專利名稱：一種空分節(jié)能過程的非線性過程觀測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空分節(jié)能精餾過程的動(dòng)態(tài)建模領(lǐng)域，特別地，涉及空分節(jié)能精餾過程的非線性觀測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其方法。

背景技術(shù)：
空分是對(duì)空氣進(jìn)行分離，得到氧、氮、氬等高純工業(yè)氣體的國民經(jīng)濟(jì)重要行業(yè)，其產(chǎn)品廣泛用于石油、化工、冶金、電子、能源、航空航天、食品飲料、醫(yī)療保健等各種工業(yè)領(lǐng)域。而巨大的能量消耗一直為空分行業(yè)的瓶頸問題。
在空分過程中，精餾塔是一個(gè)重要的傳質(zhì)單元操作過程，也是主要的耗能單元。世界各國在空分精餾過程的節(jié)能研究方面投入了大量的人力物力，在空分過程的過程建模，先進(jìn)控制等方面作了大量研究。由于空分精餾過程的強(qiáng)非線性，耦合性等復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性，傳統(tǒng)的機(jī)理模型雖然具有較高的預(yù)測精度，但是在線運(yùn)算效率太低，較難應(yīng)用于現(xiàn)今較流行的先進(jìn)控制方案，而目前商業(yè)使用的基于數(shù)據(jù)的線性辨識(shí)模型，往往具有較低的預(yù)測精度，對(duì)控制器的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。事實(shí)表明建立空分精餾過程的高效率，高精度非線性模型，實(shí)現(xiàn)空分精餾過程中的組分濃度分布預(yù)測已經(jīng)成為一項(xiàng)關(guān)鍵的空分節(jié)能技術(shù)。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有空分精餾過程的控制系統(tǒng)的不能有效跟蹤空分過程的復(fù)雜非線性特征、在線運(yùn)行效率低、精確度低的不足，本發(fā)明提供一種能夠有效跟蹤空分過程的復(fù)雜非線性特征、在線運(yùn)行效率高、精確度高的空分節(jié)能過程的非線性過程觀測系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種空分節(jié)能過程的非線性過程觀測系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲(chǔ)裝置和上位機(jī)，智能儀表與存儲(chǔ)裝置、上位機(jī)連接，所述上位機(jī)包括用以預(yù)測空分塔將來時(shí)刻的組分濃度分布的觀測器，所述的觀測器包括 檢測模塊，包括溫度檢測元件、壓力檢測元件和I/O模塊，用于檢測空分塔上塔各塊塔板處的溫度和上塔壓強(qiáng)，并進(jìn)行電信號(hào)轉(zhuǎn)換，將檢測信號(hào)輸送到上位機(jī)； 組分推斷模塊，用以根據(jù)采用檢測到的溫度，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)計(jì)算空分塔上塔的各塔板處的組分濃度，計(jì)算式為(1)(2)如下 其中Xi，N為空分塔第i塊塔板處氮的液相組分濃度，Xi，O為空分塔中第i塊塔板處氧的液相組分濃度，P為上塔壓強(qiáng)，Ti為上塔各塊塔板處的溫度，αN，αO分別為氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度，aN、bN、cN、aO、bO、cO為安東尼常數(shù)。
組分分布函數(shù)擬合模塊，用以采用組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，擬合氮的汽相組分濃度分布函數(shù)和氧的液相組分濃度分布函數(shù)如式(3)(4) 其中i為塔板編號(hào)，

