一种空分节能控制装置及方法
技术领域
本发明涉及智能空分设备技术领域，尤其涉及一种空分节能控制装置及方法。
背景技术
空气分离工程，简单来说，就是通过一套大型的空气分离系统设备，将空气中的氧气、氮气、氩气等气体高纯度分离出来的过程。通过空气分离设备分离出来的纯氧、纯氮等气体产品，将用于冶金、化工、光伏产业、多晶硅、磁性材料、电子半导体、医疗、食品等众多领域。空气中主要成分是氧气、氮气、氩气、二氧化碳以及一些水蒸气和杂质，空分的方法通常是采用分子筛吸附或精馏，分子筛吸附通常制造的是纯度较低的产品，也有采用分子筛吸附和精馏结合的方法空分。采用分子筛进行空分通常包括分子筛吸附、分子筛再生(解析)两个过程，一般采用2套分子筛一个用于吸附，同时另一个解析，增加生产效率。分子筛吸附时气压越大、温度越低(通常为0℃以上)吸附效果越好，分子筛再生时温度越高、气压越小解析效果越好。精馏过程通常是采用冷却精馏塔进行精馏，利用液氮将空气液化再利用空气中各组分沸点不同进行精馏。但是空分设备受地域、季度的不同市场会有很大的变化，现有技术中空分设备产量一般是定值或需要人工手动调整工作量及产量，很容易造成产量过剩，产量过多时分子筛工作时间延长，造成设备不必要的损耗，耗能增加。另外，现有技术中的空分设备通常是采用持续输入液氮，然后将液氮送入冷却精馏塔内，这种方式需要外界不断制造液氮，造成大量的能量消耗和成本消耗。
因此，有必要对现有技术改进以解决上述技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种空分节能控制装置及方法，解决现有技术中空分设备在产气淡季无法自动节能生产、能量损耗大的技术问题，具体而言通过以下技术方案实现：
设计一种空分节能控制装置，包括AI控制子系统、分子筛子系统、与分子筛子系统及热交换器连接的水箱、与分子筛子系统及水箱连接的热交换器、冷却精馏塔、与冷却精馏塔连接的储气装置和液氮储存器，所述液氮储存器用于将进入液氮储存器的液氮降温并控制液氮从液氮储存器流出后进入冷却精馏塔，可以将膨胀机与液氮储存器连接，将高压气体输送入膨胀机内，利用气体膨胀降温的原理制造冷量冷却液氮，液氮储存器主要的作用是将液氮冷却至-200℃左右，因为，空分设备主要用于分离空气中的氮气、氧气、氩气，氩气的沸点为-185.7℃，将液氮冷却至-200℃，液氮储存器将液氮运送至冷却精馏塔，对空气进行冷却，利用液氮对冷却精馏塔内的气体进行精馏分离，同时液氮在冷却精馏塔内也会发生热交换升温，可以控制进入冷却精馏塔的液氮的流速，使液氮在冷却精馏塔内流速较快，在液氮升温发生汽化之前输出冷却精馏塔，冷却精馏塔与液氮储存器之间连接的管道可以采用隔热材料制成，防止液氮在管道中输送时发生热交换升温，氮气液化过程中需要大量的能量，冷却精馏塔将液氮输送至液氮储存器，由于液氮储存器仅对液氮进行降温，而不对氮气进行液化，耗能相对来说少很多；
所述分子筛子系统包括多个分子筛组，每个分子筛组包括壳体、多个分子筛、顶部设置有开门的隔断仓、水管道、电加热管和设置在分子筛下方的隔挡板，分子筛组可以设置为两对，一对用于吸附，一对用于再生；分子筛的数量与隔断仓的数量相等，每个隔断仓内设置一个分子筛，所述隔断仓将多个分子筛分割成相对独立的个体，分子筛下方设置有水管道、电加热管及隔挡板，所述隔挡板包括阻气棉和设置在阻气棉下方的支撑架，阻气棉可以用透气性差的材料制成；所述壳体包括入口、出口，所述水箱用于控制水流入或流出水管道，在分子筛处于吸附状态时，经过加压的空气进入分子筛组，由于进入分子筛组的空气压力基本恒定，开门开启的越多，同时工作的分子筛也越多，空分设备同一时间段内的产气量也越大，水流入水管道内时可以对分子筛进行冷却，分子筛温度越低、气体压力越大分子筛吸附效果越好，在加压空气通过分子筛后会通过阻气棉从出口流出，阻气棉透气同时也阻气，会使分子筛组内部在阻气棉上下形成压力差，阻气棉上方的气压会略大于下方的气压，气压越大，分子筛吸附的功能越强，吸附效果越好，而且当部分隔断仓上方的开门关闭时，加压气体从入口进入分子筛组，从出口离开分子筛组，阻气棉能够防止位于阻气棉下方的空气倒流入关闭开门的隔断仓内，也可以在出口处增加风扇，使气体更容易从出口流出；
