一种净化单元的原位自动再生控制方法及发生器与流程

本发明涉及现场制气设备净化再生控制，尤其涉及一种净化单元的原位自动再生控制方法及发生器。

背景技术：

1、氢气发生器和氮气发生器作为现场制气设备，广泛应用于冶金、化工、电子、医药、食品、热处理、保护气氛和实验分析等场景。该类设备通常以水、空气或其他原料气为输入，通过电解、膜分离、变压吸附或催化处理等方式获得目标气体，并配合干燥器、吸附塔、脱氧器、除水器、过滤器等净化单元，以满足目标气体在纯度、露点、含氧量、含水量、油雾含量和颗粒物含量方面的使用要求。对于中小型现场供气系统而言，净化单元的状态直接影响产品气品质稳定性和设备连续供气能力。

2、现有氢气或氮气发生器的净化单元多采用吸附剂、分子筛、活性炭、脱氧催化剂、干燥剂等净化材料对水分、氧气、二氧化碳、油雾及其他杂质进行去除。随着运行时间增加，净化材料会因吸附饱和、湿负荷累积、油雾污染、粉化、结晶或局部通道化而导致净化能力下降，表现为产品气露点升高、含氧量波动、纯度下降、出口压力不稳或流量衰减。若不能及时恢复净化单元性能，容易造成产品气品质波动，并影响后端用气设备的工艺稳定性。

3、现有净化再生方式通常可以分为人工维护类、固定周期再生类和外置再生装置类。人工维护类方式依赖操作人员定期更换吸附剂、切换阀门或手动启动加热、吹扫、排放等再生步骤，操作过程受人员经验影响较大。固定周期再生类方式按照预设运行时间或累计产气量触发再生，结构相对简单，但未充分考虑进气湿度、环境温度、实际用气负荷、产品气品质变化和净化材料劣化程度，可能在低负荷工况下过早再生造成能耗增加，也可能在高湿度或高负荷工况下再生滞后导致产品气品质超限。外置再生装置类方式能够在一定程度上恢复净化能力，但管路和阀组数量较多，增加了泄漏点、占用空间和维护难度。

4、此外，部分现有设备虽然配置有压力、流量、纯度或露点检测元件，但多用于显示、报警或停机保护，难以对净化材料的剩余净化能力、再生触发时机和再生完成程度进行综合判断。尤其在用气负荷波动、进气含水量变化或净化单元多级串联的情况下，仅凭单一出口纯度或固定时间参数难以及时区分正常波动、吸附临界饱和、阀组隔离异常和再生效果不足等不同状态，导致净化单元不能根据实际工况自动选择合适的再生时机和再生强度。

5、因此，现有氢气或氮气发生器仍需要一种净化单元原位自动再生技术方案，通过对入口气体参数、出口气体参数、出口流量、净化单元压差、产品气缓冲罐压力、再生尾气杂质参数和阀组状态进行关联处理，判断净化单元的剩余净化能力和再生需求，并在保障后端供气稳定的前提下自动执行隔离、反向吹扫、加热解吸、排放、冷却、回压和复位品质检测，从而提高产品气品质稳定性、设备连续运行能力和维护效率。。

技术实现思路

1、本发明提供一种氢气或氮气发生器净化单元的原位自动再生控制方法及发生器，用于解决固定周期再生无法适应实际净化负荷变化、人工再生依赖操作经验、外置再生结构复杂以及再生完成状态难以判断的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种净化单元的原位自动再生控制方法，应用于氢气或氮气发生器，所述氢气或氮气发生器包括制气单元、至少两条可切换净化支路、产品气缓冲罐、再生气路、排放气路和控制器，每条可切换净化支路包括净化单元、入口切换阀、出口切换阀、温度检测件和压差检测件，其特征在于，包括：

3、使至少一条可切换净化支路处于在线净化状态，并在监测周期内采集所述在线净化状态下净化单元的入口气体参数、出口气体参数、净化单元温度、净化单元压差、出口流量、产品气缓冲罐压力和阀组状态；

4、基于所述入口气体参数、出口气体参数和出口流量计算净化单元的净化负荷累积量，并结合出口气体参数的变化趋势和净化单元压差计算净化余量值，所述净化余量值用于表征净化单元的剩余净化能力；

5、当所述净化余量值低于预设净化余量阈值，或者出口气体参数的变化趋势满足穿透增长条件时，根据备用净化支路的品质检测结果、产品气缓冲罐压力和后端用气流量判断是否满足再生保供条件；

