摘 要：為實(shí)現(xiàn)大型空分制氧裝置的全過程自動(dòng)控制，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，津西鋼鐵集團(tuán)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(shí)現(xiàn)了空氣純化系統(tǒng)控制、離心式壓縮機(jī)防喘振優(yōu)化控制、精餾控制等?，F(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用表明不僅降低了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也改善了產(chǎn)品質(zhì)量及單位能耗指標(biāo)。
關(guān)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
ZHANG Jun
（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(jī)械、化工等各行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，氧、氮、氬等相關(guān)氣體產(chǎn)品的生產(chǎn)需求也不斷增大，隨著深冷技術(shù)的進(jìn)步和國外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，大型空分制氧裝置在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。津西鋼鐵集團(tuán)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(shè)備，于2005年10月投入運(yùn)行，作者參與完成了自控部分項(xiàng)目的成套實(shí)施，全過程歷經(jīng)2個(gè)月竣工，至今運(yùn)行良好。
1 系統(tǒng)組成
津西鋼鐵集團(tuán)制氧項(xiàng)目包括機(jī)組部分、預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)、氧壓機(jī)、氮壓機(jī)和水系統(tǒng)，采用DCS進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)字量、模擬量信號(hào)共計(jì)600多點(diǎn)，調(diào)節(jié)回路60余個(gè)。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(tái)，采用冗余服務(wù)器結(jié)構(gòu)，保證后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的管理和交換，服務(wù)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(wù)器數(shù)據(jù)。DCS采用兩個(gè)相互冗余的C200控制器，并且各自安裝在相互獨(dú)立的機(jī)架上，具有較高的容錯(cuò)性。冗余模件RM卡件自動(dòng)同步，保證兩個(gè)DCS控制器的數(shù)據(jù)同步，當(dāng)一臺(tái)控制器故障時(shí)，另一臺(tái)控制器能夠無縫接管控制任務(wù)。系統(tǒng)還配置了故障時(shí)進(jìn)行無間隔自動(dòng)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(xiàng)目中數(shù)據(jù)采集模件的所有信號(hào)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(bào)警功能。
2 主要控制功能
2．1 空氣純化系統(tǒng)控制
空氣純化系統(tǒng)通過兩個(gè)分子篩交替工作，分別完成對(duì)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(shí)間由吸附劑吸附能力而定。分子篩的時(shí)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(shí)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(dòng)、暫停、跳步（可選），無論是停機(jī)還是暫停，各閥門都應(yīng)該保持原有狀態(tài)。系統(tǒng)自動(dòng)記錄暫停時(shí)間，為操作員恢復(fù)系統(tǒng)提供依據(jù)，同時(shí)還具有在線動(dòng)態(tài)時(shí)間可更改功能。手／自動(dòng)切換功能是在調(diào)試和緊急情況下使用，當(dāng)投人手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需要屏蔽順序控制，使控制輸出保持當(dāng)前狀態(tài)，以便切換回自動(dòng)時(shí)可以恢復(fù)到原來的自動(dòng)輸出狀態(tài)，避免手／自動(dòng)切換時(shí)閥門的誤動(dòng)作。
根據(jù)津西制氧廠現(xiàn)場投運(yùn)的實(shí)際情況，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。
?。?）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(tái)電加熱爐控制系統(tǒng)進(jìn)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(shè)備能耗，結(jié)合電加熱爐和分子篩特點(diǎn)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(yīng)，根據(jù)放熱反應(yīng)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(fèi)，又保證了工況溫度的穩(wěn)定。另外電加熱爐屬易損設(shè)備，它在加熱時(shí)如果干燒會(huì)很快燒壞，因此在程序里增加了保護(hù)聯(lián)鎖，當(dāng)流量低于設(shè)定值或溫度高于設(shè)定值時(shí)執(zhí)行保護(hù)，停止加熱。實(shí)際應(yīng)用過程中因流量采集點(diǎn)不在電加熱爐出口回路，因此為保證此設(shè)備的安全運(yùn)行，又增加了溫升變化率過快聯(lián)鎖，有效避免了干燒導(dǎo)致電加熱爐的損壞。
