超低压单塔深冷空分过程控制系统的制作方法
【专利摘要】超低压单塔深冷空分过程控制系统，涉及一种空气分离控制系统。设有氧气浓度控制器、塔板温度控制器、精馏塔压力控制器、塔釜液位控制器、污氮侧线出料流量控制器、气氧出料流量控制器、污氮流量比值器、气氧流量比值器、氧气浓度控制器的执行器、精馏塔压力控制器的执行器、塔釜液位控制器的执行器、污氮出料流量控制器的执行器、气氧出料流量控制器的执行器以及超低压单塔深冷空分过程的测量装置；所述超低压单塔深冷空分过程的测量装置设有氧气含量测量装置、塔板温度测量装置、塔压测量装置、污氮侧线出料流量测量装置、气氧出料流量测量装置、进料空气流量测量装置。具有很好的抗干扰能力，从而实现深冷空分过程的稳定、高效运行。
【专利说明】超低压单塔深冷空分过程控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种空气分离控制系统，尤其是涉及超低压单塔深冷空分工艺控制系统。
【背景技术】
[0002]空气分离所得的氧、氮、氩等工业气体广泛地应用于石油、化工、冶金、电子、食品、医疗保健等领域。若需获得大量的高纯度氧气、氮气产品，必须采用深冷精馏工艺。为此，深冷精馏空气分离法在空分的工业应用中占据非常重要的地位，是当前国内外空气分离广泛采用的方法。目前，深冷空气分离法工艺普遍的流程为全低压双塔精馏分离流程。在空分工业中，能源成本占了空气产品成本的75 %。在能源危机不断加深的形势下，提高空气分离技术的能量利用效率具有重要的社会和经济意义。
[0003]为了提高深冷空气分离技术的能量利用效率，中国专利CN101464085A公开一种超低压单塔深冷空分工艺。具体过程如下:空气(流股I)经两个压缩机(B2和B3)压缩后得到流股3 (流股I —流股2 —流股3)，流股3经纯化器除水、净化后得到流股4，再经主换热器(B4)与低温的出料流股换热降温。在进入主换热器之前，回流氮气经压缩机(BlO)压缩。在主换热器(B4)中，回流的氮气被降温。经主换热器换热之后，被压缩的空气(流股5)全数通过膨胀机B5(流股5—流股6)，然后接近常压的低温空气(流股6)送入精馏塔(BI)分离。从精馏塔(BI)塔顶出来的气氮(流股7)在过冷器(B7)中回收冷能。在过冷器(B7)中，热量在高纯氮气(流股7—流股8)、污氮(流股17—流股18)和回流的液氮(流股14 —流股15)之间实现交换。空分的产品包括:高纯的气氮(流股11)、污氮(流股19)、高纯度的气氧(流股22)以及高纯的液氧(流股20)。
[0004]这种超低压单塔深冷空分工艺采用了热泵精馏技术，增加了系统的耦合程度，给生产过程中的控制带来了很大的难题，为了能够实现新流程的工业应用，对其进行控制系统的设计是非常必要的。随着计算机技术的发展，运用计算机对工业流程进行仿真已成为科学研究的重要手段之一。通过空分流程的动态模拟分析空分流程的动态特性和响应，能够给流程的设计和控制提供重要的指导。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种可实现稳定高效运行的超低压单塔深冷空分过程控制系统。
[0006]本发明设有氧气浓度控制器、塔板温度控制器、精馏塔压力控制器、塔釜液位控制器、污氮侧线出料流量控制器、气氧出料流量控制器、污氮流量比值器、气氧流量比值器、氧气浓度控制器的执行器、精馏塔压力控制器的执行器、塔釜液位控制器的执行器、污氮出料流量控制器的执行器、气氧出料流量控制器的执行器以及超低压单塔深冷空分过程的测量装置；
