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WO2008152264A2 - Procede de regulation d'une unite de distillation cryogenique - Google Patents

Procede de regulation d'une unite de distillation cryogenique Download PDF

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WO2008152264A2
WO2008152264A2 PCT/FR2008/050759 FR2008050759W WO2008152264A2 WO 2008152264 A2 WO2008152264 A2 WO 2008152264A2 FR 2008050759 W FR2008050759 W FR 2008050759W WO 2008152264 A2 WO2008152264 A2 WO 2008152264A2
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WO
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threshold
controlled variable
column
pressure column
low pressure
Prior art date
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PCT/FR2008/050759
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Jean-françois RAUCH
Athanasios Kontopoulos
Jean-Marc Peyron
Thierry Roba
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25J3/04848—Control strategy, e.g. advanced process control or dynamic modeling

Definitions

  • the present invention relates to a method of controlling a cryogenic distillation unit, for example an air separation apparatus or a mixture separation apparatus having as main components hydrogen and carbon monoxide.
  • the control method according to the invention uses predictive and multivariable control (for example MVPC ("Multi-Variable Predictive Control") and possibly control by non-predictive methods, such as as the AFF (Advanced Feed Forward) strategy.
  • MVPC Multi-Variable Predictive Control
  • AFF Advanced Feed Forward
  • this process is used to produce oxygen, nitrogen and argon (more rarely krypton and xenon) by compressing and then cooling (liquefying) and distilling ambient air.
  • the air is compressed and then separated using low and medium pressure columns (which are more and more frequently "superimposed” and which thermally communicate by an oxygen / nitrogen exchanger called vaporizer-condenser).
  • the nitrogen is separated from the air by creating oxygen-rich liquid at the bottom of the column and nitrogen-rich liquid and vapor at the top of the column. These products are extracted and at least some are fed separately to the low pressure column. Because of differences in relative volatility between argon, nitrogen and oxygen, substantially pure nitrogen is formed at the top of the column, substantially pure oxygen is formed at the bottom of the column and gas rich in argon in the middle of the column.
  • the central argon-rich fraction can be withdrawn from the low pressure column to feed an auxiliary column (argon column) for the purpose of producing argon.
  • the raw argon is rectified into a rich oxygen reflux (which is subsequently sent to the low pressure column for condensing) and in a very rich argon stream (often called "argon mixture") that can be used as a product as such or purified later.
  • AFF Advanced Feed Forward
  • MVPC Multi Variable Predictive Control
  • the present invention provides a combined system that optimizes the use of one and the other.
  • a method of controlling a cryogenic distillation separation apparatus in which at least one manipulated variable is modified, the manipulated variable or each manipulated variable being modified by means of at least one controlled variable , each controlled variable being adjustable by means of a regulation method characterized in that a predictive method of regulation is used to regulate at least one set point of a first controlled variable.
  • At least one set point of a first controlled variable regulated by the predictive method is used to calculate, by a non-predictive method, possibly of Advanced Feed Forward type, at least one set point of at least one second controlled variable.
  • At least one set point derived from a set point of one of the controlled variables regulated by the predictive method, is used to compute by a non-predictive method, possibly of Advanced Feed Forward type, at least one setpoint of at least one second controlled variable.
  • the set point is derived from a set point of one of the controlled variables regulated by the predictive method by filtering, possibly by filtering of the 'ramp' type.
  • the first controlled variable is a supply air flow rate for an apparatus for separating air by cryogenic distillation in a double column comprising a medium pressure column and a low pressure column and the second controlled variable is a liquid flow rate of reflux from the medium pressure column and / or for the low pressure column or a reflux liquid capacity level from the medium pressure column for the low pressure column.
  • the calculated value of reflux liquid setpoint from the medium pressure column to the capacity is treated by filtering of the 'Lead-lag' type, preferably of the 'inverse response' variant.
  • the calculated value of the reflux liquid set point from the capacity to the low pressure column is treated by 'lead-lag' filtering, preferably of the 'overshoot' variant.
  • the reflux liquid is enriched in nitrogen.
  • the method is a method of regulating an air separation apparatus comprising a medium pressure column, a low pressure column and an argon separation column and the first controlled variable is the oxygen content at a predetermined height of the low pressure column, where the argon content is preferably substantially maximum wherein i) the nitrogen content at the top of the argon separation column is measured and if the nitrogen content exceeds a first threshold, at least one an upper or lower limit for the first controlled variable and / or ii) the oxygen content of a high oxygen flow rate withdrawn from the low pressure column is measured and if the oxygen content falls below a second threshold, increases at least one upper or lower limit for the first controlled variable.
  • the at least one upper or lower limit of at least 0.1%, preferably at least 0.5%, is increased.
  • the at least one upper or lower limit is increased instantaneously. - either (a) once the nitrogen content has exceeded the first threshold, if the nitrogen content subsequently falls below a third threshold, lower than, equal to or greater than the first threshold, then the at least one upper limit is reduced or lower for the first controlled variable and / or ii) once the oxygen content has dropped below the second threshold, if then the oxygen content exceeds a fourth threshold, lower than, equal to or greater than the second threshold, then the oxygen content is reduced. at least one upper or lower limit for the first controlled variable.
  • the at least one upper or lower limit of at least 0.1%, preferably at least 0.2% is reduced.
  • the at least one upper or lower limit is reduced for a period of at least 10 minutes.
  • the first threshold is at least 0.2% nitrogen, preferably at least 0.3% and optionally the third threshold is equal to the first threshold.
