概要
氧气生产与转炉冶炼密切相关，而转炉冶炼用氧的特征是用量大且变化幅度也大，并与转炉冶炼生产的节奏紧密相关，是间歇式用氧负荷，故氧气生产上经常出现氧气放散或供不应求两种现象。前者不利于氧气生产的节能降耗及经济运行指标，后者影响转炉冶炼生产，甚至影响到整个转炉炼钢生产线的生产组织和经济效益。莱钢利用外资进行改造扩建中，于1994年引进德国林德公司的12000m3/h空分装置，以满足莱钢年产200万t钢氧气供应。在技术交流和商务谈判中确定，由林德公司提供整套空分设备，莱钢负责工厂设计和施工，由德方专家负责工程的监理及系统调试。为解决氧气生产和转炉炼钢用氧的矛盾，在加大液态氧储罐容积的同时，向德方提出该套空分装置控制系统中增设制氧生产的自动变负荷系统。该系统采用美国贝利公司的集散控制系统(DCS)，实现制氧生产全过程自动控制。制氧生产自动变负荷系统，就是根据用户用氧量的变化，自动调节生产运行工况，运行参数在自动控制过程中，向最佳点逼近，以实现优化操作。
1 自动变负荷控制原理
设计自动变负荷控制程序软件时，按不同的任务把软件分成若干模块，其结构如图1所示。图中自动变负荷控制程序被分成显示服务模块；操作点计算模块；过程模型；传送控制器模块和优化控制器五大部分。
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1.1显示服务模块
为操作员提供操作界面，显示工艺流程图，工艺参数值及变化趋势，工艺过程报警参数。各种气体管路用不同的颜色显示，并根据操作需要，在工艺流程画面中选取所需的局部画面显示。
1.2操作点计算模块
它有一套输入参数计算模型，对操作员凭经验输入的主要产品如液氮(LN)、液氧(LO)、高压氧(HPA)和气氧(GO)的目标产量进行复核，算出每种产量允许的最小、最大值和目标产量值，以防止操作员输入的数值与工艺要求数值严重不吻合。计算结果与设计能力、当前工艺状态及上次各计算模型值有关，当输入参数值严重与工艺数值不吻合时，显示屏会提示错误信息。一共有4个输入参数计算模型，液氧模型的表达式如下
FLO=[(F1－F2)/K1]－F3－K2
式中FLO为液氧产量；F1为分子筛出口空气流量；F2为膨胀机过冷空气量；F3为氧压机入口氧流量；K1、K2为系数。
该模型的计算结果向操作员提供一个与设计能力和当前工艺相吻合的液氧产量值。
液氮输入参数计算模型表达式为
FLN=[(F1－F2)/K3]－K4
式中FLN为液氮产量；K3、K4为系数。
该模型根据分子筛出口空气量和膨胀机过冷空气量之差和系数之比为液氮的理论产量值；减去损耗系数，为液氮的实际产量。
高压氧输入参数计算模型为
FHPA=[(F1－F2)/K5]－F4－K6
式中FHPA为高压氧产量；F4为液氧泵进口液氧流量；K5、K6为系数。
因空分装置生产过程的氧产品分别为液氧、气氧和高压氧，在输入参数计算模型3个产品的产量是相互关联的，但都是以分子筛出口空气量和膨胀机过冷空气量为基本计算参数。
气氧输入参数计算模型为
FGO=－F3－F4－K8
式中FGO为气氧产量；F为空压机出口空气流量；K7、K8为系数。
4个输入参数计算模型是根据空分装置的设计能力、运行工况计算出当前生产过程中各产品的产量值，使操作员及时了解运行工况及产品的产量。此空分装置共有3种设计工况，见表1所示：
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表中工况A为最佳设计工况(1台透平机工作，另1台备用)，工况B是按要求降到70％产量的运行工况，工况C是要求生产800m3/h液氧时的设计工况(两台透平机同时工作)。因生产的气氧压力为145kPa，在氧气输送过程中，气氧需转化为高压氧。
1.3过程模型模块
过程模型模块由一系列模型功能块组成，它们又可分成状态模型和计算模型。自动变负荷控制程序对工艺负荷变化的控制是通过对几个主要产品的产量、质量和工艺流程中几个主要环节的控制来实现的。一共有7个状态模型和7个计算模型，它们根据对工况需要达到的产量目标、物料平衡和制冷量平衡原理，以及主要工艺环节的相关参数，根据状态模型由计算模型计算出工艺过程中这些控制环节期望的状态值。
1.3.1状态模型
过程模型中的7个状态模型分别是：空气净化量状态模型，粗氩量状态模型、液氩量状态模型、制冷量平衡状态模型、透平机空气量状态模型、透平旁通空气量状态模型和工艺气量状态模型。这7个模型对保证工艺的稳定起着决定性的作用，7个状态模型分别用S1，…，S7表示。空气净化量S1是一个关于气氧和液氧产量的函数，其表达式为
S1=f(K1，FGO，FLO，C1)
式中K1为系数；C1为工作状态下空气净化量。
粗氩量状态模型S2，仅与空气净化量S1相关，其表达式为
S2=f(K2，S1，C2)
式中K2为系数；C2为工作状态下的粗氩量。