分別為第i塊塔板處氮的液相濃度和氧的預(yù)估液相濃度，Xmin，N，Xmax，N，kN，Xmin，O，Xmax，O，kO為擬合參數(shù)，SN，SO為空分塔組分濃度分布曲線的位置。
將來時(shí)刻空分塔狀態(tài)預(yù)測模塊，用以根據(jù)當(dāng)前組分濃度數(shù)據(jù)以及組分分布函數(shù)預(yù)測將來時(shí)刻的組分濃度分布，該模塊包括以下三部分 ①當(dāng)前時(shí)刻組分濃度分布曲線位置變化速度計(jì)算，計(jì)算過程如式(5)(6)(7)(8) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)N、O分別代表氮和氧，上角標(biāo)f代表進(jìn)料，F(xiàn)i(k)為第i塊塔板進(jìn)料流量，Ln(k)塔底液相流率，V1(k)分別為塔頂氣相流率，xn，N(k)、xn，O(k)分別為塔底液氮液氧的組分濃度，y1，N(k)、y1，O(k)分別為塔頂氣氮?dú)庋踅M分濃度，xfi，N(k)，xfi，O(k)分別為第i塊塔板的進(jìn)料液氮組分濃度和進(jìn)料液氧組分濃度，M為塔板持液量，


分別為液氮組分濃度分布和液氧組分濃度分布位置變化速度； ②下一時(shí)刻波形位置計(jì)算以及組分濃度預(yù)測，計(jì)算過程如式(9)(10)(11)(12) 其中T為采樣周期，SN(k)，SO(k)分別為k采樣時(shí)刻液氮，液氧組分濃度分布位置，SN(k+1)，SO(k+1)分別為k+1采樣時(shí)刻液氮，液氧組分濃度分布位置，

分別為k+1采樣時(shí)刻第i塊塔板液氮，液氧組分濃度的預(yù)估值； ③組分濃度預(yù)測值修正，計(jì)算過程如式(13)(14)(15)(16) 其中ri，N(k)，ri，O(k)分別為k采樣時(shí)刻的預(yù)測誤差，

分別為修正后的k+1采樣時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值，


分別為k采樣時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值。
作為優(yōu)選的一種方案所述的現(xiàn)場智能儀表與數(shù)據(jù)接口連接，所述數(shù)據(jù)接口與現(xiàn)場總線連接，所述DCS系統(tǒng)中的存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)與現(xiàn)場總線連接。
進(jìn)一步，所述上位機(jī)還包括人機(jī)界面模塊，用于設(shè)定采樣周期，設(shè)定預(yù)測時(shí)間長度，顯示觀測器輸出的將來時(shí)刻組分濃度預(yù)測值和當(dāng)前時(shí)刻組分濃度測量值。
一種空分節(jié)能過程的非線性過程觀測方法，所述非線性過程觀測方法包括以下步驟 1)確定采樣周期T，并將T值，氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度αN、αO，安東尼常數(shù)aN、bN、cN、aO、bO、cO保存在歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中； 2)檢測kT時(shí)刻上塔壓強(qiáng)P，各塔板溫度Ti，計(jì)算液氮液氧的組分濃度值，計(jì)算式如式(1)(2) 其中Xi，N為空分塔第i塊塔板處氮的液相組分濃度，Xi，O為空分塔中第i塊塔板處氧的液相組分濃度，P為上塔壓強(qiáng)，Ti為上塔各塊塔板處的溫度，αN，αO分別為氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度，aN、bN、cN、aO、bO、cO為安東尼常數(shù)； 并檢測kT時(shí)刻塔頂氣相流量和塔底液相流量值，同上塔壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，各塔板溫度數(shù)據(jù)，組分濃度的測量值一起存儲(chǔ)到觀測器系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中； 3)從歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中獲取kT時(shí)刻組分濃度的測量值，擬合kT時(shí)刻的組分濃度分布函數(shù)如式(3)(4) 其中下腳標(biāo)i為塔板編號(hào)，