?。?）順控程序的正確切換。在兩個(gè)分子篩工作時(shí)，順控程序進(jìn)行到充壓、卸壓流程時(shí)，控制切換應(yīng)在等壓延時(shí)后進(jìn)行，信號(hào)的真實(shí)可靠性應(yīng)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(guān)信號(hào)符合設(shè)定，則延時(shí)3 S后再進(jìn)行兩個(gè)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(dòng)破碎而造成重大損失。
（3）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(shí)為避免對(duì)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(yù)關(guān)閥限幅慢關(guān)，使切換對(duì)工藝管路沖擊減?。煌ㄟ^預(yù)開閥折線慢開來消除預(yù)關(guān)閥的關(guān)閥擾動(dòng)，如果干擾過大，可自動(dòng)減慢關(guān)閥速度，控制開閥切人自動(dòng)調(diào)節(jié)回路控制，待穩(wěn)定后自動(dòng)投入正常操作狀態(tài)。
?。?）保證順控程序正常進(jìn)行。純化控制是典型順序控制，知識(shí)庫報(bào)警系統(tǒng)的建立大大提高了設(shè)備的運(yùn)行可靠性，降低了儀控人員排查問題的難度及時(shí)問。它提供異常報(bào)警，并根據(jù)不同工藝階段提示實(shí)際工藝執(zhí)行情況，例如當(dāng)順序控制在某一步不能執(zhí)行下一步時(shí)，報(bào)警庫會(huì)結(jié)合上、下步驟的工藝和邏輯關(guān)系提示此步狀態(tài)，并提示原因，保證維護(hù)人員快速及時(shí)處理故障，減少生產(chǎn)損失。
（5）設(shè)置空氣純度分析和檢測。純化出口有空氣純度分析檢測點(diǎn)，通過其純度值判斷吸附和解吸效率，尤其在新裝置運(yùn)行過程中，分子篩再生200次左右后其吸附容量會(huì)下降近30％ ，這時(shí)通過分析檢測點(diǎn)含量，進(jìn)行報(bào)警處理，及時(shí)提示操作員調(diào)整或自動(dòng)調(diào)整工藝時(shí)間參數(shù)。在分子篩長期運(yùn)行過程中，也可以通過對(duì)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(zhǔn)備工作。
2．2 離心式壓縮機(jī)組控制
喘振是離心式壓縮機(jī)的固有特性，壓縮機(jī)在工作過程中，當(dāng)入口氣體流量小于機(jī)組該工況下的防喘振流量限值時(shí)，管網(wǎng)氣體會(huì)逆流至壓縮機(jī)，當(dāng)壓縮機(jī)的出口壓力大于管網(wǎng)壓力時(shí)，壓縮機(jī)又開始排出氣體，氣流會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生周期性的沖擊振蕩，具體表現(xiàn)為機(jī)組連同管網(wǎng)一起會(huì)作周期性大幅度的振動(dòng)，極具破壞力。當(dāng)即將發(fā)生喘振時(shí)，需采取措施降低出口壓力或增大入口流量，防止壓縮機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)運(yùn)行。當(dāng)下游工藝設(shè)備空氣流量減少或壓縮機(jī)本身出現(xiàn)喘振時(shí)，可由放空閥分流放空來減小喘振程度。
津西鋼鐵集團(tuán)制氧項(xiàng)目的空分裝置工作用風(fēng)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(duì)生產(chǎn)的影響，我們在防喘控制上運(yùn)用先進(jìn)控制算法，形成針對(duì)喘振的優(yōu)化保護(hù)體系，根據(jù)流體的物理特性，動(dòng)態(tài)判斷處理工況點(diǎn)的位置變化。另外，為保證下游設(shè)備安全運(yùn)行，設(shè)備間還通過聯(lián)鎖程序進(jìn)行保護(hù)。防喘振控制方案具體實(shí)施如下。
（1）喘振線隨環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。機(jī)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(shí)際工況的變化。機(jī)組在運(yùn)行過程中，溫度變化會(huì)影響空氣的體積質(zhì)量，直接對(duì)實(shí)際壓縮流體的工況產(chǎn)生影響，因此在進(jìn)行喘振控制時(shí)，需根據(jù)流體溫度變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)隨機(jī)補(bǔ)償，喘振線動(dòng)態(tài)上下平移，從而真實(shí)體現(xiàn)了流體在壓縮機(jī)腔體內(nèi)的壓縮特性，這樣既對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了精確保護(hù)，又充分利用了風(fēng)機(jī)的實(shí)際做功潛能。
?。?）快開慢關(guān)自適應(yīng)控制。大型空壓機(jī)組即將發(fā)生喘振時(shí)，防喘振控制系統(tǒng)能快速響應(yīng)，以防止喘振的發(fā)生。當(dāng)完成保護(hù)后恢復(fù)過慢會(huì)影響生產(chǎn)，過快會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生新的喘振沖擊，對(duì)此我們根據(jù)當(dāng)前出口壓比變化率劃分了工況區(qū)段等級(jí)，再通過3維函數(shù)運(yùn)算處理得出適宜的慢關(guān)參數(shù)，從而快速恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行，既實(shí)現(xiàn)了有效的機(jī)組保護(hù)，又最大限度地減小了對(duì)生產(chǎn)的影響，確保機(jī)組平穩(wěn)、高效運(yùn)行。