6、在满足再生保供条件时，将达到再生触发条件的净化单元确定为目标再生净化单元，并将后端供气切换至备用净化支路或产品气缓冲罐；

7、对所述目标再生净化单元执行阀组隔离和隔离有效性检测，隔离有效性检测通过后，根据目标气体类型、净化单元类型和净化余量值生成分段再生控制参数，所述分段再生控制参数包括均压目标、降压目标、反向吹扫流量、加热目标温度、加热保持时间、排放阀开度、冷却目标温度和回压目标；

8、按照所述分段再生控制参数依次对目标再生净化单元执行均压或降压、反向吹扫、加热解吸、排放、冷却、回压和产品气置换；

9、在再生过程中采集再生尾气杂质参数、目标再生净化单元温度、目标再生净化单元压力和吹扫流量，并根据所述再生尾气杂质参数的变化趋势、目标再生净化单元温度和压力稳定状态判断目标再生净化单元是否达到再生完成条件；

10、当目标再生净化单元达到再生完成条件时，对目标再生净化单元进行复位品质检测，并在复位品质检测合格后将目标再生净化单元切换为备用净化状态或在线净化状态；

11、根据再生前后的净化余量值变化、再生完成时间和复位品质检测结果更新目标再生净化单元的净化材料状态记录，并用于后续监测周期的再生触发判断。

12、所述入口气体参数包括入口压力、入口温度、入口露点、入口含水量、入口含氧量和入口二氧化碳含量中的至少两种，所述出口气体参数包括出口压力、产品气露点、产品气含氧量、产品气纯度和出口二氧化碳含量中的至少两种；

13、当目标气体为氢气时，所述出口气体参数至少包括产品气露点和产品气纯度；

14、当目标气体为氮气时，所述出口气体参数至少包括产品气露点和产品气含氧量。

15、进一步的，所述基于所述入口气体参数、出口气体参数和出口流量计算净化单元的净化负荷累积量，并结合出口气体参数的变化趋势和净化单元压差计算净化余量值包括：

16、将入口露点数据和出口露点数据分别换算为入口水分体积分数和出口水分体积分数，换算公式为：;

17、;

18、其中，表示第个采样时刻的入口水分体积分数，表示第个采样时刻的出口水分体积分数，表示露点温度对应的饱和水蒸气分压函数，表示第个采样时刻的入口露点温度，表示第个采样时刻的出口露点温度，表示第个采样时刻的入口绝对压力，表示第个采样时刻的出口绝对压力；

19、将水分体积分数、含氧量和二氧化碳含量作为待去除杂质浓度，并针对第种待去除杂质，按照下式计算

20、净化负荷累积量：

21、;

22、其中，表示截至第个采样时刻第种待去除杂质的净化负荷累积量，表示第个采样时刻的出口流量，表示第个采样时刻第种待去除杂质的入口浓度，表示第个采样时刻第种待去除杂质的出口浓度，表示第个采样时刻对应的采样时间间隔，表示取与0中的较大值；

23、根据所述净化负荷累积量和第种待去除杂质的有效净化容量计算负荷占用量，公式为：

24、;

25、其中，表示第种待去除杂质在第个采样时刻的负荷占用量，表示第种待去除杂质对应的有效净化容量;

26、根据出口浓度在连续采样周期内的增长斜率计算穿透增长量，公式为：

27、

28、

29、其中，表示第种待去除杂质在第个采样时刻的出口浓度增长斜率，表示第个采样时刻表示向前间隔个采样点的采样时刻，为用于斜率计算的采样点间隔数量，表示第种待去除杂质的穿透增长量，表示第种待去除杂质对应的基准穿透增长斜率；

30、根据净化单元压差与基准压差之间的偏离量计算压差异常量，公式为：

31、;

32、其中，表示第个采样时刻的压差异常量，表示第个采样时刻净化单元入口与出口之 间的压差，表示净化单元在正常净化状态下的基准压差，表示净化单元允许的最大压差；

33、按照下式计算净化余量值：

34、;

35、其中，表示第个采样时刻的净化余量值，表示待去除杂质的种类数量，表示第种待去除杂质的负荷占用权重，表示第种待去除杂质的穿透增长权重，表示压差异常量权重，且净化余量值越小表示净化单元的剩余净化能力越低。

