空分纯化系统的自动控制设计与优化

• 关键词： 分子筛　吸附器　DCS　自动控制　优化
• 摘要：根据空分设备分子筛纯化系统的工艺流程控制要求，详细阐述DCS组态中分子筛纯化系统的自动控制过程，并且对分子筛程序进行优化，使空分运行更稳定，操作更简便。

　　1分子筛纯化系统简述

　　通常低温法制氧的工艺流程，都配有用于净化流程空气的前置净化系统，即分子筛纯化系统。分子筛纯化系统一般由两只互相切换的吸附器、阀门及加热器等组成，其对空气的吸附净化功能，直接影响到整个空分装置的安全、稳定运行。吸附器多为双层床结构，内装吸附剂，其中一层为活性氧化铝，主要用来吸附空气中的水分；另一层为分子筛，主要用来吸附空气中的二氧化碳和碳氢化合物。两层吸附剂之间用不锈钢筛网加以隔离，可增加空气流动的均匀性，对气流有一定的阻力，可以防止床层受冲击时，使分子筛和氧化铝混在一起造成冲床。

　　2工艺流程介绍

　　两只分子筛吸附器交替工作，即当一只吸附器运行在吸附工作状态时，另一只则运行在再生状态，处在吸附工作状态的吸附器，通以经过冷却的原料空气，先经氧化铝将其所含的水份吸附，然后再经分子筛吸附空气中的二氧化碳和碳氢化合物，使空气得到净化。经过一段时间的吸附，吸附器就得进行再生，再生用气为污氮气，经加热器加热到165℃以上，使吸附剂析出水份及二氧化碳等，再生后的污氮气通过放空消音器放到大气中。经过再生的吸附器又可以投入吸附工作。其工艺流程图如图1所示。

　　吸附器A所对应的控制阀有空气进口切换阀V1201，空气出口切换阀V1203，污氮进口切换阀V1211，污氮出口切换阀V1213，空气卸压调节阀V1205; 吸附器B所对应的控制阀有空气进口切换阀V1202，空气出口切换阀V1204，污氮进口切换阀V1212，污氮出口切换阀V1214，空气卸压调节阀V1206。吸附器A、B共同所用调节阀有污氮吹冷控制阀V1217，污氮加热控制阀V1218，污氮气放空阀V1219，污氮气进系统调节阀V1226。其中V1201~V1204,V1211~V1214,V1217,V1218均为两位阀，带有阀位开和关限位开关和调速器，保证阀门开关缓慢，速度均匀，V1219用来调节污氮气压力，V1226用来调节污氮气流量。

　　3分子筛纯化系统自动控制设计

　　分子筛纯化系统的控制是空分设备运行过程中，十分重要的控制环节。其控制质量直接影响到空分的稳定运行、设备效率，对氩产量也有很大的影响。选用集散控制系统（DCS）实现分子筛纯化系统的自动控制，安全可靠、操作更方便、直观。

　　分子筛吸附器自动控制过程实际上是分子筛吸附器再生的自动控制过程，DCS组态中主要对分子筛再生过程进行控制，通过对分子筛切换阀的控制、均压阀及卸压阀的控制及再生污氮气流量及压力的控制实现两只分子筛吸附器的切换，保证分子筛纯化系统的正常运行。

　　一般分子筛吸附器的再生过程为：

　　整个再生过程必须严格按照规定的控制程序和时间、压力、压差等条件，以及前一步动作完成之后，有关阀门的开关状态来进行。各阀门的程序切换是由DCS顺控程序实现。单个吸附器吸附和再生周期均为4小时，从而使分子筛及阀门使用寿命延长，切换损失减小，同时减少因切换引起的压力波动次数，保持主塔工况稳定。　　

　　分子筛吸附器自动控制程序主要是根据分子筛纯化系统自动切换程序表，按工艺要求编制的，切换过程每一步的时间长短由DCS内计时器控制（如卸压、加热、吹冷、充压），其阀门开关顺序如表1所示。

　表1：阀门开关顺序表  

　　3.1 控制程序设计

　　3.1.1初始化程序

　　3.1.1.1．第一次启动时通过初始化按钮将顺控程序启动，所有阀门处于程序控制状态，所有状态显示及标志位复位，计时器复位。V1201,V1202,V1203,V1204,V1217阀门全开,V1219置于自动,V1205,V1206,V1207,V1211,V1212,V1213,V1214,V1218阀门全关。

　　3.1.1.2 选择分子筛吸附筒

程序具有选择从哪个吸附器开始再生的功能，以下以选择吸附器A再生为例，吸附器B再生与此相同，不再赘述。

　　3.1.2主控制程序：

　　3.1.2.1准备卸压

　　V1201,V1202,V1203,V1204,V1217阀门全开,V1219置于自动,V1205,V1206,V1207，　　V1211,V1212,V1213,V1214,V1218阀门全关。判断上述阀门的阀位反馈，每个阀门阀位反馈确认步计时60秒，计时时间到阀位开关还没到位则系统报警。

