空气分离设备控制的制作方法

空气分离设备控制的制作方法
【专利摘要】控制空气分离设备的方法和优化该设备生产的氩气产品的控制系统。连续地执行具有该设备的各塔、冷凝器再沸器、和氩回流冷凝器的模型的计算机程序。所述模型包含各塔内的各分离段的段模型，当组合模型时能够响应施加于该模型的输入变量而计算受控变量的当前值。受控变量用作控制器的输入，该控制器控制操纵变量使得受控变量经被选择用以优化氩气产品的生产的目标范围内；所述操纵变量包括空气分离设备的空气进料流的流量、从低压塔中取出的产品氧气流的流量、和粗氩气进料流的流量。
【专利说明】空气分离设备控制

【技术领域】
[0001]本发明涉及用于控制空气分离设备以使氩气产品的生产最大化的方法和控制系统。更具体地，本发明提供如下的方法和系统:其中对进料至空气分离设备的蒸馏塔的空气、产品氧气和粗氩气进料流的流量加以控制，使得废氮气流中的氩气浓度和进料至氩气塔的粗氩气进料流中的氮气浓度的估计浓度在使氩气产品的生产最大化的目标范围内。
[0002]

【背景技术】
[0003]氩气产品是通过利用在空气分离设备内进行的低温精馏从空气中分离氩气来生产。生产的氩气可以是粗氩气产品(通常对其进一步处理以除去氧气和氮气)、或者含有非常少量氧气的经纯化的氩气产品。
[0004]在被设计用于生产氩气的空气分离设备中，首先将空气压缩然后除去较高沸点的杂质，例如水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳和烃类。然后，将所得的经压缩和纯化的空气流通过与空气精馏产生的废气流和产品流进行间接热交换而冷却到适合于其在蒸馏塔系统内进行精馏的温度。该热交换是在热交换器(有时被称为主热交换器)中进行，其可以是具有正在被冷却的空气的平行流的一组热交换器、被再划分为热端和冷端、基于产品流的压力。
[0005]然后，在冷却至或接近其露点的温度后，将经压缩和净化的空气导入热连接到低压塔的在高压下操作的高压塔，然后导入低压塔。在高压塔中产生粗液氧塔底物(有时被称为釜液)和富氮蒸气塔顶馏出物。然后，在低压塔中将粗液氧流进一步精制，以产生富氧液体塔底物和富氮蒸气塔顶馏出物。使富氧液体塔底物部分气化同时使高压塔中产生的富氮蒸气冷凝，以形成用于两个塔的回流。通过在包含在塔内的塔板或填料中下降的液体相与上升的蒸气相之间的传质接触，而在任一塔中进行蒸馏。当液体相在低压塔内部下降时，到某一个点时，其变得富含具有与氧气有相似挥发性的氩气。在氩气浓度为最大值的点附近取出粗氩气流，然后导入氩气塔以便从氧气中分离出氩气并制备氩气产品。通常，从提取回流的一部分以液体氩气产品送至氩气塔。正如可以理解的，因为氩气是一种增值产品，所以期望通过控制空气分离设备而使氩气的生产最大化。
[0006]在US 4，784，677中，通过测量流向氩气塔的粗氩气进料流中的氮气浓度和废氮气流中的氧气含量控制氩气生产。基于此类测量来调节进料至低压塔的液氮回流的流量，以控制粗氩气进料流中的氮气含量。降低回流速率将降低氮气含量，反之亦然。这种控制的主要目的是防止氩气塔中的氮气含量过大，从而防止在氩气冷凝器中产生足以将流到氩气塔的回流冷凝而形成氩气产品的温度差。在极端情况下，氩气塔将会不运行并将其液体弃入其贮槽中或者送回低压塔中。这种控制方案的一个缺点是流到低压塔的回流中的变化不会立即改变粗氩气进料流中的氮气含量。此外，当减小流向低压塔的回流速率时，粗氩气进料流的流量也将被减小，继而导致氩气生产的减小。
