專利名稱：內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空分領(lǐng)域，特別地，涉及一種內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：
內(nèi)部熱耦合精餾技術(shù)是至今為止的四大節(jié)能精餾技術(shù)中節(jié)能效能最高的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，在世界范圍內(nèi)得到了巨大的重視。
在低溫空分過(guò)程中，空分塔是一個(gè)重要的操作單元，也是最重要的耗能單元。通過(guò)對(duì)內(nèi)部熱耦合技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)(1)該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，需要過(guò)程裝置中具有不同高低壓強(qiáng)的區(qū)域，而空分裝置本身的化工工藝流程就給出了這樣區(qū)域，不需要像其他過(guò)程裝置需要人為制造出不同高低壓強(qiáng)的區(qū)域。(2)研究表明內(nèi)部熱耦合技術(shù)在高純度產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程上將具有更大的經(jīng)濟(jì)效益，而空分過(guò)程恰好是一個(gè)產(chǎn)品純度要求極高的過(guò)程。(3)內(nèi)部熱耦合精餾技術(shù)在低操作溫度情況下更加有利于發(fā)揮它的節(jié)能潛力，而本身就是低溫精餾的空分裝置較之其他精餾過(guò)程，無(wú)疑具有這個(gè)優(yōu)勢(shì)。(4)內(nèi)部熱耦合精餾技術(shù)在處理沸點(diǎn)接近的物系時(shí)，能體現(xiàn)出很高的節(jié)能效率，而空氣中氮一氬一氧三元物系又恰好滿足了這個(gè)要求，也為熱耦合技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提高了非常有利條件。因此，內(nèi)部熱耦合技術(shù)可以被應(yīng)用到空氣分離過(guò)程，改變傳統(tǒng)空分塔結(jié)構(gòu)，達(dá)到良好的節(jié)能效果。
過(guò)程在線優(yōu)化是指綜合應(yīng)用過(guò)程建模技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，在滿足生產(chǎn)安全要求以及產(chǎn)品質(zhì)量約束等條件下，不斷計(jì)算并改變過(guò)程的操作條件，使得生產(chǎn)過(guò)程始終運(yùn)行在“最優(yōu)狀態(tài)”。研究表明，在線優(yōu)化所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，相當(dāng)于DCS和各種先進(jìn)控制手段所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益的總和，其投資卻只有先進(jìn)控制的三分之一。可見(jiàn)在線優(yōu)化的成功實(shí)施是企業(yè)獲取最小經(jīng)濟(jì)效益的必要保證。內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制是指基于內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)模型，在滿足產(chǎn)品純度要求的前提下，不斷計(jì)算并改變空分塔的進(jìn)料流量，使得空分過(guò)程始終運(yùn)行在產(chǎn)量最大即單位能耗最小的狀態(tài)。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的空分塔內(nèi)部熱耦合精餾過(guò)程的單位能耗較大、節(jié)能性較差的不足，本發(fā)明提供一種在當(dāng)前生產(chǎn)工況條件下使得內(nèi)部熱耦合空分塔單位能耗最小，并提高節(jié)能性的內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是 一種內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合空分塔連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、以及控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)和上位機(jī)，智能儀表與控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)、上位機(jī)連接，所述的上位機(jī)包括 信號(hào)采集模塊，用以采集當(dāng)前生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)； 節(jié)能控制模塊，用以節(jié)能控制，采用以下過(guò)程來(lái)完成 1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進(jìn)料空氣流量初值； 2)假定各塔板液相組成； 3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成； 4)對(duì)每一個(gè)塔板，分別計(jì)算汽液相的焓值； 5)由式(1)(2)計(jì)算各塔板的汽液相流量 其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，HG和HL分別是汽液相焓值，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計(jì)算 Q＝UAΔT(3) 其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔT表示耦合塔板間的溫差； 6)判斷下式(4)是否成立，如果成立，則繼續(xù)7)，否則，更新各塔板液相組成，返回3)迭代； 其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧； 7)判斷產(chǎn)品氮?dú)?、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進(jìn)料空氣流量即為最大空氣進(jìn)料量，如果滿足則將空氣進(jìn)料流量增加一個(gè)迭代步長(zhǎng)Δ，返回2)繼續(xù)迭代。
作為優(yōu)選的一種方案所述上位機(jī)還包括泡點(diǎn)法模塊，用以由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成，其過(guò)程如下 3.1)假定塔板平衡溫度； 3.2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過(guò)程完成 yi＝Kixi(8) 其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P是塔板壓強(qiáng)，下標(biāo)m＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數(shù)bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性模塊計(jì)算； 3.3)檢驗(yàn)

是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計(jì)算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3.2)繼續(xù)迭代。