分別為第i塊塔板處氮的液相濃度和氧的液相濃度，Xmin，N，Xmax，N，kN，Xmin，O，Xmax，O，kO為擬合參數(shù)，SN，SO為空分塔組分濃度分布曲線的位置。將擬合參數(shù)Xmin，N，Xmax，N，kN，Xmin，O，Xmax，O，kO，空分塔組分濃度分布曲線的位置SN，SO和kT時(shí)刻的液氮液氧組分濃度預(yù)估值存儲(chǔ)到觀測器系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中； 4)計(jì)算kT時(shí)刻的液氮液氧的組分濃度分布位置變化速度，計(jì)算過程如式(5)(6)(7)(8) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下腳標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下腳標(biāo)N、O分別代表氣態(tài)氮和液態(tài)氧，上角標(biāo)f代表進(jìn)料，F(xiàn)i(k)為第i塊塔板進(jìn)料流量，Ln(k)塔底液相流率，V1(k)分別為塔頂氣相流率，xn，N(k)、xn，O(k)分別為塔底液氮液氧的組分濃度，y1，N(k)、y1，O(k)分別為塔頂氣氮?dú)庋踅M分濃度，xfi，N(k)，xfi，O(k)分別為第i塊塔板的進(jìn)料液氮組分濃度和進(jìn)料液氧組分濃度，M為各塔板持液量，

分別為液氮組分濃度分布和液氧組分濃度分布位置變化速度。將計(jì)算值

存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中 5)預(yù)測(k+1)T時(shí)刻的液氮液氧的組分濃度，計(jì)算過程如式(9)(10)(11)(12)，并將預(yù)測值存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中 其中SN(k)，SO(k)分別為k采樣時(shí)刻液氮，液氧組分濃度分布位置，SN(k+1)，SO(k+1)分別為k+1采樣時(shí)刻液氮，液氧組分濃度分布位置，

分別為k+1采樣時(shí)刻第i塊塔板液氮，液氧組分濃度的預(yù)估值 6)從歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中獲取kT時(shí)刻液氮液氧的組分濃度測量值和預(yù)估值并計(jì)算kT時(shí)刻的液氮液氧組分濃度預(yù)報(bào)誤差并將計(jì)算出的預(yù)報(bào)誤差存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，計(jì)算過程如式(13)(14) 其中ri，N(k)，ri，O(k)分別為k采樣時(shí)刻的預(yù)測誤差，

分別為kT時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值； 7)修正組分濃度預(yù)測值，計(jì)算過程如式(15)(16) 其中

分別為修正后的(k+1)T時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值，

分別為kT時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值。
進(jìn)一步，所述的現(xiàn)場智能儀表與數(shù)據(jù)接口連接，所述數(shù)據(jù)接口與現(xiàn)場總線連接，所述DCS系統(tǒng)中的存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)與現(xiàn)場總線連接；其中控制站用以讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示觀測器工作過程狀態(tài)。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、基于空分節(jié)能過程的機(jī)理方程建立高精度的簡化預(yù)測模型，能夠高效率地，準(zhǔn)確地跟蹤空分節(jié)能過程的復(fù)雜非線性特征；2、在線運(yùn)行效率高，狀態(tài)變量預(yù)測比傳統(tǒng)基于數(shù)據(jù)的辨識(shí)模型精確。



圖1是本發(fā)明所提出的空分節(jié)能過程非線性觀測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是上位機(jī)觀測器實(shí)現(xiàn)方法的原理圖。