[0007]在US 5，313，800中，不测量流到氩气塔的粗氩气进料中的氮气浓度。相反，通过获得在低压塔内在粗氧气进料点和抽出粗氩气进料的位置之间的温度测量值，而推导该浓度。该推导是从使温度测量与粗氩气进料流中的氮气浓度相互关联的数学模型中获得。基于这种估算的含量，可以控制流至氩气塔的流量。具体地，将来自高压塔的粗液氧气进料至氩气冷凝器并部分蒸发。将由于这种蒸发产生的蒸气相流和液体相流进料至低压塔。控制蒸气相流的流动以继而控制在氩气冷凝器内的压力，因此响应于粗氩气塔进料流中氮气含量的计算而控制流至氩气塔的进料速率。
[0008]US 7，204，101利用多变量控制器使氩气的生产最大化。该控制器是通过减小进料中的氧气浓度而使粗氩气塔进料中的氩气浓度最大化以优化氩气回收，同时防止氮气浓度超过可控制的最大值。该控制器是通过对例如氧气产品、粗氩气塔进料、由低压塔产生的氮气流、流至低压塔的氮气回流中的氧气浓度，和粗氩气进料流中的氮气浓度进行直接测量并且通过控制进料至蒸馏塔系统中的空气的量、来自低压塔的氧气产品流、流至低压塔的液氮回流和流到氩气塔的粗氩气流的流量而起作用。
[0009]此类型控制的问题是一旦在氩气产品中出现临界浓度的氮气，常常太迟而不能采取有效的控制措施来防止氩气塔关闭以及氩气生产损失。正如将在下文中讨论的，本发明合并了控制方法，该控制方法不依赖于任何此类直接测量，因而能够改善无须与现有技术控制系统一样传统的氩气生产控制，由此增加氩气的产量。
[0010]发明概述
在一个方面，本发明提供控制空气分离设备以优化氩气产品生产的方法。根据本发明的此方面，连续地执行某计算机程序。该计算机程序中编程有各高压塔、低压塔、氩气塔、可操作地与高压塔和低压塔关联的冷凝器再沸器、和连接到氩气塔的氩气回流冷凝器的各个的模型。该模型包含在各高压塔、低压塔和氩气塔内的各分离段的段模型，冷凝器再沸器和氩气回流冷凝器各由单段模型组成。段模型通过在段模型之间的内部蒸气流和液体流而彼此连接，包含段模型的模型通过外部蒸气流和液体流而彼此连接，所述外部蒸气流和液体流流至和流出位于各高压塔、低压塔和氩气塔的进料和抽出位置处的段模型。
[0011]在计算机程序的各次执行期间，通过利用内部和外部蒸气流量以及液体流量进行段模型的动态物料平衡、蒸气-液体平衡计算和能量平衡计算，而响应于操纵变量计算出受控变量的当前值。受控变量包括为在低压塔内的段模型计算的与粗氩气进料流中的氮气浓度直接相关的量，或者粗氩气进料流中的氮气浓度。操纵变量包括流到空气分离设备的空气进料流、从低压塔中取出的产品氧气流和粗氩气进料流的一组流量。
[0012]将由模型计算的受控变量的当前值输入控制器，控制器从受控变量的当前值来计算操纵变量，这将产生具有在控制器中预设的使氩气产品的产率最大化的目标范围内的浓度值的受控变量。对在空气分离设备内的操纵变量进行控制以具有由控制器所计算的一组流量。
[0013]可以配置所述模型以计算工艺流的氧气浓度并且能够进行调整以使利用所述模型计算的氧气浓度与空气分离设备内部的氧气浓度测量值之间的差别最小化。因此，可以确保受控变量当前值的计算准确度。在该实施方式中，所述工艺流包含:从低压塔中抽出的产品氧气流和废氮气流、进料至低压塔的氮气回流流、从低压塔进料至氩气塔的粗氩气进料流、由氩气塔生产的包含在氩气产品流中的氩气产品。在计算机程序的各次执行期间，对模型进行调整以使工艺流的测量的与计算的氧气浓度之间的差别最小化。