作為優(yōu)選的另一種方案所述上位機(jī)還包括焓模塊，用以計(jì)算汽液相混合焓，其過(guò)程如下 其中Hi*表示第i個(gè)純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
作為優(yōu)選的再一種方案所述上位機(jī)還包括物性模塊，用以計(jì)算物性參數(shù)，其過(guò)程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(14) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(17) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(18) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (19) 對(duì)汽相 令 AG＝aGP/R2T2(22) BG＝bGP/RT (23) αG＝2BG-1 (24) 取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG 則， vG＝RT/PZG(28) 對(duì)液相 令 AL＝aLP/R2T2 (32) BL＝bLP/RT(33) αL＝2BL-1(34) 取初值為Pr(0.106+0.078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子ZL 則， vL＝RT/PZL(38) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (40) Ωb＝0.070721 (41) τ＝0.01T (42) 其中，A、B、α、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，Tc、Pc、Vc、Zc分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，ki，m是常數(shù)，下標(biāo)c表示臨界點(diǎn)的性質(zhì)，下標(biāo)r表示對(duì)比態(tài)，下標(biāo)i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ωa、Ωb是中間變量。
進(jìn)一步，所述的上位機(jī)還包括結(jié)果顯示模塊，用于將節(jié)能控制結(jié)果傳給控制站進(jìn)行顯示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將節(jié)能控制結(jié)果傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
一種內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制方法，所述的節(jié)能控制方法包括以下步驟 1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采集塔的生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)，采集當(dāng)前進(jìn)料空氣流量作為初值； 2)假定各塔板液相組成； 3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成； 4)對(duì)每一個(gè)塔板，計(jì)算其汽液相的焓值； 5)聯(lián)立式(1)(2)計(jì)算各塔板的汽液相流量 其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，HG和HL分別是汽液相焓值，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計(jì)算 Q＝UAΔT(3)； 6)判斷式(3)是否成立，如果成立，則繼續(xù)步驟7)，否則，更新液相組成，返回3)迭代； 其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧； 7)判斷產(chǎn)品氮?dú)?、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進(jìn)料空氣流量即為最大空氣進(jìn)料量，如果滿足則將空氣進(jìn)料流量增加一個(gè)迭代步長(zhǎng)Δ，返回步驟2)繼續(xù)迭代。
作為優(yōu)選的一種方案所述的步驟3)中，泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相，采用以下過(guò)程完成 3.1)假定塔板平衡溫度； 3.2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過(guò)程完成 yi＝Kixi (8) 其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P是塔板壓強(qiáng)，下標(biāo)m＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數(shù)bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性參數(shù)計(jì)算方法計(jì)算； 3.3)檢驗(yàn)

是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計(jì)算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3.2)繼續(xù)迭代。
作為優(yōu)選的另一種方案所述步驟4)中，所述焓計(jì)算過(guò)程如下 其中Hi*表示第i個(gè)純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
作為優(yōu)選的再一種方案所述物性參數(shù)計(jì)算方法的過(guò)程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(14) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(17) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(18) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (19) 對(duì)汽相 令 AG＝aGP/R2T2(22) BG＝bGP/RT (23) αG＝2BG-1 (24) 取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG 則， vG＝RT/PZG(28) 對(duì)液相 令 AL＝aLP/R2T2 (32) BL＝bLP/RT(33) αL＝2BL-1(34) 取初值為Pr(0.106+0.078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子ZL 則， vL＝RT/PZL(38) Ωb＝0.070721 (41) τ＝0.01T (42) 其中，A、B、α、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，Tc、Pc、Vc、Zc分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，ki，m是常數(shù)，下標(biāo)c表示臨界點(diǎn)的性質(zhì)，下標(biāo)r表示對(duì)比態(tài)，下標(biāo)i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ωa、Ωb是中間變量。