36、进一步的，所述根据备用净化支路的品质检测结果、产品气缓冲罐压力和后端用气流量判断是否满足再生保供条件包括：

37、检测备用净化支路的出口气体参数是否满足产品气品质要求；

38、当备用净化支路满足产品气品质要求时，将再生保供条件判定为满足；

39、当备用净化支路不满足产品气品质要求时，根据产品气缓冲罐压力、产品气缓冲罐最低供气压力、产品气缓冲罐容积和后端用气流量计算缓冲供气持续时间，公式为：

40、

41、其中，表示第个采样时刻产品气缓冲罐能够维持后端供气的缓冲供气持续时间，表示产品气缓冲罐的可用气量修正系数，表示产品气缓冲罐容积，表示第个采样时刻产品气缓冲罐的绝对压力，表示产品气缓冲罐允许的最低供气绝对压力，表示标准状态温度，表示标准状态压力，表示第个采样时刻产品气缓冲罐内气体温度，表示第个采样时刻后端用气流量；

42、根据均压时间、降压时间、反向吹扫时间、加热保持时间、冷却时间、回压时间和产品气置换时间计算预计再生持续时间，公式为：

43、

44、其中，表示预计再生持续时间，表示均压时间，表示降压时间，表示反向吹扫时间，表示加热保持时间，表示冷却时间，表示回压时间，表示产品气置换时间； 当满足下式时，将再生保供条件判定为满足：

45、

46、其中，表示净化支路切换裕量时间；

47、当不满足上式时，延迟执行再生并继续监测净化余量值和出口气体参数的变化趋势。

48、进一步的，所述对所述目标再生净化单元执行阀组隔离和隔离有效性检测包括：

49、逐步降低目标再生净化单元的在线供气流量，并同步提高备用净化支路供气流量或产品气缓冲罐供气流量；

50、当后端出口压力波动量和产品气品质波动量均处于允许范围内时，关闭目标再生净化单元的入口切换阀和出口切换阀；

51、在目标再生净化单元隔离后采集预设时间内的压力衰减量和阀位反馈信号；

52、当压力衰减量小于预设泄漏判定阈值且阀位反馈信号与阀组控制指令一致时，判定隔离有效性检测通过；

53、当压力衰减量不小于预设泄漏判定阈值或阀位反馈信号与阀组控制指令不一致时，停止目标再生净化单元的再生过程，并将目标再生净化单元保持为隔离状态。

54、进一步的，所述按照所述分段再生控制参数依次对目标再生净化单元执行均压或降压、反向吹扫、加热解吸、排放、冷却、回压和产品气置换包括：

55、将目标再生净化单元的压力调整至均压目标或降压目标；

56、使再生气体从目标再生净化单元的出口侧进入并从入口侧排出，以形成与在线净化方向相反的反向吹扫；

57、在反向吹扫过程中控制加热件按照加热升温速率升温至加热目标温度，并在加热目标温度下保持加热保持时间，使净化材料中吸附的水分、氧气或二氧化碳解吸；

58、通过排放气路排出再生尾气，并根据再生尾气杂质参数调节排放阀开度；

59、在加热保持结束后停止加热，并在低流量再生气体吹扫下冷却至冷却目标温度；

60、使用合格产品气或再生气体对目标再生净化单元进行回压和产品气置换，使目标再生净化单元的压力和出口气体参数达到复位检测条件。

61、进一步的，所述根据所述再生尾气杂质参数的变化趋势、目标再生净化单元温度和压力稳定状态判断目标再生净化单元是否达到再生完成条件包括：

62、在加热解吸阶段和反向吹扫阶段连续采集再生尾气中的目标杂质浓度，并按照下式计算再生尾气目标杂质

63、浓度变化斜率：

64、;

65、其中，表示第种目标杂质在第个采样时刻的再生尾气浓度变化斜率，表示第个采样时刻再生尾气中第种目标杂质浓度，表示第个采样时刻再生尾气中第种目标杂质浓度；

66、当第种目标杂质同时满足下式时，判定第种目标杂质的解吸过程达到终点：

67、;

68、;

69、其中，表示第种目标杂质对应的再生终点浓度阈值，表示第种目标杂质对应的终点斜率 阈值； 当所有目标杂质均达到解吸终点，且目标再生净化单元满足下式所示的温度条件、压力条件和保压条件 时，判定机械复位条件满足：

70、

71、

72、

73、其中，表示第个采样时刻目标再生净化单元的温度，表示冷却目标温度，表示第个采样时刻目标再生净化单元的压力，表示回压目标压力，表示回压允许偏差，表示复位泄漏判定阈值，表示保压检测区间内第个采样时刻目标再生净化单元的压力；

74、当解吸过程达到终点目机械复位条件满足时，对目标再生净化单元进行复位品质检测： 当复位品质检测满足下式时，判定目标再生净化单元达到再生完成条件：

75、;

76、;

77、;

