本發(fā)明涉及的是一種氧氮精餾外壓縮空分設(shè)備的快速變負(fù)荷優(yōu)化控制方法，屬于空分設(shè)備自動化工程
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：原料空氣自吸入口吸入，經(jīng)自潔式空氣過濾器除去灰塵及其它機(jī)械雜質(zhì)，空氣經(jīng)過濾后在空氣透平壓縮機(jī)中壓縮至0.602MPa左右。經(jīng)空氣冷卻塔預(yù)冷，冷卻水分段進(jìn)入冷卻塔內(nèi),下段為循環(huán)冷卻水，上段為經(jīng)水冷塔冷水機(jī)組冷卻后的水。空氣自下而上穿過空氣冷卻塔，在冷卻的同時，又得到清洗?？諝饨?jīng)空氣冷卻塔冷卻后，溫度降至～17℃，然后進(jìn)入切換使用的分子篩純化器，空氣中的二氧化碳,碳水化合物及殘留的水蒸氣被吸附。分子篩純化器為兩只切換使用，其中一只工作時，另一只再生；純化器的切換周期約為240分鐘，定時自動切換?？諝饨?jīng)凈化后，由于分子篩的吸附熱，溫度升至24℃,然后分兩路：一路大部分空氣在主換熱器中與返流氣體(純氧、純氮、污氮、壓力氮等)換熱達(dá)到接近空氣液化溫度-173℃進(jìn)入下塔。另一路去增壓透平膨脹機(jī)增壓后進(jìn)入主換熱器，在其內(nèi)被返流冷氣體冷卻至-112℃時抽出空氣進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹制冷，最后送入上塔或旁通一部分。在下塔中，空氣被初步分離成氮和富氧液體空氣，頂部氣氮在主冷凝器中液化，同時主冷的低壓側(cè)液氧被氣化。部分液氮作為下塔回流液，另一部分液氮從下塔頂部引出，經(jīng)過冷器被純氣氮和污氣氮過冷并節(jié)流后送入輔塔上部作回流液。液空在過冷器中過冷后經(jīng)節(jié)流送入上塔中部作為回流液。純氣氧從上塔底部引出，并在主換熱器復(fù)熱后出冷箱送往用戶。污氮?dú)鈴纳纤喜恳?，并在過冷器及主換熱器中復(fù)熱后送往分餾塔外，部分作為分子篩純化器的再生氣體，其余部分去水冷塔作冷源。純氮?dú)鈴纳纤敳恳?，在過冷器及主換熱器中復(fù)熱后出冷箱，一部分送往水冷卻塔中作為冷源冷卻外界水，另一部分經(jīng)氮壓機(jī)加壓后送往用戶。產(chǎn)品液氧、液氮經(jīng)閥送入各自的貯槽。由于用戶生產(chǎn)過程用氧呈周期性、階段性、間歇式，導(dǎo)致空分設(shè)備生產(chǎn)負(fù)荷需要大幅度的變動(75％～110％)。通常，空分設(shè)備負(fù)荷調(diào)節(jié)是由操作人員根據(jù)設(shè)備溫度、壓力、液位、流量、產(chǎn)品純度、電流等測量值，在DCS中手動操作多個調(diào)節(jié)閥和執(zhí)行器開度，逐步實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化。在缺乏自動變負(fù)荷技術(shù)情況下，生產(chǎn)負(fù)荷往往不能及時調(diào)整，只能將多余的氧氣放空，導(dǎo)致氧氣放散量高，造成大量能耗與經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國鋼廠的氧氣放散率一般在5～12％，而放散率每降低1％可節(jié)約成本約200萬/年，具有巨大的節(jié)能潛力。如何綜合應(yīng)用先進(jìn)的過程建模、優(yōu)化和控制技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)氧氮精餾外壓縮空分設(shè)備的快速變負(fù)荷優(yōu)化控制方法，已成為當(dāng)今空分行業(yè)的一個迫切需求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種能有效減少快速變負(fù)荷過程中的過程變量波動范圍，降低氧氣放散率，實(shí)現(xiàn)空分設(shè)備節(jié)能降耗的氧氮精餾外壓縮空分設(shè)備的快速變負(fù)荷優(yōu)化控制方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種用于氧氮精餾外壓縮空分設(shè)備的快速變負(fù)荷優(yōu)化控制方法，所述的快速變負(fù)荷優(yōu)化控制方法是：采用大范圍工藝優(yōu)化與非線性預(yù)測控制相結(jié)合的兩層體系結(jié)構(gòu)，包含工藝優(yōu)化計(jì)算(RTO)和模型預(yù)測控制(MPC)兩個模塊；RTO模塊根據(jù)裝置的變負(fù)荷要求，通過空分低溫深冷工藝優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算出與負(fù)荷變化相關(guān)的過程變量的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)值，并送入到多變量預(yù)測控制MPC中；MPC模塊則在不違背設(shè)備約束與保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，逐步將裝置推向RTO計(jì)算所得到的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。