[0007]所述超低压单塔深冷空分过程的测量装置设有氧气含量测量装置、塔板温度测量装置、塔压测量装置、污氮侧线出料流量测量装置、气氧出料流量测量装置、进料空气流量测量装置；
[0008]所述塔板温度控制器的给定值输入端接氧气浓度控制器的控制信号输出端，所述污氮侧线出料流量控制器的给定值输入端接污氮流量比值器的输出端，所述气氧出料流量控制器的给定值输入端接气氧流量比值器的输出端，所述氧气浓度控制器的被控信号输入端接氧气含量测量装置的输出端，所述塔板温度控制器的被控信号输入端接塔板温度测量装置的输出端，所述精馏塔压力控制器的被控信号输入端接塔压测量装置的输出端，塔釜液位控制器的被控信号输入端接塔釜液位测量装置的输出端，污氮侧线出料流量控制器的被控制信号输入端接污氮侧线出料流量测量装置的输出端，气氧出料流量控制器的被控制信号输入端接气氧出料流量测量装置的输出端，污氮流量比值器的控制信号输入端接进料空气流量测量装置的输出端，气氧流量比值器的控制信号输入端接进料空气流量测量装置的输出端，塔板温度控制器的控制信号输出端接氧气浓度控制器的执行器的输入端，精馏塔压力控制器的控制信号输出端接精馏塔压力控制器的执行器的输入端，塔釜液位控制器的控制信号输出端接塔釜液位控制器的执行器的输入端，污氮侧线出料流量控制器的控制信号输出接污氮侧线出料流量控制器的执行器的输入端，气氧出料流量控制器的控制信号输出接气氧出料流量控制器的执行器的输入端；
[0009]氧气浓度控制器的执行器接至精馏塔的氮气回流管道；精馏塔压力控制器的执行器接至精馏塔的氮气出料管道；塔釜液位控制器的执行器接至精馏塔的液氧出料管道；污氮侧线出料流量控制器的执行器接至精馏塔的污氮侧线出料管道；气氧出料流量控制器的执行器接至精馏塔的气氧出料管道；
[0010]氧气含量测量装置、塔板温度测量装置、塔压测量装置、塔釜液位测量装置的检测信号接入端分别接至精馏塔；污氮侧线出料流量测量装置的检测信号接入端接至精馏塔的污氮侧线出料管道；气氧出料流量测量装置的检测信号接入端接至精馏塔的气氧出料管道；进料空气流量测量装置的检测信号接入端接至精馏塔的空气进料管道。
[0011]所述氧气浓度控制器、塔板温度控制器、精馏塔压力控制器、塔釜液位控制器、污氮侧线出料流量控制器、气氧出料流量控制器均可采用智能仪表、PLC(可编程控制器)或计算机系统等。
[0012]所述氧气浓度控制器的执行器、精馏塔压力控制器的执行器、塔釜液位控制器的执行器、污氮出料流量控制器的执行器均可采用变频器、调节阀或电磁阀等。
[0013]所述氧气浓度控制器的给定值输入端、精懼塔压力控制器的给定值输入端、塔爸液位控制器的给定值输入端均可采用由人工设定数值的装置，如仪表面板或计算机键盘，用以接受操作人员根据工艺需要给出的工艺额定值。
[0014]本发明能够使超低压单塔深冷空分过程具有很好的抗干扰能力，从而实现深冷空分过程的稳定、高效运行。该控制系统有下述特点:1)进料空气流量测量装置、污氮流量比值器与污氮侧线出料流量控制器形成前馈控制结构；2)进料空气流量测量装置、气氧流量比值器与气氧出料流量控制器形成前馈控制结构；3)氧气浓度控制器的控制信号输出作为塔板温度控制器的给定值输入，塔板温度控制器的控制信号输出接至氧气浓度控制器的执行器，形成串级控制结构。【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明实施例的组成框图。