  • FIGS. 1, 2 and 7 schematically show control methods according to the invention
  • FIGS. 3 to 6 show the effect of the cleating systems that can be exploited in the context of the invention
  • FIG. 8A shows a control method according to the invention.
  • the invention in the context of the air separation apparatus of Figure 8B and Figures 9 and 10 are graphs showing variables regulated according to the method of the invention.
  • the invention consists of a combined process control system that provides the benefits of both AFF and MVPC systems.
  • the first step is to define the control matrix, ie MVs (Manipulated Variables), CVs (Controlled Variables) and DVs (Disturbances and / or Observable Deviations).
  • MVs Manipulated Variables
  • CVs Controlled Variables
  • DVs Disturbances and / or Observable Deviations
  • the MVPC controller receives disturbance values DV1, DV2 and CV1 values, CV2 of controlled variables. From these values, the MVPC controller calculates (using dynamic correlations as explained above as well as various ad hoc parameters) new setpoints (RSP), for the manipulated variables, MV1, MV2 and these new points.
  • RSP new setpoints
  • Setpoints are sent to controllers of different types (for example, to a FIC or "Flow Indicator and Control” or Indicator and Flow Control or to a LIC “Level Indicator and Control” or Indicator and Level Control). In this case, in this example, it is a flow control. Usually these relationships use one or more Manipulated Variables.
  • Manipulated Variables are used directly. These being recalculated at each computation cycle of the multivariable predictive controller, the calculation of the setpoints is incremental.
  • the value coming from the controller passes through a filter to go from the discrete domain to the continuous domain.
  • a first filter is used to change the value of MV1
  • a second filter is used to change the value of MV2
  • a third filter is used to change the value of the product setpoint by calculation.
  • the system according to the invention makes it possible to optimize the production unit. Optimization variables are included in the matrix.
  • the linear or quadratic optimization program makes it possible to find the optimum operating point of the unit by pushing the controlled variables against their constraints. But the system according to the invention also makes it possible to make very rapid changes in the market. Indeed, some of the control loops being predefined, this makes it possible to anticipate the load changes of the unit.
  • This system therefore makes it possible both to optimize and to make load variations between 0.1% / min (shift in pseudo static mode) up to more than 7% / min (very fast changeover).
  • a double column comprises a medium pressure column MP and a low pressure column LP thermally connected to each other by a vaporizer-condenser.
  • the apparatus produces low pressure oxygen in gaseous form OGBP in the bottom of the LP column.
  • Air pressure medium air is sent to the MP medium pressure column and AirTurb air is sent to the BP column.
  • Rich liquid is sent from the tank of the MP column to the LP column.
  • Fluid rich in LP nitrogen called lower lean liquid is sent to a capacity C and liquid of the capacity is sent to the LP column.
  • the objective is to increase and / or very quickly reduce the air load of an air separation unit in order to adapt more rapidly to the consumption demand. It is understood that these load changes must comply with the safety instructions and quality specifications of the delivered product.
  • the solution according to the invention will be to exploit all the liquid capacities of the column, or even to install another one, which, managed by an effective control system, will guarantee sufficient reflux so that the purities are maintained also during the changes. Steps.
  • Capacity C is filled with Low Oxygen Liquid (LP) from the MP column and the outgoing liquid is directed to the LP column at an appropriate location.
  • LP Low Oxygen Liquid
  • the principle of filling / emptying the capacity C is as follows: when the air flow (the appliance load) is at its highest value, the level of the capacity is at the lowest value (say 20 %) and when the airflow is at the lowest possible value, the liquid level setpoint of the capacity is as high as possible (eg at 40%, 50% or 80%).
  • Airflow and OGBP are managed by the MVPC. This guarantees the production of OGBP at the desired value and maintenance of the OGBP content.
  • this new instruction through a calculation (calculation_2, for example of type ax + b) is translated into a value of flow rate of Poor Liquid (F LP) which would represent the flow of poor liquid in stationary state.
  • the dynamic forces us to use this rate to: o calculate a setpoint (remote set point) LP from the MP to the capacity (RSP_1).
  • This calculation requires the passage through a Lead-Lag type filter (inverse response) o calculate a setpoint (remote set point) (RSP_3) for the LP of the capacity to the BP column having passed through:
  • MVPC predictive and multivariable intrinsic capabilities help to increase the speed of the operation within the limits of OGBP content.
  • the purity of gaseous oxygen produced must, as a general rule, remain close to 95% in any case between 94% at the lowest (contract content) and 96.5% at the highest (for safety reasons) .
  • the AFF part controls all the part concerning the flow rates of the additional capacity and the MVPC the air flow and the OGBP flow.
  • ASU air distillation apparatus
  • the raw argon stream (from the low pressure column to the argon column) contains a percentage of nitrogen.
  • the presence of nitrogen creates many operational concerns when argon is distilled. Indeed, to extract a maximum of argon, we must maintain the "belly" argon (oxygen content at the location of the low pressure column where the argon flow is withdrawn) as low as possible. This comes from the fundamentals of distillation and is a well-known rule in the operation. On the other hand, a too low value of the argon belly results in an excessively high presence of nitrogen at the top of the argon distillation column which prevents this column from functioning correctly. These phenomena are eminently nonlinear. The result is a loss of pure product contents and an unintentional triggering of the operating device.
  • MVPC systems installed on air distillation columns have difficulty in accounting for this phenomenon because the models that reproduce the presence of nitrogen at the head of the argon column according to different parameters, are strongly linear and are difficult to manage with a "pure" MVPC approach.