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和圖2，一種空分節(jié)能過程的非線性過程觀測系統(tǒng)，包括與空分塔1直接連接的現(xiàn)場智能儀表2和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲(chǔ)裝置4和上位機(jī)6，其中智能儀表2、存儲(chǔ)裝置4和上位機(jī)6依次相連，上位機(jī)6包括用以實(shí)現(xiàn)觀測器功能，預(yù)測空分塔將來時(shí)刻的組分濃度分布的觀測器，所述的觀測器包括檢測模塊7，組分推斷模塊9，組分分布函數(shù)擬合模塊10，將來時(shí)刻空分塔狀態(tài)預(yù)測模塊11。所述的檢測模塊7包括溫度檢測元件和壓力檢測元件，用于檢測空分塔上塔各塊塔板處的溫度和上塔壓強(qiáng)；I/O模塊8用于電信號(hào)轉(zhuǎn)換，將檢測信號(hào)輸送到上位機(jī)6，DCS系統(tǒng)13。所述的組分推斷模塊9采用檢測到的溫度，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)計(jì)算空分塔上塔的各塔板處的組分濃度，計(jì)算式為(1)(2)如下 其中Xi，N為空分塔第i塊塔板處氮的液相組分濃度，Xi，O為空分塔中第i塊塔板處氧的液相組分濃度，P為上塔壓強(qiáng)，Ti為上塔各塊塔板處的溫度，αN，αO分別為氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度，aN、bN、cN、aO、bO、cO為安東尼常數(shù)。
所述的組分分布函數(shù)擬合模塊10采用組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，擬合氮的汽相組分濃度分布函數(shù)和氧的液相組分濃度分布函數(shù)如式(3)(4) 其中i為塔板編號(hào)，

分別為第i塊塔板處氮的預(yù)估液相濃度和氧的預(yù)估液相濃度，Xmin，N，Xmax，N，kN，Xmin，O，Xmax，O，kO為擬合參數(shù)，SN，SO為空分塔組分濃度分布曲線的位置。
所述的將來時(shí)刻空分塔狀態(tài)預(yù)測模塊11根據(jù)當(dāng)前組分濃度數(shù)據(jù)以及組分分布函數(shù)預(yù)測將來時(shí)刻的組分濃度分布，該模塊包括以下三部分 ①當(dāng)前時(shí)刻組分濃度分布曲線位置變化速度計(jì)算，計(jì)算過程如式(5)(6)(7)(8) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)N、O分別代表氮和氧，上角標(biāo)f代表進(jìn)料，F(xiàn)i(k)為第i塊塔板進(jìn)料流量，Ln(k)塔底液相流率，V1(k)分別為塔頂氣相流率，xn，N(k)、xn，O(k)分別為塔底液氮液氧的組分濃度，y1，N(k)、y1，O(k)分別為塔頂氣氮?dú)庋踅M分濃度，xfi，N(k)，xfi，O(k)分別為第i塊塔板的進(jìn)料液氮組分濃度和進(jìn)料液氧組分濃度，M為塔板持液量，


分別為液氮組分濃度分布和液氧組分濃度分布位置變化速度。
②下一時(shí)刻波形位置計(jì)算以及組分濃度預(yù)測，計(jì)算過程如式(9)(10)(11)(12) 其中T為采樣周期，SN(k)，SO(k)分別為k采樣時(shí)刻液氮，液氧組分濃度分布位置，SN(k+1)，SO(k+1)分別為k+1時(shí)刻液氮，液氧組分濃度分布位置，

分別為k+1采樣時(shí)刻第i塊塔板液氮，液氧組分濃度的預(yù)估值。
③組分濃度預(yù)測值修正，計(jì)算過程如式(13)(14)(15)(16) 其中ri，N(k)，ri，O(k)分別為k采樣時(shí)刻的預(yù)測誤差，