[0014]蒸气-液体平衡计算计算出在各段模型内的平衡蒸气相组成。在计算出平衡蒸气相组成之后，通过将平衡蒸气相组成所确定的蒸气相氧气浓度乘以分离调整因子而对所述模型进行调整，以产生经调整的蒸气相氧气浓度。氮气浓度也是从平衡蒸气相组成确定，并且将其与经调整的蒸气相氧气浓度一起用于计算出氩气浓度，使得在各段模型中的氧气、氮气和氩气的摩尔分数的总和等于1.0。将常用分离调整因子用于位于各塔段(columnsect1n)的段模型中，所述塔段限定为在各高压塔、低压塔和氩气塔的进料和抽出位置之间。计算出常用分离调整因子，使得在各塔段端部的测量的氧气浓度与计算的氧气浓度之间的差最小化。
[0015]在另一方面，本发明提供用于控制空气分离设备以优化氩气产品生产的控制系统。根据本发明的此方面，提供一种计算机程序，该计算机程序中编程有各高压塔、低压塔、氩气塔、可操作地与高压塔和低压塔关联的冷凝器再沸器、和连接到氩气塔的氩气回流冷凝器中的模型。所述模型包含在各高压塔、低压塔和氩气塔中的各分离段的段模型，冷凝器再沸器和氩气回流冷凝器各由单段模型组成。段模型通过在段模型之间的内部蒸气流和液体流彼此连接，包含段模型的模型通过外部蒸气流和液体流而彼此连接，所述外部蒸气流和液体流流到和流出位于各高压塔、低压塔和氩气塔的进料和抽出位置处的段模型。
[0016]将计算机程序配置成在计算机程序的各次执行期间，通过利用内部和外部蒸气流量和液体流量进行段模型的动态物料平衡、蒸气-液体平衡计算和能量平衡计算，而响应于操纵变量计算出受控变量的当前值。受控变量包括为在低压塔内的段模型计算的与粗氩气进料流中的氮气浓度直接相关的量，或者粗氩气进料流中的氮气浓度。操纵变量包括流到空气分离设备的空气进料流、从低压塔中取出的产品氧气流和粗氩气进料流的一组流量。
[0017]提供由所述模型计算的受控变量的当前值作为输入的控制器。配置该控制器以基于受控变量的当前值计算操纵变量，这将产生具有在控制器中预设的将使氩气产品的氩气产品产率最大化的目标范围内的浓度值的受控变量。提供一种装置用于控制空气分离设备内的操纵变量以获得由控制器计算的一组流量。
[0018]可以设计计算机程序以对在空气分离设备内部测量的工艺流的氧气浓度作出响应，并设置所述模型以计算工艺流的氧气浓度并且能够进行调整以使所述模型计算的氧气浓度与空气分离设备内测量的氧气浓度之间的差别最小化。这将确保受控变量当前值的计算准确度。所述工艺流包括:从低压塔中排放的产品氧气流和废氮气流、进料至低压塔的氮气回流流、从低压塔进料至氩气塔的粗氩气进料流、包含在由氩气塔生产的氩气产品流中的氩气产品。设置计算机程序使得在其各次执行期间，对模型进行调整以使工艺流的测量的与计算的氧气浓度之间的差别最小化。
[0019]就所述模型的调整而言，可以将计算机程序编程为使得蒸气-液体平衡计算计算出在各段模型内的平衡蒸气相组成。在计算出平衡蒸气相组成之后，通过将平衡蒸气相组成所确定的蒸气相氧气浓度乘以分离调整因子而对所述模型进行调整，以产生经调整的蒸气相氧气浓度，然后氮气浓度也是从平衡蒸气相组成确定，并且将其与经调整的蒸气相氧气浓度一起使用以计算出氩气浓度，使得在各段模型中的氧气、氮气和氩气的摩尔分数的总和等于1.0。将常用分离调整因子用于位于各塔段(column sect1n)的段模型中，所述塔段限定为在各高压塔、低压塔和氩气塔的进料和抽出位置之间。计算出常用分离调整因子，使得在各塔段端部的测量的氧气浓度与计算的氧气浓度之间的差最小化。
[0020]控制器可以是模型预测控制器。此外，控制装置可以是一组控制阀以及与各控制阀关联的PID控制器。PID控制器连接到二级控制器，使得由二级控制器计算的操纵变量是PID控制器的目标值。
[0021]在本发明的任一方面，受控变量可以包括粗氩气进料流中的氮气浓度、和废氮气流中的氩气浓度。
[0022]

【专利附图】

【附图说明】