液氩量状态模型S3，仅与高压氧量相关，其表达式为
S3=K3.FHPA
式中K3为拆合系数。
制冷量状态模型S4，是一个关于液氧、液氮、液氩在系统中可提供的制冷量模型，其表达式为
S4=f(FLO，FLN，FLA，K4)
式中K4为制冷量系数；FLA为液氩量。
透平空气量状态模型S5，是一个关于S4的一元二次方程，它计算出透平膨胀机给系统补充冷量(系统冷损失)所需的透平空气量，S4和S5一起保证了系统冷量平衡，其表达式为
S5=K51(S4)2＋K52S4＋C5
式中K51、K52为函数系数；C5为常数。
透平旁通空气量状态模型S6，是一个关于S1和S5的复合函数，它以空气量为计算依据，用来保证系统的物料平衡，其表达式为
S6=f(S5，S1，K6)
式中K6为物料平衡系数。
工艺气状态模型S7与S1和S6相关，它反映工艺过程中全部空气量，其表达式为
S7=f(S1，S6)
1.3.2计算模型
计算模型是以7个状态模型为基础计算出每个优化控制器的设定值，该设定值为变负荷系统过程模型根据输入参数计算模型计算出目标产量值和现工艺过程几个主要环节的实际值，计算出优化控制器的目标值。每个优化控制器都有一个对应于增减负荷(100％～70％运行工况)的线性化模型及变化斜率。以第7个模型为例，它是为生产液氩所需的液空(液态工业空气)的控制量：
FG=f(K1，K2，S1，S5，C)
式中K1、K2为系数；S1、S5为状态模型；C为控制常数。
1.4传送控制器
传送控制器用于控制模型和优化控制器之间的信息传送，如果优化控制器的模型状态，目标状态和当前状态不断刷新，使模型计算的产量、目标产量和输入产量吻合在规定的调节误差内，每个优化控制器就能同期同步地完成各自的控制，但产品流量、纯度、膨胀机叶片开度等参数均要满足设定条件，若有一个参数超过设定偏差，优化控制器就会处于等待状态。而传送控制器一旦被启动便连续运行，除非人为停止。
1.5优化控制器
在上位机中，优化控制器由滤波器、调节器等组成，与过程模型有一一对应的关系，它们类似一套仿真系统，使上位机的控制达到工艺要求的最佳状态。
在自动变负荷系统工作时，只需设定好产品的氧流量、产品液氧流量、中压液氩泵出口流量及液氮流量4个参数，上位机就会自动、连续计算空分中物料平衡与冷量平衡，并根据计算结果自动调节工艺过程各有关参数值及氧气的产量。
2 控制参数与调节周期
2.1控制参数
自动变负荷控制程序共有27个控制器设定值计算模型，每个模型除设定值为自动计算外，其它参数，如设定范围、最大调节梯度、最大调节偏差都由调试情况来决定。这些模型驱动的优化控制器分别用来调节空压机加工空气量、膨胀空气旁通量、下塔下部含氧分析、下塔液态空气液位、出下塔纯液氮流量、出下塔底部液态空气进上塔流量、下塔中部液态空气直接进上塔流量、出下塔污液氮流量、出上塔污氮压力、膨胀空气量、产品氧流量、进分子筛吸附器的再生氮气量、产品氮流量、粗氩塔底部液位、氩馏分含氧分析、出粗氩塔顶部冷凝的空气量、粗氩塔冷凝器内液态空气液位、粗氩中含氧分析、粗氩流量、激冷水流量、普冷水流量、送储罐纯液氮阀、空气进产品氮换热器流量调节阀、出甲烷塔液位控制阀，上塔底部进出甲烷塔流量、中压液氩泵出口流量、纯液氮汽液分离器底部液位，从而实现空气量与氧、氮、氩产品产量间的物料平衡和制冷量平衡，最终使目标值达到期望值，使整个工艺最大限度地保持稳定。
2.2调节周期
自动变负荷设计工况为在70％～100％范围内，自动增、减氧气产量，设计生产负荷从70％上升至100％时的调节周期为40min，而生产负荷从100％减产到70％时的调节周期为60min。在设计的变负荷范围内，氧气产量可以从12000～8400m3/h范围内变化，由于在变负荷的全过程实现计算机控制，操作员可根据转炉生产的用氧量，调节空分装置的生产负荷。
3 影响系统运行的因素及解决措施
在自动变负荷系统运行过程中，最突出的问题是系统的滞后现象。造成系统滞后的因素是多方面的，有工艺过程本身的滞后，以及产品流量、纯度、膨胀机叶片开度等参数，它们制约着整个变负荷生产调节过程。只有生产过程中这些过程参数均满足设定条件，才能自动进行增或减产量的调节，若有一个过程参数超过设定偏差，计算机就会处于等待状态，因此延长自动调节时间，也使自动调节周期延长，而进一步出现滞后现象。此外检测元件、执行器件运行的好坏和操作员的操作水平均是造成自动变负荷系统滞后的因素。要解决这些问题，首先要从人员操作及设备维护检验上开展工作，即加强管理，提高操作人员的操作水平，制定设备检修和检验制度，并在生产实践中不断摸索系统的运行规律，才能发挥自动变负荷系统的优势，提高氧气生产的经济效益，降低吨钢能耗，并满足转炉炼钢生产用氧的需要。
4 结束语
该套自动变负荷系统于1996年9月进入试生产调试阶段，随着自动化装置的逐步投建，于1997年3月具备了自