?。?）防止積分飽和。正常生產(chǎn)情況下，在關(guān)閉防喘振閥門后，壓縮機(jī)出口壓力的實(shí)際測量值與設(shè)定值之間存在偏差，造成PID調(diào)節(jié)過程中不斷進(jìn)行積分運(yùn)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(dāng)隨機(jī)偏差值大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，取消積分作用，當(dāng)偏差返回控制閾值時(shí)再激活積分作用，這樣既避免了積分飽和，又不會(huì)消弱對(duì)超調(diào)的調(diào)節(jié)作用。
（4）在滿負(fù)荷工況下（喘振控制線附近）送風(fēng)的先進(jìn)控制策略。實(shí)際生產(chǎn)過程中，工藝上往往希望滿負(fù)荷生產(chǎn)，充分利用設(shè)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(dāng)機(jī)組運(yùn)行在防喘振控制線右側(cè)時(shí)，控制系統(tǒng)控制輸出使防喘振閥完全關(guān)閉；當(dāng)機(jī)組操作點(diǎn)即將到達(dá)喘振控制線時(shí)，通過智能識(shí)別系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別喘振工況，控制工況點(diǎn)保持在防喘振線處，使機(jī)組在既滿負(fù)荷又安全的狀態(tài)下運(yùn)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(shù)及變工況、變負(fù)荷控制的合理應(yīng)用成為精餾控制的重點(diǎn)。精餾控制根據(jù)全過程物料平衡方程得出各組分動(dòng)態(tài)理論產(chǎn)量，再經(jīng)過實(shí)際精餾參數(shù)補(bǔ)償器補(bǔ)償，得出控制目標(biāo)設(shè)定值，從而確定生產(chǎn)工況點(diǎn)各控制回路的耦合參數(shù)和控制目標(biāo)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤運(yùn)算、處理、調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)。由于精餾流程 中各個(gè)調(diào)節(jié)回路相互關(guān)聯(lián)耦合、擾動(dòng)因素較多，且控制對(duì)象為典型的大滯后對(duì)象，造成操作控制上的顧此失彼，使得變負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)的應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)，為此在控制中首先建立控制過程模型（包括操作點(diǎn)增量計(jì)算模塊和各工藝段數(shù)學(xué)模型運(yùn)算模塊），將目標(biāo)產(chǎn)量作為模塊輸入，然后再根據(jù)各操作點(diǎn)位置計(jì)算所需調(diào)節(jié)的增量，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量變更過大時(shí)，會(huì)自動(dòng)分步進(jìn)行，將增量送入緩沖寄存模塊，進(jìn)行時(shí)滯處理后，輸出給控制器模塊進(jìn)行最終的操作輸出。由于全自動(dòng)控制關(guān)系到多個(gè)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(duì)生產(chǎn)供應(yīng)情況變化而設(shè)置的，但因大型空分裝置針對(duì)性較強(qiáng)，冷量調(diào)節(jié)幅度大，會(huì)使制氧裝置的工況異常波動(dòng)，對(duì)其穩(wěn)定運(yùn)行影響很大，因此控制中采用多調(diào)、細(xì)調(diào)、緩沖過渡等策略以避免波動(dòng)，從而達(dá)到控制目的。實(shí)際中精餾塔的精餾過程相互關(guān)聯(lián)，控制過程中應(yīng)做好以下3點(diǎn)，以提高產(chǎn)量降低單位能耗。
（1）穩(wěn)定冷凝器液氧液位。為維持上下塔的各級(jí)塔板冷量平衡、穩(wěn)定，保證純度，應(yīng)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(shè)定PID回路調(diào)節(jié)參數(shù)，設(shè)定微量的調(diào)節(jié)死區(qū)，使液氧液位在控制擾動(dòng)下保持穩(wěn)定。
（2）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(guān)重要。當(dāng)工藝發(fā)出提高液氧純度信號(hào)時(shí)，程序?qū)⒕徛B加液氮調(diào)節(jié)閥設(shè)定值，減小回流比，在液氮純度降低的同時(shí)，液氧純度將會(huì)增加。根據(jù)液氮純度及溫度變化計(jì)算調(diào)節(jié)器設(shè)定量的自動(dòng)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(jìn)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(yīng)全開，保證裝置高效運(yùn)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(duì)液氮純度實(shí)時(shí)跟蹤，并對(duì)其變化速率進(jìn)行自動(dòng)分析，判別上下塔實(shí)際工況，以便及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)相關(guān)回路，穩(wěn)定工藝參數(shù)，確保精餾穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。
3 結(jié)束語
津西15000 m3／h制氧項(xiàng)目已完成投運(yùn)，其中空氣壓縮機(jī)、氧氣壓縮機(jī)、氮?dú)鈮嚎s機(jī)、冷水機(jī)組、預(yù)冷控制系統(tǒng)、空氣純化系統(tǒng)等自動(dòng)化投運(yùn)率都已達(dá)到100％ ，目前裝置運(yùn)行平穩(wěn)、正常，表1為生產(chǎn)月度統(tǒng)計(jì)報(bào)表?？辗种蒲跫夹g(shù)的多耦合、大滯后給自動(dòng)控制造成了很大難度，如何進(jìn)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(jìn)一步解決的課題。
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