专利名称：一种空分装置的自动变负荷多变量控制方法
一种空分装置的自动变负荷多变量控制方法技术领域
本发明属于空气分离控制工程技术领域，具体涉及空分生产过程中自动变负荷的优化控制方法。
背景技术：
在空分装置的内压缩工艺流程中，如
图1所示，原料空气经过一系列的压缩、净化、增压、膨胀和换热等操作环节后，进入下塔，在下塔进行初步分馏操作得到富氧液空，进一步的分馏则将富氧液空送入上塔来完成；经上塔的精馏，将获得产品液氧、液氮、氮气，其中液氩的提取是通过从上塔中下部抽取一定量的氩馏分，经两级粗氩塔和一级精氩塔精馏后获得；氧气则是通过将部分液氧送入主换热器中回收冷量后获得的。而在空分装置的生产过程中，外部管网对生产气体的需求常呈现周期性、阶段性、间歇式等特征，如转炉顶吹间断用氧的特点，会直接导致氧气管网负荷频繁变化。若空分装置的负荷不作相应调整，必然在氧气需求较低时，放散部分多余的氧气。据统计，近5年来我国钢铁企业氧气放散量平均值高达7% 12%，这种无功生产会造成大量的能耗与经济损失。由于空分装置具有流程复杂、耦合严重，以及大范围变负荷所产生的非线性等特点，人工变负荷操作存在工况难以稳定、组分波动较大等问题。因此，空分装置的自动变负荷技术成为当今空分行业的迫切需求。
目前，在空分装置变负荷控制过程中存在着一些瓶颈，给自动变负荷控制系统的顺利实现带了一定的困难。
首先，在空分装置中大量使用了热集成与物料再循环技术，使得空分装置具有典型的能量与物料高度耦合的特征。如上、下塔共用一个冷凝蒸发器；下塔液空一部分直接作为上塔中部回流液，另外一部分为粗氩塔冷凝器提供冷量，最后返回到空分上塔参与精馏， 形成了带有正反馈性质的能量与物料的内部循环，延缓了过程的整体动态响应。这些因素加大了空分变负荷操作难度，使得在变负荷过程中，不能单独对装置的各个单元进行调节， 故常规的PID控制难以胜任空分变负荷的控制。
其次，空分装置大范围变负荷会引起过程的非线性控制要求。由于空分生产过程的本质是非线性的，在空分装置大范围变负荷时，使得相应的过程控制从传统某一操作区域内的线性控制，转变为满足空分装置在大范围操作区域内要求的非线性控制。
再次，升、降负荷必然要对表征操作工况的变量进行相应改变，这就提出了这些变量变化目标的问题。这是因为在空分生产过程除了满足设备约束、产品纯度等基本控制要求以外，还存在装置的优化操作要求，然而在不同的负荷工况下，空分装置具有不同的操作条件使得生产的能耗最低。发明内容
针对目前空分行业缺乏一套有效的自动变负荷控制方案，本发明提供一种优化控制策略来实现装置自动变负荷的目标，它能够很好的适应空分装置自动变负荷操作的动态特性、强烈的非线性和回路之间的耦合性等工艺特点，实现自动变负荷过程中安全、效能地运行。
本发明解决其技术难点所采用的技术方案如下
一种空分装置的自动变负荷多变量控制方法，它包含三个部分
模块一、增益调度模块，是基于操作轨迹LPV模型的增益调度模块；
模块二、动态多变量模型预测控制模块，是基于LPV增益调度模块的预测控制系统；
模块三、工艺实时优化模块，是工艺的动态实时优化RTO模块；
该空分装置的自动变负荷多变量控制方法具体步骤如下
(1)模块三根据装置的变负荷要求，计算出与负荷变化相关的过程变量的最优稳态值，并送入到模块二中；
(2)模块一根据调度变量的当前值确定此时模块二控制器所采用的预测模型；
(3)模块二则在不违背设备约束与保证产品质量的前提下，逐步将装置推向模块三计算所得到的最优稳态工作点上。
所述模块一中，将与装置动态特性密切相关的空分负荷变量作为调度变量，且基于空分负荷变量操作轨迹LPV模型的非线性辨识方法建立符合调度机制的全局线性时变参数模型，从而来逼近变负荷过程的非线性特性。
所述全局线性时变参数模型为
只(t)= β {W)[G\ {q)Ul {t) + .+ Gl (q)um ⑴]
項2(w)[Gl (qX ⑴ +...+ Gl (q)um ⑴]
+L
权利要求
1.一种空分装置的自动变负荷多变量控制方法，其特征在于，它包含三个部分模块一、增益调度模块，是基于操作轨迹LPV模型的增益调度模块；模块二、动态多变量模型预测控制模块，是基于LPV增益调度模块的预测控制系统；模块三、工艺实时优化模块，是工艺的动态实时优化RTO模块；该空分装置的自动变负荷多变量控制方法具体步骤如下(1)模块三根据装置的变负荷要求，计算出与负荷变化相关的过程变量的最优稳态值， 并送入到模块二中；(2)模块一根据调度变量的当前值确定此时模块二控制器所采用的预测模型；(3)模块二则在不违背设备约束与保证产品质量的前提下，逐步将装置推向模块三计算所得到的最优稳态工作点上。
