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摘要：现在的空分装置变负荷操作大都是人工进行手动调节，存在产品纯度不稳定、劳动强度大和工况不稳等情况。为了有效地改变这种情况，可以把先进的控制技术与空分装置相结合，根据工艺原理和相关的操作经验设计出一套自动化、信息化的自动变负荷先进控制系统，从而达到对工艺过程的把控、产品质量的稳定、减少工人的劳动强度以及节能减耗的目的。在具体的实施过程中虽然还存在一些问题，但是只要理清先进控制技术在空分装置自动变负荷的设计思路，充分把握它的特点，了解它的主要功能，并熟练地运用它的控制策略，就完全可以实现之前预定的目标。
关键词：控制技术;空分装置;自动变负荷
中图分类号：TP29
文献标识码：A
文章编号：2095-6487（2019）02-0005-02
0引言
空分装置的作用是用来生产氧气和氮气，是钢铁冶炼企业的重要环节，主要为下游客户提供服务。又因为下游客户对氧气使用量的间歇性特点，所以对空分装置的变负荷操作提出了很高的要求。空分装置主要由压缩机、膨胀机以及精馏塔等元件构成，因为前后物料之间关联密切并且变量之间存在耦合，所以對产品的纯度把控难度较大。与此同时，空分装置的自动化水平往往较低，大都需要人工进行调控，人工调控又难以很好地兼顾各个工艺之间的变量，从而进一步导致产品的纯度不稳定等问题。在最近几年中，模型预测控制技术在石油化工等行业取得了广泛的应用，也为空分装置自动变负荷可行性提供了技术支持。
1控制难点分析
一方面，从平时的正常生产负荷来看，装置在稳态点附近有小幅波动，这时只需要小幅度调整各个控制回路就能保证装置稳定的运行。但由于周期性工作的分子筛系统每个一段固定的时间就会进行充压，而这时进入系统的空气量与氧气量就会出现短期内的物料不均。所以，这就需要在充压时提前调整空压机的导叶，以弥补因充压而引起空气量的不足。
另一方面，所谓变负荷操作是指装置从当前的稳态点向目标点进行移动变化，这就使得变负荷操作不仅要保证稳定的生产还要提供一定的速率，大大增加了人工手动变负荷的难度。在这个过程中有两个问题需要仔细考虑：一是变负荷操作的幅度要在装置的承受范围之内，与设备的各个阀门状况也要相互匹配;二是装置在变负荷操作前后工艺量之间的响应有滞后性，调整不及时就会使物料之间的比例不平衡，进而影响产品的纯度。在减负荷过程中，如果空气量下降的速度过快与氧气量之间失去平衡，那么在这种情况下长时间如此会出现氧纯度不合格等问题。所以，要设计科学合理的计算方法，并进行正确和有效的操作，以此确保在变负荷操作中物料之间保持平衡”。
2自动变负荷先进控制系统的设计思路
首先在不同的负荷范围内，进行不同的流程模拟计算，在进行相关流程的模拟计算之后制作出与之相应的数学机理模型。然后通过分析计算，在自动变负荷操作中要逐步建立控制变量和操纵变量等关键变量监控点的位置确定。以单元的形式将上下塔和粗精氩塔之间独立并关联起来进行分析，其他系统要在重要单元部分正常工作时，通过调整导叶、调整冷却水的流量等步骤，逐步实现先进控制技术下自动变负荷的目标。在建立数据的采样点时不仅要考虑的采样点的多样性和代表性，同时还要提高调节手段的多样化，对先进控制技术下自动变负荷变化过程中使用到的调节阀门都要明确地使用自动调节的方法，这便于及时调整中间过程中的变量。选择阀门时，要注重阀门的调节功能是否能够达到所需要的要求，因为在先进控制技术下自动变负荷过程中，要求阀门无论是在高负荷状态下还是在低负荷状态下都要有良好的调节性，还要对一些阀门设置信息反馈功能，这将非常有利于实时观察调节的效果;同时还要增设一个在线分析仪，以便于实时分析中间过程各物料的纯度。这些准备工作有助于观察在先进控制技术下自动变负荷调节过程中成分每时每刻的变化情况，有利于达预期目标的情况下还不能够保证产品的质量。