  • MV2 Low Pressure Oxygen Flow (OGBP)
  • CV1 The argon belly oxygen value at a predetermined height of the low pressure column (in%)
  • DV1, DV2 ... Measurement-setpoint deviation for Airflow, OGBP, etc. (the flows involved in MV variables).
  • DVx, DVx + 1 possibly impact of the pressurization of the bottles of the purification at the head, flow OG average or high pressure, nitrogen flow gas of average or high pressure, ...
  • this configuration is an example, different configurations between the MV, CV and DV can be considered to solve the same problem.
  • This technique makes it possible to avoid untimely triggering of units which generate production losses, energy losses as well as the potential dangers of inadvertent tripping of the production unit and, at the same time, keeping an optimum argon belly set point. (very low) which makes it possible to optimize the extraction of argon.
  • Bias activation threshold (A) 0.3% nitrogen at the head of the argon column
  • V1 of the automatic bias 1.5% which is automatically added to the argon belly limits transmitted to the MVPC
  • this automatic bias is not necessarily solely related to the presence of nitrogen at the head of the argon column but may be related to the presence of other phenomena such as a low threshold of oxygen content (eg the low pressure oxygen content produced by the low pressure column, etc.).
  • a predictive method of regulation is used. For example a change in product flow of the impure argon column fed from the low pressure column has an impact on the oxygen content measured in the column whose dead time exceeds 15 minutes. The oxygen content of the impure argon column will therefore be regulated by a predictive method.

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Abstract

Dans un procédé de régulation d'un appareil de séparation par distillation cryogénique, au moins une variable manipulée est modifiée, la variable manipulée ou chacune des variables manipulée étant modifiée au moyen d'au moins une variable contrôlée, chaque variable contrôlée étant ajustable au moyen d'une méthode de régulation et l'on utilise une méthode de régulation par méthode prédictive pour réguler au moins un point de consigne d'une des variables contrôlées.

Description

Procédé de régulation d'une unité de distillation cryogénique
La présente invention est relative à un procédé de régulation d'une unité de distillation cryogénique, par exemple un appareil de séparation d'air ou un appareil de séparation de mélange ayant pour composants principaux de l'hydrogène et du monoxyde de carbone.
Le procédé de régulation selon l'invention utilise la commande par méthode prédictive et multivariables (par exemple le MVPC (« Multi-Variable Prédictive Control » ou « Contrôle Prédictif Multi-Variable»)) et éventuellement la commande par méthodes non-prédictives, tel que la stratégie AFF (« Advanced Feed Forward »).
L'approche est illustrée à travers d'exemples, notamment le changement de marche rapide et l'optimisation du rendement d'extraction d'argon.
Le procédé de distillation de l'air ne sera pas présenté en détail, étant suffisamment expliqué dans la littérature, par exemple dans « Oxygen Enhanced Combustion » Editions CRC, 1998, « Tieftemperaturtechnik » de Hausen et Linde, etc.
En quelques mots, ce procédé est utilisé pour produire de l'oxygène, azote et argon (plus rarement du krypton et du xénon) en comprimant puis refroidissant (liquéfiant) et distillant de l'air ambiant.
Dans un système classique l'air est comprimé et puis séparé en utilisant des colonnes basse et moyenne pression (qui sont de plus en plus fréquemment "superposées" et qui communiquent thermiquement par un échangeur oxygène/azote appelé vaporiseur-condenseur). Dans la colonne moyenne pression, l'azote est séparé de l'air en créant du liquide riche en oxygène au fond de la colonne et du liquide et de la vapeur riches en azote en haut de la colonne. Ces produits sont extraits et au moins quelques-uns sont alimentés séparément à la colonne basse pression. A cause des différences de volatilité relative entre l'argon, l'azote et l'oxygène, de l'azote pratiquement pur est formé en haut de la colonne, de l'oxygène pratiquement pur est formé en bas de la colonne et du gaz riche en argon au milieu de la colonne. La fraction centrale, riche en argon, souvent appelée de l'argon brut, peut être soutirée de la colonne basse pression pour alimenter une colonne auxiliaire (colonne argon) dans le but de produire de l'argon. L'argon brut est rectifié en un reflux riche en oxygène (qui est par la suite envoyé à la colonne basse pression pour y être condensé) et en un flux très riche en argon (souvent appelé « mixture argon ») qui peut être utilisé comme produit en tant que tel ou purifié ultérieurement.
Dans une unité moderne il est rare que les valeurs des consignes des débits d'air entrant, de l'azote, de l'oxygène et de l'argon produits ainsi que celles des flux intermédiaires (par exemple, des débits des remontées liquide de la colonne haute pression à la colonne basse pression) soient fixes. Des systèmes de régulation sont utilisés pour satisfaire simultanément les spécifications de qualité des produits (teneurs) tout en produisant les quantités requises et, de plus en plus, des contraintes liées à la Sécurité et l'Environnement.
Ces systèmes de régulation sont souvent du type Advanced Feed Forward (AFF) et dans les temps plus récents du type MVPC (Multi Variable Prédictive Control).
L'un et l'autre présentent des avantages et des inconvénients. La présente invention propose un système combiné qui optimise l'utilisation de l'un et de l'autre.
Selon la présente invention, il est prévu un procédé de régulation d'un appareil de séparation par distillation cryogénique dans lequel au moins une variable manipulée est modifiée, la variable manipulée ou chacune des variables manipulées étant modifiée au moyen d'au moins une variable contrôlée, chaque variable contrôlée étant ajustable au moyen d'une méthode de régulation caractérisée en ce que l'on utilise une méthode de régulation par méthode prédictive pour réguler au moins un point de consigne d'une première variable contrôlée.