[0016]图2为本发明实施例在空气进料流量发生5%的阶跃变化时主要被控变量的响应。
【具体实施方式】
[0017]参见图1，本发明实施例设有氧气浓度控制器C、塔板温度控制器F、精馏塔压力控制器G、塔釜液位控制器H、污氮侧线出料流量控制器D、气氧出料流量控制器E、污氮流量比值器A、气氧流量比值器B、氧气浓度控制器的执行器K、精馏塔压力控制器的执行器L、塔釜液位控制器的执行器M、污氮出料流量控制器的执行器1、气氧出料流量控制器的执行器J以及超低压单塔深冷空分过程的测量装置。
[0018]所述超低压单塔深冷空分过程的测量装置设有氧气含量测量装置R、塔板温度测量装置S、塔压测量装置T、污氮侧线出料流量测量装置O、气氧出料流量测量装置P、进料空气流量测量装置Q。
[0019]所述塔板温度控制器F的给定值输入端SV接氧气浓度控制器C的控制信号输出端，所述污氮侧线出料流量控制器D的给定值输入端SV接污氮流量比值器A的输出端，所述气氧出料流量控制器E的给定值输入端SV接气氧流量比值器B的输出端，所述氧气浓度控制器C的被控信号输入端PV接氧气含量测量装置R的输出端，所述塔板温度控制器F的被控信号输入端PV接塔板温度测量装置S的输出端，所述精馏塔压力控制器G的被控信号输入端PV接塔压测量装置T的输出端，塔釜液位控制器H的被控信号输入端PV接塔釜液位测量装置U的输出端，污氮侧线出料流量控制器D的被控制信号输入端PV接污氮侧线出料流量测量装置O的输出端，气氧出料流量控制器E的被控制信号输入端PV接气氧出料流量测量装置P的输出端，污氮流量比值器A的控制信号输入端接进料空气流量测量装置Q的输出端，气氧流量比值器B的控制信号输入端接进料空气流量测量装置Q的输出端，塔板温度控制器F的控制信号uF输出端接氧气浓度控制器的执行器K的输入端，精馏塔压力控制器G的控制信号ue输出端接精馏塔压力控制器的执行器L的输入端，塔釜液位控制器H的控制信号uH输出端接塔釜液位控制器的执行器M的输入端，污氮侧线出料流量控制器D的控制信号uD输出接污氮侧线出料流量控制器的执行器I的输入端，气氧出料流量控制器E的控制信号uE输出接气氧出料流量控制器的执行器J的输入端。
[0020]氧气浓度控制器的执行器K接至精馏塔N的氮气回流管道S4 ;精馏塔压力控制器的执行器L接至精馏塔N的氮气出料管道S3 ;塔釜液位控制器的执行器M接至精馏塔N的液氧出料管道SI ;污氮侧线出料流量控制器的执行器I接至精馏塔N的污氮侧线出料管道S5 ;气氧出料流量控制器的执行器J接至精馏塔N的气氧出料管道S2。
[0021]氧气含量测量装置R、塔板温度测量装置S、塔压测量装置T、塔釜液位测量装置U的检测信号接入端分别接至精馏塔N ;污氮侧线出料流量测量装置O的检测信号接入端接至精馏塔N的污氮侧线出料管道S5 ;气氧出料流量测量装置P的检测信号接入端接至精馏塔N的气氧出料管道S2 ;进料空气流量测量装置Q的检测信号接入端接至精馏塔N的空气进料管道S6。
[0022]所述氧气浓度控制器C、塔板温度控制器F、精馏塔压力控制器G、塔釜液位控制器H、污氮侧线出料流量控制器D、气氧出料流量控制器E均可采用智能仪表、PLC (可编程控制器)或计算机系统等。
[0023]所述氧气浓度控制器的执行器K、精馏塔压力控制器的执行器L、塔釜液位控制器的执行器M、污氮出料流量控制器的执行器I均可采用变频器、调节阀或电磁阀等。