進(jìn)一步，在所述的步驟7)中，上位機(jī)將節(jié)能控制結(jié)果傳給控制站進(jìn)行顯示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將節(jié)能控制結(jié)果傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在對(duì)內(nèi)部熱耦合空分塔進(jìn)行平衡級(jí)節(jié)能控制，可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)，在滿足當(dāng)前生產(chǎn)工況要求的前提下提高產(chǎn)量，降低單位產(chǎn)品能耗，從而提高生產(chǎn)效益。



圖1是本發(fā)明所提出的平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明所述內(nèi)部熱耦合空分塔結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明上位機(jī)的功能模塊圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1 參照?qǐng)D1、圖2、圖3，一種內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)，包括內(nèi)部熱耦合空分塔1連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2、數(shù)據(jù)接口3、控制站4、數(shù)據(jù)庫(kù)5以及上位機(jī)6，智能儀表2與現(xiàn)場(chǎng)總線連接、所述現(xiàn)場(chǎng)總線與數(shù)據(jù)接口3連接，所述數(shù)據(jù)接口3與控制站4、數(shù)據(jù)庫(kù)5和上位機(jī)6連接，所述的上位機(jī)6包括 信號(hào)采集模塊7，用以采集當(dāng)前生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)； 節(jié)能控制模塊8，用以節(jié)能控制，采用以下過(guò)程來(lái)完成 1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進(jìn)料空氣流量初值； 2)假定各塔板液相組成； 3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成； 4)對(duì)每一個(gè)塔板，分別計(jì)算汽液相的焓值； 5)由式(1)(2)計(jì)算各塔板的汽液相流量 其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，HG和HL分別是汽液相焓值，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計(jì)算 Q＝UAΔT(3) 其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔT表示耦合塔板間的溫差； 6)判斷下式(4)是否成立，如果成立，則繼續(xù)7)，否則，更新各塔板液相組成，返回3)迭代； 其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧； 7)判斷產(chǎn)品氮?dú)狻⒀鯕獾募兌仁欠駶M足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進(jìn)料空氣流量即為最大空氣進(jìn)料量，如果滿足則將空氣進(jìn)料流量增加一個(gè)迭代步長(zhǎng)Δ，返回2)繼續(xù)迭代。
所述上位機(jī)6還包括泡點(diǎn)法模塊9，用以由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成，其過(guò)程如下 3.1)假定塔板平衡溫度； 3.2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過(guò)程完成 yi＝Kixi(8) 其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P是塔板壓強(qiáng)，下標(biāo)m＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數(shù)bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性模塊計(jì)算； 3.3)檢驗(yàn)

是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計(jì)算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3.2)繼續(xù)迭代。
所述上位機(jī)6還包括焓模塊10，用以計(jì)算汽液相混合焓，其過(guò)程如下 其中Hi*表示第i個(gè)純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)； 所述上位機(jī)6還包括物性模塊11，用以計(jì)算物性參數(shù)，其過(guò)程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(14) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(17) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(18) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (19) 對(duì)汽相 令 AG＝aGP/R2T2(22) BG＝bGP/RT (23) αG＝2BG-1 (24) 取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG 則， vG＝RT/PZG (28) 對(duì)液相 令 AL＝aLP/R2T2(32) BL＝bLP/RT (33) αL＝2BL-1 (34) 取初值為Pr(0.106+0.078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子ZL 則， vL＝RT/PZL(38) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (40) Ωb＝0.070721 (41) τ＝0.01T (42) 其中，A、B、α、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，Tc、Pc、Vc、Zc分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，ki，m是常數(shù)，下標(biāo)c表示臨界點(diǎn)的性質(zhì)，下標(biāo)r表示對(duì)比態(tài)，下標(biāo)i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ωa、Ωb是中間變量。
所述的上位機(jī)6還包括結(jié)果顯示模塊12，用于將節(jié)能控制結(jié)果傳給控制站進(jìn)行顯示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將節(jié)能控制結(jié)果傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
