[发明专利]空气分离系统的模型预测控制方法

说明书

本发明涉及空气分离系统的一种改进的控制方法，具体地说，涉及一种改进的预测空气分离过程测定中未来的动态响应，以提供改进的产品杂质控制的方法。

氩气是空气中的一个组份，其存在量略小于1％摩尔分数。在图1中描述了一个生产气态氧、气态氮和液态氧的低温空气分离系统。氩气也是低温空气分离过程中的一种产品，产品氩气的杂质调控对氩气生产的优化及过程的操作安全是很重要的。在图1所示系统中，空气首先在压缩机10中压缩到约5-6个大气压，净化后送到高压塔12，在其中空气进料被初步分离成粗氧的液态馏份和基本上纯净的氮气。一部分氮气经管道14流出到高压塔的产品氮气出口16。剩余的氮气流出物在冷凝器/再沸器中冷凝，在换热器20中低温冷却，然后作为回流液提供到低压塔24的顶部。来自高压塔12的液态氧馏份含有氧、氩和氮经换热器20、冷凝器22由管道18送入低压塔24的侧线进料口。由外部提供液态氮的流入物也经管道25送到低压塔24中。

由于氮、氩、氧的相对挥发度不同，氩在在低压塔24的中间分离部积聚，并从这里被排出，形成侧路(side arm)氩塔26的进料馏份。气态氮从低压塔24的顶部回收，而气态和液态的氧从其底部回收。

从氩塔26的顶部排出氩的蒸气流，并在冷凝器22中冷凝。从冷凝器22排出氩馏份，并作为产品氩流在出口28排出。图1中所示系统的更详细的操作情况可以从Howard等人的美国专利US5,313,800中找到，该专利转让给了该申请的同一受让人。Howard等人的专利所公开的内容在这里并入作为参考。

产品氩的杂质的调控对氩的生产的优化很重要，它是通过过程控制计算机30的运行来完成的。计算机30接受来自各个分析器(A)的多个测定值作为输入信号，并向控制装置(未示出)发出过程控制和调节指令。

来自低压塔24的过程测定值，如果估算适当，能提供出流28的产品氩杂质的后续动态响应的信息。在低压塔24进行的某些测定对于测定产品氩流28来说有一部分多余的，因为它们提供的只是关于过程发生了什么变化的类似信息，尽管是在不同的时刻。正因为这些测定部分是冗余的，并且因为通常没有可控变量或变量的组合存在能在这些测定中产生的独立变化，所以这样测定的特征不能独立控制。

一种现有技术的涉及氩氮杂质控制和包括级联控制程序的方法示于图2，其中产品氩氮含量被级联到氩塔进料的氩含量的控制上。通过控制氩含量的设定值为控制氮含量。与之相反，氩含量是通过控制低压塔气态氧产品流量(flow)来控制的。这种设置方法使得较慢响应产品氩氮含量的控制器能向较快响应进料氩含量的控制器提供一个计算好的设定值。

特别地，测得的产品氩氮含量与最小和最大目标值进行比较(菱形方框40)，如果它在这些目标值之间，则氩氮含量的设定值被设置为当前测得的氩氮含量(方框42)。如果氩氮含量不在目标值内，则氩氮设定值设定等于最接近的目标极限值(方框43)。然后，根据选定的氩氮设定值和测得的当前值，程序转移到控制计算块(方框44)。控制计算的输出信号是氩塔进料氩的设定值，它将便氩氮含量等于其设定值。

然后，计算出来的进料氩含量设定值输入到进料氩含量控制计算程序(方框46)，该方框还有一输入信号即测得的氩塔进料氩含量。控制计算的输出是改变氩流中氮含量的氧流量的变化值。响应测得的塔空气流量的变化，进行进一步校正(方框48)。氧流量的变化及由于塔空气流量的变化所需的任何校正在加法器49中相加。输出信号是一个计算出来的输出流量的设定值的变化，被输入氧气流量控制器。

如图2所示，控制程序包括由方框40、42、43和44组成的第一循环(loop)，它们一起提供了进料氩含量的设定值，以及基于氩含量设定值为产品氩氮含量控制计算出氧流量设定值的第二循环，图2所示的级联控制取决于第二个循环实现由第一循环在第一循环的过程响应时间内计算出来的目标。如果在第二循环的响应完成之前第一循环进行了调节，则级联控制器会相互阻碍，从而削弱了系统的性能。

正如上面所指出的，响应于氩塔进料氩含量的控制动作是优先的，这是因为那个变量明显快于产品氩氮含量响应过程的干扰。然而，由于这两个量，即产品的氩氮含量和氩塔的进料氩含量基本是相关的变量，所以独立控制是不可能的。

因此，本发明的目的之一是提供一种改进的控制程序，它能使被控制的系统更快地响应过程干扰和设定值的极限的变化。

本发明的另一目的使用测得的过程的中间产物的变化来预测输出产品测定上的变化。