空分设备粗氩塔氮塞的诊断与估计方法.pdf

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1、162化工自动化及仪表第38卷空分设备粗氩塔氮塞的诊断与估计方法王磊1，陆宁云1，侯倩1，姜斌1，陈曦2(1．南京航空航天大学自动化学院，南京210016；2．浙江大学工业控制技术国家重点实验室工业控制研究所，杭州310027)摘要：为提高空分产品质量，降低氮塞故障造成的不利影响，应用互信息方法建立了空分系统的符号有向图模型，改进了基于有向图的故障诊断方法，提出了故障严重程度的判别方法，实现了空分系统粗氲塔氮塞故障的快速诊断以及氮塞严重程度的准确估计。关键词：空分设备；氮塞故障；符号有向图；互信息；故障诊断与估计中图分类号：TP3文献标识码：B文章编号：1000-39

2、32(2011)02-0162-05空分设备是冶金、化工以及电子等基础行业的重要设备，空分产品的质量波动不仅给空分设备本身带来安全隐患，也直接影响相关行业的产品质量。由于气体市场对空分产品需求的动态性以及国家、地区产业结构的调整趋势等多种原因，现有空分设备通常具有变工况能力，可针对气体需求变化，动态调节生产负荷以及液氧、液氮的生产比例。变工况操作是一种比较复杂的过程调节行为，操作不当时极易造成产品纯度、供气压力波动。尤其对带制氩系统的空分设备，制氩系统工况波动时容易引发氮塞故障⋯，轻则影响产品质量和生产效率，严重时甚至危及操作人员和生产设备的安全旧“1。然而，氮塞故障

3、的检测和诊断主要依靠对上塔出口处氩馏分含量的实时监测以及现场人员的经验判断”一-。为了进一步提高空分设备自动化水平，保障空分产品质量，降低氮塞故障造成的不利影响，笔者提出一种有效的氮塞故障诊断与估计算法。该方法不仅可准确诊断氮塞故障，而且可判定氮塞故障的严重程度，以便协助现场工程人员采取合理的干预措施，减少不必要的损失。1空分设备与工艺流程简介空分设备¨1以空气为原料，通过压缩、循环和深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气、氩气以及液氧、液氮及液氩等产品。空分设备从工艺流程来说可以分为5个基本系统：净化系统、空气冷却和液化系统、空

4、气精馏系统、加温吹除系统和仪表控制系统。空气精馏系统是其核心子系统，关键过程变量的说明见表1。主要组成如图1所示。精馏子系统中，液态空气从主塔的下塔底部进入，通过精馏分离出液空中的绝大部分氮；然后从上塔相应部位抽出氩馏份气体(含氧量90％一91％、氩9％～10％、氮0．06％)，导入粗氩塔的底部(粗氩I塔)；粗氩塔通过精馏分离氧和氩，此时氩馏分中的绝大部分的氧被回流液冷凝成液氧回流至主塔，而低沸点的氮组分是不被冷凝的，随着粗氩气一起进入粗氩Ⅱ塔中，此时粗氩中的含氮量要比氩馏分中的含氮量高出几十倍；再将得到的粗氩经过粗氩液化器液化，并从中部进入精氩塔，使氩、氮分离，在精

5、氩塔底部可以得到纯度较高的液氩。表1空气精馏系统主要过程变量2粗氩塔氮塞故障在空分系统运行过程中，常常发生氮气阻收稿日期：2010—10-25(修改稿)基金项目：国家自然科学基金资助项目(20806040)；教育部博士点基金资助项目(20070287047)第2期壬磊等．空分设备粗氩塔氮塞的诊断与估计方法163塞粗氩塔冷凝器，影响粗氩塔甚至主塔精馏状况的情况，俗称“氮塞”。根据氮塞发生的严重程度可分为轻度氮塞、严重氮塞和氩系统无法运行3种。图1空分设备空气精馏子系统简化图氮塞的发生一般是由于操作不当，使得主塔氩馏分的含氮量超标造成的。当粗氩塔分离出氩馏分气体的氧组分后

6、，所得到的粗氩气中含氮量会远远高于氩馏分中含氮量，而粗氩塔冷凝器的传热温差是按粗氩中一定的含氮量设计的，当粗氩含氮量大幅增加时，氮气占据粗氩塔冷凝器的冷凝面积，使冷凝器温差减小，甚至为零，致使冷凝量减少，粗氩塔中回流液体减少，氩馏分取出量减少，使上升气体流速降低，造成规整填料层漏液，阻力下降，最终导致粗氩塔无法正常工作。粗氩塔冷凝器热负荷的变化，是氩系统经常出现氮塞的原因所在⋯。氮塞一旦发生，首先会影响粗氩的纯度，进入精氩塔中的粗氩气纯度下降将直接影响产品氩气和氧气的纯度。其次，粗氩塔阻力的建立是一个长时问的过程，一旦氮塞发生导致阻力下降，要花很长的时间来修复，影响工

7、作效率。当出现严重氮塞情况时，若未能及时发现排除，可能会发生爆炸，将对生命财产安全造成严重危害。目前，实际系统中空分设备的氮塞检测、诊断以及相应的后续处理主要依赖现场操作人员的经验”’6o。3基于互信息的符号有向图建模有向图是一种描述系统因果关系的图形化模型，其中事件或变量用节点表示，变量之间的因果关系用从原因节点指向结果节点的有方向的支路(也称为边或弧)表示。有向图模型在故障诊断中已取得许多成功的应用"“¨。但根据经验知识或流程图构建有向图，不但耗时耗力，而且容易出现冗余信息甚至虚假结论¨2J引，基于定量方法的有向图建模具有重要的工程应用价值，笔者