3自动变负荷先进控制系统的功能
自动变负荷先进控制系统有两点很重要的特性：一是它的理论基础是现代控制论;二是数据的处理、传输、控制的监控系统的监视等工作都由内置小型计算机进行计算、分析、处理。就是说在上位机上安装的自动变负荷先进控制软件，是MPC与RT0结合而成的专门用来实现自动变负荷控制系统，这时实现自动变负荷操作只需要工作人员改变其中几个参数值就可以完成，操作人员通过对参数设定点的调控，从而达到对整个工艺过程自动变负荷控制的目的。在RT0给出一个参考值且MPC保证产品质量的条件下，先进控制站开始逐步向目标值迁移，并逐渐逼近给定的工况目标。MPC和RT0相结合可以有效地提高自动变负荷的速度，能明显改善产品的质量，使自动变负荷操作变得稳定，还可以消除因为人为原因在变负荷过程中的误操作。液氧、液氮和氧气是变负荷过程中可以设定的主要产品。
4自动变负荷先进控制系统的特点
自动变负荷先进控制系统的各控制回路设定的最佳值，是由氧气含量的需求、工艺的要求所决定的，也就是说当工艺要求和氧气含量在不同的标准下发生改变时，设定值也要做出相应的改变，以符合当前的标准。自动变负荷先进控制系统可以根据生产过程中氧气含量的不断变化，从而实现对流程参数的准确计算，与此同时把计算得到的数值传送到调节回路中，并把计算后传送回来的数值作为设定值，这样就可以全面建成MPC随动系统，然后与监控等系统一起，在上位机以及基本控制系统上实现对生产负荷的调节，最终使无功生产大大减少，也使能耗进一步降低。
5自动变负荷先进控制系统的目标
自动变负荷多变量、时变性、系统强耦合、滞后等特点决定了它需要应用流程模拟和计算、实时监控和优化控制等措施来实现。其中优化控制的最终目标是保证自动变负荷过程中能够以一定的速率进行调节，同时还要确保空分设备的稳定运行和产品的质量。将先进的控制技术运用到没有进行工艺改进改进的空分设备上，可以产生以下效益：一，实现工艺流程自动变负荷调节，且变负荷能力达到75%～110%，另外还能保证产品的质量;二，能在两个小时以内使变负荷速率达到氧气产量的变化的30%，这就使速度加快且时间变短，远远高过手动调节的效率：三，使氧气放散量大大地减少。
6自动变负荷先进控制系统的控制策略
自动变负荷先进控制系统主要的控制基础是动态仿真以及稳态流程模拟，然后是在此基础上的远程对象数学模拟。MPC模拟预测系统是远程对象数学模拟的基础，同时用可测量信息和过程中的动态模拟，预测出过程输出的未来行为。模型、滚动优化以及与反馈校正相结合的优化控制算法是预测控制技术的主要组成部分。它的作用是收集测量模型的信息以及实时信息，并不断进行滚动优化，然后和实际测出的数据进行比较，并对对象输出进行修正。鲁棒PID多变量的建立，主要作用是使自动变负荷过程中始终具有较强的鲁棒性。确立可操纵量的最高允许偏差和最佳的调控幅度，并使关键数据点得到有效地监控。第一步，控制器要降低关键变量的范围波动，确保装置的平稳运行，还要根据被控变量的重要程度，优先保证重要的被控变量;第二步，在遵守设备的使用规定和保证质量指标的前提下，通过控制器的优化功能，是工况过程尽可能地提高经济效益。另外，重要的被控变量优化完成后，如果还有其它的变量，也应对这些变量进行优化操作。
7结束语
综上所述，先进的控制技术在空分设备自动变负荷过程中极大地提高了空分设备的自动变负荷的能力，也让优化控制节能效果得到了很大的提升，这将极大地推动我国空分设备行业走向信息化和智能化，并带动空分设备行业周边相关行业的快速发展，使新技术能够得到更大规模的应用从而推动整个行业的技术创新，同时与空分设备行业有关的冶金、石化等行业得到进一步的发展，最终推动我国工业气体市场的发展。
参考文献
[1]唐瑞尹，许子林.自动变负荷在空分系统中的应用[J].中国科技信息，2017（12）：82-84.