[0023]尽管后附权利要求书的本说明书中明确地指出 申请人:认为是其发明的主题，但一般认为结合附图将更好地理解本发明，其中:图1是设计用于生产氩气产品且由根据本发明的方法控制的空气分离设备的示意图。
[0024]图2是本发明的控制系统的示意图。
[0025]图3是适用于图1中所示的任意塔且根据本发明而建模的单个分离段的示意图。
[0026]图4是用于图2所示的控制系统并与图1所示的空气分离设备结合使用以优化氩气产品生产的计算机程序的逻辑流程图。
[0027]

【具体实施方式】
[0028]参照图1，设计图中所示的空气分离设备I用于生产作为氩气产品流112从空气分离设备I中排放的氩气产品。氩气产品流112通常具有约98%的纯度，因此是粗氩气产品，其中氧气和氮气必须用本领域已知的下游工艺除去。然而，应理解的是，图示的空气分离设备I只是为了示例性目的，因此本发明并不受限于图示的设备。例如，可以设计空气分离设备I以生产含有小于2 ppm的氧气和氮气杂质的気气产品。在这种情况下,IS气塔将会由两个塔组成，这两个塔都具有足够的分离段用于生产此产品。图1中未示出本发明的控制系统，使得可以更容易地理解图示的空气分离设备I的运行。但是，这种控制系统具体地示于图2和图4中，并且包含图1中示出的重要元件。
[0029]在空气分离设备I中，进入的进料空气流10在主空气压缩机12中被压缩，然后分成第一和第二压缩空气流14和16。尽管未图示出，但通常将后冷却器直接设置在主空气压缩机12的下游用以除去压缩热，并且预净化单元将会直接位于具有用于除去较高沸点污染物(例如水分、二氧化碳和烃类)的吸收床的后冷却器的下游。第一压缩空气流14在主热交换器18中冷却，主热交换器18通常是由钎焊的铝板翅片构造所构成。尽管图示主热交换器为单个单元，但通常它将会被划分成并行单元并且进一步被再划分为较热和较冷的热交换器。在任何情况下，将第一压缩空气流14导入高压蒸馏塔20的底部，并且将第二压缩空气流16导入装载涡轮的增压压缩机装置22。装载涡轮的增压压缩机装置22具有用于进一步压缩第二压缩空气流16的增压压缩机24、用于除去压缩热的后冷却器26、和驱动增压压缩机24并产生冷排气流(cold exhaust stream)30的润轮膨胀机28。将冷排气流30导入低压塔32中从而对空气分离设备I实施制冷。
[0030]指定高压塔20和低压塔32为高压塔20在高于低压塔32的压力下操作。通常，高压塔20在5.5巴的压力下操作，低压塔32在约1.25巴的压力下操作。高压塔20与将在下文中论述的冷凝器再沸器34热连接。高压塔20具备传质接触元件36和38，低压塔32具备传质接触元件42、44、46、48、50、52、54、56和58。正如本领域中众所周知的，所有的上述元件可以由结构化填料、塔板和无序堆积的填料或者此类元件的组合构成。它们的目的是让特定混合物的上升蒸气相和下降液体相接触以在这种塔中精制。例如，在将第一压缩空气流14导入高压塔20后开始形成上升的蒸气相，该上升的蒸气相当其上升经过传质接触元件36和38时通过与下降的液体相接触而变得更加富含氮气，所述下降的液体相变得更富含氧气从而形成粗液氧塔底物60。由粗液氧塔底物60所组成的粗液氧流62在低压塔32中进一步精制，以形成在低压塔32内的富氧液体塔底物64。
