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1、管道输送的气体分配系统的控制的制作方法专利名称：管道输送的气体分配系统的控制的制作方法技术领域：本发明涉及一种控制气体分配系统的方法，系统包括一个或多个由空气分离设备供应气态氧和/或氮的管道部分，特别是，本发明涉及这样一种方法，其中由模型预测控制器响应管道压力和消费者需求来控制空气分离设备供应气态氧和/或氮。背景技术：气体分配系统包括空气分离设备，它通过众所周知的技术低温蒸馏空气生产气态氧和气态氮产品。这些产品由包括一个或多个部分的管道供应给消费者。这种气体分配系统由供应者手动控制来保证每一部分的管道在消费者约定要求的某一个最小压力之上。管道部分内的压力与管道部分中的气体产品的流量相关。从管道
2、部分抽吸产品的每一个消费者与供应者约定从管道中抽吸产品的规定最大流量。这些消费者的约定要求用于设定管道压力。空气分离设备可以被放置于一个地理位置或多个位置。可能有多个消费者从每一个管道部分抽吸产品。由管理控制系统控制单个设备，其中，通过设定生产请求变化而反过来控制设备生产。由监控一些关键管道压力和消费者需求的管道操作员控制管道。如果个别管道部分的压力开始达到高或低极限时，操作员通知单个设备并请求生产中的变化。设备操作员输入新的生产要求水平到设备管理控制系统，生产被调整到所请求的水平。当多个空气分离设备需要控制时，难以对哪个设备会提供下一个空气增量做出最佳的经济决策。通常，决策是对压力需要改变的
3、点最近的设备行使适当的控制。这个问题由于以下因素被进一步复杂化空气分离设备耗电，并且存在电力供应约定限制设备可以汲取的最大电能，因此限制设备可以生产的产量，此外，即使没有电力供应约定，由于设备规模不同，其供应产品的能力是不同的。典型地，管道操作员要控制管道部分压力基本高于最小压力。这样，由于空气分离设备以高于必需的压力供应给管道，这自然增加了操作管道系统的全部费用。作为后备，如果管道压力降低到低于最小压力，储备的液态氧气被汽化并引入管道中。然而，由于液态氧与气态氧相比是一种生产起来更贵的产品，保留储存液态氧是一个昂贵的建议。已经进行了单个管道由模型预测控制技术自动控制的模拟研究。这些研究的例子
4、见Zhu等，“Dynamic Modeling and Model PredictiveControl of Gas Pipeline Networks”，由Zhu等在1999年11月提交于American Institute of Chemical Engineering Annual Meeting，Dallas，Texas，和Zhu等，“Dynamic Modeling and Linear Model PredictiveControl of Gas Pipeline Networks”，Journal of process control，2000年4月。在这两个参考文献中，响应管道
5、和空气分离设备生产的预储存模型被用来确定开环响应和闭环控制动作，从而保持压力在目标值。自动控制已经被应用于控制位于管道内的多个产品压缩机站，如Seiver等，“A Pyramid Approach to Advanced Control”，ControlMagazine，2000年7月中出现的。模型预测控制已经被用于防止下水道系统的溢流，如Gelormino等，“Model-predictive Control of a CombinedSewer System”，International Journal of Control，59卷，1994所公开的。将要讨论的内容是本发明通过一种技术来使