分別為修正后的k+1采樣時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值，


分別為k采樣時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值 參照?qǐng)D1所述的空分節(jié)能過程的非線性過程觀測系統(tǒng)，所述的現(xiàn)場智能儀表2、DCS系統(tǒng)中的存儲(chǔ)裝置4及上位機(jī)6通過現(xiàn)場總線相互連接；空分塔1與智能儀表2連接，智能儀表2與數(shù)據(jù)接口3連接，數(shù)據(jù)接口3與現(xiàn)場總線連接，現(xiàn)場總線與上位機(jī)6、存儲(chǔ)裝置4和控制站5連接，其中控制站5可以讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示觀測器工作過程狀態(tài)。
參照?qǐng)D2所述的空分節(jié)能過程的非線性過程觀測系統(tǒng)，所述的上位機(jī)包括人機(jī)界面模塊12，用于設(shè)定采樣周期，設(shè)定預(yù)測時(shí)間長度，顯示觀測器輸出的將來時(shí)刻組分濃度預(yù)測值和當(dāng)前時(shí)刻組分濃度測量值。
實(shí)施例2 參照?qǐng)D1和圖2，一種空分節(jié)能過程的非線性過程觀測方法包括以下步驟 1)確定采樣周期T，并將T值，氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度αN、αO，安東尼常數(shù)aN、bN、cN、aO、bO、cO保存在歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中； 2)檢測kT時(shí)刻上塔壓強(qiáng)P，各塔板溫度Ti，計(jì)算液氮液氧的組分濃度值，計(jì)算式如式(1)(2) 其中Xi，N為空分塔第i塊塔板處氮的液相組分濃度，Xi，O為空分塔中第i塊塔板處氧的液相組分濃度，P為上塔壓強(qiáng)，Ti為上塔各塊塔板處的溫度，αN，αO分別為氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度，aN、bN、cN、aO、bO、cO為安東尼常數(shù)。
并檢測kT時(shí)刻塔頂氣相流量和塔底液相流量值，同上塔壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，各塔板溫度數(shù)據(jù)，組分濃度的測量值一起存儲(chǔ)到觀測器系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中； 3)從歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中獲取kT時(shí)刻組分濃度的測量值，擬合kT時(shí)刻的組分濃度分布函數(shù)如式(3)(4) 其中下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，

分別為第i塊塔板處氮的液相濃度和氧的液相濃度，Xmin，N，Xmax，N，kN，Xmin，O，Xmax，O，kO為擬合參數(shù)，SN，SO為空分塔組分濃度分布曲線的位置。將擬合參數(shù)Xmin，N，Xmax，N，kN，Xmin，O，Xmax，O，kO，空分塔組分濃度分布曲線的位置SN，SO和kT時(shí)刻的液氮液氧組分濃度預(yù)估值存儲(chǔ)到觀測器系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中； 4)計(jì)算kT時(shí)刻的液氮液氧的組分濃度分布位置變化速度，計(jì)算過程如式(5)(6)(7)(8) 其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)N、O分別代表氣態(tài)氮和液態(tài)氧，上角標(biāo)f代表進(jìn)料，F(xiàn)i(k)為第i塊塔板進(jìn)料流量，Ln(k)塔底液相流率，V1(k)分別為塔頂氣相流率，xn，N(k)、xn，O(k)分別為塔底液氮液氧的組分濃度，y1，N(k)、y1，O(k)分別為塔頂氣氮?dú)庋踅M分濃度，xfi，N(k)，xfi，O(k)分別為第i塊塔板的進(jìn)料液氮組分濃度和進(jìn)料液氧組分濃度，M為各塔板持液量，

分別為液氮組分濃度分布和液氧組分濃度分布位置變化速度。將計(jì)算值

存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中 5)預(yù)測(k+1)T時(shí)刻的液氮液氧的組分濃度，計(jì)算過程如式(9)(10)(11)(12)，并將預(yù)測值存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中 其中SN(k)，SO(k)分別為k采樣時(shí)刻液氮，液氧組分濃度分布位置，SN(k+1)，SO(k+1)分別為k+1采樣時(shí)刻液氮，液氧組分濃度分布位置，

分別為k+1采樣時(shí)刻第i塊塔板液氮，液氧組分濃度的預(yù)估值 6)從歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中獲取kT時(shí)刻液氮液氧的組分濃度測量值和預(yù)估值并計(jì)算kT時(shí)刻的液氮液氧組分濃度預(yù)報(bào)誤差并將計(jì)算出的預(yù)報(bào)誤差存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，計(jì)算過程如式(13)(14) 其中ri，N(k)，ri，O(k)分別為k采樣時(shí)刻的預(yù)測誤差，