Selon d'autres aspects :
- on utilise au moins un point de consigne d'une première variable contrôlée régulé par la méthode prédictive pour calculer, par une méthode non-prédictive, éventuellement de type 'Advanced Feed Forward', au moins un point de consigne d'au moins une deuxième variable contrôlée.
- on utilise au moins un point de consigne, dérivé d'un point de consigne d'une des variables contrôlées régulé par la méthode prédictive, pour calculer par une méthode non-prédictive, éventuellement de type 'Advanced Feed Forward', au moins un point de consigne d'au moins une deuxième variable contrôlée. - le point de consigne est dérivé d'un point de consigne d'une des variables contrôlées régulé par la méthode prédictive par filtrage, éventuellement par filtrage de type 'rampe'.
- la première variable contrôlée est un débit d'air d'alimentation pour un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique dans une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression et la deuxième variable contrôlée est un débit de liquide de reflux provenant de la colonne moyenne pression et/ou destiné à la colonne basse pression ou un niveau de capacité de liquide de reflux provenant de la colonne moyenne pression et destiné à la colonne basse pression.
- la valeur calculée de point de consigne de liquide de reflux allant de la colonne moyenne pression vers la capacité est traitée par filtrage de type 'Lead-lag', de préférence de variante 'réponse inverse'.
- la valeur calculée point de consigne de liquide de reflux allant de la capacité vers la colonne basse pression est traitée par filtrage de type 'Lead-lag', de préférence de variante 'sur-dépassement'.
- le liquide de reflux est enrichi en azote.
- le procédé est un procédé de régulation d'un appareil de séparation d'air comprenant une colonne moyenne pression, une colonne basse pression et une colonne de séparation d'argon et la première variable contrôlée est la teneur en oxygène à une hauteur prédéterminée de la colonne basse pression, où la teneur en argon est de préférence substantiellement maximale dans lequel i) on mesure la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon et si la teneur en azote dépasse un premier seuil, on augmente au moins une limite supérieure ou inférieure pour la première variable contrôlée et/ou ii) on mesure la teneur en oxygène d'un débit riche en oxygène soutiré de la colonne basse pression et si la teneur en oxygène passe en dessous d'un deuxième seuil, on augmente au moins une limite supérieure ou inférieure pour la première variable contrôlée.
- on augmente l'au moins une limite supérieure ou inférieure d'au moins 0,1 %, de préférence d'au moins 0,5%.
- on augmente l'au moins une limite supérieure ou inférieure instantanément. - soit a) une fois que la teneur en azote a dépassé le premier seuil, si ensuite la teneur en azote passe en dessous d'un troisième seuil, inférieur, égal ou supérieur au premier seuil, on réduit l'au moins une limite supérieure ou inférieure pour la première variable contrôlée et/ou ii) une fois que la teneur en oxygène est passé en dessous du deuxième seuil, si ensuite la teneur en oxygène dépasse un quatrième seuil, inférieur, égal ou supérieur au deuxième seuil, on réduit l'au moins une limite supérieure ou inférieure pour la première variable contrôlée.
- on réduit l'au moins une limite supérieure ou inférieure d'au moins 0,1 %, de préférence d'au moins 0,2%.
- on réduit l'au moins une limite supérieure ou inférieure pendant une période d'au moins 10 minutes.
- le premier seuil est d'au moins 0,2% d'azote, de préférence d'au moins 0,3 % et éventuellement le troisième seuil est égal au premier seuil.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux Figures.
Les Figures 1 , 2 et 7 montrent schématiquement des procédés de régulation selon l'invention, les Figures 3 à 6 montrent l'effet des systèmes de fltrages, exploitables dans le cadre de l'invention, la Figure 8A montre un procédé de régulation selon l'invention dans le cadre de l'appareil de séparation d'air de la Figure 8B et les Figures 9 et 10 sont des graphiques montrant des variables régulés selon le procédé de l'invention.
L'invention consiste en un système combiné de contrôle des procédés, qui permet de bénéficier des avantages des deux systèmes d'AFF et de MVPC.
La première étape consiste à définir la matrice de contrôle, c'est-à-dire les MV (Variables Manipulées), les CV (Variables Contrôlées) et les DV (les Perturbations et/ou les Déviations observables).
En utilisant la connaissance du procédé : le comportement statique de l'unité (équilibre thermodynamique...) mais aussi le comportement dynamique (écoulement hydraulique et rétention dynamique), on définit les relations entre certaines variables contrôlées par le SNCC (Système Numérique de Contrôle Commande) et d'autres variables de la matrice de contrôle (les DV et les MV). On peut éventuellement effectuer des calculs ultérieurs à partir des valeurs des MV et les résultats de ces calculs sont de nouveaux points de consigne, comme on voit à la Figure 1. Le contrôleur MVPC reçoit des valeurs DV1 , DV2 de perturbations et des valeurs CV1 , CV2 de variables contrôlées. A partir de ces valeurs, le contrôleur MVPC calcule (en utilisant des corrélations dynamiques comme expliqué ci-dessus ainsi que différents paramètres ad hoc) de nouveaux points de consigne (RSP), pour les variables manipulées, MV1 , MV2 et ces nouveaux points de consigne sont envoyés à des contrôleurs de différents types (par exemple, à un FIC ou « Flow Indicator and Control » soit Indicateur et commande de débit ou à un LIC « Level Indicator and Control » soit Indicateur et commande de niveau). En l'occurrence, dans cet exemple, il s'agit d'un contrôle de débit. Généralement ces relations utilisent une ou plusieurs Variables Manipulées.
