变温度串级控制在空气膜分离制氮中的应用_韩洋洋.pdf

现代舰船在航行过程中需携带大量油料，特别是大型油轮和舰艇补给船。由于油料具有挥发性，在存储油料的油舱的上部空间会充满具有爆炸性的油气混合物，这威胁着船舶航行的安全性，必须采取有效的措施减少爆炸的概率，降低携带油料的风险。比较经济和实用的技术是向油舱中充注惰性气体以减少油舱上部空间中氧气的浓度实现惰化保护1。最早的船用惰性气体系统是所谓的烟气系统，这些惰性气体完全来自船上现有锅炉排出的烟气。随着国际海事组织新规则的出台，锅炉烟气不再被认为是生产惰性气体的可靠来源2。氮气作为一种物理、化学性质比较稳定的惰性气体，制备容易，无毒无害，是一种理想的惰化气体。目前舰船领域中制氮气主要有变压吸附法、膜分离法和深冷法3-4。膜分离制氮气相对于其他两种方法具有系统简单、体积小、操作简便、可靠性高、便于操作和维护的优点，是舰船环境中制备氮气的首选方法。膜分离法制备氮气的设备在运行过程中需要加热空气才能使产品氮气纯度达到99.0%。例如美国的捷能公司的膜组件需要将干净的空气加热到49。目前大多数膜分离制氮设备的温度控制是采用人工给定定值恒温PID控制方式5-6。当设备更换新膜组件时，膜的性能比较好，能够在较低温度（例如35）就可以使产品氮气纯度达到99.0%，氮气流量也能够满足用户使用要求。如果系统温度的设定值仍然为49时，膜组件产品氮气的纯度会升高很多，回收率下降，即氮气产量就下降很多，难以满足用户要求。因此需要根据膜组件产品氮气纯度自动调节系统的温度设定值，使产品氮气纯度和流量同时满足用户需要求。根据文献7-9可知，在产氮气流量一定时，温度越高，其氮气纯度也越高。因此在允许条件下，提高膜组件的工作温度是提高产品氮气纯度的一种方法，且当膜组件老化时，在其允许的最大工作温度范围内，提高其工作温度也是稳定氮气纯度的一种方法。因此设计一种根据产品氮气纯度自动进行温度调整的控制系统是十分有必要的。1膜分离制氮系统模型与恒定温度PID控制膜分离制氮的一般工艺流程如图1所示，海上空气经空压机压缩和调节阀背压后形成高压压缩气体，经过空气预处理装置去除固体颗粒油分和水分，成为高度洁净的压缩冷空气后，再经过电加热器将其加热到设定的温度。高温压缩空气进入膜组件，被分离出高纯氮气供舰船上的惰化设备使用，而分离出来的富氧气体被排出舷外。工业中膜分离制氮系统的温度控制多数采用PID控制方式，并由人工设定系统的工作温度。PID控制算法实时调节电加热器的输出功率从而实现膜分离制氮系统恒温工作。系统如图2所示：图2恒定温度PID控制示意图变温度串级控制在空气膜分离制氮中的应用韩洋洋夏树昂岳强罗太刚李冠伦于开录（中国船舶集团有限公司第七一八研究所，河北 邯郸056027）Application of Variable Temperature Cascade Controlin Nitrogen Production by Membrane Air Separation摘要：膜分离制氮设备在舰船上应用越来越多，在运行过程中需要将干燥的空气加热才能使产品氮气纯度满足要求。当膜组件工作温度升高，氮气纯度升高，但其回收率下降，即氮气产量变小。目前系统的工作温度大多采用人工设定恒温PID控制算法，无法实时改变系统工作温度。为解决上述问题，提出一种变温度串级控制算法，能够实现满足产品氮气纯度要求的情况下降低膜组件的工作温度，提高产品氮气流量，具有设备运行时间越长，效果越好的特点。关键词：膜分离制氮；串级控制；变温度控制；惰性气体保护Abstract:Membrane separation nitrogen production equipment is more and more used in ships,and needs to heat thedry air in the process of operation to make the purity of nitrogen to meet the requirements.When the operating temperatureof the membrane component increases,the purity of nitrogen increases,but the recovery rate decreases,that means thenitrogen flow rate of the product decreasing.At present,the operating temperature of the system is mostly controlled bymanual PID control algorithm,so it is impossible to change the