空分设备降低系统能耗的优化控制及效果研究

杨学硕

（唐山唐钢气体有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

随着经济的发展，工业生产中对O2、N2和Ar 等气体的使用需求越来越大。一般情况下，采用空分设备实现上述相关气体的供给和应用。在实际应用中，空分设备的能耗较高，所消耗的能源占据该设备成本的80%左右。因此，在实际生产中可采取相应的节能降耗措施降低其能耗，从而达到提高经济效益的目的。本文将结合实践生产对空分设备的节能降耗优化控制策略进行研究，并对最终的控制效果进行评估。

1 空分设备概述

所谓空分设备指的就是空气分离设备，其核心是将空气中的各种气体采取合理的物理或化学方法分离出来[1-2]。目前，应用较为的广泛的分离技术为低温精馏方法，制取的一般为稀有气体，包括O2、N2和Ar等。具体操作流程为：将空气的温度降低至173 ℃，凝结为液体，根据不同组分气体的不同蒸发点，将其分离处理[3-5]。

一般情况下，空分工艺流程主要包括过滤、压缩、冷却、纯化、换热、膨胀和精馏等，对应的分系统包括空气压缩系统、空气预冷系统、分子筛吸附系统、板式换热系统、增压透平膨胀系统和空气精馏系统。

2 空分系统的能量分析及优化控制

2.1 空分系统能量分析及节能措施

为尽可能降低空分设备的能耗，主要通过降低压缩系统的有效能损耗和精馏塔的能耗来实现。

对于压缩系统而言，当气体压缩前后的温度越大，对应的有效能损失也越大。因此，可通过对冷却器的相关指标进行优化，达到提高冷却器效率的目的。可采用的措施有：提高进口压力、降低排气压力、降低排气量和提高等温效率等。

对于精馏系统而言，其有效能损失主要是由于气态和液态在化学层面的差异所导致的。在实际操作过程中，需要确保其操作线和平衡线接近，使精馏系统各个塔板的传热和传质的推动力减少，最终达到降低有效损失的目的。可采取的措施有：调节上塔液氮回流比，减少液氧汽化量；增加冷量至氮组分、调整加工空气量。

2.2 降低系统能耗的优化控制

2.2.1 压缩机的优化控制

压缩机为空分装置中的关键核心设备，对于空分效果尤为重要。但是，在实际生产中，压缩系统的喘振现象影响压缩机稳定运行。因此，通过解决压缩机的喘振问题可达到降低能耗的目的。

理论上讲，压缩机的稳定运行要求有一个最小的体积流程。因此，为了保证压缩系统的气体流量降低，保证在压缩机运行的稳定范围制备，一般在压缩系统加装一套旁通阀或者吹除阀。上述两种阀门的主要作用是减小当前流量与最小体积流量之间的差值。阀门的开启与闭合由喘振控制器进行控制。

2.2.2 精馏系统的优化控制

精馏系统为空分设备运行过程中较为复杂的分系统，若实现该系统的节能运行需考虑多种控制变量。精馏系统是得到高纯度产品的关键，因此，在节能优化控制中，需要综合考虑产品的产量、质量以及能耗等多方面的因素。

对精馏系统的控制，传统采用以前馈控制系统为代表的开环控制系统，通过对干扰变量进行检测，提前作出预判控制动作，但是，与实际控制效果存在较大的偏差和滞后。因此，为解决传统前馈控制系统存在的滞后和偏差较大的问题，在实际生产中引入了软测量和推断控制方法，其控制流程如图1 所示。

图1 软测量与推断控制流程

如图1 所示，软测量与推断控制流程不仅可通过软测量模型得出控制策略，而且还可通过采集到的实时工艺参数对控制策略进行在线校准，极大地提高了精馏系统的抗干扰能力和鲁棒性。

基于上述软测量与推断控制策略的综合应用，对精馏系统的运行实现最优化的控制，在保证系统产品质量和产量的基础上达到了节能的控制效果。

2.2.3 变负荷优化控制

空分系统在实际供气过程中，由于下游气体需求量处于动态变化的状态，对应的空分装置的输出量也应根据需求量进行调节，否则会出现供大于求浪费气体的情况或者供不应求的问题。在传统控制中，由工作人员对空分装置的输出量进行调节控制。由于空分装置工序复杂且控制变量较多，人工控制往往会出现控制滞后现象，导致各类安全问题和浪费问题发生。

因此，在上述喘振控制和软测量与推断控制优化的基础上，采用变负荷控制方式，即根据下游的用气需求量对空分系统的运行功率进行实时控制，对应的控制流程如图2 所示。

3 空分装置节能经济综合分析

结合实践生产，验证上述优化控制策略对空分装置的综合降耗效果。唐钢气体有限公司空分装置对空气的处理能力为53 500 m3/h。其中，氧气生产量为10 000 m3/h、氮气生产量为6 500 m3/h、液氧生产量为1 000 m3/h、液氮生产量为500 m3/h 以及液氩生产量为450 m3/h。

1）在传统控制系统中，未解决压缩机喘振问题。加入喘振保护系统可保证压缩机稳定运行，从而避免设备不必要的停机和启动所造成的电能损失。唐钢气体有限公司每年液态压缩机由于喘振问题重新启动要多消耗68 000 kW·h 的电能，引入喘振保护系统可直接节约3.67 万元。

2）系统引入变负荷控制系统后，对应所需空气量从48 750 m3/h 减少为47 200 m3/h，对应的系统能耗降低了159 kW。经核算，每天可节能3 816 kW·h，节约0.2 万元。

对引入优化控制策略后的平均能耗进行统计，如图3 所示。

图3 能耗综合对比

从图3 可看出，在引入优化控制策略后的第二个月后，该厂的平均能耗明显降低。

4 结语

O2、N2和Ar 等气体为工业生产中不可或缺的气体，这些气体主要通过空分装置获取。空分装置作为能耗较大的设备，如何通过采取有效的优化控制策略达到降低能耗的目的，是企业非常关注的问题。因此，本文提出了控制空分设备降低能耗的策略。

1）针对空分装置压缩机喘振问题导致设备频繁启动能源浪费的问题，引入了喘振保护器，可直接节约68 000 kW·h 的电能，节约3.67 万元。

2）引入了软测量与推断控制策略和变负荷控制策略后，可实现对空分装置的精准控制。可根据下游的实际需求量对空分装置的供气量进行实时精准调节，每天可节约电能3 816 kW·h，节约0.2 万元。

3）经综合分析，采用优化控制策略后，该空分系统的平均能耗从0.597 1 kW·h/m3降低至0.565 7 kW·h/m3，效果显著。