本實(shí)施例的內(nèi)部熱耦合空分塔節(jié)能潛力優(yōu)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如附圖1所示，所述的優(yōu)化系統(tǒng)核心由包括信號(hào)采集模塊7、節(jié)能控制模塊8、泡點(diǎn)法模塊9、焓模塊10、物性模塊11、結(jié)果顯示模塊12和人機(jī)界面的上位機(jī)6構(gòu)成，此外還包括現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2，數(shù)據(jù)接口3、控制站4、數(shù)據(jù)庫(kù)5和現(xiàn)場(chǎng)總線。內(nèi)部熱耦合空分塔1、智能儀表2、數(shù)據(jù)接口3、控制站4、數(shù)據(jù)庫(kù)5、上位機(jī)6通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線依次相連，實(shí)現(xiàn)信息流的上傳和下達(dá)。節(jié)能控制系統(tǒng)在上位機(jī)6上運(yùn)行，可以方便地與底層系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。
本實(shí)施例的優(yōu)化系統(tǒng)的功能模塊圖如附圖3所示，主要包括信號(hào)采集模塊7、節(jié)能控制模塊8、泡點(diǎn)法模塊9、焓模塊10、物性模塊11、結(jié)果顯示模塊12等。
所述的平衡級(jí)節(jié)能控制方法按照如下步驟進(jìn)行實(shí)施 1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采集塔的生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)，采集當(dāng)前進(jìn)料空氣流量作為初值； 2)假定各塔板液相組成； 3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成； 4)對(duì)每一個(gè)塔板，計(jì)算其汽液相的焓值； 5)聯(lián)立式(1)(2)計(jì)算各塔板的汽液相流量 其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，HG和HL分別是汽液相焓值，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計(jì)算 Q＝UAΔT(3)； 6)判斷式(4)是否成立，如果成立，則繼續(xù)步驟7)，否則，更新液相組成，返回3)迭代； 其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧； 7)判斷產(chǎn)品氮?dú)?、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進(jìn)料空氣流量即為最大空氣進(jìn)料量，如果滿足則將空氣進(jìn)料流量增加一個(gè)迭代步長(zhǎng)Δ，返回步驟2)繼續(xù)迭代 實(shí)施例2 參照?qǐng)D1、圖2、圖3，一種內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制方法，所述的平衡級(jí)節(jié)能控制方法包括以下步驟 1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采集塔的生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)，采集當(dāng)前進(jìn)料空氣流量作為初值； 2)假定各塔板液相組成； 3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成； 4)對(duì)每一個(gè)塔板，計(jì)算其汽液相的焓值； 5)聯(lián)立式(1)(2計(jì)算各塔板的汽液相流量 其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，HG和HL分別是汽液相焓值，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計(jì)算 Q＝UAΔT(3)； 6)判斷式(4)是否成立，如果成立，則繼續(xù)步驟7)，否則，更新液相組成，返回步驟3)迭代； 其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧； 7)判斷產(chǎn)品氮?dú)狻⒀鯕獾募兌仁欠駶M足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進(jìn)料空氣流量即為最大空氣進(jìn)料量，如果滿足則將空氣進(jìn)料流量增加一個(gè)迭代步長(zhǎng)Δ，返回步驟2)繼續(xù)迭代。
所述的步驟3)中，泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相，采用以下過(guò)程完成 3.1)假定塔板平衡溫度； 3.2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過(guò)程完成 yi＝Kixi(8) 其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P是塔板壓強(qiáng)，下標(biāo)m＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數(shù)bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性參數(shù)計(jì)算方法計(jì)算； 3.3)檢驗(yàn)

是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計(jì)算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3.2)繼續(xù)迭代。
所述步驟4)中，所述焓計(jì)算過(guò)程如下 其中Hi*表示第i個(gè)純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
所述物性參數(shù)計(jì)算方法的過(guò)程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(14) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(17) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(18) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (19) 對(duì)汽相 令 AG＝aGP/R2T2(22) BG＝bGP/RT (23) αG＝2BG-1 (24) 取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG 則， vG＝RT/PZG (28) 對(duì)液相 令 AL＝aLP/R2T2(32) BL＝bLP/RT (33) αL＝2BL-1 (34) 取初值為Pr(0.106+0.078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子ZL 則， vL＝RT/PZL(38) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (40) Ωb＝0.070721 (41) τ＝0.01T (42) 其中，A、B、α、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，Tc、Pc、Vc、Zc分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，ki，m是常數(shù)，下標(biāo)c表示臨界點(diǎn)的性質(zhì)，下標(biāo)r表示對(duì)比態(tài)，下標(biāo)i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ωa、Ωb是中間變量。