分別為kT時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值； 7)修正組分濃度預(yù)測值，計(jì)算過程如式(15)(16) 其中

分別為修正后的(k+1)T時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值，

分別為kT時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值。
空分塔1與智能儀表2連接，智能儀表2與數(shù)據(jù)接口3連接，數(shù)據(jù)接口3與現(xiàn)場總線連接，現(xiàn)場總線與上位機(jī)6、存儲(chǔ)裝置4和控制站5連接。
所述的歷史數(shù)據(jù)庫為DCS系統(tǒng)中的存儲(chǔ)裝置4，所述的DCS系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接口3，存儲(chǔ)裝置4，控制站5，其中控制站5可以讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示觀測器工作過程狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種空分節(jié)能過程的非線性過程觀測系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲(chǔ)裝置和上位機(jī)，智能儀表與存儲(chǔ)裝置、上位機(jī)連接，其特征在于所述上位機(jī)包括用以預(yù)測空分塔將來時(shí)刻的組分濃度分布的觀測器，所述的觀測器包括檢測模塊，包括溫度檢測元件、壓力檢測元件和I/O模塊，用于檢測空分塔上塔各塊塔板處的溫度和上塔壓強(qiáng)，并進(jìn)行電信號(hào)轉(zhuǎn)換，將檢測信號(hào)輸送到上位機(jī)；
組分推斷模塊，用以根據(jù)采用檢測到的溫度，壓強(qiáng)數(shù)據(jù)計(jì)算空分塔上塔的各塔板處的組分濃度，計(jì)算式為(1)(2)如下
其中Xi，N為空分塔第i塊塔板處氮的液相組分濃度，Xi，O為空分塔中第i塊塔板處氧的液相組分濃度，P為上塔壓強(qiáng)，Ti為上塔各塊塔板處的溫度，αN，αO分別為氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度，aN、bN、cN、aO、bO、cO為安東尼常數(shù)；
組分分布函數(shù)擬合模塊，用以采用組分推斷模塊計(jì)算出的組分濃度數(shù)據(jù)，擬合氮的汽相組分濃度分布函數(shù)和氧的液相組分濃度分布函數(shù)如式(3)(4)
其中i為塔板編號(hào)，
分別為第i塊塔板處氮的液相濃度和氧的預(yù)估液相濃度，Xmin，N，Xmax，N，KN，Xmin，0，Xmax，0，K0為擬合參數(shù)，SN，S0為空分塔組分濃度分布曲線的位置；
將來時(shí)刻空分塔狀態(tài)預(yù)測模塊，用以根據(jù)當(dāng)前組分濃度數(shù)據(jù)以及組分分布函數(shù)預(yù)測將來時(shí)刻的組分濃度分布，該模塊包括以下三部分
①當(dāng)前時(shí)刻組分濃度分布曲線位置變化速度計(jì)算，計(jì)算過程如式(5)(6)(7)(8)
其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下角標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下角標(biāo)N、O分別代表氮和氧，上角標(biāo)f代表進(jìn)料，F(xiàn)i(k)為第i塊塔板進(jìn)料流量，Ln(k)塔底液相流率，V1(k)分別為塔頂氣相流率，xn，N(k)、xn，O(k)分別為塔底液氮液氧的組分濃度，y1，N(k)、y1，O(k)分別為塔頂氣氮?dú)庋踅M分濃度，xfi，N(K)，xfi，O(k)分別為第i塊塔板的進(jìn)料液氮組分濃度和進(jìn)料液氧組分濃度，M為塔板持液量，
分別為液氮組分濃度分布和液氧組分濃度分布位置變化速度；
②下一時(shí)刻波形位置計(jì)算以及組分濃度預(yù)測，計(jì)算過程如式(9)(10)(11)(12)
其中T為采樣周期，SN(k)，SO(k)分別為k采樣時(shí)刻液氮，液氧組分濃度分布位置，SN(k+1)，SO(k+1)分別為k+1采樣時(shí)刻液氮，液氧組分濃度分布位置，