　　3.1.2.2卸压阶段

　　卸压标志位显示，此阶段最重要的是卸压阀的调节控制。避免上部分子筛层受到压力波动的冲击，卸压速度不能太快，采用分段控制，原则上至少分五段以上，组态画面上此阀门的开度、时间均可调，此步完成时间一般为8分钟，如图2所示。

　　全关V1201,V1203,确认V1201,V1203全关后，V1205电磁阀得电，为实现V1205分段控制要求，一般调用DCS内部的爬坡功能块，V1205开度由爬坡块控制。V1205阀的爬坡速率、目标开度值及停留时间可在DCS操作画面在线设置。

　　启动卸压计时器T_DOWN，2分钟后 V1205阀全关反馈信号未消失则报警。

计时结束及吸附筒A出口压力PIS1201小于10KPa后，卸压结束，进入加热阶段。

　　3.1.2.3加热阶段

加热标志位显示，打开V1213，确认V1213全开后，打开V1211，确认V1211全开后，打开V1218,确认V1218全开后，关闭V1217。V1219设定值自动增加2KPa(具体数值程序内可修改)，确认V1217全关后，加热计时器T_HEAT开始计时，计时时间一般为92分钟（时间可调节）。待计时结束进入吹冷阶段。

　　3.1.2.4吹冷阶段

　　吹冷标志位显示，打开V1217，确认V1217全开后，关闭V1218，确认V1218全关后，启动吹冷计时器T_COOL，开始计时，计时时间一般为118分钟（时间可调节），待计时结束及吸附筒A进口温度TIS1201低于40℃时，吹冷结束，进入均压阶段。

　　3.1.2.5均压阶段

　　均压标志位显示。此阶段最重要的控制为再生污氮放空阀V1219的控制和均压阀V1207的控制。

　　为减少吸附器切换过程中引起的上塔压力波动，此阶段对V1219的控制需具备预设开的功能，即将V1219打开到预先设定的开度（预设开度值可以在画面上设置调整）。

　　均压阀V1207采用分段控制，建议五段以上，线尽量平滑上升，分段多些更好，如图3所示。这样阀门开度随着时间缓慢变大，减少压力波动时导致的气流冲击吸附剂床层，使床层发生移动或摩擦，使分子筛工作效果更好。

　　　　　图3均压阀开度与时间对应关系图

　　关闭V1211,V1213, V1205；V1219的PID置成自动，在预设开度值的基础上进行自动调节。确认V1211,V1213,V1205全关后，V1207电磁阀得电，调用DCS内部的爬坡功能块，V1207开度由爬坡块控制。V1207阀的爬坡速率、目标开度值及停留时间可在DCS操作画面在线设置。

　　均压计时器T_UP开始计时，计时时间一般为22分钟（时间可调节），待计时结束及两只吸附筒后压差PDIS1201小于8KPa，则进入交换阶段。

　　3.1.2.6交换阶段

　　交换标志位显示，关闭V1207，确认V1207关闭后，打开V1203，确认V1203全开后，打开V1201,确认V1201全开后，交换计时器T_CHANGE开始计时,此时吸附器A、B并列运行，此阶段时间一般为3分钟，待计时结束后转入吸附器B再生程序。

　　3.1.3中断程序

　　3.1.3.1 程序暂停条件

　　(1)空分大联锁

　　(2)组态画面暂停按钮“暂停/继续”

　　(3)分子筛阻力PDIAS1205达到高联锁值。

　　3.1.3.2 程序暂停

　　暂停计时器开始计时，保存所有阀门暂停前的状态，暂停其他计时器，暂停爬坡块。再次点击“暂停/继续”按钮后，判断当前阀门状态是否与暂停前阀门状态一致，若不一致则报警，画面文字提示“阀门状态与暂停前不一致”；若一致则所有的阀门置成顺控程序控制，将之前保持的各个阀门状态赋给各个阀门，各个计时器继续计时，暂停计时器停止计时。中断程序结束，主程序继续运行。

　　3.2 DCS组态画面设计

　　DCS组态画面要求直观、易于操作，针对图1的工艺流程图，DCS组态画面需要包括以下内容：

　　3.2.1状态显示：

　　通过字体颜色显示分子筛吸附器处于再生过程之卸压、加热、吹冷、充压、交换中的某一阶段，同时需设置各个阶段所对应的计时器：T_DOWN(卸压计时)，T_HEAT(加热计时)，T_COOL(吹冷计时)，T_UP(充压计时)，T_CHANGE(交换计时)，T_STOP(暂停计时)，所有计时器以“秒”为单位显示。

