摘 要：為實現(xiàn)大型空分制氧裝置的全過程自動控制，達到節(jié)能降耗的目的，津西鋼鐵集團制氧廠為煉鋼轉(zhuǎn)爐配套的15000m3／h空分制氧系統(tǒng)采用DCS實現(xiàn)了空氣純化系統(tǒng)控制、離心式壓縮機防喘振優(yōu)化控制、精餾控制等。現(xiàn)場實際應用表明不僅降低了操作工人的勞動強度，也改善了產(chǎn)品質(zhì)量及單位能耗指標。 關鍵詞：空分制氧裝置；精餾控制；空氣純化控制；防喘振優(yōu)化控制；分布式控制系統(tǒng)

Application of DCS in large-scale oxygen—making device

（Engineering Department，Beijing Consen Automation Control Co Ltd，Beijing 100012，China） Abstract：To achieve automatic control of full process in large-scale oxygen-making device，energy-savingand consumption decreasing，DCS was adopted in 1 5 000 m ／h oxygen-making system used forsteelmaking converter of Oxygen-Making Plant in Jinxi Iron and Steel Group．Control of air purificationsystem，anti-surge optimized control of centrifugal compressor and control of rectification were realized．Practical application in field shows that labour intensity of operators was reduced，and product qualityand energy consumption index per unit were improved． Key words：oxygen-making device；rectification control；air purification control；anti-surge optimizedcontrol；DCS 　　目前，冶金、機械、化工等各行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，氧、氮、氬等相關氣體產(chǎn)品的生產(chǎn)需求也不斷增大，隨著深冷技術的進步和國外先進技術的引進，大型空分制氧裝置在各領域得到了廣泛的應用和發(fā)展。津西鋼鐵集團新上的大型空分制氧裝置采用四川空分廠生產(chǎn)的KDONAr-15500／15000／560型空氣分離設備，于2005年10月投入運行，作者參與完成了自控部分項目的成套實施，全過程歷經(jīng)2個月竣工，至今運行良好。 1 系統(tǒng)組成 　　津西鋼鐵集團制氧項目包括機組部分、預冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)、氧壓機、氮壓機和水系統(tǒng)，采用DCS進行監(jiān)控，數(shù)字量、模擬量信號共計600多點，調(diào)節(jié)回路60余個。這套裝置采用了美國Honeywell公司的Experion PKS控制系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。其中上位監(jiān)控站共五臺，采用冗余服務器結(jié)構(gòu)，保證后臺實時數(shù)據(jù)的管理和交換，服務器通過ControlNet工業(yè)總線與DCS相連，監(jiān)控站通過工業(yè)以太網(wǎng)訪問冗余服務器數(shù)據(jù)。DCS采用兩個相互冗余的C200控制器，并且各自安裝在相互獨立的機架上，具有較高的容錯性。