所述热交换器用于控制流出冷却精馏塔的液氮与流出水箱的水进行热交换并控制液氮流出热交换器后流入液氮储存器，可以设置液氮在热交换器内循环多次，直至热交换器的液氮的温度接近沸点，充分利用液氮降温，进入热交换器的水及液氮设置在管道内，由于液氮的温度与水的温度差别大，为了防止水结冰，可以设置通水的管道与通液氮的管道不直接接触，中间有导热材料连接，而且可以将进入热交换器内的水管道设置的较短、管道的横截面积较小流速快，防止水管道内的水与液氮进行热交换时结冰；
所述AI控制子系统包括数据存储器、统计器、监测器和控制器，所述数据储存器用于储存空分设备的气体销售量信息和每个分子筛工作时产气量信息，统计器用于统计时间T内的平均气体销售量M并计算需要多少分子筛同时工作，统计器统计时间T内的平均气体销售量M，确定空分设备需要制造气体的量，确定需要多少分子筛同时工作，监测器用于监测分子筛组是否达到饱和，控制器用于根据统计器的统计结果控制开门开启的数量，根据空分设备需要制造气体的量确定需要多少个分子筛同时工作，关闭不需要工作的分子筛所在的隔断仓的开门，关闭开门的隔断仓内的分子筛不工作，当分子筛组未达到饱和时控制器控制电加热管断电、水箱内的水流入水管道，此时气体从入口进入分子筛组，从出口进入冷却精馏塔，在冷却精馏塔内空气可以进一步精馏分离，当分子筛组达到饱和时，控制器控制电加热管启动、水箱内的水流出水管道，此时气体从入口进入冷却精馏塔，将精馏后的空气储存在储气装置内，储气装置包括多个，分别储存不同种类的气体。
进一步，所述监测器还用于监测出口流出气体的流量及入口流入气体的流量N并将结果输入统计器，统计器用于对比N与M的值，如果N＜M，即空分设备的产气量不能满足市场的需求，控制器增加分子筛组内开门开启的数量，增加产气量，如果M＜N，即空分设备的产气量大于市场所需，控制器增加分子筛组内开门闭合的数量，减少空分设备的产气量，避免分子筛的过多的损耗，监测器可以采用现有技术中的感应器。
进一步，所述储气装置还包括减压阀，所述监测器还用于监测储气装置内的气压P1，所述数据储存器还用于储存储气装置内的正常气压P2，所述统计器用于对比P1与P2的值，如果P1大于P2控制器控制减压阀开启，监测器可以同时监测多个储气装置内的气压，当气压过大时，加压阀启动放压，更加安全，在储气装置内的压力增大至P2前及时将储气装置内的气体灌装输送走，避免减压阀启动造成气体浪费。
进一步，所述热交换器用于控制控制流出热交换器的水温度为2℃至5℃，对气体进行预冷却的温度约为4℃，水的温度过低水容易结冰，热交换器内设置温度监测装置，监测流出水的温度为2℃至5℃。
进一步，所述热交换器用于控制液氮在热交换器内多次循环，直至液氮温度升至-198℃流入液氮储存器，液氮的沸点为-196.15℃，当液氮温度为-198℃时已经接近沸点，同时在液氮流出热交换器至流入液氮储存器的过程中也会产生升温，设置-198℃流入液氮储存器仅能够保证液氮始终处于液态，也能够减少将液氮降温损耗过多能量。
进一步，所述T的值为1周，即确定空分设备一周内的平均产气量，一周时间长短适宜，可以较为准确同时能够及时的根据市场情况控制分子筛工作的数量。