Mais dans certains cas, on peut aussi utiliser une ou plusieurs Perturbations (DV1 , DV2) et une ou plusieurs Variables Contrôlées (CV1 , CV2) pour générer de nouveaux points de consigne (RSP ou Remote Set Point, « point de consigne à distance ») pour un régulateur de débit (FIC) et un régulateur de niveau (LIC), en combinant avec les valeurs de certaines variables manipulées (MV1 , MV2), comme on voit à la Figure 2. La différence entre la Figure 1 et la Figure 2 est que dans le cas de la Figure 2 certaines CV et DV participent au calcul de la valeur de certaines consignes calculées (RSP) qui sont transmises à des régulateurs de type FIC, LIC, etc sans passer par le MVPC.
Dans certains cas, on utilise directement les valeurs des Variables Manipulées. Celles-ci étant recalculées à chaque cycle de calcul du contrôleur multivariable prédictif, le calcul des consignes fait des incréments.
Le plus souvent, la valeur venant du contrôleur passe au travers d'un filtre pour passer du domaine discret au domaine continu.
Cela permet de mettre des filtres lents (de premier ordre par exemple) pour avoir des consignes qui varient lentement (pour les systèmes avec une grande inertie) comme illustré dans la Figure 3.
D'autres fois nous utilisons des filtres qui limitent les variations comme celui de la Figure 4. Un autre type de filtrage est de type « lead-lag » (ou « avance/retard ») pour donner une dynamique au changement de consigne.
Nous avons des lead-lag de type « réponse inverse » (Figure 5) : quand la consigne donnée par le contrôleur augmente, le signal commence d'abord par être réduit, avant d'augmenter à la valeur souhaitée.
Autre type est celui du «sur-Dépassement » (connu en anglais comme « overshoot »): le filtre amplifie en transitoire les changements de consigne (Figure 6).
Il n'est pas nécessaire d'employer uniquement un seul filtre, nous pouvons utiliser une combinaison de plusieurs filtres. Comme montré dans la Figure 7, un premier filtre est utilisé pour modifier la valeur de MV1 , un deuxième filtre est utilisé pour modifier la valeur de MV2 et un troisième filtre est utilisé pour modifier la valeur du point de consigne produit par calcul.
Les avantages sont multiples :
• D'abord la taille de la matrice du contrôleur multivariable est réduite (surtout moins de Variables Manipulées). Le système est donc plus facile à mettre en œuvre.
• Moins de temps passé pour l'identification des modèles (corrélations exprimant les liens dynamiques entre les CV et les DV et MV) du système (ce temps est directement proportionnel au nombre de Variables Manipulées).
• Moins de communication entre le SNCC et le PC qui contient et exécute le logiciel MVPC c'est le cas le plus fréquent).
• Moins de configuration (programmation) dans le SNCC.
• Moins de paramètres de réglages dans le contrôleur MVPC (mise en service plus rapide).
• Plus grande robustesse du contrôleur.
Le système selon l'invention permet d'optimiser l'unité de production. Les variables d'optimisation sont incluses dans la matrice. Le programme d'optimisation linéaire ou quadratique permet de trouver l'optimum du point de fonctionnement de l'unité en poussant les variables contrôlées contre leurs contraintes. Mais le système selon l'invention permet aussi de faire des changements de marche très rapide. En effet une partie des boucles de contrôle étant prédéfinie, cela permet d'anticiper les changements de charge de l'unité.
Ce système permet donc à la fois d'optimiser et de faire des variations de charge entre 0.1 %/min (changement de marche en pseudo statique) jusqu'à plus de 7%/min (changement de marche très rapide).
L'efficacité du procédé selon l'invention dans le cadre d'un changement de marche rapide (jusque à 7% de débit produit/minute) sera démontrée en utilisant les Figures 8A et 8B.
Dans la figure 8B, une double colonne comprend une colonne moyenne pression MP et une colonne basse pression BP reliées thermiquement entre elles par un vaporiseur-condenseur. L'appareil produit de l'oxygène basse pression sous forme gazeuse OGBP en cuve de la colonne BP.
De l'air moyenne pression AirMP est envoyé à la colonne moyenne pression MP et de l'air détendu AirTurb est envoyé à la colonne BP.
Du liquide riche est envoyé de la cuve de la colonne MP à la colonne BP.
Du liquide riche en azote LP appelé liquide pauvre inférieur est envoyé à une capacité C et du liquide de la capacité est envoyé à la colonne BP.
Du liquide pauvre supérieur est envoyé de la colonne MP à la colonne BP.
L'objectif est d'augmenter et/ou diminuer très rapidement la charge en air d'un appareil de séparation d'air afin de s'adapter plus rapidement à la demande de consommation. Il est entendu que ces changements de charge doivent respecter les consignes de sécurité et les spécifications de qualité du produit livré.
Pour maintenir les puretés dans les spécifications d'une unité de séparation d'air qui bénéficie du système selon l'invention, nous devons maintenir les reflux aussi constants que possible dans :
• la colonne Basse Pression (BP)
• la colonne Moyenne Pression (MP)
Dans le cas des changements de marche très rapides, la solution à ce problème ne peut pas provenir uniquement du système de contrôle. En effet, pendant un changement de marche rapide, les débits gazeux dans la colonne (aussi bien la MP et la BP) se modifient plus rapidement que les débits liquide (qui se modifient avec beaucoup plus de retard, vu les retentions liquide, qu'il s'agisse de plateaux ou de garnissages à l'intérieur des colonnes). Ceci crée un changement drastique aux valeurs des reflux dans la colonne avec, comme conséquence immédiate, une perte des teneurs et un arrêt de la production.