進(jìn)一步地，所述的RTO模塊，首先采用基于回朔同倫的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化方法，離線求解出各個負(fù)荷需求下的最優(yōu)操作點(diǎn)，然后采用回歸方法建立負(fù)荷需求和最優(yōu)操作點(diǎn)之間的非線性模型，在線運(yùn)行時根據(jù)該非線性模型快速對應(yīng)負(fù)荷需求的最優(yōu)操作點(diǎn)。對于空分設(shè)備，目前氧氣提取率已經(jīng)接近設(shè)備極限，通過減少空氣量來降低能耗非常困難。因此，變負(fù)荷實(shí)時優(yōu)化模塊通過如下優(yōu)化命題，在保證設(shè)備安全和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，減少空氣進(jìn)料量的壓縮工，以降低空分設(shè)備能耗：minuk1FHPA+k2FMA+k3FTA]]>s.t.f(x,u,y,p)＝0g(x,u,y,p)≤0p＝{FGOX,FLIN}其中，f是空分設(shè)備的穩(wěn)態(tài)機(jī)理模型；g是空分設(shè)備的過程約束，如產(chǎn)品純度、設(shè)備約束等；y是空分設(shè)備的輸出變量；u是空分設(shè)備的輸入變量；p是空分設(shè)備的負(fù)荷變量，由FGOX和FLIN組成，其中FGOX是產(chǎn)品氧氣流量，F(xiàn)LIN是產(chǎn)品液氮流量；k1,k2和k3分別是高壓空氣，正流空氣和膨脹空氣的壓縮費(fèi)用。進(jìn)一步地，該方法具體包括以下步驟：(1)對產(chǎn)品氧氣流量FGOX和產(chǎn)品液氮流量FLIN,根據(jù)操作范圍大小，進(jìn)行離散化，構(gòu)成一個負(fù)荷工況二維網(wǎng)格；(2)對網(wǎng)格上的每一個負(fù)荷工況，采用基于回朔同倫的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化方法，離線求解出各個負(fù)荷工況下的最優(yōu)操作點(diǎn)；(3)采用回歸方法建立負(fù)荷工況{FGOX,FLIN}和最優(yōu)操作點(diǎn)之間的非線性模型(4)在線運(yùn)行時根據(jù)該非線性模型，實(shí)時得到對應(yīng)負(fù)荷工況的最優(yōu)操作點(diǎn)，并送入MPC模塊作為其IRV值。進(jìn)一步地，基于回朔同倫的空分設(shè)備穩(wěn)態(tài)優(yōu)化方法具體包括以下步驟：假設(shè)基礎(chǔ)負(fù)荷pbp，其最優(yōu)解為{x*(pbp),u*(pbp),y*(pbp)}。對于目標(biāo)負(fù)荷ptp，通過求解以下minuk1FHPA+k2FMA+k3FTA]]>s.t.f(x,u,y,p(t))＝0g(x,u,y,p(t))≤0p(t)＝pbp+t(ptp-pbp)ptp＝{FGOX,FLIN}一系列同倫問題實(shí)現(xiàn)：(1)令t0＝0,t＝1，{x0,u0,y0}＝{x*(pbp),u*(pbp),y*(pbp)}.(2)以{x0,u0,y0}為初值，求解上訴同倫優(yōu)化問題；(3)若優(yōu)化問題以最優(yōu)值{x*(p(t)),u*(p(t)),y*(p(t))}收斂，則跳到步驟4；否則,令t＝t0+(t-t0)/d，然后跳到步驟2；(4)若t<1,設(shè)置{x0,u0,y0}＝{x*(p(t)),u*(p(t)),y*(p(t))},t0＝t，t＝1；否則,以最優(yōu)值{x*(p(t)),u*(p(t)),y*(p(t))}結(jié)束；進(jìn)一步地，所述預(yù)測控制模塊，所述的MPC模塊，采用一個大控制器的結(jié)構(gòu)，覆蓋整個空分設(shè)備，包括空壓機(jī)、分子篩、膨脹機(jī)、上塔、下塔，解決空分設(shè)備的多變量耦合問題。產(chǎn)品流量既是控制器的被控變量，又是控制器的被控變量，使得控制器能夠根據(jù)設(shè)備的當(dāng)前工況調(diào)節(jié)變負(fù)荷速度，實(shí)現(xiàn)空分設(shè)備的主動物料平衡。本發(fā)明具有能有效減少快速變負(fù)荷過程中的過程變量波動范圍，降低氧氣放散率，實(shí)現(xiàn)空分設(shè)備節(jié)能降耗等特點(diǎn)。附圖說明圖1為空分變負(fù)荷兩層結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)的介紹：結(jié)合圖1所示，一種用于氧氮精餾外壓縮空分設(shè)備的快速變負(fù)荷優(yōu)化控制方法，所述的快速變負(fù)荷優(yōu)化控制方法是：采用大范圍工藝優(yōu)化與非線性預(yù)測控制相結(jié)合的兩層體系結(jié)構(gòu)，包含工藝優(yōu)化計(jì)算(RTO)和模型預(yù)測控制(MPC)兩個模塊。