冗余模件RM卡件自動同步，保證兩個DCS控制器的數(shù)據(jù)同步，當一臺控制器故障時，另一臺控制器能夠無縫接管控制任務。系統(tǒng)還配置了故障時進行無間隔自動切換的冗余電源系統(tǒng)，保證了控制系統(tǒng)的可靠供電。本項目中數(shù)據(jù)采集模件的所有信號輸入／輸出板卡均為智能型PM I／O過程處理模件，數(shù)據(jù)采集與輸出處理均在前端FTA集成端子板完成，F(xiàn)TA集成端子板還具有豐富的在線診斷報警功能。 [b]2 主要控制功能 2．1 空氣純化系統(tǒng)控制[/b] 　　空氣純化系統(tǒng)通過兩個分子篩交替工作，分別完成對壓縮空氣中CO2，C2H2的吸附與吸附劑解吸處理流程，保證為精餾、換熱系統(tǒng)提供沽靜、干燥的空氣，切換時間由吸附劑吸附能力而定。分子篩的時序控制是解吸過程工藝順序控制的核心，解吸過程包括隔離、卸壓、熱吹、冷吹、隔離、充壓、并聯(lián)、切換等，各工藝段通過執(zhí)行時問及工作條件觸發(fā)下道工序，依次循環(huán)執(zhí)行。 　　順序控制流程處理功能包括：初始化、啟動、暫停、跳步（可選），無論是停機還是暫停，各閥門都應該保持原有狀態(tài)。系統(tǒng)自動記錄暫停時間，為操作員恢復系統(tǒng)提供依據(jù)，同時還具有在線動態(tài)時間可更改功能。手／自動切換功能是在調(diào)試和緊急情況下使用，當投人手動狀態(tài)時，需要屏蔽順序控制，使控制輸出保持當前狀態(tài)，以便切換回自動時可以恢復到原來的自動輸出狀態(tài)，避免手／自動切換時閥門的誤動作。 　　根據(jù)津西制氧廠現(xiàn)場投運的實際情況，還應注意以下幾點。 　?。?）減少電加熱爐損耗。制氧裝置的分子篩純化流程中，污氮吹掃溫度通過三臺電加熱爐控制系統(tǒng)進行加熱控制，雖然加熱效率較高，但電加熱爐能耗高且易損壞。為了較好地減少設備能耗，結(jié)合電加熱爐和分子篩特點在程序里加入了智能判別程序，智能判別分子篩內(nèi)吸附劑在吸附和解吸過程中的放熱、吸熱反應，根據(jù)放熱反應數(shù)據(jù)，提前結(jié)束加熱過程，這樣既減少了溫度過調(diào)造成的浪費，又保證了工況溫度的穩(wěn)定。另外電加熱爐屬易損設備，它在加熱時如果干燒會很快燒壞，因此在程序里增加了保護聯(lián)鎖，當流量低于設定值或溫度高于設定值時執(zhí)行保護，停止加熱。實際應用過程中因流量采集點不在電加熱爐出口回路，因此為保證此設備的安全運行，又增加了溫升變化率過快聯(lián)鎖，有效避免了干燒導致電加熱爐的損壞。 　　（2）順控程序的正確切換。在兩個分子篩工作時，順控程序進行到充壓、卸壓流程時，控制切換應在等壓延時后進行，信號的真實可靠性應由程序予以判斷，即如果閥位反饋狀態(tài)正確和讀取的相關信號符合設定，則延時3 S后再進行兩個分子篩之間的切換，避免分子篩上下氣流差異引起吸附劑振動破碎而造成重大損失。 　?。?）管路切換平穩(wěn)過渡。因熱吹、冷吹需用工藝污氮吹掃，因此冷、熱吹管路切換時為避免對工藝產(chǎn)生沖擊，需平穩(wěn)過渡，這里采用限幅控制及PID控制相結(jié)合的控制方法，即預關閥限幅慢關，使切換對工藝管路沖擊減?。煌ㄟ^預開閥折線慢開來消除預關閥的關閥擾動，如果干擾過大，可自動減慢關閥速度，控制開閥切人自動調(diào)節(jié)回路控制，待穩(wěn)定后自動投入正常操作狀態(tài)。 　?。?）保證順控程序正常進行。純化控制是典型順序控制，知識庫報警系統(tǒng)的建立大大提高了設備的運行可靠性，降低了儀控人員排查問題的難度及時問。它提供異常報警，并根據(jù)不同工藝階段提示實際工藝執(zhí)行情況，例如當順序控制在某一步不能執(zhí)行下一步時，報警庫會結(jié)合上、下步驟的工藝和邏輯關系提示此步狀態(tài)，并提示原因，保證維護人員快速及時處理故障，減少生產(chǎn)損失。 　?。?）設置空氣純度分析和檢測。