进一步，所述分子筛采用活性氧化铝材料，活性氧化铝材料造价低，吸附效果好，所述控制器控制电加热管启动时控制电加热管的温度升至160℃，再生时温度越高分子筛再生的越彻底，但是根据实验数据，从100℃上升至160摄氏度，分子筛吸附的气体基本就能完全解析，温度再升高，耗能大，效果提升低。
进一步，所述阻气棉采用多层纤维棉材料制成。
一种空分节能控制方法，包括如下步骤：
S1、将空分设备气体销售量信息和每个分子筛工作时产气量信息输入数据储存器，所述数据储存器可以使用现有技术的存储设备；
S2、统计器统计时间T内的空分设备的平均气体销售量，确定需要同时工作的分子筛数量，统计器可以采用计算机统计；
S3、控制器关闭不需要工作的分子筛所在的隔断仓的开门，控制器可以采用电磁开关；
S4、当分子筛处于吸附状态时，在分子筛下方设置水管道，利用热交换器使流出冷却精馏塔的液氮与进入水管道的水进行热交换；
S5、当分子筛处于再生状态时，在分子筛下方设置电加热管并开启电加热管，分子筛吸附的气体被解析出来，输送至储气装置。
本发明的积极有益的技术效果包括：
(1)根据市场情况智能控制空分设备的产气量，避免产量过多造成产品滞销，减少分子筛及其他设备不必要的损耗；
(2)充分利用液氮的温度冷却精馏气体并冷却分子筛吸附过程中水管道内的冷却水；
(3)整个过程中氮一直处于液态，液氮储存器将液氮从-198℃冷却至-200℃，冷却温差小，无需液氮持续输入，耗能及成本低；
(4)本发明利用AI控制子系统、分子筛子系统、与分子筛子系统及热交换器连接的水箱、与分子筛子系统及水箱连接的热交换器、冷却精馏塔、与冷却精馏塔连接的储气装置和液氮储存器，根据市场情况控制工作的分子筛数量，充分利用液氮的温度，且无需外界持续输入液氮，将液氮从-198℃冷却至-200℃，耗能少，成本低。
本发明的其他有益效果将结合下文具体实施例进行进一步的说明。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的系统图；
图2为本发明分子筛组的内部结构示意图；
图3为本发明AI控制子系统的各部分方块图；
图中，1、壳体；2、入口；3、出口；4、开门；5、隔断仓；6、分子筛；7、水管道；8、电加热管；9、阻气棉；10、支撑架。
具体实施方式
下面实施例用于进一步详细说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定，除特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备均为本技术领域的常规试剂、方法和设备，但不以任何形式限制本发明。
本发明实施例公开了一种空分节能控制装置，如图1-3所示，图1中I、II为分子筛子系统，一个为吸附分子筛组，另一个为再生分子筛组，H为热交换器，K为冷却精馏塔，N为液氮储存器，包括AI控制子系统、分子筛子系统、与分子筛子系统及热交换器连接的水箱、与分子筛子系统及水箱连接的热交换器、冷却精馏塔、与冷却精馏塔连接的储气装置和液氮储存器，所述液氮储存器用于将进入液氮储存器的液氮降温并控制液氮从液氮储存器流出后进入冷却精馏塔，液氮储存器主要的作用是将液氮冷却至-200℃左右，因为空分设备主要用于分离空气中的氮气、氧气、氩气，氮的沸点-196℃，氧的沸点-183℃，氩的沸点为-185.7℃，液氮储存器可以利用气体膨胀吸热的方法对液氮降温，将液氮冷却至-200℃，液氮储存器将液氮运送至冷却精馏塔对空气进行精馏，利用液氮对冷却精馏塔内的气体进行精馏分离，同时液氮在冷却精馏塔内也会发生热交换升温，冷却精馏塔将液氮运送液氮储存器，由于液氮储存器仅仅对液氮进行降温，而不进行氮气液化的过程，耗能相对来说少很多。