[0031]高压塔20中所形成的蒸馏产生富氮气蒸气塔顶馏出物。由富氮气蒸气塔顶馏出物组成的富氮气蒸气流66在冷凝器再沸器34中冷凝以形成富氮液体流68，其被分成回流流70和72，以回流到高压塔20和低压塔32，由此在这种塔中引发形成下降的液体相。该冷凝通过与富氧液体塔底物64进行间接热交换完成，将所述富氧液体塔底物64部分气化以在低压塔32内形成上升的蒸气相。产品氮气流74、废氮气流76和产品氧气流78均是从低压塔32中取出，并通过与第一压缩空气流14的间接热交换在主热交换器18内加热。回流流72的部分可以任选地以高压产品氮气流80释放出。粗氩气进料流82也从低压塔32中取出并且导入氩气塔84以进一步精制并随后生产氩气产品流112。
[0032]氩气塔84也具备上述类型的传质接触元件86、88、90、92和94，以进行粗氩气进料流82的精馏并由此制备氩气产品流112。在氩气塔84内产生富氩气蒸气塔顶馏出物，并且将由这种塔顶馏出物组成的富氩气蒸气流96取出，将该富氩气蒸气流优选地划分成氩气排出流98和次级富氩气蒸气流100。将氩气排出流98排出以防止氮气在氩气冷凝器102内部蓄积。次级富氩气蒸气流100在氩气冷凝器102中冷凝。氩气冷凝器102具备容纳在壳体106中的芯部104，以产生富氩液体流108，富氩液体流108被划分为流到氩气塔84的富氩液体回流流110、和氩气产品流112。在氩气塔84中产生含氧液体塔底物114并且将由这种塔底物组成的含氧气流116回流到低压塔32。将粗液氧气流62直接导入氩气冷凝器102的壳体106中以提供在氩气冷凝器102中的热交换功能从而使次级富氩气蒸气流100冷凝。冷凝使第二次级粗液氧气流120部分气化，以产生在壳体106内部的贮槽液(sump liquid) 122和蒸气相。将由蒸气相所组成的蒸气相流124从壳体106中取出并且也将由贮槽液122组成的液体相流126从壳体106中取出，将这两种流导入低压塔32。以这种方式，将粗液氧气流导入低压塔32中用于进一步精制同时在氩气冷凝器102内进行热交换功能。
[0033]由图2中所示的控制系统2控制空气分离设备I使得氩气产品流112中的氩气产率最大化。控制系统2连接到控制器202 (优选地是模型预测控制器)，使用计算机程序200。计算机程序200生成通常由箭头203所表示的受控变量(“CV”)，这些受控变量是废氮气流76中的氩气浓度和粗氩气进料流82中的氮气浓度。对计算机程序200的输入是高压塔20、低压塔32和氩气塔84的导入和抽出流中的部分的流量、温度和压力以及这些流中的部分的氧气浓度的各种设备测量。这些输入通常是由箭头204表示。另外，设备设计信息也是输入，通常由箭头205表示。在这方面，有可能计算机程序200预编程有此类设备设计信息。将在下文中对输入204和205进行更具体的论述。控制器202利用受控变量203产生通常由箭头206表示的操纵变量，设定这些操纵变量为使得受控变量203在目标范围内，该目标范围将确保在氩气产品流112中回收的氩气将被优化以用于空气分离设备I的当前操作。将目标范围预编程于控制器中。处于最小值的操纵变量206是空气进料流10、产品氧气流78、和粗氩气进料流82的一组流量。这些操纵变量是由用于进料空气流10的进口导流叶片207、用于产品氧气流78的控制阀208、和用于粗氩气进料流82的控制阀209所控制。此外，可以控制其它操纵变量，即由阀210所控制的回流流78的流量、和由阀212所控制的产品氩气流112的流量。虽然控制器202可以直接地控制阀207-212，但优选地这些阀是由已知的被称为“PID”控制器的比例积分微分控制器214、216、218、220和222所控制。控制器202设定分别经过这些阀的流量的目标值，控制器214-222提供用于调节这些阀的开度的信号，因此分别由流量计228、248、250、238和258感测相关流量。
