空分設備降低系統能耗的優化控制及效果研究

楊學碩

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

隨著經濟的發展，工業生產中對O2、N2和Ar 等氣體的使用需求越來越大。一般情況下，采用空分設備實現上述相關氣體的供給和應用。在實際應用中，空分設備的能耗較高，所消耗的能源占據該設備成本的80%左右。因此，在實際生產中可采取相應的節能降耗措施降低其能耗，從而達到提高經濟效益的目的。本文將結合實踐生產對空分設備的節能降耗優化控制策略進行研究，并對最終的控制效果進行評估。

1 空分設備概述

所謂空分設備指的就是空氣分離設備，其核心是將空氣中的各種氣體采取合理的物理或化學方法分離出來[1-2]。目前，應用較為的廣泛的分離技術為低溫精餾方法，制取的一般為稀有氣體，包括O2、N2和Ar等。具體操作流程為：將空氣的溫度降低至173 ℃，凝結為液體，根據不同組分氣體的不同蒸發點，將其分離處理[3-5]。

一般情況下，空分工藝流程主要包括過濾、壓縮、冷卻、純化、換熱、膨脹和精餾等，對應的分系統包括空氣壓縮系統、空氣預冷系統、分子篩吸附系統、板式換熱系統、增壓透平膨脹系統和空氣精餾系統。

2 空分系統的能量分析及優化控制

2.1 空分系統能量分析及節能措施

為盡可能降低空分設備的能耗，主要通過降低壓縮系統的有效能損耗和精餾塔的能耗來實現。

對于壓縮系統而言，當氣體壓縮前后的溫度越大，對應的有效能損失也越大。因此，可通過對冷卻器的相關指標進行優化，達到提高冷卻器效率的目的?？刹捎玫拇胧┯校禾岣哌M口壓力、降低排氣壓力、降低排氣量和提高等溫效率等。

對于精餾系統而言，其有效能損失主要是由于氣態和液態在化學層面的差異所導致的。在實際操作過程中，需要確保其操作線和平衡線接近，使精餾系統各個塔板的傳熱和傳質的推動力減少，最終達到降低有效損失的目的?？刹扇〉拇胧┯校赫{節上塔液氮回流比，減少液氧汽化量；增加冷量至氮組分、調整加工空氣量。

2.2 降低系統能耗的優化控制

2.2.1 壓縮機的優化控制

壓縮機為空分裝置中的關鍵核心設備，對于空分效果尤為重要。但是，在實際生產中，壓縮系統的喘振現象影響壓縮機穩定運行。因此，通過解決壓縮機的喘振問題可達到降低能耗的目的。

理論上講，壓縮機的穩定運行要求有一個最小的體積流程。因此，為了保證壓縮系統的氣體流量降低，保證在壓縮機運行的穩定范圍制備，一般在壓縮系統加裝一套旁通閥或者吹除閥。上述兩種閥門的主要作用是減小當前流量與最小體積流量之間的差值。閥門的開啟與閉合由喘振控制器進行控制。

2.2.2 精餾系統的優化控制

精餾系統為空分設備運行過程中較為復雜的分系統，若實現該系統的節能運行需考慮多種控制變量。精餾系統是得到高純度產品的關鍵，因此，在節能優化控制中，需要綜合考慮產品的產量、質量以及能耗等多方面的因素。

對精餾系統的控制，傳統采用以前饋控制系統為代表的開環控制系統，通過對干擾變量進行檢測，提前作出預判控制動作，但是，與實際控制效果存在較大的偏差和滯后。因此，為解決傳統前饋控制系統存在的滯后和偏差較大的問題，在實際生產中引入了軟測量和推斷控制方法，其控制流程如圖1 所示。

圖1 軟測量與推斷控制流程

如圖1 所示，軟測量與推斷控制流程不僅可通過軟測量模型得出控制策略，而且還可通過采集到的實時工藝參數對控制策略進行在線校準，極大地提高了精餾系統的抗干擾能力和魯棒性。

基于上述軟測量與推斷控制策略的綜合應用，對精餾系統的運行實現最優化的控制，在保證系統產品質量和產量的基礎上達到了節能的控制效果。

2.2.3 變負荷優化控制

空分系統在實際供氣過程中，由于下游氣體需求量處于動態變化的狀態，對應的空分裝置的輸出量也應根據需求量進行調節，否則會出現供大于求浪費氣體的情況或者供不應求的問題。在傳統控制中，由工作人員對空分裝置的輸出量進行調節控制。由于空分裝置工序復雜且控制變量較多，人工控制往往會出現控制滯后現象，導致各類安全問題和浪費問題發生。

因此，在上述喘振控制和軟測量與推斷控制優化的基礎上，采用變負荷控制方式，即根據下游的用氣需求量對空分系統的運行功率進行實時控制，對應的控制流程如圖2 所示。

3 空分裝置節能經濟綜合分析

結合實踐生產，驗證上述優化控制策略對空分裝置的綜合降耗效果。唐鋼氣體有限公司空分裝置對空氣的處理能力為53 500 m3/h。其中，氧氣生產量為10 000 m3/h、氮氣生產量為6 500 m3/h、液氧生產量為1 000 m3/h、液氮生產量為500 m3/h 以及液氬生產量為450 m3/h。

1）在傳統控制系統中，未解決壓縮機喘振問題。加入喘振保護系統可保證壓縮機穩定運行，從而避免設備不必要的停機和啟動所造成的電能損失。唐鋼氣體有限公司每年液態壓縮機由于喘振問題重新啟動要多消耗68 000 kW·h 的電能，引入喘振保護系統可直接節約3.67 萬元。

2）系統引入變負荷控制系統后，對應所需空氣量從48 750 m3/h 減少為47 200 m3/h，對應的系統能耗降低了159 kW。經核算，每天可節能3 816 kW·h，節約0.2 萬元。

對引入優化控制策略后的平均能耗進行統計，如圖3 所示。

圖3 能耗綜合對比

從圖3 可看出，在引入優化控制策略后的第二個月后，該廠的平均能耗明顯降低。

4 結語

O2、N2和Ar 等氣體為工業生產中不可或缺的氣體，這些氣體主要通過空分裝置獲取?？辗盅b置作為能耗較大的設備，如何通過采取有效的優化控制策略達到降低能耗的目的，是企業非常關注的問題。因此，本文提出了控制空分設備降低能耗的策略。

1）針對空分裝置壓縮機喘振問題導致設備頻繁啟動能源浪費的問題，引入了喘振保護器，可直接節約68 000 kW·h 的電能，節約3.67 萬元。

2）引入了軟測量與推斷控制策略和變負荷控制策略后，可實現對空分裝置的精準控制?？筛鶕掠蔚膶嶋H需求量對空分裝置的供氣量進行實時精準調節，每天可節約電能3 816 kW·h，節約0.2 萬元。

3）經綜合分析，采用優化控制策略后，該空分系統的平均能耗從0.597 1 kW·h/m3降低至0.565 7 kW·h/m3，效果顯著。