6、用模型预测控制，这种技术允许气体分配系统以最优的经济方式被自动控制。发明概述本发明提供了一种气体分配系统的控制方法，所述气体分配系统包括至少一个管道部分和至少一个空气分离设备。这里和权利要求书中所用的术语“管道部分”表示管道流程，其中沿其长度的压力变化仅取决于摩擦力和流体损失。至少一个空气分离设备由响应生产要求变化的管理控制系统控制，生产要求变化指导至少一种气体产品的生产率，这种产品被与至少一个管道部分连接的至少一个消费者消费。依照该方法，在至少一个管道部分中的压力被不断监测。压力取决于至少一种气体产品在至少一个管道部分中的实际流量。压力被控制在一个范围内以保证至少一个消费者可以得到至少一个管
7、道部分中的至少一种气体产品的所要求流量。控制包括监测和存储压力的压力值和生产要求的生产要求值，该生产要求值与滚动历史(rollinghistory)中每一个压力值相关，并在模型预测控制器(MPC)中输入压力值作为被控制变量，输入生产要求值作为操纵变量。在模型预测控制器中，至少一个管道部分中压力的开环的响应被计算超过预测水平，同时要求至少一个空气分离设备的一组生产要求变化，作为一组操纵变量，至少部分地恢复压力到开环响应的压力范围内的目标值。计算目标值、开环响应和一组生产要求变化是基于至少一个管道部分压力的至少一个经验确定分级响应模型，其响应至少一个空气分离设备的要求值中的单位生产变化。将来的生产
8、要求变化组被优化以同时最小化每一个生产要求变化和压力与超过预测水平目标值之间的偏差。生产要求变化被输入到单个空气分离设备的管理控制系统，来控制至少一个空气分离设备生产至少一种依据生产变化要求的产品。由本发明的上面描述可以看出，不同于现有技术，模型预测控制通过使用经验模型得到更多的实际应用，此外，不存在对空气分离设备的直接控制。作为替代，空气分离设备的控制保留在管理控制系统中。本发明的模型预测控制产生基于经验模型的生产要求变化，反过来允许空气分离设备在既便有变化时，也是以很小的变化被集成到本发明的控制方案中。优选地，实施进一步的开环响应计算，以从刚发生在预测水平之前的先前压力值确定预测水平开始时
9、的计算压力值。预测水平开始时监测的实际压力值和计算压力值之间的差值被用于开环响应作为纠正系数。以最小二乘计算为基础可以优化至少一个空气分离设备的生产率未来变化的计算。在滚动历史中，被至少一个消费者消费的至少一种气体产品的消费流量值也可以被测量并储存。消费者流量值被输入到所述的模型预测控制器作为前馈变量。至少一个管道部分压力的开环响应基于至少一个压力的经验确定分级响应模型，该压力响应输送给至少一个消费者的至少一种气体产品的消费流量的单位变化。应当指出，在瞬间变化时，如果压力降低到低于预定范围，至少一种(汽化液体)产品被加入到至少一个管道部分。如果压力高于预定范围，至少一种气体产品可以从至少一个管
10、道部分被排放。所述至少一个管道部分可以包括至少第一和第二管道部分。可以有两种气体产品，包括分别供应给第一管道部分和第二管道部分的氧气气态产品和氮气气态产品，其中，氧气和氮气由同一个空气分离设备供应。模型预测控制器响应至少第一管道部分中的压力以确定生产要求变化组。模型预测控制器也可以响应第一和第二管道部分每个的压力。在这种情况下，它确定与第一和第二管道部分相关的生产要求变化。至少一个空气分离设备被控制，这样与氧气气态产品相关的生产要求变化以所要求的程度代替氮气气态产品相关的生产要求变化，以维持压力在第一管道部分的范围内。可以有多个空气分离设备，每一个可以供应与其限制相应的气态氧和气态氮产品。模型
11、预测控制器确定每个空气分离设备与其限制相应的气态氧和气态氮产品的量。模型预测控制器确定空气分离设备的产品要求变化的组，该要求变化的组由依照气态氧和气态氮产品量的限制线性最优化所优化。这些限制可以包括费用、合同电能限制、设备容量或其综合等。附图简述虽然专利说明书推断出的权利要求清楚地指出了申请人的发明主旨，相信联系附图可以更好地理解发明，其中图1是依据本发明的一种典型的被控制气体分配系统；图2是依据本发明的一个编入到管道控制器中的管道控制矩阵；图3是图2中标有“A”的分级响应模型的放大视图；图4是实施管道控制器的气体分配系统控制的部分示意图；图5是对管道控制器实施气体分配系统控制的其余部分示意图
