本发明涉及的是一种空气分离生产过程中空分装置的自动变负荷控制方法，属于空分装置自动化控制工程技术领域。
背景技术：
在空分装置的工艺流程中，原料空气经过一系列的过滤、压缩、预冷、净化、增压、膨胀和换热等操作环节后，进入下塔。空气经下塔初步精馏后，在下塔底部获得富氧液空，在下塔顶部获得纯液氮，并经由过冷器过冷后节流进入上塔；经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得液氧，并经液氧泵压缩后进入主换热器，复热后作为气氧产品出冷箱。部分液氧直接出冷箱作为液氧产品进入液氧储槽；从上塔顶部抽取液氮产品，进入液氮储槽；通过从主冷箱上塔中下部抽取一定量的氩馏分，经粗氩塔和精氩塔精馏后获得液氩产品，进入液氩储槽。
空气分离装置具有流程复杂、耦合严重等特点：首先，空分装置中大量使用热集成与物料再循环技术，使空分装置具有典型的能量与物料高度耦合的特征。如上塔与下塔共用一个冷凝蒸发器，又如下塔液空一部分直接作为上塔中部回流，另外部分为粗氩塔冷凝器提供冷量，最后返回空分上塔参与精馏；这些因素加大空分装置变负荷操作的难度。在变负荷过程中，不能单独对装置的各个单元进行调节。
其次，空分装置变负荷操作是一组关键工作点的动态调节过程，是生产过程从一个工况到另一个工况的过渡；但在升、降负荷过程中，用户确定仅是产品的产量，并没有确定目标工况其它关键过程变量的目标值，经验法无法预测，并且耗时较长，容易超调和振荡。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种主要解决空分装置变负荷过程中能量与物料的相互解耦、容易超调和振荡等问题，保证空分装置稳定和产品品质的前提下，实现不同工况间平滑、快速过渡的用于空分装置的自动变负荷控制方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种用于空分装置的自动变负荷控制方法，所述的自动变负荷控制方法包括以下步骤：
1）获取空分装置流程设计的各个工况、至少包含最小工况和最大工况下关键流程参数的pfd数据；
2）确定作为最终产品流量的变量：低压氧气产品流量lpog、低压氮气产品流量lpng、氩气产品流量arg、液氮产品流量nl；液氧产品流量ol；这些变量作为流程操作员变负荷过程中设定的目标值；
3）确定关键中间变量：airtot进冷箱空气量、nleq液化能力、airturb膨胀空气量、ngturb膨胀氮量、hpair高压空气量、hpalhp高压液空量；这些关键中间变量用来计算最终pid控制器的设定点；
4)确定参与自动变负荷的pid控制器：通过调节主压缩机入口导叶来控制空气流量fic1294、高压空气量hpairfic7418、再生污氮气流量fic1213、污氮气压力pic1626、高压液空fic1556、调节中压塔下段和低压塔上端的回流比的贫液回流fic1557、调节上塔顶部回流比和纯度的液氮回流fic1558、富氧液空液位lic1601、低压氮气流量fic1520、高压氮气流量fic1501、低压氧气流量fic1510、氩气流量fic1540、液氮气产品流量fic1630、fic1704粗液氩流量、中压氮气到精氩塔蒸发器流量fic1731、粗氩塔富氧液空液位lic1701；
5）通过拟合得到步骤2）和步骤3）中参数之间的、以步骤3）中变量为因变量，步骤2）中变量为自变量的拟合函数；
6）通过拟合得到步骤3）和步骤4）中参数之间的、以步骤4）中变量为因变量，步骤3）中变量为自变量的拟合函数；
7）针对同一个工艺参数不同工况下的工作点数据，通过多项式函数来插值各工作点模型，获得该工艺参数的变负荷线性变化轨迹；其中关键流量需要用组分去修正，液位需要限制在一定范围内，以使装置在稳定后生产的产品在空分装置稳定、纯度达标的前提下变换负荷；
8）自动变负荷的启动和停止需要满足一定的条件；
9）根据流程的不同，以上参数可以增加或减少。
作为优选：所述的步骤5）中，自变量和因变量的函数关系如下：
airtot=func(lpog,ol)，由不同工况下airtot、lpog、ol的参数值拟合得到函数，
粗氩塔进料的氧气含量用来修正airtot；
修正后的函数关系为airtot*=func(lpog,ol)+aic1716其中aic1716的修正量为airtot设计流量的+/-10%；
nleq=func(nl,ol,fic1704)表征生产液体产品的能力；
airturb=func(airtot,nleq)维持整体冷箱平衡；
ngturb=func(airtot,nleq)维持整体冷箱平衡；
hpair=fic7418生产低压氧气需要的高压空气量；
mpair=airtot–hpair中压空气量与高压空气量之和为进冷箱空气量；
hpalhp=hpair-fic1556高压空气膨胀后得到液体，部分进中压塔，另一部分进低压塔；调节去低压塔的流量以保持回流比，该股液化空气流量由fic1556调节低压塔的进料阀fv1556来控制；hpalhp仅仅为中间变量，不参与变负荷；