[0034]如上所述，控制器202是模型预测控制器。这种控制器的使用在本领域是众所周知的，并且包括通过进行操纵变量的阶跃变化并观察设备测量的响应得到的跃阶响应模型。模型预测控制器利用这些跃阶响应模型来计算操纵变量的值，这些操纵变量将受控变量维持在用于稳定操作的规定范围内。作实例，这种控制器可以是DMCPLUS控制器，其可以从美国马萨诸塞州Burlington的Aspen Technology有限公司获得。正如可以理解的，也可以是PID控制，但将会导致复杂阵列的控制器。就粗氩气进料流82中的目标氮气浓度范围而言，基于增加氮气时这种流中的氩气浓度也将增加的事实来选择这种范围。然而，如果氮气浓度增大过多，氮气将积聚在氩气塔84的顶部并减小横跨氩气冷凝器102的温度差。这将具有减小流向氩气塔84的回流的效果，因为待冷凝的富氩气蒸气流96由于增加的氮气出现而将比从高压塔底部提供的液相粗氧气流62更冷。设定废氮气流中氩气浓度的目标范围使得可用于粗氩气进料流82的氩气最大化。受控变量的目标范围取决于特定的设备设计，并且在任何给定的设备设计中会随着时间推移而变化。然而，在所有情况下，用于这种范围的精确值将通过实验来确定。
[0035]就操纵变量而言，进料空气流10的流量减小也将减小废氮气流76中氩气的量。然而，这也将减小低压塔32中的氮气流量，从而实现低压塔中液体/蒸气比率的增加，并因此促进粗氩气进料流82中氮气浓度的增加。减小粗氩气进料流82的流量将减小这种流中的氮气浓度，反之亦然。产品氧气流的流量增加将增加粗氩气进料流82中的氮气浓度并减小废氮气流76中的氩气浓度。如果减小氩气产品流112的流量，那么氩气产品流112中的氧气浓度也将减小。如果增加回流流70的流量，那么废氮气流76中的氩气浓度将减小，由此增加氩气回收或产量。
[0036]又一个可能的操纵变量是如本领域中众所周知的，通过控制涡轮膨胀机28的速度或喷嘴位置来控制经过涡轮膨胀机28的流量。这种流量的增加也将增加粗氩气进料流82中的氮气并减小废氮气流76中的氩气浓度。其它可能的控制手段是向塔中加入液氮或者从冷凝氮气流68中抽出的液氮。液氮的加入将降低废氮气流76中的氩气浓度并增加粗氩气进料流82中的氮气浓度。液氮产品产量的增加将增大废氮气流76中的氩气浓度并减小粗氩气进料流82中的氩气浓度。
[0037]计算机程序200包含高压塔20、低压塔32和氩气塔84以及冷凝器再沸器34以及氩气冷凝器102的模型。这些模型包括在各塔中所执行的各分离段的段模型。可以利用分离调整因子以将要论述的方式对这些段模型继而对每个塔的总模型进行调整。冷凝器再沸器34和氩气冷凝器102和它们的贮槽被单独地建模成单段模型，或者换言之，单独的蒸气液体平衡段。
[0038]在塔的模型中，利用图3中所示的段模型对各分离段进行建模。对各段模型计算动态物料平衡，进行蒸气液体平衡关联，并且计算稳态能量平衡。各段模型计算所有外部和内部液体流和蒸气流或者进入或离开该段的流的流组成，以及此类流的流量、温度和压力。例如，各段之间的内部流是“蒸气流入”、“蒸气流出”、“液体流入”和“液体流出”。外部流，如果有的话，是“进料液体”、“进料气体”、以及“抽出液体”和“抽出气体”，这些均是由特定塔的进料和抽出而形成。就这点而言，特定段模型的“液体流出”的内部流可以是流到另一个塔的外部流，因此是特定段模型的外部流。塔20、32和84分别具有通过计算(例如McCabe-Thiele图)所确定的若干分离段。每个传质接触元件(例如容纳在高压塔20的填料段36和38中的传质接触元件)具有若干个这种分离段，这种分离段是进一步由考虑所采用的具体传质接触元件的设计信息所确定，并且这种数据构成部分的设备设计信息205，该设备设计信息205用作计算机程序200的输入。
