基于VPSA技术空气分离设备的设计与研究

　　一、前言

　　空分设备就是以空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设备。

　　近年来，中小型（氮气或氧气产量在10000m3/h以下）空分系统多采用“PLC+上位软件”方式控制，控制系统的稳定性和实施的方便性受到广大用户的青睐。

　　VPSA（变压吸附）分离技术是采用加压吸附、降压解吸的方式分离空气中的氮气和氧气，为用户提供气体单体，根据吸附剂的不同，系统分离出氮气或者氧气。采用VPSA技术进行空气分离的空分系统和传统的深冷法相比较具有设备起动快、投资少、建设周期短、综合能耗低等特点。对于污水处理、钢铁等行业，系统完全可以满足用户用氧需求。

　　二、工艺简介

　　以变压吸附制氧工艺（见图1）为例，空分系统设备由鼓风机、真空泵、吸附器、换热器、氧压机等多个主设备组成，还有一些辅助系统如循环水系统、仪表空气系统。

　　变压吸附真空解吸（简称VPSA）制氧设备，即穿透大气压 的条件下，利用VPSA专用分子筛选择性吸附空气中的氮气、二氧化碳和水等杂质，在抽真空的条件下对分子筛进行解吸，从而循环制得纯度较高的氧气（90~94%）。VPSA能耗较低，设备越大其能耗越低。

　　三、工艺说明

　　VPSA制氧系统主要由鼓风机、真空泵、切换阀、吸附器和氧气平衡罐组成。原料空气经吸入口过滤器除掉灰尘颗粒后，被罗茨鼓风机增压至0.3-0.5barg而进入其中一只吸附器内。吸附器内装填吸附剂，其中水分、二氧化碳、及少量其它气体组分在吸附器入口处被装填于底部的活性氧化铝所吸附，随后氮气被装填于活性氧化铝上部的沸石分子筛所吸附。而氧气（包括氩气）为非吸附组分从吸附器顶部出口处作为产品气排至氧气平衡罐。

　　当该吸附器吸附到一定程度，其中的吸附剂将达到饱和状态，此时通过切换阀利用真空泵对之进行抽真空（与吸附方向相反），真空度为0.65-0.75barg。已吸附的水分、二氧化碳、氮气及少量其它气体组分被抽出并排至大气，吸附剂得到再生。

　　VPSA的每个吸附器都交替执行以下步骤：

　　---吸附---解吸---冲压

　　上述三个基本的工艺步骤由PLC和切换阀系统来实现自动控制

　　四、工艺特点

　　1、 能耗比较低。产氧量越大，能耗也降低。

　　2、 维护成本低，动设备为罗茨鼓风机和罗茨真空泵，因其工作原理都为容积式，无油，极易维护。

　　3、 整套设备的自动化程度高，动设备与制氧机是同步控制，只需按一下启动按钮，整套设备即可正常运行。

　　4、适合于中大型产量。

　　空气经过滤器去除空气中杂质，由鼓风机压缩、换热器降温，从吸附器下部进入吸附器，吸附器内装填具有选择性吸附空气中 水分、C02和碳氢化合物的吸附剂，还装有具有选择性吸附空气中氮气的吸附剂。吸附剂饱和后，通过降低吸附器工作压力实现吸附组分解吸，外流出吸附器。每一个循环， 吸附器都经历了吸附、顺向放压、真空解吸、均压、充压五个工作步骤。

　　五、控制系统构成

　　空分控制系统主机选用具备双CPU硬冗余PLC产品，上位机软件使用北京亚控公司的组态王，系统按照无人值守管理要求设计和仪表配置。采用PLC逻辑程序和上位机使用组态王监控软件的联合控制模式，具备各种通讯和远程监控功能。PLC和组态王均采用冗余结构配置，网络架构采用光纤冗余环网的结构，大大提供了系统的稳定性和可操作性。具体结构如图2所示：

　　如上图所示，下层PLC控制系统采用双CPU硬件冗余结构，PLC的动作切换在毫秒内完成，保证系统的安全性、及时性。上位机系统主要有IO服务器、登录服务器、报警服务器、历史服务器、web服务器组成。

　　1、IO服务器主机和IO服务器从机组成上位机双机热备，系统正常运行的时，主、从机都启动。主机停机后，从机采集数据并完全取代主机功能，主机恢复运行后，从机停止数据采集，系统恢复正常状况。

　　2、工程师站上可以进行上位机组态、修改组态程序、修改PLC程序，他的权限比较大。

　　3、根据项目大小、待处理数据量大小，可以选择登录服务器、报警服务器、历史服务器三台服务器，也可以使用一台服务器担当三个角色。同时也可以作为中控室的调度站。

　　4、WEB服务器独立存在，专门负责数据的网络发布、供客户端浏览。

　　5、客户端用户访问数据要通过防火墙，它可以限制IP访问和数据流传输方向，保证网络了安全。

　　组态王软件实现的主要功能为：

　　－数据采集：实时就地集中监测鼓风机、空压机、真空泵、氧压机、等运行状态及各主要运行参数，并且能实时显示其运行状态图和数值。通过组态王进行系统开发，实现实时数据曲线、历史数据曲线、PID参数设置、阀门时序控制设置等操作。

　　－报警功能：组态王可以实现蜂鸣报警或者声光报警，当采集的数据超出设置的各段数值时，给出报警，操作员或决策者就应该注意采取措施，同时给与权限的工作人员能在线直接修改参数。

　　－远程控制：在整个控制中比较多吸附塔部分，主要是对阀门开关控制，实现分子筛的自动解吸;阀门的时序动作采用配方控件来实现，简单、快捷、方便。有些阀门的控制是根据管线气体压力过大，进行开阀放空的操作，个别的调节阀PID控制主要由PLC来实现，组态软件在上位机仅对其进行一些参数设置。氧压机、真空泵和鼓风机控制主要是对电机启停控制，当设备振动监测报警以后会自动停止设备的运行。

　　－历史数据记录和查询：数据能实时被采集的上位机中，同时能写入数据库中，数据库也实时更新并存储，用户可以通过实时曲线查看数据状态，通过查看历史曲线、直接查询数据库等操作对历史数据进行查询和进一步的对数据分析。

　　－操作历史记录：组态王中能对每次操作记录能自动记录，同时在实际管理中对其操作的人员也只能是具有权限的工作人员或者总工能对其操作，这样能进一步的保障系统的安全，稳定运行。

　　－在线查询各报表并自动打印：根据客户的需求，可在线查看各种报表、并实现自动打印。如班报、日报、月报表等。

　　六、总结

　　本文介绍了组态王在中小型空分系统上位机监控的应用，系统多处采用了冗余设计结构供用户选择，并经过了实际的工程验证，受到用户的一致好评。组态王作为上位机监控软件完成对现场数据监测的同时，提供多种控件功能来满足客户的实际需求，很好的完成了上位机监控任务。考虑整个空分系统的安全，一些联锁动作和PID控制还建议用户在PLC部分来实现。这样，即使上位机系统暂时瘫痪也不会影响系统的整体运行。

　　总之，“组态软件+PLC”的控制模式完全可以满足中小型空分系统的控制要求，系统具有实施方便、运行稳定、灵活、可扩展性等特点。随着技术的成熟，设备规模不断扩大，可以满足中小型空分市场的需求。近年来，变压吸附空分技术依靠自身优势，在一些行业已经逐步取代了传统的深冷法空分技术。

  

参考文献:

[1]. PLC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.