所述的步骤6中，粗液氩流量rsp[fic1704]=func(airtot)；
空气总量fic1294=func(airtot)+ia，其中ia仪表空气流量，一般为定值；
污氮气流量fic1213=func(airtot)；
污氮气压力pic1626=func(airtot,lpng)；
液空fic1556=func(airtot)；
贫液回流fic1557=func(airtot)；
液氮回流fic1558=func(airtot,mpng)；
富氧液空液位lic1601=func(airtot)，其中上、下限位为工业设计时的高、低报警设定点；
低压氮流量fic1520=lpng；
中压氮气流量fic1501=func(airtot)；
低压氧流量fic1510=lpog；
氩气流量fic1540=arg；
液氮流量fic1630=nl；
粗液氩流量fic1704=func(airtot)；
fic1731=func(fic1704)；
lic1701=func(airtot),其中上、下限位为工业设计时的高、低报警设定点；
空气膨胀机空气流量fic1530=airturb；
低压氮气1路流量fic1502=ngturb；
参与修正的成分分析测点：低压塔中部氧含量、粗氩塔中部氧含量，正向补偿；
顶部出口是粗液氩（cal），粗液氩被送入纯氩塔k11，粗液氩流量依据进入冷箱的空气总量计算，并由氩塔中段的纯度分析仪aic1705输出值来修正；
rsp[fic1704]*=func(airtot)+aic1705；
aic1705的修正范围为粗液氩的最大混合流量的+/-20%，因为氩塔的响应时间较长，所以参与组分分析修正的pid调整应当缓慢。
作为优选：所述的步骤7）中，操作速率：0.2%/min~0.33%/min，且每3~5分钟变化1%负荷；装置的运行可以根据气体和液体产品的需求来自动调整，通过设定某一工况下最终产品的流量，根据物料平衡，能量守恒来反推出该工况下的关键的中间参数，包括：进冷箱空气量、膨胀空气量、膨胀氮气量、中压空气量、高压空气量、高压液空量、液化能力；从而进一步推算出关键流程管线上的流量，关键容器的液位；通过pid控制器去控制阀门开度从而调节相应的流量、液位这些关键参数，以使装置在稳定后生产的产品在空分装置稳定、纯度达标的前提下变换负荷；
所述的步骤8）中，自动变负荷的启动条件是：
a)相关pid控制在自动状态；
b)空分装置运行稳定；
c)进冷箱空气量在正常范围；
d)气氧产品产量在正常范围；
e)参与修正的分析仪切换到相应的分析测点；
f)参与修正的pid控制器在自动状态；
-满足上述条件后，控制系统画面会显示“允许自动变负荷”提示，手动点击“自动变负荷投入按钮”；
自动变负荷的停止条件是：
a)空分装置停车；
b)进冷箱空气量超过范围；
c)气氧产品产量超过范围；
d)手动点击“自动变负荷解除按钮”。
本发明所述的自动变负荷控制方法不需要添加额外的软件和硬件，参与常规控制系统（dcs或plc）就可以实现；不需要复杂的控制即可实现不同工况间稳定、平滑、快速的自动变负荷过程；本发明主要解决空分装置变负荷过程中能量与物料的相互解耦、容易超调和振荡等问题，保证空分装置稳定和产品品质的前提下，实现不同工况间平滑、快速的过渡。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作详细的介绍：本发明所述的一种用于空分装置的自动变负荷控制方法，所述的自动变负荷控制方法包括以下步骤：
1）获取空分装置流程设计的各个工况（至少包含最小工况和最大工况）下关键流程参数的pfd数据；空分装置流程设计，多采用aspenplus或hysys等通用工艺流程模拟软件；
2）确定作为最终产品流量的变量：低压氧气产品流量lpog、低压氮气产品流量lpng、氩气产品流量arg、液氮产品流量nl；液氧产品流量ol；这些变量作为流程操作员变负荷过程中设定的目标值；
3）确定关键中间变量：airtot进冷箱空气量、nleq液化能力、airturb膨胀空气量、ngturb膨胀氮量、hpair高压空气量、hpalhp高压液空量；这些关键中间变量用来计算最终pid控制器的设定点；
4)确定参与自动变负荷的pid控制器：fic1294（通过调节主压缩机入口导叶来控制空气流量）、hpairfic7418高压空气量、再生污氮气流量fic1213、污氮气压力pic1626、fic1556高压液空、fic1557贫液回流（调节中压塔下段和低压塔上端的回流比）、fic1558液氮回流（调节上塔顶部回流比和纯度）、lic1601富氧液空液位、fic1520低压氮气流量、fic1501高压氮气流量、fic1510低压氧气流量、fic1540氩气流量、fic1630液氮气产品流量、fic1704粗液氩流量、fic1731中压氮气到精氩塔蒸发器流量、lic1701粗氩塔富氧液空液位；