所述分子筛子系统包括多个分子筛组，每个分子筛组包括壳体1、多个分子筛6、顶部设置有开门的隔断仓5、水管道7、电加热管8和设置在分子筛6下方的隔挡板，分子筛组可以设置为两对，当一对分子筛组用于吸附，另一对分子筛组用于再生，分子筛组吸附时放热，水管道内通冷却水7可以对分子筛组进行降温，增强吸附效果，分子筛组再生时吸热，用电加热管8对分子筛组进行加热，增强解析效果；分子筛6的数量与隔断仓5的数量相等，每个隔断仓5内设置一个分子筛6，隔断仓5将多个分子筛6分割成相对独立的个体，分子筛6下方设置有水管道7、电加热管8及隔挡板，所述隔挡板包括阻气棉9和设置在阻气棉9下方的支撑架10，阻气棉9可以用透气性差的材料制成；所述壳体1包括入口2、出口3，所述水箱用于控制水流入或流出水管道7，在分子筛6处于吸附状态时，经过加压的空气进入分子筛组，由于进入分子筛组的空气压力基本恒定，开门4开启的越多，同时进行吸附工作的分子筛6也越多，空分设备同一时间段内的产气量也越大，水管道7和电加热管8都设置在分子筛6下方，可以与分子筛6接触，水流入水管道7内时可以对分子筛6进行冷却，分子筛6温度越低、气体压力越大分子筛6吸附效果越好，在加压空气通过分子筛6后会通过阻气棉9从出口3流出，阻气棉9透气但也阻气，会使分子筛组内部在阻气棉9上下形成压力差，阻气棉9上方的气压会略大于下方的气压，气压越大，分子筛6吸附的功能越强，吸附效果越好，而且当部分隔断仓5上方的开门4关闭时，加压气体从入口2进入分子筛组，从出口3离开分子筛组，阻气棉9能够防止位于阻气棉9下方的空气倒流入关闭开门4的隔断仓5内，也可以在出口3处增加风扇，使气体更容易从出口3流出。
所述热交换器用于控制流出冷却精馏塔的液氮与流出水箱的水进行热交换并控制液氮流出热交换器后流入液氮储存器，由于对分子筛组冷却的水的温度仅需要0℃以上即可，升温后的氮依然可以对流出室内水箱的水进行降温，充分利用液氮的能量，避免能量浪费，可以设置液氮在热交换器内循环多次，直至热交换器的液氮的温度接近沸点，可以设置多个设置在热交换器内的U型管，液氮在热交换器内流经多个U型管，循环多次，充分利用液氮的冷量降温，进入热交换器的水及液氮设置在管道内，由于液氮的温度与水的温度差别大，为了防止水结冰，可以通水的管道与通液氮的管道不直接接触，中间有导热材料连接，而且可以将进入热交换器内的水管道7设置的较短、管道的流速较快，防止水管道7内的水与液氮进行热交换时结冰。
所述AI控制子系统包括数据存储器、统计器、监测器和控制器，所述数据储存器用于储存空分设备的气体销售量信息和每个分子筛6工作时产气量信息，统计器用于统计时间T内的平均气体销售量M并计算需要多少分子筛6同时工作，气体销售量信息可以事先输入数据储存器内，可以包括近10年的该空分设备产气并销售的气体销售量，再计算时间T内的平均气体销售量M，也可以将数据储存器与互联网连接，实时更新数据，如果数据较少，也可以提前建立数据库，再将数据库上传至互联网上工数据储存器获取，统计器统计时间T内的平均气体销售量M，确定空分设备需要制造气体的量，确定需要多少分子筛6同时工作，统计器确定需要多少分子筛6同时工作的步骤为：
1.确定分子筛6工作时的压强、获取气体销售量信息中空分设备在某短时间内的总产气销售量，计算时间T内空分设备的平均气体销售量M；
2.确定工作压强下单个分子筛6工作时的产气量，可以事先通过实验确定，也可以根据分子筛6采用的材料不同、压强不同等不同的参数进行理论推导，得出分子筛6个数＝f(压强，M)的关系式；
3.将工作压强及M代入2中的关系式中，确定需要同时工作的分子筛6的个数；
