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化工学报 2020年第2期71卷 669-679页

作者：邢瑞江南刘冰安亚雄汪亚燕张东辉化学工程联合国家重点实验室天津大学化工学院化学工程研究所

针对真空变压吸附制氧在gPROMS软件中建立了严格的数学模型,基于LiLSX吸附剂设计了两塔八步的真空变压吸附流程生产纯度为92%的O2。对此流程进行优化,其纯度和回收率有了明显的改进。在此基础上,引入实际生产中经常存在的如进料流量的... 详细信息

针对真空变压吸附制氧在gPROMS软件中建立了严格的数学模型,基于LiLSX吸附剂设计了两塔八步的真空变压吸附流程生产纯度为92%的O2。对此流程进行优化,其纯度和回收率有了明显的改进。在此基础上,引入实际生产中经常存在的如进料流量的变化以及吸附性能降低等扰动因素,使模拟工作更接近实际。根据产品气中O2纯度的反馈,采用模型辨识技术设计了MPC控制器,用于预测控制vpsa过程的动态行为。开环和闭环控制结果的对比显示,流程在设计的MPC控制下展现出更好的结果,这表明MPC控制策略可以明显改善空气分离制氧的生产过程。

关键词：吸附制氧 vpsa模拟优化模型预测控制

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基于MPC控制优化的变压吸附制氧工艺研究

基于MPC控制优化的变压吸附制氧工艺研究

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作者：邢瑞天津大学

学位级别：硕士

本文主要从模拟、优化以及模型预测控制器设计入手,系统的研究了变压吸附空气分离氧气的工艺。一方面,建立简便易行的两塔六步分离工艺,并运用实验手段对工艺进行实验验证;另一方面,在模拟验证的基础上,运用序贯二次优化手段对工艺流程... 详细信息

本文主要从模拟、优化以及模型预测控制器设计入手,系统的研究了变压吸附空气分离氧气的工艺。一方面,建立简便易行的两塔六步分离工艺,并运用实验手段对工艺进行实验验证;另一方面,在模拟验证的基础上,运用序贯二次优化手段对工艺流程进行优化。在工艺达到最优运行状态后,运用状态空间模型进行控制器设计,并引入实际工业中可能存在的扰动进行了模型预测控制器性能的评测工作。首先,针对变压吸附发工艺的特点,在开放式模拟软件gPROMS中选取并建立了与之相适用的工艺流程数学模型库、边界条件以及评价指标,并以此为基础建立了两塔六步变压吸附空分制氧数学模型。模型采用LiLSX分子筛作为吸附剂,通过实验结果和模拟结果的对比,验证了模型库及模拟工艺的合理性。继而通过序贯二次优化法使得工艺在最优状况下运行。经过优化,使得产品气中氧气的纯度和回收率从优化前的90.2%/58.7%优化至92.03%/60.5%。单位产品能耗也从原来的0.42 kWh·m降低至0.31 kWh·m。并从各个步骤塔内氮气的轴向分布入手分析了优化前后的变化。当前制氧领域的研究多是集中在小型化、快速化制氧的研究。但是对于制氧工艺优化控制方面的研究很少。文章在自行搭建模型以及实验验证,优化计算的基础上,选取产品气中氧气的浓度作为控制器的控制目标,选取吸附步骤持续时间作为控制器的控制变量,并从预测模型构造、反馈机制以及滚动优化策略三个方面讨论并研究了模型预测控制器的设计工作,预测模型的构造从数据采集、模型辨识以及模型检验三个方面入手,并最终选取八阶状态空间模型作为文章的预测模型。随后,将实际生产中的可能遇到的两种不稳定状况引入稳定运行的工艺中,分析了扰动对未定工艺的影响。将设计的模型预测控制器引入,比较了工艺在开环条件和闭环条件下的表现,以检验预测模型的有效性。结果表明,引入模型预测控制器,可以有效的抵御外界扰动对变压吸附空分制氧工艺的影响。

关键词：吸附制氧 vpsa模拟优化模型预测控制 MPC

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