純化出口有空氣純度分析檢測點，通過其純度值判斷吸附和解吸效率，尤其在新裝置運行過程中，分子篩再生200次左右后其吸附容量會下降近30％ ，這時通過分析檢測點含量，進行報警處理，及時提示操作員調(diào)整或自動調(diào)整工藝時間參數(shù)。在分子篩長期運行過程中，也可以通過對純度變化率的分析得出分子篩吸附容量變化趨勢，為以后分子篩重新活化做好前期生產(chǎn)準備工作。 2．2 離心式壓縮機組控制 　　喘振是離心式壓縮機的固有特性，壓縮機在工作過程中，當入口氣體流量小于機組該工況下的防喘振流量限值時，管網(wǎng)氣體會逆流至壓縮機，當壓縮機的出口壓力大于管網(wǎng)壓力時，壓縮機又開始排出氣體，氣流會在系統(tǒng)中產(chǎn)生周期性的沖擊振蕩，具體表現(xiàn)為機組連同管網(wǎng)一起會作周期性大幅度的振動，極具破壞力。當即將發(fā)生喘振時，需采取措施降低出口壓力或增大入口流量，防止壓縮機進入喘振狀態(tài)運行。當下游工藝設備空氣流量減少或壓縮機本身出現(xiàn)喘振時，可由放空閥分流放空來減小喘振程度。 　　津西鋼鐵集團制氧項目的空分裝置工作用風壓力為0．55 MPa，流量8 000 m3／h，排氣溫度為90 qC。為了最大限度地減輕喘振對生產(chǎn)的影響，我們在防喘控制上運用先進控制算法，形成針對喘振的優(yōu)化保護體系，根據(jù)流體的物理特性，動態(tài)判斷處理工況點的位置變化。另外，為保證下游設備安全運行，設備間還通過聯(lián)鎖程序進行保護。防喘振控制方案具體實施如下。 　?。?）喘振線隨環(huán)境溫度動態(tài)補償。機組的工作特性曲線隨著環(huán)境溫度的變化而改變，造成喘振實際工況的變化。機組在運行過程中，溫度變化會影響空氣的體積質(zhì)量，直接對實際壓縮流體的工況產(chǎn)生影響，因此在進行喘振控制時，需根據(jù)流體溫度變化進行動態(tài)隨機補償，喘振線動態(tài)上下平移，從而真實體現(xiàn)了流體在壓縮機腔體內(nèi)的壓縮特性，這樣既對風機進行了精確保護，又充分利用了風機的實際做功潛能。 　　（2）快開慢關自適應控制。大型空壓機組即將發(fā)生喘振時，防喘振控制系統(tǒng)能快速響應，以防止喘振的發(fā)生。當完成保護后恢復過慢會影響生產(chǎn)，過快會使系統(tǒng)產(chǎn)生新的喘振沖擊，對此我們根據(jù)當前出口壓比變化率劃分了工況區(qū)段等級，再通過3維函數(shù)運算處理得出適宜的慢關參數(shù)，從而快速恢復機組正常運行，既實現(xiàn)了有效的機組保護，又最大限度地減小了對生產(chǎn)的影響，確保機組平穩(wěn)、高效運行。 　?。?）防止積分飽和。正常生產(chǎn)情況下，在關閉防喘振閥門后，壓縮機出口壓力的實際測量值與設定值之間存在偏差，造成PID調(diào)節(jié)過程中不斷進行積分運算，發(fā)生積分飽和現(xiàn)象，直接降低防喘振壓力的控制精度。我們利用抗積分飽和功能克服了這一弊端，在PID控制器采用了積分限值隔離法消除積分飽和，當隨機偏差值大于預設閾值時，取消積分作用，當偏差返回控制閾值時再激活積分作用，這樣既避免了積分飽和，又不會消弱對超調(diào)的調(diào)節(jié)作用。 　?。?）在滿負荷工況下（喘振控制線附近）送風的先進控制策略。實際生產(chǎn)過程中，工藝上往往希望滿負荷生產(chǎn)，充分利用設備潛力，因此控制軟件在喘振線右側(cè)建立防喘振控制線。當機組運行在防喘振控制線右側(cè)時，控制系統(tǒng)控制輸出使防喘振閥完全關閉；當機組操作點即將到達喘振控制線時，通過智能識別系統(tǒng)準確識別喘振工況，控制工況點保持在防喘振線處，使機組在既滿負荷又安全的狀態(tài)下運行。 2．3 精餾控制 　　精餾是生產(chǎn)的核心，也是耗能最大的單元，節(jié)能技術及變工況、變負荷控制的合理應用成為精餾控制的重點。