监测器用于监测分子筛组是否达到饱和，监测器监测分子筛组是否达到饱和的方法为根据分子筛组工作的时间及实现进行的实验数据确定，在工作压强下分子筛组工作多久会达到饱和，控制器用于根据统计器的统计结果控制开门4开启的数量，根据空分设备需要制造气体的量确定需要多少个分子筛6同时工作，关闭不需要工作的分子筛6所在的隔断仓5的开门4，关闭开门4的隔断仓5内的分子筛6不工作，当分子筛组未达到饱和时控制器控制电加热管8断电、水箱内的水流入水管道7，此时气体从入口2进入分子筛组，从出口3进入冷却精馏塔，在冷却精馏塔内空气可以进一步精馏分离，当分子筛组达到饱和时控制器控制电加热管8启动、水箱内的水流出水管道7，此时气体从入口2进入冷却精馏塔，将精馏后的空气储存在储气装置内，储气装置包括多个，分别储存不同种类的气体。
本实施例中，所述监测器还用于监测出口3流出气体的流量及入口2流出气体的流量N并将结果输入统计器，统计器用于对比N与M的值，如果(M-N)＞工作压强下单个分子筛的产气量，空分设备的产气量不足计划的销售量，控制器增加分子筛组内开门4开启的数量，增加产气量，如果(N-M)＞工作压强下单个分子筛的产气量，空分设备的产气量过剩，控制器增加分子筛组内开门4闭合的数量，减少空分设备的产气量，避免同时工作的分子筛6过多造成能量浪费，监测器可以采用现有技术中的感应器。
本实施例中，所述储气装置还包括减压阀，所述监测器还用于检测储气装置内的气压P1，所述数据储存器还用于储存储气装置内的正常气压P2，所述统计器用于对比P1与P2的值，如果P1大于P2控制器控制减压阀开启，监测器可以同时监测多个储气装置内的气压，当气压过大时，加压阀启动放压，更加安全，也应该在储气装置内的压力增大至P2前及时将储气装置内的气体灌装输送走，避免减压阀启动造成气体浪费。
本实施例中，所述热交换器用于控制控制流出热交换器的水温度为2℃至5℃，对气体进行预冷却的温度约为4℃，水的温度过低水容易结冰，热交换器内也可以设置温度监测装置，监测流出水的温度，当水温低于2℃或高于5℃时，监测装置可以发出警报。
本实施例中，所述热交换器用于控制液氮在热交换器内多次循环，直至液氮温度升至-198℃流入液氮储存器，液氮的沸点为-196.15℃，当液氮温度为-198℃时已经接近沸点，同时在液氮流出热交换器至流入液氮储存器的过程中也会产生升温，设置-198℃流入液氮储存器既能够保证液氮始终处于液态，也能够减少将液氮降温损耗过多能量。
本实施例中，所述T的值为1周，即确定空分设备一周内的平均产气量，一周时间长短适宜，可以较为准确且及时的根据市场情况控制分子筛6工作的数量，也可以避免分子筛6上的开门频繁开关造成损耗，加快设备的维修时间，造成浪费。
本实施例中，所述分子筛6采用活性氧化铝材料，活性氧化铝材料造价低，吸附效果好，所述控制器控制电加热管8启动时控制电加热管8的温度升至160℃，再生时温度越高分子筛6再生的越彻底，但是根据实验数据，从100℃上升至160℃，分子筛6吸附的气体基本就能完全解析，温度再升高，耗能大，效果提升低。
本实施例中，所述阻气棉9采用多层纤维棉材料制成。
实施例：一种空分节能控制方法，包括如下步骤：
S1、将空分设备气体销售量信息和每个分子筛6工作时产气量信息输入数据储存器，数据储存器可以采用现有技术的存储设备；
S2、统计器统计统计时间T内的空分设备的平均气体销售量，确定需要同时工作的分子筛6数量，统计器可以采用计算机进行统计；
S3、控制器关闭不需要工作的分子筛6所在的隔断仓5的开门4，控制器可以采用电磁开关；
S4、当分子筛6处于吸附状态时，在分子筛6下方设置水管道7，利用热交换器使流出冷却精馏塔的液氮与进入水管道7的水进行热交换；
S5、当分子筛6处于再生状态时，在分子筛6下方设置电加热管8并开启电加热管8，分子筛6吸附的气体被解析出来，输送至储气装置。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
