温度PID串级控制器在提高空气膜分离制氮产量中的应用

摘要：膜分离制氮过程中需要将干燥空气进行加热才能使产品氮气纯度满足要求。目前各种制氮机为了保证氮气纯度，往往都将加热温度控制在较高水平，无法根据氮气纯度实时改变工作温度，从而造成氮气产量小、效率低现象。本文提出的解决方案则以氮气纯度作为主控参数，而将温度作为次控参数，由两个具有变送和远程设定点功能的PID控制器组成串级控制系统来进行变温调节，将氮气纯度始终控制在设定值附近，在满足纯度要求的前提下可有效降低膜组件的工作温度，并显著提高产品氮气产量。

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1. 问题的提出

氮气作为一种常用的惰化气体，其制作方法主要有变压吸附法、膜分离法和深冷法，而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。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%以上，而在目前很多膜分离制氮机的温度控制方面，还存在以下工程实际问题需要解决：

目前大多数膜分离制氮机的温度控制还是采用固定温度下的PID控制方式，如有些制氮机的膜组件需要将空气加热到49℃恒定温度。但当设备更换新膜组件时，膜性能比较好时，则只需较低温度（例如 35℃）就可以使产出的氮气纯度达到 99.0%，氮气流量也能够满足用户使用要求。如果膜组件入口气体温度仍然控制在 49℃，则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。

由此可见，在膜分离制氮设备中，真正需要的是能根据产出氮气的纯度要求来实时调节空气加热温度，这样才能保证产品氮气的纯度和流量同时满足用户要求。为了解决此问题，本文将提出采用串级控制器的膜分离制氮解决方案，在氮气纯度满足要求的前提下提高氮气产量。

2. 解决方案

膜分离制氮的一般工艺流程如图1所示， 空气经空压机压缩和调节阀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温度。 高温压缩空气进入膜组件，膜组件将分离出高纯氮气和富氧气体。

膜分离制氮系统的温度控制多采用工业用PID控制方式，并由人工设定系统的工作温度。PID控制器调节加载给加热器的电功率，从而实现膜分离制氮系统恒温工作。温度控制系统结构如图2所示。

图2所示的采用恒定温度PID控制方式存在膜组件老化时无法保证产氮气纯度稳定以及产量降低的缺点，本文的解决方案则采用了PID串级控制方式，其结构如图3所示。

在图3所示的串级控制系统中包含了主和次两个闭环控制回路：

（1）次控制回路包括温度传感器、电加热器和次PID控制器，其中将进入膜组件的空气温度作为次回路的控制参数。

（2）主控制回路则包括了氮气分析仪、次控制回路、膜组件和主PID控制器，其中将膜组件产出氮气的纯度作为主回路的控制参数。

解决方案中串级控制系统的主要特征是将主控制回路的输出值（即温度值）作为次控制回路的设定值，从而控制电加热器的加热功率来调整进入膜组件的空气温度。尽管串级控制系统中用到了两个PID控制器，但要实现串级控制功能，相应的PID控制器需要具备以下功能：

（1）在次控制回路中，所用的PID控制器输入信号为标准的热电偶或热电阻信号，输出信号是4~20mA或0~10V标准的模拟信号，控制器具有PID自动控制和PID参数自整定功能。而重要的是这个次PID控制器的设定值是主PID控制器的输出值，且不是固定值，而且设定值信号类型和量程要与所接入的温度传感器完全保持一致。

（2）在主控制回路中，主PID控制器需要具有标准的PID自动控制和PID参数自整定功能之外，还需具有接收氮气分析仪输出的4~20mA或0~10V模拟信号或其他形式信号的能力。最重要的是主PID控制器要具有输出温度传感器（热电偶或热电阻）信号的能力，而且所输出信号完全能被次PID控制器接收。

由此可见，要真正在工程上实现膜分离氮气的串级控制，关键是要解决以下三个问题：

（1）增加一个氮气纯度测量装置。此装置可以是氮气纯度传感器或分析仪等，氮气测量装置的输出信号最好是4~20mA或0~10V等形式的标准模拟信号，以便主PID控制器接收。

（2）主PID控制器的输出信号需要与次PID控制回路中所用温度传感器的类型和量程始终保持一致，由此使得此输出信号便于被次PID控制器接收后作为设定值来进行温度控制。

（3）次PID控制器要具有自动可变设定值功能，即能够接收主PID控制器的控制输出信号作为随时改变的设定值，次PID控制器随时根据接收到的设定值进行温度控制。

由此可见，串级控制的核心是解决主PID控制器输出和次PID控制器的输入问题，采用一般的工业用PID控制器很难实现上述复杂的功能，如果采用PLC控制也需要复杂编程和相应硬件支持。为此，本解决方案采用了两台标准化的，且高精度多功能的PID控制器（VPC2021-1系列），具体接线如图4所示。

如图4所示，具有变送功能的主PID控制器，在主输入端口接收氮气纯度传感器测量信号，然后根据所设置的氮气纯度固定值进行PID自动控制，相应的控制输出信号（输出值或偏差值）经过变送转换为4~20mA, 0~10mA, 0~20mA, 0~10V, 2~10V, 0~5V和1~5V七种模拟信号中的任选一种，并传送给次PID控制器的次输入端。

具有远程设定点功能的次PID控制器，在次输入端口接收主PID控制器的变送信号作为变化的设定值，然后根据主输入端口接收到的温度传感器信号，进行PID自动控制，控制信号经主输出端口连接电加热器执行机构，对空气加热温度进行自动调节。

需要提醒的是，如果主PID控制器输出的控制信号能被次PID控制器次输入通道接收，且输入信号类型和量程与主输入通道接入的温度传感器一致，也可采用普通PID控制器作为主控制器。

3. 总结

本文提出的解决方案，可以很好的解决空气膜分离中纯度稳定的氮气输出，从而提高产品氮气的产量。同时通过降低了的空气加热温度，可以达到节能效果。

此解决方案不仅可以应用于空气膜分离制氮领域，也可以在其他串级控制方面得到应用。不仅可以进行温度参数的串级控制，也可以进行位移、真空、压力和张力等其他参数的串级控制。

在此解决方案的串级控制系统中，分别采用了多功能PID控制器中的变送和远程设定点功能，这是一般工业用PID控制器无法具备的高级功能。方案中所用的PID控制器不仅功能强大和具有RS485通讯接口，还具有很高的测控精度，如24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比。随机配备的计算机软件，可直接通过计算机进行相应的参数设置和控制运行。