在所述的步驟7)中，上位機(jī)將節(jié)能控制結(jié)果傳給控制站進(jìn)行顯示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將計(jì)算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
本發(fā)明所提出的內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)及方法，已通過(guò)上述具體實(shí)施步驟進(jìn)行了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的裝置和操作方法進(jìn)行改動(dòng)或適當(dāng)變更與組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，它們都會(huì)被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合空分塔連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、以及控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)和上位機(jī)，智能儀表與控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)、上位機(jī)連接，其特征在于所述的上位機(jī)包括
信號(hào)采集模塊，用以采集當(dāng)前生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)；
節(jié)能控制模塊，用以節(jié)能控制，采用以下過(guò)程來(lái)完成
1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進(jìn)料空氣流量初值；
2)假定各塔板液相組成；
3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成；
4)對(duì)每一個(gè)塔板，分別計(jì)算汽液相的焓值；
5)由式(1)(2)計(jì)算各塔板的汽液相流量
其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，HG和HL分別是汽液相焓值，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計(jì)算
Q＝UAΔT(3)
其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔT表示耦合塔板間的溫差；
6)判斷下式(4)是否成立，如果成立，則繼續(xù)7)，否則，更新各塔板液相組成，返回3)迭代；
其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧；
7)判斷產(chǎn)品氮?dú)?、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進(jìn)料空氣流量即為最大空氣進(jìn)料量，如果滿足則將空氣進(jìn)料流量增加一個(gè)迭代步長(zhǎng)Δ，返回2)繼續(xù)迭代。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)還包括泡點(diǎn)法模塊，用以由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成，其過(guò)程如下
3.1)假定塔板平衡溫度；
3.2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過(guò)程完成
yi＝Kixi(8)
其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P是塔板壓強(qiáng)，下標(biāo)m＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數(shù)bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性模塊計(jì)算；
3.3)檢驗(yàn)
是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計(jì)算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3.2)繼續(xù)迭代。
3.如權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)還包括焓模塊，用以計(jì)算汽液相混合焓，其過(guò)程如下
其中Hi*表示第i個(gè)純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
4.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)還包括物性模塊，用以計(jì)算物性參數(shù)，其過(guò)程如下
bi＝ΩbRTci/Pcia(14)
Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(17)
Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(18)
Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam)(19)
對(duì)汽相
令
AG＝aGP/R2T2(22)
BG＝bGP/RT (23)
αG＝2BG-1 (24)
取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG
則，
vG＝RT/PZG(28)
對(duì)液相
令
AL＝aLP/R2T2 (32)
BL＝bLP/RT(33)
αL＝2BL-1(34)
取初值為Pr(0.106+0.078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子ZL
則，
vL＝RT/PZL(38)
Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(40)
Ωb＝0.070721 (41)
τ＝0.01T (42)
其中，A、B、a、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，Tc、Pc、Vc、Zc分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，ki，m是常數(shù)，下標(biāo)c表示臨界點(diǎn)的性質(zhì)，下標(biāo)r表示對(duì)比態(tài)，下標(biāo)i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ωa、Ωb是中間變量。
5.如權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機(jī)還包括
結(jié)果顯示模塊，用于將節(jié)能控制結(jié)果傳給控制站進(jìn)行顯示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將節(jié)能控制結(jié)果傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
6.一種用如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的節(jié)能控制方法，其特征在于所述的節(jié)能控制方法包括以下步驟