[0024]所述氧气浓度控制器C的给定值输入端SV、精懼塔压力控制器G的给定值输入端SV、塔釜液位控制器H的给定值输入端SV均可采用由人工设定数值的装置，如仪表面板或计算机键盘，用以接受操作人员根据工艺需要给出的工艺额定值。
[0025]污氮侧线出料流量控制器的执行器I是污氮侧线出料流量控制器D的执行器，接至污氮侧线出料管道S5，用以调节污氮出料流量；气氧出料流量控制器的执行器J是气氧出料流量控制器E的执行器，接至气氧出料管道S2，用以调节气氧产品流量；氧气浓度控制器的执行器K是塔板温度控制器F的执行器，接至氮气回流管道S4，用以调节氮气的回流量；精馏塔压力控制器的执行器L是精馏塔压力控制器G的执行器，接至氮气出料管道S3，用以调节气氮产品流量；塔釜液位控制器的执行器M是塔釜液位控制器H的执行器，接至液氧出料管道SI，用以调节液氧产品流量。
[0026]在氧气浓度控制器C、塔板温度控制器F、精馏塔压力控制器G、塔釜液位控制器H、污氮侧线出料流量控制器D、气氧出料流量控制器E中，被控信号测量值输入端口(PV端)输入被控信号的测量值，被控信号给定值输入端口(SV端)输入被控信号的给定值。在本发明中，污氮流量比值器A、气氧流量比值器B的输入端接入空气进料流量的测量值，通过优化控制算法分别输出污氮侧线出料流量控制器D、气氧出料流量控制器E的给定值信号，分别送入污氮侧线出料流量控制器D、气氧出料流量控制器E的SV端。氧气浓度控制器C的SV端输入信号是气氧产品纯度的额定值Ces (可由工艺需要设定)，PV端的输入信号是实测的气氧产品中氧气的含量，通过优化控制算法输出塔板温度控制器F的给定信号u。，送入塔板温度控制器F的SV端。污氮侧线出料流量控制器D的PV端输入信号为污氮侧线出料流量的测量值，经过优化控制算法计算输出控制信号uD送到污氮侧线出料流量控制器的执行器I，实现对污氮出料流量的控制。气氧出料流量控制器E的PV端输入信号为气氧产品出料流量的测量值，经过优化控制算法计算输出控制信号uE送到气氧出料流量控制器的执行器J，实现对气氧出料流量的控制。塔板温度控制器F的PV端输入信号为塔板(灵敏板)温度的测量值，经过优化控制算法计算输出控制信号％送到气氧浓度控制器的执行器K调节氮气的回流量，达到控制气氧中氧含量的目标。精馏塔压力控制器G的SV端输入信号是塔压的额定值Pes (由工艺确定)，PV端输入信号是实测的精馏塔内压力值，通过优化算法输出控制信号uG送到塔压控制器的执行器L，调节气氮产品出料流量，实现对塔压的控制。塔釜液位控制器H的SV端输入信号是塔釜液位的额定值Les (由工艺确定)，PV端输入信号是实测的塔釜液位，通过优化算法输出控制信号uH送到塔釜液位控制器的执行器M，调节液氧产品出料流量，实现对塔釜液位的控制。上述优化控制算法在实施例中采用常规PID算法或其它控制算法。
[0027]图2给出本发明实施例在Ih时刻空气进料流量发生5%的阶跃变化时主要被控变量的响应情况。由图2的实验结果可见，控制效果良好，在空气进料流量发生5%的阶跃变化时，气氮产品纯度、气氧产品纯度、塔压、塔釜液位和灵敏板温度都能得到很好的控制。
【权利要求】