78、其中，表示复位品质检测得到的目标气体纯度，表示目标气体纯度下限，表示复位品质检测得到的产品气露点，表示产品气露点上限，表示复位品质检测得到的第种杂质浓度，表示第种杂质浓度上限。

79、进一步的，当目标再生净化单元未达到再生完成条件时，所述方法还包括：

80、根据再生尾气杂质参数确定未完成原因；

81、当再生尾气杂质浓度仍高于再生终点浓度阈值时，延长加热保持时间或提高反向吹扫流量；

82、当目标再生净化单元温度未达到加热目标温度时，延长升温时间或降低反向吹扫流量；

83、当复位品质检测不合格且再生尾气杂质浓度已达到再生终点浓度阈值时，增加产品气置换时间；

84、当调整后的再生过程仍未在最长允许再生时间内达到再生完成条件时，将目标再生净化单元标记为再生异常净化单元，并禁止其切换至在线净化状态。

85、进一步的，所述根据再生前后的净化余量值变化、再生完成时间和复位品质检测结果更新目标再生净化单元的净化材料状态记录包括：

86、获取再生前净化余量值和再生后净化余量值，分别记为和按照下式计算再生恢复比例：

87、;

88、其中，表示再生恢复比例，表示再生前净化余量值，表示再生后净化余量值，表示 目标再生完成后期望达到的净化余量值，且大于

89、根据再生恢复比例、再生完成时间和复位品质检测结果计算再生健康评价值，公式为：

90、;

91、其中，表示再生健康评价值，表示基准再生完成时间，表示本次实际再生完成时间，表示复位品质检测标识，当复位品质检测台格时,当复位品质检测不合格时按照下式更新净化材料劣化系数：

92、;

93、其中，表示更新后的净化材料劣化系数，表示更新前的净化材料劣化系数，表示允许的最 大净化材料劣化系数，表示劣化系数更新步长； 根据更新后的净化材料劣化系数修正第种待去除杂质的有效净化容量，公式为：

94、;

95、其中，表示更新后的第种待去除杂质的有效净化容量，表示第种待去除杂质对应的新 净化材料标称净化容量；

96、根据更新后的净化材料劣化系数修正预设净化余量阈值和预计再生持续时间，公式为：

97、;

98、;

99、其中，表示更新后的预设净化余量阈值，表示初始预设净化余量阈值，表示净化余量阈值修正系数，表示更新后的预计再生持续时间，表示初始预计再生持续时间，表示预计再生持续时间修正系数；

100、将更新后的有效净化容量、预设净化余星阈值和预计再生持续时间用于后续监测周期的净化余量值计算和 再生触发判断。

101、一种具有净化单元原位自动再生功能的氢气或氮气发生器，包括制气单元、至少两条可切换净化支路、产品气缓冲罐、再生气路、排放气路、检测组件、阀组组件、加热组件、存储器和处理器；

102、所述制气单元用于生成氢气或氮气；

103、所述可切换净化支路用于对所述氢气或氮气进行干燥、脱氧、除二氧化碳或除油雾处理；

104、所述产品气缓冲罐用于在目标再生净化单元执行再生时维持后端供气；

105、所述再生气路用于向目标再生净化单元提供再生气体；

106、所述排放气路用于排出目标再生净化单元再生过程中产生的再生尾气；

107、所述检测组件用于采集入口气体参数、出口气体参数、净化单元温度、净化单元压差、出口流量、产品气缓冲罐压力、再生尾气杂质参数和阀组状态；

108、所述阀组组件用于在在线净化状态、备用净化状态和再生状态之间切换净化支路；

109、所述加热组件用于对目标再生净化单元进行加热解吸；

110、所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述的氢气或氮气发生器净化单元的原位自动再生控制方法。

111、本发明至少具有以下有益效果：第一，通过净化负荷累积量、穿透增长量和压差异常量共同计算净化余量值，能够根据实际进出口杂质负荷和压差状态判断净化单元剩余净化能力，避免仅依靠固定运行时间触发再生；第二，通过再生保供条件判断，使再生动作与备用净化支路或产品气缓冲罐供气能力联动，降低再生过程对后端供气稳定性的影响；第三，通过隔离有效性检测、反向吹扫、加热解吸、排放、冷却、回压和产品气置换的分段控制，实现净化单元不拆卸条件下的原位自动再生；第四，通过再生尾气目标杂质浓度、机械复位条件和复位品质检测共同判断再生完成状态，能够降低再生不足或未冷却即复位带来的产品气品质波动；第五，通过再生健康评价值和净化材料劣化系数更新有效净化容量和再生触发参数，使后续再生判断能够适应净化材料老化状态。