[2]徐铭阳.多变量预测控制在空分装置自动变负荷中的实践探究[J].科学与财富，2015（1）：108-109.
[3]李兰兰.空分设备自动变负荷控制技术探讨[J].中国科技纵横，2015（14）：85.
关键词：控制技术;空分装置;自动变负荷
中图分类号：TP29
文献标识码：A
文章编号：2095-6487（2019）02-0005-02
0引言
空分装置的作用是用来生产氧气和氮气，是钢铁冶炼企业的重要环节，主要为下游客户提供服务。又因为下游客户对氧气使用量的间歇性特点，所以对空分装置的变负荷操作提出了很高的要求。空分装置主要由压缩机、膨胀机以及精馏塔等元件构成，因为前后物料之间关联密切并且变量之间存在耦合，所以對产品的纯度把控难度较大。与此同时，空分装置的自动化水平往往较低，大都需要人工进行调控，人工调控又难以很好地兼顾各个工艺之间的变量，从而进一步导致产品的纯度不稳定等问题。在最近几年中，模型预测控制技术在石油化工等行业取得了广泛的应用，也为空分装置自动变负荷可行性提供了技术支持。
1控制难点分析
一方面，从平时的正常生产负荷来看，装置在稳态点附近有小幅波动，这时只需要小幅度调整各个控制回路就能保证装置稳定的运行。但由于周期性工作的分子筛系统每个一段固定的时间就会进行充压，而这时进入系统的空气量与氧气量就会出现短期内的物料不均。所以，这就需要在充压时提前调整空压机的导叶，以弥补因充压而引起空气量的不足。
另一方面，所谓变负荷操作是指装置从当前的稳态点向目标点进行移动变化，这就使得变负荷操作不仅要保证稳定的生产还要提供一定的速率，大大增加了人工手动变负荷的难度。在这个过程中有两个问题需要仔细考虑：一是变负荷操作的幅度要在装置的承受范围之内，与设备的各个阀门状况也要相互匹配;二是装置在变负荷操作前后工艺量之间的响应有滞后性，调整不及时就会使物料之间的比例不平衡，进而影响产品的纯度。在减负荷过程中，如果空气量下降的速度过快与氧气量之间失去平衡，那么在这种情况下长时间如此会出现氧纯度不合格等问题。所以，要设计科学合理的计算方法，并进行正确和有效的操作，以此确保在变负荷操作中物料之间保持平衡”。
2自动变负荷先进控制系统的设计思路
首先在不同的负荷范围内，进行不同的流程模拟计算，在进行相关流程的模拟计算之后制作出与之相应的数学机理模型。然后通过分析计算，在自动变负荷操作中要逐步建立控制变量和操纵变量等关键变量监控点的位置确定。以单元的形式将上下塔和粗精氩塔之间独立并关联起来进行分析，其他系统要在重要单元部分正常工作时，通过调整导叶、调整冷却水的流量等步骤，逐步实现先进控制技术下自动变负荷的目标。在建立数据的采样点时不仅要考虑的采样点的多样性和代表性，同时还要提高调节手段的多样化，对先进控制技术下自动变负荷变化过程中使用到的调节阀门都要明确地使用自动调节的方法，这便于及时调整中间过程中的变量。选择阀门时，要注重阀门的调节功能是否能够达到所需要的要求，因为在先进控制技术下自动变负荷过程中，要求阀门无论是在高负荷状态下还是在低负荷状态下都要有良好的调节性，还要对一些阀门设置信息反馈功能，这将非常有利于实时观察调节的效果;同时还要增设一个在线分析仪，以便于实时分析中间过程各物料的纯度。这些准备工作有助于观察在先进控制技术下自动变负荷调节过程中成分每时每刻的变化情况，有利于达预期目标的情况下还不能够保证产品的质量。
3自动变负荷先进控制系统的功能