1.超低压单塔深冷空分过程控制系统，其特征在于设有氧气浓度控制器、塔板温度控制器、精馏塔压力控制器、塔釜液位控制器、污氮侧线出料流量控制器、气氧出料流量控制器、污氮流量比值器、气氧流量比值器、氧气浓度控制器的执行器、精馏塔压力控制器的执行器、塔釜液位控制器的执行器、污氮出料流量控制器的执行器、气氧出料流量控制器的执行器以及超低压单塔深冷空分过程的测量装置； 所述超低压单塔深冷空分过程的测量装置设有氧气含量测量装置、塔板温度测量装置、塔压测量装置、污氮侧线出料流量测量装置、气氧出料流量测量装置、进料空气流量测量装置； 所述塔板温度控制器的给定值输入端接氧气浓度控制器的控制信号输出端，所述污氮侧线出料流量控制器的给定值输入端接污氮流量比值器的输出端，所述气氧出料流量控制器的给定值输入端接气氧流量比值器的输出端，所述氧气浓度控制器的被控信号输入端接氧气含量测量装置的输出端，所述塔板温度控制器的被控信号输入端接塔板温度测量装置的输出端，所述精馏塔压力控制器的被控信号输入端接塔压测量装置的输出端，塔釜液位控制器的被控信号输入端接塔釜液位测量装置的输出端，污氮侧线出料流量控制器的被控制信号输入端接污氮侧线出料流量测量装置的输出端，气氧出料流量控制器的被控制信号输入端接气氧出料流量测量装置的输出端，污氮流量比值器的控制信号输入端接进料空气流量测量装置的输出端，气氧流量比值器的控制信号输入端接进料空气流量测量装置的输出端，塔板温度控制器的控制信号输出端接氧气浓度控制器的执行器的输入端，精馏塔压力控制器的控制信号输出端接精馏塔压力控制器的执行器的输入端，塔釜液位控制器的控制信号输出端接塔釜液位控制器的执行器的输入端，污氮侧线出料流量控制器的控制信号输出接污氮侧线出料流量控制器的执行器的输入端，气氧出料流量控制器的控制信号输出接气氧出料流量控制器的执行器的输入端； 氧气浓度控制器的执行器接至精馏塔的氮气回流管道；精馏塔压力控制器的执行器接至精馏塔的氮气出料管道；塔釜液位控制器的执行器接至精馏塔的液氧出料管道；污氮侧线出料流量控制器的执行器接至精馏塔的污氮侧线出料管道；气氧出料流量控制器的执行器接至精馏塔的气氧出料管道； 氧气含量测量装置、塔板温度测量装置、塔压测量装置、塔釜液位测量装置的检测信号接入端分别接至精馏塔；污氮侧线出料流量测量装置的检测信号接入端接至精馏塔的污氮侧线出料管道；气氧出料流量测量装置的检测信号接入端接至精馏塔的气氧出料管道；进料空气流量测量装置的检测信号接入端接至精馏塔的空气进料管道。
2.如权利要求1所述超低压单塔深冷空分过程控制系统，其特征在于所述氧气浓度控制器、塔板温度控制器、精馏塔压力控制器、塔釜液位控制器、污氮侧线出料流量控制器、气氧出料流量控制器均采用智能仪表、可编程控制器或计算机系统。
3.如权利要求1所述超低压单塔深冷空分过程控制系统，其特征在于所述氧气浓度控制器的执行器、精馏塔压力控制器的执行器、塔釜液位控制器的执行器、污氮出料流量控制器的执行器均采用变频器、调节阀或电磁阀。
4.如权利要求1所述超低压单塔深冷空分过程控制系统，其特征在于所述氧气浓度控制器的给定值输入端、精馏塔压力控制器的给定值输入端、塔釜液位控制器的给定值输入端均采用由人工设定数值 的装置，所述由人工设定数值的装置采用仪表面板或计算机键盘，用以接受操作人 员根据工艺需要给出的工艺额定值。
【文档编号】G05D27/02GK103970168SQ201410212518
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】江青茵, 刘燕, 曹志凯, 周华, 师佳, 尤彪 申请人:厦门大学