operating temperature of the system in real time.To solvethe above problems,a variable temperature cascade control algorithm is proposed in this paper,which can reduce theworking temperature of the membrane component and increase the nitrogen flow rate of the product when the purity of ni-trogen meets the requirements.The longer the equipment runs,the better the effect.Keywords:membrane separation for nitrogen,cascade control,variable temperature control,inert gas safeguarding图1膜分离制氮气工艺流程示意图变温度串级控制在空气膜分离制氮中的应用84工业控制计算机2023年第36卷第2期2变温度控制算法针对采用恒定温度PID控制方式存在膜组件老化时无法保证产氮气纯度稳定的缺点，本文设计一种串级控制方式，如图3所示，该串级控制模型将进入膜组件空气的温度作为内环控制回路，采用常规PID控制器，将膜组件产品氮气的纯度作为外环控制回路，采用变温度控制算法。将外环控制回路的输出值（即温度值）作为内环控制的设定值，从而控制电加热器的输出功率调整进入膜组件空气的温度。图3变温度串级控制流程图变温度控制算法流程图如图4所示。监控器每隔一定时间采集产品氮气的纯度，判断当前纯度是否在设定范围内，当氮气纯度在设定范围内时，系统温度的设定值保持不变，当氮气纯度低于设定范围时，将当前系统温度的设定值增加1，当设定值为膜组件的最大值工作温度时不再增加；当氮气纯度高于设定范围时，将当前系统温度的设定值减少2，然后继续进行下一次循环。图4变温度控制算法流程图由于膜组件工作温度上升需要一定时间，且氮气纯度的升高速度与温度增加速度没有严格的比例关系，都存在严重的滞后性，因此在系统温度的设定值的增加量与减少量分别取不同值。由于在膜分离制氮设备开机时，系统是处于加热状态，由于温度变化存在滞后性，当氮气纯度达到设定范围时，系统温度仍然出于上升阶段，此时需要快速减少当前系统温度设定值，因此温度的减少量大于增加量，以快速达到最佳工作温度的目的。3控制系统实现与结果膜分离制氮装置采用西门子S7-300系列PLC模块组件控制系统，CPU315-2DP为中央处理器，PT100铂电阻采集加热后空气的温度值，氮气分析仪在线采集氮气的含量（体积分数），触摸屏TP1200实时显示当前系统的温度变化曲线、温度设定值曲线和氮气纯度值，并接受人工输入的氮气纯度范围值。4结果分析如图5所示，膜分离制氮装置在运行初期，系统空气温度比较低，产品氮气纯度不高，此时温度设定值阶梯上升；随着装置的运行，膜组件工作温度逐渐上升，产品氮气的纯度不断提高，当温度值升至最大值，氮气纯度尚未达到设定范围上限，此时装置以最大温度值运行；随着装置运行时间变长，产品氮气纯度发生过冲，超过纯度设定范围上限值，此时温度设定值开始下降；当纯度下降到设定值范围内，系统温度不再变化，产品氮气纯度稳定在设定范围内，如图6所示。图5开机时段温度变化曲线图6系统稳定时温度变化曲线该串级控制算法在装置运行初期会出现温度与纯度波动，随着装置运行时间的增加，系统的工作温度和产品氮气的纯度趋于稳定。参考文献1王波，蒋新生.基于油罐本质安全运行的氮气制备系统研究J.后勤工程学院学报2012，28（5）：31-352李建明.膜分离制氮系统及其在船舶上的应用J.机电设备，2001（2）：33-383林玲玉.船用制氮装置及制氮方法研究J.黑龙江科学，2019，10（18）：24-254朱鸿.制氮技术在船舶领域的应用J.机电设备，2009（2）：8-95曹鹏.海上平台移动式制氮系统温度控制算法研究J.石油化工自动化，2016，52（5）：41-436蔡永桥.PLC在膜分离制氮机温度控制系统中的应用J.工业控制计算机，2014，27（4）：78-797杨顺成.液货船、化学品船防爆系统关键设备膜空分制氮装置的研制J舰船科学技术，1996，150（6）：84-898薛勇，刘卫华，高秀峰，等.机载惰化系统中中空纤维膜分离新能的试验研究J.西安交通大学学报，2011，45（3）：107-1119沈宗荣，王刚，廖伦丰，等.提高膜制氮系统运行效能的对策J.天然气技术与经济，2011（S1）：73-75收稿日期：2022-08-2385