La solution selon l'invention sera d'exploiter toutes les capacités liquide de la colonne, voire d'en installer une supplémentaire, qui, gérée par un système de contrôle efficace, garantira des reflux suffisants pour que les puretés soient maintenues également pendant les changements de marche.
Un aperçu succinct de l'installation est donné dans la figure 8.
Une capacité supplémentaire est installée pour que l'on puisse bénéficier d'un volume de liquide nécessaire pendant un changement de marche rapide. Le volume utile de cette capacité peut-être est basé sur des calculs détaillés (modélisation dynamique). La capacité C est remplie avec du Liquide Pauvre en oxygène (LP) en provenance de la colonne MP et le liquide sortant se dirige vers la colonne BP à un endroit ad hoc.
Le principe de remplissage/vidange de la capacité C est le suivant : quand le débit d'air (charge de l'appareil) est à sa valeur la plus élevée, le niveau de la capacité est à la valeur la plus basse (disons 20%) et quand le débit d'air est à la valeur la plus basse possible, la consigne du niveau liquide de la capacité est la plus élevée possible (p. ex. à 40%, 50% ou 80%).
Ce principe, relativement simple, doit pourtant être géré par un système de contrôle efficace car les débits de remplissage ou de vidange de la capacité ne doivent pas se modifier d'une façon purement proportionnelle au débit d'air. Ceci est dû au fait que l'impact dynamique du changement du débit d'air et celui du LP sur les reflux ne sont pas les mêmes. On doit donc gérer ces différences par un système de contrôle adéquat afin de maintenir des reflux les plus stables possible. En même temps, nous devons maintenir le niveau de la capacité à la bonne valeur. Ceci nous mène, donc, à trois consignes ( Remote Set Point, « point de consigne à distance ») à calculer à tout moment (voir figure 8) :
- RSP_1 : le consigne du débit du Liquide Pauvre (LP) provenant du MP et vers la capacité C
- RSP_2 : la consigne du LIC de la capacité C
- RSP_3 : la consigne du débit du LP de la capacité vers la colonne BP Par ailleurs, pour assurer le changement de marche, nous devons assurer un changement adéquat du débit d'air ainsi que du débit du OGBP (oxygène gazeux basse pression) pour :
- satisfaire la demande de production OGBP le plus rapidement possible
- maintenir la teneur de l'OGBP dans les limites imposées
Nous faisons appel, alors, à une combinaison de différents types de filtres en combinaison avec la méthode AFF ainsi que du MVPC (pour exploiter ses possibilités de gestion multivariables et prédictive des variables).
Pour résumer, dans le cas présenté :
- les débits du LP vers et à partir de la capacité additionnelle sont gérés par une méthode AFF avec utilisation adéquate de divers filtres (voir figure 8). Ceci aide à maintenir les reflux à la bonne valeur dans la colonne
- les débits d'air et d'OGBP sont gérés par le MVPC. Ceci garantit la production d'OGBP à la valeur souhaitée et au maintien de la teneur OGBP.
En effet, si on suit la figure 8A : la demande d'oxygène (demande GOX) se traduit par un calcul adéquat (calcuM) en une demande de débit d'Air (ceci est, également, justifié par le fait que l'appareil peut partager un réseau d'air-alimentation- ainsi qu'un réseau d'oxygène-production- avec d'autres appareils)
- le MVPC, en tenant compte de cette demande d'OGBP, des possibilités à cet instant du compresseur d'air, de la teneur OGBP, de la valeur des variables de perturbation, etc., va proposer de nouveaux points de consignes pour l'Air (FAIR_1) et l'OGBP la nouvelle consigne pour l'air, FAIR_1 , a une allure « en marche d'escalier » car le MVPC nécessite du temps pour ses calculs, il envoie donc un point de consigne (RSP) au PID toutes les minutes, ou les 30 secondes, etc. Ce ne serait pas acceptable par le système « AFF/gestion des RSP de la capacité » d'avoir une entrée ainsi «fractionnée ». On fait appel alors à un filtre de type «rampe» pour «lisser» ce point de consigne avant de le transmettre à la gestion des débits de la capacité additionnelle. Ceci nous donne un nouveau point de consigne (FAIR_2)
- cette nouvelle consigne, à travers un calcul (calcul_2, p. ex. de type ax+b) est traduit en une valeur de débit de Liquide Pauvre (F LP) qui représenterait le débit de liquide pauvre en état stationnaire. La dynamique nous impose d'utiliser ce débit pour : o calculer une consigne (remote set point ) de LP de la MP vers la capacité (RSP_1). Ce calcul nécessite le passage par un filtre de type Lead-Lag (réponse inverse) o calculer une consigne (remote set point) (RSP_3) pour le LP de la capacité vers la colonne BP en ayant passé par :
• un filtre de type « overshoot » (ou sur-dépassement)
• un calcul (de type -ax+b, calcul_3) auquel s'ajoute une correction du LIC de la capacité
De cette façon nous obtenons la gestion dynamique de cet événement (changement de marche rapide) en ayant combiné utilement une gestion de type AFF avec le MVPC. C'est le principe de la présente invention. En effet, les capacités intrinsèques prédictives et multivariables du MVPC aident à augmenter la rapidité de l'opération en respectant les limites de la teneur OGBP.
Sur un site qui doit répondre très rapidement aux changements de régime du consommateur d'oxygène, nous avons implanté un système MACCS basé sur les principes mentionnés ci-dessus.