2.根据权利要求1所述的空分装置的自动变负荷多变量控制方法，其特征在于，所述模块一中，将与装置动态特性密切相关的空分负荷变量作为调度变量，且基于空分负荷变量操作轨迹LPV模型的非线性辨识方法建立符合调度机制的全局线性时变参数模型，从而来逼近变负荷过程的非线性特性。
3.根据权利要求2所述的空分装置的自动变负荷多变量控制方法，其特征在于，所述全局线性时变参数模型为只(0 = β)(q)u, (t) + ...+ Gl (q)um (0]+β·(qX (O + ·-.+ Gl(q)um⑴]+L+...+A^Ki ⑴]其中，Gij(Cu) (i = IL n,j = IL m)是输入变量Uj (t)到输出变量yi(t)的过程模型， 权函数片卜)(i = IL n, 1 = IL ρ)是调度负荷变量w(t)的非线性函数。
4.根据权利要求1所述的空分装置的自动变负荷多变量控制方法，其特征在于，所述模块二中，采用了大控制器结构来实现空分装置的变负荷控制功能，其覆盖范围包括上塔、 下塔、氩塔、空压机、增压机和膨胀机单元。
5.根据权利要求1所述的空分装置的自动变负荷多变量控制方法，其特征在于，所述模块二中，控制算法则采用改进的动态矩阵工业模型预测控制算法，它能使空分生产流程中物料与能量间实行解耦控制；所述变负荷控制器的控制序列为minJ ⑷=a"i’MW厶 MmM{k)ypM(k)-yXk)2+ Wt +Q\UM(k)-Us\l + \l,UM(k)ls· t· yPM(k) = yp0(k) + ADM(w)AUM(k) AUM(k)^ AUM(k) ^ AUM(k) + Um(k)Um(k) ^ UM(k) + 0 彡 λ (k)yPM - M^) ^ yPM (k) ^ yL· + M^)其中，yr(k)是空分变负荷被控变量的期望参考轨迹；、WM⑷是变负荷被控变量的操作硬约束；λ (k)是变负荷被控变量软约束的松弛变量； (k)-、 (k)+是空分调节变量的操作约束；US是调节变量期望的稳态输入值，它是由上层的实时优化计算所得的。
6.根据权利要求1所述的空分装置的自动变负荷多变量控制方法，其特征在于，模块三中，采用改进的同伦回溯实时优化方法来获得不同负荷工况下空分装置的最佳操作条件，使得变负荷过程的能耗最低；改进的同伦实时优化方法是利用负荷的改变来定义同伦参数S的S= Wtp_Wbp其中，Wbp、Wtp分别表示在标准状态和目标状态下调度变量的负荷值，W表示当前值。
7.根据权利要求1所述的空分装置的自动变负荷多变量控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中的过程变量包括高压空气流量、主通路空气流量、膨胀空气流量、液氧流量和氮气流量。
8.根据权利要求1所述的空分装置的自动变负荷多变量控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中的调度变量是氧气流量的当前值。
9.根据权利要求1所述的空分装置的自动变负荷多变量控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，模块二根据当前时刻各操作变量的测量值，计算各操作变量的变化量，根据各被控变量的当前测量值来校正其预测值，由预测控制算法依据控制性能指标，优化计算出各操作变量的最优控制增量，作为各控制回路的设定值。
全文摘要
本发明公开了一种空分装置的自动变负荷多变量控制方法，包含模块一、增益调度模块；模块二、动态多变量模型预测控制模块；模块三、工艺实时优化模块；具体步骤如下模块三根据装置的变负荷要求，计算出与负荷变化相关的过程变量的最优稳态值，并送入到模块二中；模块一根据调度变量的当前值确定此时模块二控制器所采用的预测模型；模块二则在不违背设备约束与保证产品质量的前提下，逐步将装置推向模块三计算所得到的最优稳态工作点上。本发明能够从根本上解决空分装置大范围变负荷过程中能量与物料的相互解耦、非线性控制等问题，实现不同工况间平滑、快速的过渡，保证空分装置变负荷操作的品质与速度。
文档编号G05B13/04GK102520615SQ20111044672
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者李华银 申请人:东方电气集团东方汽轮机有限公司, 四川东方电气自动控制工程有限公司