[0039]对本领域技术人员而言均为已知的动态物料平衡、蒸气液体平衡相关性、和稳态能量平衡的计算，将会被用于蒸馏塔的设计。从动态物料平衡开始，液相第i成分的物料平衡，例如“i”可以被设定为等于1(氩气)、2(氧气)和3(氮气)。可以将各段的动态物料平衡写成以下方程式:

【权利要求】
1.控制空气分离设备以优化氩气产品生产的方法，所述方法包括: 连续地执行计算机程序，所述计算机程序编程有各高压塔、低压塔、氩气塔、可操作地与所述高压塔和所述低压塔关联的冷凝器再沸器、和连接至所述氩气塔的氩气回流冷凝器的模型； 所述模型包含在各所述高压塔、所述低压塔和所述氩气塔内的各分离段的段模型，所述冷凝器再沸器和所述氩气回流冷凝器各由单段模型组成； 所述段模型通过所述段模型之间的内部蒸气流和液体流彼此连接，包含所述段模型的所述模型通过外部蒸气流和液体流彼此连接，所述外部蒸气流和液体流流至和流出位于各所述高压塔、所述低压塔和所述氩气塔的进料和抽出位置的所述段模型； 在所述计算机程序的各次执行期间: 对于所述段模型，通过使用所述内部和外部蒸气流和液体流进行动态物料平衡、蒸气-液体平衡计算、和能量平衡计算而响应于操纵变量计算受控变量的当前值，所述受控变量包括为所述低压塔内的所述段模型计算的与所述粗氩气进料流中的氮气浓度直接相关的量或者所述粗氩气进料流中的所述氮气浓度，所述操纵变量包括所述空气分离设备的空气进料流、从所述低压塔中取出的产品氧气流、和所述粗氩气进料流的一组流量；和将所述模型计算的所述受控变量的当前值输入控制器中并在所述控制器中从所述受控变量的所述当前值计算所述操纵变量，这将导致具有在所述控制器中预设的、使所述氩气产品的氩气产品产率最大化的目标范围内的浓度值的受控变量；和 控制在所述空气分离设备内的所述操纵变量以获得由所述控制器计算的所述组流量。
2.权利要求1所述的方法，其中所述受控变量包括所述粗氩气进料流中的所述氮气浓度和在所述废氮气流中的氩气浓度。
3.权利要求1所述的方法，其中: 配置所述模型以计算工艺流的氧气浓度并且能够进行调整以使由所述模型计算的氧气浓度与在所述空气分离设备内的所述氧气浓度测量值之间的差最小化，从而确保所述受控变量的所述当前值的计算精度； 所述工艺流包含从所述低压塔中排出的产品氧气流和废氮气流、进料至所述低压塔的氮气回流流、从所述低压塔进料至所述氩气塔的粗氩气进料流、和由所述氩气塔生产的氩气产品流中包含的所述氩气产品；和 在所述计算机程序的各次执行期间对所述模型进行调整，以使所述工艺流的测量的与计算的氧气浓度之间的差最小化。
4.权利要求3所述的方法，其中: 所述蒸气液体平衡计算计算出在各段模型内的平衡蒸气相组成； 在计算出所述平衡蒸气相组成之后，通过将从所述平衡蒸气相组成确定的蒸气相氧气浓度乘以分离调整因子而对所述模型进行调整以生成经调整的蒸气相氧气浓度，然后将也从所述平衡蒸气相组成确定的氮气浓度与经调整的蒸气相氧气浓度一起用于计算氩气浓度，使得在各段模型内的所述氧气、氮气和氩气的摩尔分数的总和等于1.0 ； 将常用分离调整因子用于位于各塔段内的所述段模型，所述塔段限定于各所述高压塔、所述低压塔和氩气塔的进料和抽出位置之间；和 计算所述常用分离调整因子，使得在各塔段端部的所述测量的氧气浓度与所述计算的氧气浓度之间的差最小化。