La pureté d'oxygène gazeux produit doit se maintenir, en règle générale, proche de 95% en en tout état de cause entre 94% au plus bas (teneur contractuelle) et 96,5% au plus haut (pour des raisons de sécurité).
L'évolution de différents paramètres est illustrée dans les Figures 9 et 10. Les changements de marche s'effectuent avec rapidité mais en gardant la teneur de l'OGBP dans les limites souhaitées.
La partie AFF (avec filtres) contrôle toute la partie concernant les débits de la capacité additionnelle et le MVPC le débit d'air et le débit OGBP.
Une autre utilisation du système selon l'invention est l'optimisation de l'argon extrait d'un appareil de distillation d'air (ASU).
On peut se référer à la description succincte d'un appareil de distillation de l'air faite ci-dessus.
Le flux d'argon brut (de la colonne basse pression à la colonne d'argon) contient un pourcentage d'azote. La présence d'azote crée beaucoup de préoccupations opérationnelles quand on distille l'argon. En effet, pour extraire un maximum d'argon, on doit maintenir le «ventre» argon (teneur en oxygène à l'endroit de la colonne basse pression où on soutire le flux argon) le plus bas possible. Ceci provient des principes fondamentaux de la distillation et c'est une règle bien connue dans l'exploitation. Par contre, une valeur trop basse du ventre argon a comme conséquence une présence trop élevée d'azote en tête de la colonne de distillation d'argon qui empêche cette colonne de fonctionner correctement. Ces phénomènes sont éminemment non linéaires. Le résultat est une perte de teneurs des produits purs et un déclenchement involontaire de l'appareil d'exploitation.
Les systèmes MVPC installés sur les colonnes de distillation d'air ont plutôt des difficultés à tenir compte de ce phénomène car les modèles qui reproduiraient la présence d'azote en tête de la colonne d'argon en fonction de différents paramètres, sont fortement non-linéaires et sont difficilement gérables par une approche «purement» MVPC.
Dans un cas d'une approche MVPC sur un système basique (à titre d'exemple) pour réguler le ventre argon d'une colonne nous pouvons construire le système suivant:
Variables Manipulées, MV (dont la consigne est proposée par le système MVPC)
MV1 : Débit d'Air
MV2 : Débit d'oxygène Basse Pression (OGBP)
Variables Contrôlées, CV (dont la valeur doit être maintenue entre 2 limites-haute et basse- dans la mesure du possible par le MVPC, en manipulant les variables MV)
CV1 : La valeur du ventre argon -teneur oxygène à une hauteur prédéterminée de la colonne basse pression (en %)
CV2 : la valeur « objectif » du débit d'air (target air) qui doit être satisfaite pour des raisons de production
Variables de Perturbation, DV (que le MVPC ne manipule pas mais dont l'influence sur les variables CV est déterminée par des modèles) :
DV1 , DV2... : Ecart mesure-consigne pour les débits d'Air, OGBP, etc. (les débits intervenant dans les variables MV). DVx, DVx+1 : éventuellement impact de la pressurisation des bouteilles de l'épuration en tête, Débit OG Moyenne ou Haute pression, Débit Azote gaz de moyenne ou haute pression,...
Evidemment, cette configuration est un exemple, différentes configurations entre les MV, CV et DV peuvent être envisagées pour résoudre le même problème.
Dans le cas de notre approche Combinée, nous suivons la stratégie suivante :
1. Fixer un seuil concernant la présence d'azote en tête de colonne d'argon. Ceci peut être typiquement de l'ordre de 0.2% à 1 % mais il peut être plus ou moins important, ceci dépend des caractéristiques particulières de chaque colonne. Appelons ce seuil (A).
2. Quand le seuil (A) est dépassé, les valeurs des limites très basse, limite basse, limite haute et limite très haute, qui sont transmises au MVPC en tant que limites dans lesquelles la variable CV1 (ventre argon) doit être maintenue, sont toutes augmentées instantanément d'une valeur prédéterminée (appelons-la : V1 ) qui dépend du procédé et qui peut être typiquement de l'ordre de 0.2% jusqu'à 3% et plus typiquement de 0.5% jusqu'à 1.5%. Cette valeur (V1 ) qui déplace toutes les limites vers le haut est appelée « Biais Automatique ».
3. Quand la valeur de l'analyse d'azote en tête de colonne devient ensuite inférieure à un seuil (B) qui peut être soit égal au seuil (A) soit (B)=(A)+/- (C), (C) étant une valeur assurant une hystérésis (typiquement de l'ordre de 0.1 % à 0.5% dans le cas examiné), alors on enlève cette fois la V1 des valeurs des limites du ventre, de préférence pas instantanément mais plutôt avec une rampe (Λ/1/min) pour éviter un retour brusque vers la valeur initiale de la consigne du ventre argon.
Cette technique permet d'éviter les déclenchements intempestifs d'unité qui sont générateurs de pertes de production, de pertes énergétiques ainsi que les dangers potentiels de déclenchement intempestif de l'unité de production et, en même temps, garder une consigne de ventre argon optimum (très basse) ce qui permet d'optimiser l'extraction d'argon.
Les principes développés ci-dessus sont démontrés et prouvés par l'exemple présenté dans la Figure 10. Pour aider la clarté de l'exposé seulement les valeurs de la limite très basse et de la limite très haute sont présentés mais la limite basse et la limite haute sont, également augmentées de la même valeur (V1 ).