自动变负荷先进控制系统有两点很重要的特性：一是它的理论基础是现代控制论;二是数据的处理、传输、控制的监控系统的监视等工作都由内置小型计算机进行计算、分析、处理。就是说在上位机上安装的自动变负荷先进控制软件，是MPC与RT0结合而成的专门用来实现自动变负荷控制系统，这时实现自动变负荷操作只需要工作人员改变其中几个参数值就可以完成，操作人员通过对参数设定点的调控，从而达到对整个工艺过程自动变负荷控制的目的。在RT0给出一个参考值且MPC保证产品质量的条件下，先进控制站开始逐步向目标值迁移，并逐渐逼近给定的工况目标。MPC和RT0相结合可以有效地提高自动变负荷的速度，能明显改善产品的质量，使自动变负荷操作变得稳定，还可以消除因为人为原因在变负荷过程中的误操作。液氧、液氮和氧气是变负荷过程中可以设定的主要产品。
4自动变负荷先进控制系统的特点
自动变负荷先进控制系统的各控制回路设定的最佳值，是由氧气含量的需求、工艺的要求所决定的，也就是说当工艺要求和氧气含量在不同的标准下发生改变时，设定值也要做出相应的改变，以符合当前的标准。自动变负荷先进控制系统可以根据生产过程中氧气含量的不断变化，从而实现对流程参数的准确计算，与此同时把计算得到的数值传送到调节回路中，并把计算后传送回来的数值作为设定值，这样就可以全面建成MPC随动系统，然后与监控等系统一起，在上位机以及基本控制系统上实现对生产负荷的调节，最终使无功生产大大减少，也使能耗进一步降低。
5自动变负荷先进控制系统的目标
自动变负荷多变量、时变性、系统强耦合、滞后等特点决定了它需要应用流程模拟和计算、实时监控和优化控制等措施来实现。其中优化控制的最终目标是保证自动变负荷过程中能够以一定的速率进行调节，同时还要确保空分设备的稳定运行和产品的质量。将先进的控制技术运用到没有进行工艺改进改进的空分设备上，可以产生以下效益：一，实现工艺流程自动变负荷调节，且变负荷能力达到75%～110%，另外还能保证产品的质量;二，能在两个小时以内使变负荷速率达到氧气产量的变化的30%，这就使速度加快且时间变短，远远高过手动调节的效率：三，使氧气放散量大大地减少。
6自动变负荷先进控制系统的控制策略
自动变负荷先进控制系统主要的控制基础是动态仿真以及稳态流程模拟，然后是在此基础上的远程对象数学模拟。MPC模拟预测系统是远程对象数学模拟的基础，同时用可测量信息和过程中的动态模拟，预测出过程输出的未来行为。模型、滚动优化以及与反馈校正相结合的优化控制算法是预测控制技术的主要组成部分。它的作用是收集测量模型的信息以及实时信息，并不断进行滚动优化，然后和实际测出的数据进行比较，并对对象输出进行修正。鲁棒PID多变量的建立，主要作用是使自动变负荷过程中始终具有较强的鲁棒性。确立可操纵量的最高允许偏差和最佳的调控幅度，并使关键数据点得到有效地监控。第一步，控制器要降低关键变量的范围波动，确保装置的平稳运行，还要根据被控变量的重要程度，优先保证重要的被控变量;第二步，在遵守设备的使用规定和保证质量指标的前提下，通过控制器的优化功能，是工况过程尽可能地提高经济效益。另外，重要的被控变量优化完成后，如果还有其它的变量，也应对这些变量进行优化操作。
7结束语
综上所述，先进的控制技术在空分设备自动变负荷过程中极大地提高了空分设备的自动变负荷的能力，也让优化控制节能效果得到了很大的提升，这将极大地推动我国空分设备行业走向信息化和智能化，并带动空分设备行业周边相关行业的快速发展，使新技术能够得到更大规模的应用从而推动整个行业的技术创新，同时与空分设备行业有关的冶金、石化等行业得到进一步的发展，最终推动我国工业气体市场的发展。
参考文献
[1]唐瑞尹，许子林.自动变负荷在空分系统中的应用[J].中国科技信息，2017（12）：82-84.
[2]徐铭阳.多变量预测控制在空分装置自动变负荷中的实践探究[J].科学与财富，2015（1）：108-109.
[3]李兰兰.空分设备自动变负荷控制技术探讨[J].中国科技纵横，2015（14）：85.