1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采集塔的生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)，采集當(dāng)前進(jìn)料空氣流量作為初值；
2)假定各塔板液相組成；
3)對(duì)每一個(gè)塔板，分別由泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相組成；
4)對(duì)每一個(gè)塔板，計(jì)算其汽液相的焓值；
5)聯(lián)立式(1)(2)計(jì)算各塔板的汽液相流量
其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進(jìn)料流量，HF表示進(jìn)料焓值，S表示側(cè)提流量，HG和HL分別是汽液相焓值，下標(biāo)j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計(jì)算
Q＝UAΔT(3)；
6)判斷式(3)是否成立，如果成立，則繼續(xù)步驟7)，否則，更新液相組成，返回3)迭代；
其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進(jìn)料組成，下標(biāo)i＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧；
7)判斷產(chǎn)品氮?dú)?、氧氣的純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進(jìn)料空氣流量即為最大空氣進(jìn)料量，如果滿足則將空氣進(jìn)料流量增加一個(gè)迭代步長(zhǎng)Δ，返回步驟2)繼續(xù)迭代。
7.如權(quán)利要求6所述的節(jié)能控制方法，其特征在于所述的步驟3)中，泡點(diǎn)法計(jì)算其平衡溫度和汽相，采用以下過(guò)程完成
3.1)假定塔板平衡溫度；
3.2)計(jì)算汽液平衡常數(shù)，采用以下過(guò)程完成
yi＝Kixi(8)
其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標(biāo)L表示液相，上標(biāo)G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P是塔板壓強(qiáng)，下標(biāo)m＝1、2、3表示組分，依次對(duì)應(yīng)氮、氬、氧，摩爾體積v、物性參數(shù)bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相壓縮因子ZG、液相壓縮因子ZL由物性參數(shù)計(jì)算方法計(jì)算；
3.3)檢驗(yàn)
是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計(jì)算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3.2)繼續(xù)迭代。
8.如權(quán)利要求6或7所述的節(jié)能控制方法，其特征在于所述步驟4)中，所述焓計(jì)算過(guò)程如下
其中Hi*表示第i個(gè)純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
9.如權(quán)利要求7所述的節(jié)能控制方法，其特征在于所述物性參數(shù)計(jì)算方法的過(guò)程如下
bi＝ΩbRTci/Pcia(14)
Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(17)
Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(18)
Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (19)
對(duì)汽相
令
AG＝aGP/R2T2(22)
BG＝bGP/RT (23)
αG＝2BG-1 (24)
取初值為1-0.6Pr，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZG
則，
vG＝RT/PZG (28)
對(duì)液相
令
AL＝aLP/R2T2 (32)
BL＝bLP/RT(33)
αL＝2BL-1(34)
取初值為Pr(0.106+0.078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子ZL
則，
vL＝RT/PZL(38)
Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (40)
Ωb＝0.070721 (41)
τ＝0.01T (42)
其中，A、B、α、β、γ、τ是中間變量，C、D、E、W是常數(shù)，Tc、Pc、Vc、Zc分別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對(duì)比壓力，R是氣體常數(shù)，ki，m表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，ki，m是常數(shù)，下標(biāo)c表示臨界點(diǎn)的性質(zhì)，下標(biāo)r表示對(duì)比態(tài)，下標(biāo)i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物，Ωa、Ωb是中間變量。
10.如權(quán)利要求6或7所述的節(jié)能控制方法，其特征在于在所述的步驟7)中，上位機(jī)將節(jié)能控制結(jié)果傳給控制站進(jìn)行顯示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將節(jié)能控制結(jié)果傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
全文摘要
一種內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合空分塔連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、以及控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)和上位機(jī)，上位機(jī)包括信號(hào)采集模塊，節(jié)能控制模塊，過(guò)程成設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進(jìn)料空氣流量初值；假定各塔板液相組成；對(duì)每一個(gè)塔板，分別計(jì)算其平衡溫度和汽相組成、汽液相的焓值和汽液相流量；判斷下式(4)是否成立，如果成立則繼續(xù)，否則，更新各塔板液相組成；判斷產(chǎn)品氮?dú)狻⒀鯕獾募兌仁欠駶M足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，如果滿足則將空氣進(jìn)料流量增加一個(gè)迭代步長(zhǎng)。以及提出一種內(nèi)部熱耦合空分塔平衡級(jí)節(jié)能控制方法。本發(fā)明在當(dāng)前生產(chǎn)工況條件下使得內(nèi)部熱耦合空分塔單位能耗最小，并提高節(jié)能性。
文檔編號(hào)B01D3/14GK101763088SQ20091015718
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者劉興高, 閆正兵, 毛紹融, 周智勇, 盧杰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)