5）通过拟合得到步骤2）和步骤3）中参数之间的，以步骤3）中变量为因变量，步骤2）中变量为自变量的拟合函数；
6）通过拟合得到步骤3）和步骤4）中参数之间的，以步骤4）中变量为因变量，步骤3）中变量为自变量的拟合函数；
7）针对同一个工艺参数不同工况下的工作点数据，通过多项式函数来插值各工作点模型，获得该工艺参数的变负荷线性变化轨迹；其中关键流量需要用组分去修正，液位需要限制在一定范围内，以使装置在稳定后生产的产品在空分装置稳定、纯度达标的前提下变换负荷；
8）自动变负荷的启动和停止需要满足一定的条件。
9）根据流程的不同，以上参数可以增加或减少。
本发明进一步的实施例是：所述的步骤5）中，自变量和因变量的函数关系如下：
airtot=func(lpog,ol)，由不同工况下airtot、lpog、ol的参数值拟合得到函数，
粗氩塔进料的氧气含量用来修正airtot；修正后的函数关系为airtot*=func(lpog,ol)+aic1716其中aic1716的修正量为airtot设计流量的+/-10%；
nleq=func(nl,ol,fic1704)表征生产液体产品的能力；
airturb=func(airtot,nleq)维持整体冷箱平衡（冷箱热量泄露、换热器热端温差已经送往各储槽的液体）；
ngturb=func(airtot,nleq)维持整体冷箱平衡（冷箱热量泄露、换热器热端温差已经送往各储槽的液体）；
hpair=fic7418生产低压氧气需要的高压空气量；
mpair=airtot–hpair中压空气量与高压空气量之和为进冷箱空气量；
hpalhp=hpair-fic1556高压空气膨胀后得到液体，部分进中压塔，另一部分进低压塔；调节去低压塔的流量以保持回流比，该股液化空气流量由fic1556调节低压塔的进料阀fv1556来控制；hpalhp仅仅为中间变量，不参与变负荷。
所述的步骤6中，粗液氩流量rsp[fic1704]=func(airtot)；
空气总量fic1294=func(airtot)+ia，其中ia仪表空气流量，一般为定值；
污氮气流量fic1213=func(airtot)；
污氮气压力pic1626=func(airtot,lpng)；
液空fic1556=func(airtot)；
贫液回流fic1557=func(airtot)；
液氮回流fic1558=func(airtot,mpng)；
富氧液空液位lic1601=func(airtot)，其中上、下限位为工业设计时的高、低报警设定点；
低压氮流量fic1520=lpng；
中压氮气流量fic1501=func(airtot)；
低压氧流量fic1510=lpog；
氩气流量fic1540=arg；
液氮流量fic1630=nl；
粗液氩流量fic1704=func(airtot)；
fic1731=func(fic1704)；
lic1701=func(airtot),其中上、下限位为工业设计时的高、低报警设定点；
空气膨胀机空气流量fic1530=airturb；
低压氮气1路流量fic1502=ngturb；
参与修正的成分分析测点：低压塔中部氧含量、粗氩塔中部氧含量，正向补偿；
顶部出口是粗液氩（cal）；粗液氩被送入纯氩塔k11；粗液氩流量依据进入冷箱的空气总量计算，并由氩塔中段的纯度分析仪aic1705输出值来修正；
rsp[fic1704]*=func(airtot)+aic1705；
aic1705的修正范围为粗液氩的最大混合流量的+/-20%；因为氩塔的响应时间较长，所以参与组分分析修正的pid调整应当缓慢；
进一步的实施例是：所述的步骤7）中，操作速率：0.2%/min~0.33%/min（每3~5分钟变化1%负荷）；
装置的运行可以根据气体和液体产品的需求来自动调整，通过设定某一工况下最终产品的流量（气氧、气氮、气氩、液氧、液氮、液氩等），根据物料平衡，能量守恒来反推出该工况下的关键的中间参数，例如：进冷箱空气量、膨胀空气量、膨胀氮气量、中压空气量、高压空气量、高压液空量、液化能力等；从而进一步推算出关键流程管线上的流量，关键容器的液位等，通过pid控制器去控制阀门开度从而调节相应的流量、液位等关键参数，以使装置在稳定后生产的产品在空分装置稳定、纯度达标的前提下变换负荷。
所述的步骤8）中，自动变负荷的启动条件是：
a)相关pid控制在自动状态；
b)空分装置运行稳定；
c)进冷箱空气量在正常范围；
d)气氧产品产量在正常范围；
e)参与修正的分析仪切换到相应的分析测点；
f)参与修正的pid控制器在自动状态；
-满足上述条件后，控制系统画面会显示“允许自动变负荷”提示，手动点击“自动变负荷投入按钮”；
自动变负荷的停止条件是：
a)空分装置停车；
b)进冷箱空气量超过范围；
c)气氧产品产量超过范围；
d)手动点击“自动变负荷解除按钮”。