扰动传递函数是通过辨识分子筛纯化器切换升压时均压阀的阀位分别与氩馏分氩含量、氩馏分温度之间的突变过程数据所获得的；然后将各传递函数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。

作为优选：所述步骤一中，用被控变量氩馏分的温度反映其氮组分的变化比纯度指标更及时、直观；所述步骤一中，分子筛切换升压过程是作为一个事件变量引入到控制器的扰动变量中，控制器通过读取均压阀的阀位值来判断分子筛当前是否充压，并采取相应的调节动作。

作为优选：所述步骤一中，被控变量组成了两道防线来监测制氩系统是否发生氮塞，所述第一道防线包括：氩馏分中的氩含量和氩馏分温度，所述第二道防线是粗氩塔Ⅱ顶部氩含量。

作为优选：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—分子筛充压过程为气氧取出量、纯液氮回流量两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：

⑴初始化各被控变量的预测输出向量；