12、。发明详述参考图1，图解了依据本发明被控制的一种气体分配系统1。应当理解，图解气体分配系统1是为了示范的目的，依据本发明被控制的系统可能比图解系统更复杂或简单。气体分配系统1包括管道部分10和12，分别为消费者14和消费者16供应气态氧和气态氮。管道部分10和12由空气分离设备(ASP1和ASP2)18和20供应气态氧和气态氮。空气分离设备18和20由氧气导管22和24及氮气导管26和28连接到管道部分10和12。在这方面，供应的氧气和氮气纯度取决于所使用的满足消费者14和16需求的空气分离设备类型。空气分离设备18和20通过众所周知的低温蒸馏技术从空气中分离氧气和氮气。如本领域所熟知的，这种
13、技术包括压缩并冷却空气到或接近压缩空气的露点温度，然后，在一个或多个蒸馏塔中蒸馏空气生产氧气和氮气产品。向这个设备中的热漏失和暖端热交换损失通过加入致冷而控制，如所知的透平膨胀(turboexpansion)。空气分离设备18和20由分别编入到管理控制和数据采集计算机30和32中的管理控制系统控制。管理控制系统通过空气分离设备18和20响应作为输入的生产要求而实现对气态氧和气态氮生产的自动控制。在这样的控制系统中使用多种控制方案，控制系统通过对如空气压缩机和透平膨胀机进口叶片的这些设备机械的电子、数字控制而起作用。特殊的控制方案不是本发明的部分，并且没有特殊控制方案是优选的。然而，应当指出，控
14、制的复杂程度取决于控制的空气分离设备类型。例如，单塔氮气发生器可能有比生产氧气、氮气和氩产品的一个三塔设备更简单的控制系统。在任何情况下，两种设备均适用于本发明，因为本发明倾向单个管道部分和生产一种气体产品的单个设备。另外，很重要地，应当注意，任何管理控制系统中，生产要求的变化不能马上改变生产率，因为设备生产不可能被马上调高或降低，设备生产只有经过一段时间才能被调整。由管道控制器34控制气态氧和气态氮的生产，管道控制器34可以是个人电脑，它不是直接控制空气分离设备18和20，而是提供生产要求并输入到管理控制系统中，管理控制系统程序装在管理控制和数据采集计算机(SCDAC)30和32中。关于这方
15、面，管道控制器34通过以各种熟知的模拟或数字方式输入生产要求与管理控制系统相连。下文中要更详细讨论的是，管道控制器34基于模型预测控制至少作为被控制变量的管道压力和作为操纵变量的气态氧和/或气态氮生产率而起作用。优选地，消费者汲取的气体产品的流量也被用作前馈变量。合适的操作程序是DMC+，可以从Aspentech，10 Canal Park，Cambridge，Massachusetts 02141处获得。管道压力由压力传感器36和38监测，并作为输入信号导入到数据收集计算机40中。另外，空气分离设备18和20的当前生产要求由管理控制和数据采集计算机30和32收集，并作为输入信号也被导入到数据
16、收集计算机40中。到消费者14的气态氧和气态氮流量由流量计44和46监测，并输入到数据收集计算机40中。关于这方面，每一个流量计可以包含在带有温度传感器的锐孔板对边上的压力传感器以纠正非标准温度。类似地，流量计48和50可以用来将气态氧和气态氮流量输入到数据收集计算机40中。所有这些值以周期循环时间，如5分钟，轮流被输入到保留在管道控制器34中的滚动历史中作为更新值。上述的压力、流量等值作为管道控制器34中的模型预测控制程序的输入来确定生产要求，从而维持管道部分10和12中的管道压力在允许范围内。关于这一点，管道控制器34产生与生产要求相应的信号，并将信号输入到管理控制和数据采集计算机30和32中。存储在管道控制器34中的为经验确定分级响应模型，以熟知的方式被用来寻找管道部分10和12的开环压力响应。这些模型被输入到模型预测控制程序中作为数据点。开环响应是在没有采取进一步的控制行动时会发生的响应。参考图2，图解了管道控制矩阵，它包括用于管道控制器34中的模型预