5.用于控制空气分离设备以优化氩气产品生产的控制系统，所述控制系统包含: 计算机程序，其编程有各所述高压塔、所述低压塔、所述氩气塔、可操作地与所述高压塔和所述低压塔关联的冷凝器再沸器、以及连接到所述氩气塔的氩气回流冷凝器的模型；所述模型，其包含各所述高压塔、所述低压塔和所述氩气塔内的各分离段的段模型，所述冷凝器再沸器和所述氩气回流冷凝器各自是由单段模型组成； 所述段模型通过在所述段模型之间的内部蒸气流和液体流彼此连接，和包含所述段模型的所述模型通过外部蒸气和液体流彼此连接，所述外部蒸气流和液体流流至和流出位于各所述高压塔、所述低压塔和所述氩气塔的进料和抽出位置的所述段模型； 所述计算机程序，配置其使得在所述计算机程序的各次执行期间，通过利用所述内部和外部蒸气流和液体流进行所述段模型的动态物料平衡、蒸气-液体平衡计算和能量平衡计算，而响应于操纵变量来计算受控变量的当前值，所述受控变量包括为所述低压塔内的所述段模型计算的与所述粗氩气进料流中的氮气浓度直接相关的量或者所述粗氩气进料流中的所述氮气浓度，并且所述操纵变量包括流至所述空气分离设备的空气进料流、从所述低压塔中取出的产品氧气流、和所述粗氩气进料流的一组流量； 控制器，其具有由所述模型计算的所述受控变量的所述当前值作为输入，并且配置所述控制器以从所述受控变量的所述当前值计算所述操纵变量，以致使所述受控变量具有在所述控制器中预设的、将使所述氩气产品的氩气产品产率最大化的目标范围内的浓度值；和 装置，其用于控制所述空气分离设备内的所述操纵变量，以具有由所述控制器计算的所述组流量。
6.权利要求5所述的控制系统，其中所述受控变量包括所述粗氩气进料流中的所述氮气浓度和所述废氮气流中的氩气浓度。
7.权利要求5所述的控制系统，其中: 所述计算机程序也对在所述空气分离设备内测量的工艺流的氧气浓度作出响应，并配置所述模型以计算工艺流的氧气浓度并能够对其进行调整以使由所述模型计算的所述氧气浓度与所述空气分离设备内的所述氧气浓度测量值之间的差最小化，从而确保所述受控变量的所述当前值的计算精度；和 所述工艺流包括:从所述低压塔中排出的产品氧气流和废氮气流、进料至所述低压塔的氮气回流流、从所述低压塔进料至所述氩气塔的粗氩气进料流、和由所述氩气塔生产的氩气产品流中包含的所述氩气产品；和 配置所述计算机程序以在其各次执行期间调整所述模型，以使所述工艺流的所述测量的与计算的氧气浓度之间的差最小化。
8.权利要求7所述的系统，其中编程所述计算机程序使得: 所述蒸气液体平衡计算计算出在各段模型内的平衡蒸气相组成； 在计算出所述平衡蒸气相组成之后，通过将基于平衡蒸气相组成确定的蒸气相氧气浓度乘以分离调整因子对所述模型进行调整以生成经调整的蒸气相氧气浓度，然后将也基于所述平衡蒸气相组成确定的氮气浓度与所述经调整的蒸气相氧气浓度一起用于计算所述氩气浓度，使得在各所述段模型内的所述氧气、氮气和氩气的摩尔分数的总和等于1.0 ；将常用分离调整因子用于在位于各塔段内的所述段模型，所述各塔段限定在各所述高压塔、所述低压塔和氩气塔的所述进料和抽出位置之间；和 计算所述常用分离调整因子，使得在各塔段端部的所述测量的氧气浓度与所述计算的氧气浓度之间的差最小化。
9.权利要求5所述的系统，其中所述控制器是模型预测控制器。
10.权利要求9所述的系统，其中: 所述控制装置是一组控制阀和与各所述控制阀关联的PID控制器；和将所述PID控制器连接到所述二级控制器，使得由所述二级控制器计算的所述操纵变量是所述PID控制 器的目标值。
【文档编号】G05B15/02GK104137006SQ201280052578
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2012年8月20日 优先权日:2011年8月25日
【发明者】A.辛哈尔, S.布劳因 申请人:普莱克斯技术有限公司