Dans le cas présenté :
Seuil d'activation du biais (A)= 0.3% d'azote en tête de colonne d'argon
Seuil de désactivation du biais (B)=(A)=O.3%
Valeur (V1 ) du biais automatique : 1.5% qui s'ajoute automatiquement aux limites du ventre argon transmises au MVPC
Temps de rampe pour revenir à la valeur initiale de la consigne du ventre : 30 minutes
En outre, dans le cas présenté, toutes les limites de la CV1 (ventre argon) sont calculées à partir d'un ensemble de paramètres comme la charge de l'appareil, le débit d'oxygène impur produit, etc.
On peut observer que le phénomène de présence d'azote est fortement non linéaire, d'où la nécessité de prise en compté du dit phénomène par cette technique extérieure au MVPC.
Il faut remarquer, également, que l'activation de ce biais automatique n'est pas nécessairement uniquement liée à la présence d'azote en tête de colonne d'argon mais elle peut être liée à la présence d'autres phénomènes tel le dépassement d'un seuil bas d'une teneur oxygène (p.ex. la teneur de l'oxygène basse pression produit par la colonne basse pression, etc.).
Pour certaines variables contrôlées dont le temps mort est supérieur à 15 minutes, on utilise une méthode de régulation par méthode prédictive. Par exemple un changement de débit de produit de la colonne d'argon impur alimentée à partir de la colonne basse pression a un impact sur la teneur en oxygène mesurée dans la colonne dont le temps mort dépasse 15 minutes. La teneur en oxygène de la colonne d'argon impur sera donc régulée par une méthode prédictive.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de régulation d'un appareil de séparation par distillation cryogénique dans lequel au moins une variable manipulée est modifiée, la variable manipulée ou chacune des variables manipulées étant modifiée au moyen d'au moins une variable contrôlée, chaque variable contrôlée étant ajustable au moyen d'une méthode de régulation caractérisée en ce que l'on utilise une méthode de régulation par méthode prédictive pour réguler au moins un point de consigne d'une première variable contrôlée.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on utilise au moins un point de consigne d'une première variable contrôlée régulé par la méthode prédictive pour calculer, par une méthode non-prédictive, éventuellement de type 'Advanced Feed Forward', au moins un point de consigne d'au moins une deuxième variable contrôlée.
3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on utilise au moins un point de consigne, dérivé d'un point de consigne d'une des variables contrôlées régulé par la méthode prédictive, pour calculer par une méthode non- prédictive, éventuellement de type 'Advanced Feed Forward, au moins un point de consigne d'au moins une deuxième variable contrôlée.
4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le point de consigne est dérivé d'un point de consigne d'une des variables contrôlées régulé par la méthode prédictive par filtrage, éventuellement par filtrage de type 'rampe'.
5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4 dans lequel la première variable contrôlée est un débit d'air d'alimentation pour un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique dans une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression et la deuxième variable contrôlée est un débit de liquide de reflux provenant de la colonne moyenne pression et/ou destiné à la colonne basse pression ou un niveau de capacité de liquide de reflux (Capa) provenant de la colonne moyenne pression et destiné à la colonne basse pression.
6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel la valeur calculée de point de consigne de liquide de reflux allant de la colonne moyenne pression vers la capacité est traitée par filtrage de type 'Lead-lag', de préférence de variante 'réponse inverse'.
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6 dans lequel la valeur calculée point de consigne de liquide de reflux allant de la capacité vers la colonne basse pression est traitée par filtrage de type 'Lead-lag', de préférence de variante 'sur-dépassement'.
8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 9 dans lequel le liquide de reflux est enrichi en azote.
9. Procédé selon la revendication 1 de régulation d'un appareil de séparation d'air comprenant une colonne moyenne pression, une colonne basse pression et une colonne de séparation d'argon et la première variable contrôlée est la teneur en oxygène à une hauteur prédéterminée de la colonne basse pression, où la teneur en argon est de préférence maximale dans lequel i) on mesure la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon et si la teneur en azote dépasse un premier seuil, on augmente au moins une limite supérieure ou inférieure pour la première variable contrôlée et/ou ii) on mesure la teneur en oxygène d'un débit riche en oxygène soutiré de la colonne basse pression et si la teneur en oxygène passe en dessous d'un deuxième seuil, on augmente au moins une limite supérieure ou inférieure pour la première variable contrôlée.
10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel on augmente l'au moins une limite supérieure ou inférieure d'au moins 0,1%, de préférence d'au moins 0,5%.
11. Procédé selon la revendication 9 ou 10 dans lequel on augmente l'au moins une limite supérieure ou inférieure instantanément.
12. Procédé selon la revendication 9 ou 10 dans lequel soit
- une fois que la teneur en azote a dépassé le premier seuil, si ensuite la teneur en azote passe en dessous d'un troisième seuil, inférieur, égal ou supérieur au premier seuil, on réduit l'au moins une limite supérieure ou inférieure pour la première variable contrôlée et/ou - une fois que la teneur en oxygène est passée en dessous du deuxième seuil, si ensuite la teneur en oxygène dépasse un quatrième seuil, inférieur, égal ou supérieur au deuxième seuil, on réduit l'au moins une limite supérieure ou inférieure pour la première variable contrôlée.
13. Procédé selon la revendication 12 dans lequel on réduit l'au moins une limite supérieure ou inférieure d'au moins 0,1 %, de préférence d'au moins 0,2%.
14. Procédé selon l'une des revendications 12 à 13 dans lequel on réduit l'au moins une limite supérieure ou inférieure pendant une période d'au moins 10 minutes.
15. Procédé selon l'une des revendications 9 à 14 dans lequel le premier seuil est d'au moins 0,2% d'azote, de préférence d'au moins 0,3 % et éventuellement le troisième seuil est égal au premier seuil.
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