RTO模塊根據(jù)裝置的變負(fù)荷要求，通過空分低溫深冷工藝優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算出與負(fù)荷變化相關(guān)的過程變量的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)值，并送入到多變量預(yù)測控制MPC中；MPC模塊則在不違背設(shè)備約束與保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，逐步將裝置推向RTO計(jì)算所得到的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。本發(fā)明所述的RTO模塊，首先采用基于回朔同倫的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化方法，離線求解出各個負(fù)荷需求下的最優(yōu)操作點(diǎn)，然后采用回歸方法建立負(fù)荷需求和最優(yōu)操作點(diǎn)之間的非線性模型，在線運(yùn)行時根據(jù)該非線性模型快速對應(yīng)負(fù)荷需求的最優(yōu)操作點(diǎn)；對于空分設(shè)備，目前氧氣提取率已經(jīng)接近設(shè)備極限，通過減少空氣量來降低能耗非常困難；因此，變負(fù)荷實(shí)時優(yōu)化模塊通過如下優(yōu)化命題，在保證設(shè)備安全和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，減少空氣進(jìn)料量的壓縮工，以降低空分設(shè)備能耗：minuk1FHPA+k2FMA+k3FTA]]>s.t.f(x,u,y,p)＝0g(x,u,y,p)≤0p＝{FGOX,FLIN}其中，f是空分設(shè)備的穩(wěn)態(tài)機(jī)理模型；g是空分設(shè)備的過程約束，如產(chǎn)品純度、設(shè)備約束等；y是空分設(shè)備的輸出變量；u是空分設(shè)備的輸入變量；p是空分設(shè)備的負(fù)荷變量，由FGOX和FLIN組成，其中FGOX是產(chǎn)品氧氣流量，F(xiàn)LIN是產(chǎn)品液氮流量；k1,k2和k3分別是高壓空氣，正流空氣和膨脹空氣的壓縮費(fèi)用。本發(fā)明所述的快速變負(fù)荷優(yōu)化控制方法，具體包括以下步驟：1)對產(chǎn)品氧氣流量FGOX和產(chǎn)品液氮流量FLIN,根據(jù)操作范圍大小，進(jìn)行離散化，構(gòu)成一個負(fù)荷工況二維網(wǎng)格；2)對網(wǎng)格上的每一個負(fù)荷工況，采用基于回朔同倫的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化方法，離線求解出各個負(fù)荷工況下的最優(yōu)操作點(diǎn)；3)采用回歸方法建立負(fù)荷工況{FGOX,FLIN}和最優(yōu)操作點(diǎn)之間的非線性模型；4)在線運(yùn)行時根據(jù)該非線性模型，實(shí)時得到對應(yīng)負(fù)荷工況的最優(yōu)操作點(diǎn)，并送入MPC模塊作為其IRV值。本發(fā)明所述基于回朔同倫的空分設(shè)備穩(wěn)態(tài)優(yōu)化方法，它具體包括以下步驟：假設(shè)基礎(chǔ)負(fù)荷pbp，其最優(yōu)解為{x*(pbp),u*(pbp),y*(pbp)}。對于目標(biāo)負(fù)荷ptp，通過求解以下minuk1FHPA+k2FMA+k3FTA]]>s.t.f(x,u,y,p(t))＝0g(x,u,y,p(t))≤0p(t)＝pbp+t(ptp-pbp)ptp＝{FGOX,FLIN}一系列同倫問題實(shí)現(xiàn)：(1)令t0＝0,t＝1，{x0,u0,y0}＝{x*(pbp),u*(pbp),y*(pbp)}.；(2)以{x0,u0,y0}為初值，求解上訴同倫優(yōu)化問題，(3)若優(yōu)化問題以最優(yōu)值{x*(p(t)),u*(p(t)),y*(p(t))}收斂，則跳到步驟4；否則,令t＝t0+(t-t0)/d，然后跳到步驟2；(4)若t<1,設(shè)置{x0,u0,y0}＝{x*(p(t)),u*(p(t)),y*(p(t))},t0＝t，t＝1；否則,以最優(yōu)值{x*(p(t)),u*(p(t)),y*(p(t))}結(jié)束。本發(fā)明所述預(yù)測控制模塊采用一個大控制器的結(jié)構(gòu)，覆蓋整個空分設(shè)備，包括空壓機(jī)、分子篩、膨脹機(jī)、上塔、下塔，解決空分設(shè)備的多變量耦合問題；產(chǎn)品流量既是控制器的被控變量，又是控制器的被控變量，使得控制器能夠根據(jù)設(shè)備的當(dāng)前工況調(diào)節(jié)變負(fù)荷速度，實(shí)現(xiàn)空分設(shè)備的主動物料平衡。當(dāng)前第1頁1 2 3