精餾控制根據(jù)全過程物料平衡方程得出各組分動態(tài)理論產(chǎn)量，再經(jīng)過實際精餾參數(shù)補償器補償，得出控制目標設定值，從而確定生產(chǎn)工況點各控制回路的耦合參數(shù)和控制目標，進行動態(tài)跟蹤運算、處理、調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)生產(chǎn)目標。由于精餾流程 中各個調(diào)節(jié)回路相互關聯(lián)耦合、擾動因素較多，且控制對象為典型的大滯后對象，造成操作控制上的顧此失彼，使得變負荷自動調(diào)節(jié)的應用難以實現(xiàn)，為此在控制中首先建立控制過程模型（包括操作點增量計算模塊和各工藝段數(shù)學模型運算模塊），將目標產(chǎn)量作為模塊輸入，然后再根據(jù)各操作點位置計算所需調(diào)節(jié)的增量，當目標產(chǎn)量變更過大時，會自動分步進行，將增量送入緩沖寄存模塊，進行時滯處理后，輸出給控制器模塊進行最終的操作輸出。由于全自動控制關系到多個調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)和執(zhí)行，因此我們采用完善的變工況控制以便最大限度地利用壓縮空氣并減小能耗。變工況控制是針對生產(chǎn)供應情況變化而設置的，但因大型空分裝置針對性較強，冷量調(diào)節(jié)幅度大，會使制氧裝置的工況異常波動，對其穩(wěn)定運行影響很大，因此控制中采用多調(diào)、細調(diào)、緩沖過渡等策略以避免波動，從而達到控制目的。實際中精餾塔的精餾過程相互關聯(lián)，控制過程中應做好以下3點，以提高產(chǎn)量降低單位能耗。 　?。?）穩(wěn)定冷凝器液氧液位。為維持上下塔的各級塔板冷量平衡、穩(wěn)定，保證純度，應合理調(diào)節(jié)制冷膨脹量和液空、液氧調(diào)節(jié)閥開度，合理設定PID回路調(diào)節(jié)參數(shù)，設定微量的調(diào)節(jié)死區(qū)，使液氧液位在控制擾動下保持穩(wěn)定。 　?。?）保證液空和液氧純度。為保證液空和液氮純度，調(diào)節(jié)適宜的回流比至關重要。當工藝發(fā)出提高液氧純度信號時，程序?qū)⒕徛B加液氮調(diào)節(jié)閥設定值，減小回流比，在液氮純度降低的同時，液氧純度將會增加。根據(jù)液氮純度及溫度變化計算調(diào)節(jié)器設定量的自動遞增幅度及速度，確保系統(tǒng)在不造成系統(tǒng)物料和能量平衡破壞的前提下，以最快速度進行調(diào)節(jié)變換。這里不采用下塔液氮回流閥調(diào)節(jié)，回流閥在正常情況下應全開，保證裝置高效運行。 　?。?）提高平均氮純度，保證上塔精餾工況。平均氮的純度主要是由下塔供給的液氮來保證，在控制中，通過對液氮純度實時跟蹤，并對其變化速率進行自動分析，判別上下塔實際工況，以便及時準確地調(diào)節(jié)相關回路，穩(wěn)定工藝參數(shù)，確保精餾穩(wěn)態(tài)運行。 3 結(jié)束語 　　津西15000 m3／h制氧項目已完成投運，其中空氣壓縮機、氧氣壓縮機、氮氣壓縮機、冷水機組、預冷控制系統(tǒng)、空氣純化系統(tǒng)等自動化投運率都已達到100％ ，目前裝置運行平穩(wěn)、正常，表1為生產(chǎn)月度統(tǒng)計報表?？辗种蒲跫夹g的多耦合、大滯后給自動控制造成了很大難度，如何進一步改善精餾控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品提取率，降低單位產(chǎn)品的消耗，將是國內(nèi)空分自控行業(yè)需要進一步解決的課題。 參考文獻： [1]曹立革，楊學峰，康多祥，等．AV80—14型軸流式高爐鼓風機的DCS控制[J]．冶金自動化，2002，26（1）：29—32． CAO Li—ge，YANG Xue—feng，KANG Duo—xiang，et a1．AV80—14 axial blower DCS 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