　　阀门状态：以颜色区别阀门开关的状态。

　　程序状态：运行/暂停，指示分子筛顺控程序的状态。

　　3.2.2 画面按钮：

　　“暂停/继续”按钮：可用来暂停或继续顺控程序，单击此按钮时要求弹出二次确认框，以防误操作。

　　“跳步”按钮：顺控程序可根据工艺要求，人为地执行跳过某一步骤，尤其是在开车调试初期，如果认为某只分子筛吸附器的加热、吹冷或其他时间段不需要执行或要重复一段时间，则操作员可以通过修改计时器的时间，使程序向前或向后跳转，以完成相应的操作过程。这里只是描述分子筛吸附器顺控程序具备这种功能，但为了安全起见，在设备运行时，通常不建议采用这种“跳步”的方法，但在程序调试时，为避免重复调试某段程序或跳过某一步长时间的执行，可采用这种方法。

　　“初始化”按钮：此按钮用于第一次启动顺控程序时使用。初始化后所有阀门处于程序控制状态，所有状态显示及标志位复位，计时器复位。此功能仅工程师有权操作。DCS组态画面示意图如图4所示。

　　3.3纯化系统的自动控制系统优化

　　3.3.1分子筛系统报警设置

　　（1）分子筛出口压力（PIS1201, PIS1203）：若卸压时间结束后压力仍达未到低联锁值，则需要报警；否则不报警。

　　（2）分子筛差压（PDIS1201）：若均压时间结束后压力仍达未到低联锁值，则需要报警；否则不报警。

　　（3）分子筛进口温度（TIS1201, TIS1203）：若吹冷时间结束后温度仍未达到低联锁值，则需要报警；否则不报警。

　　（4）每台切换阀打开或者关闭后，阀位反馈60秒不到则需报警。

　　3.3.2分子筛系统控制功能

　　（1）顺控程序暂停时分子筛系统的切换阀允许手动操作，但八个切换阀的手动操作需受到差压联锁逻辑限制，若联锁条件成立，则不允许手动操作此八个切换阀，以免造成分子筛冲床。增加如下控制逻辑：

　　a)若分子筛出口压力与空气进分馏塔压力之差（△P=|PIS1201-PI101|/△P=| PIS1203-PI101|）大于某一值，则不允许打开分子筛空气出口切换阀V1203/V1204。

　　b)若分子筛出口压力与空气出空冷塔压力之差（△P=| PIS1201-PI1102|/ △P=| PIS1203 - PI1102|）大于某一值，则不允许打开分子筛空气进口切换阀V1201/V1202。

　　c)若分子筛出口压力（PIS1201/ PIS1202）大于某一值，则不允许打开分子筛污氮进出口切换阀V1211、V1213/ V1212、V1214。

　（2）分子筛均压时，程序设置将空压机导叶预开进行调节：空压机入口导叶出口压力控制器设定值自动在原来的基础上以一定的速率增加（值可调），均压结束前一定时间内（可调），空压机出口压力设定值自动以一定的速率（可调）恢复到均压前的设定值，以减少进塔空气量的波动。

　（3）优化控制分子筛的冷却时间，以保证出分子筛的空气温度，分子筛吹冷开始5分钟（可调）后，进分子筛污氮气流量FIC1201设定值自动在原来的基础上以每秒10Nm3/h（可调）的速率增加1000 Nm3/h（可调），吹冷结束前8分钟，FIC1201设定值自动以每秒10Nm3/h（可调）恢复到冷吹前的设定值。

　　3.3.3组态画面优化

　（1）组态画面可显示分子筛出口压力与空气进分馏塔压力之差及分子筛出口压力与空气出空冷塔压力之差。

　（2）组态画面中设一个“暂停”计时器，用于显示用“暂停”软按钮后经历的暂停时间，并且顺控程序暂停时此“暂停”计时器需闪烁或变颜色。

　（3）根据工艺现场要求，组态画面可以对两个分子筛吸附器的“卸压、加热、吹冷、充压”计时器分别单独设置运行时间，以便两个分子筛吸附器能够设置不同的计时时间。

　（4）组态画面显示每个分子筛吸附器的总工作时间，以本吸附筒“卸压”时为计时开始，以另一吸附器“卸压”时为计时结束。

　　4 结束语

　　空分纯化系统作为空分设备的重要环节，自动控制程序的可靠性、安全性和易操作性非常重要，经过优化后的分子筛程序完全适合空分系统生产工艺要求，自动化作业率高，故障查找与分析更方便，减轻了生产操作工人的工作难度与强度，使空分设备的稳定性、可操作性有了很高的改善，对以后的空分纯化系统的自动控制具有很大的推广意义。