分別為k+1采樣時(shí)刻第i塊塔板液氮，液氧組分濃度的預(yù)估值；
③組分濃度預(yù)測值修正，計(jì)算過程如式(13)(14)(15)(16)
其中ri，N(k)，ri，O(k)分別為k采樣時(shí)刻的預(yù)測誤差，
分別為修正后的k+1采樣時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值，
分別為k采樣時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值。
2.如權(quán)利要求1所述的空分節(jié)能過程的非線性過程觀測系統(tǒng)，其特征在于所述的現(xiàn)場智能儀表與數(shù)據(jù)接口連接，所述數(shù)據(jù)接口與現(xiàn)場總線連接，所述DCS系統(tǒng)中的存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)與現(xiàn)場總線連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的空分節(jié)能過程的非線性過程觀測系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)還包括人機(jī)界面模塊，用于設(shè)定采樣周期，設(shè)定預(yù)測時(shí)間長度，顯示觀測器輸出的將來時(shí)刻組分濃度預(yù)測值和當(dāng)前時(shí)刻組分濃度測量值。
4.一種如權(quán)利要求1所述的空分節(jié)能過程的非線性過程觀測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的非線性過程觀測方法，其特征在于所述非線性過程觀測方法包括以下步驟
1)確定采樣周期T，并將T值，氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度αN、αO，安東尼常數(shù)aN、bn、cN、aO、bO、cO保存在歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中；
2)檢測kT時(shí)刻上塔壓強(qiáng)P，各塔板溫度Ti，計(jì)算液氮液氧的組分濃度值，計(jì)算式如式(1)(2)
其中Xi，N為空分塔第i塊塔板處氮的液相組分濃度，Xi，O為空分塔中第i塊塔板處氧的液相組分濃度，P為上塔壓強(qiáng)，Ti為上塔各塊塔板處的溫度，αN，αO分別為氮和氧相對(duì)于氬的相對(duì)揮發(fā)度，aN、bN、cN、aO、bO、cO為安東尼常數(shù)；
并檢測kT時(shí)刻塔頂氣相流量和塔底液相流量值，同上塔壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，各塔板溫度數(shù)據(jù)，組分濃度的測量值一起存儲(chǔ)到觀測器系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中；
3)從歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中獲取kT時(shí)刻組分濃度的測量值，擬合kT時(shí)刻的組分濃度分布函數(shù)如式(3)(4)
其中下腳標(biāo)i為塔板編號(hào)，
分別為第i塊塔板處氮的液相濃度和氧的液相濃度，Xmin，N，Xmax，N，KN，Xmin，0，Xmax，0，K0為擬合參數(shù)，SN，S0為空分塔組分濃度分布曲線的位置；將擬合參數(shù)Xmin，N，Xmax，N，KN，Xmin，0，Xmax，0，K0空分塔組分濃度分布曲線的位置SN，S0和kT時(shí)刻的液氮液氧組分濃度預(yù)估值存儲(chǔ)到觀測器系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中；
4)計(jì)算kT時(shí)刻的液氮液氧的組分濃度分布位置變化速度，計(jì)算過程如式(5)(6)(7)(8)
其中k為當(dāng)前采樣時(shí)刻，下腳標(biāo)i為塔板編號(hào)，1為塔頂編號(hào)，n為塔底的編號(hào)，下腳標(biāo)N、O分別代表氣態(tài)氮和液態(tài)氧，上角標(biāo)f代表進(jìn)料，F(xiàn)i(k)為第i塊塔板進(jìn)料流量，Ln(k)塔底液相流率，V1(k)分別為塔頂氣相流率，xn，N(k)、xn，O(k)分別為塔底液氮液氧的組分濃度，y1，N(k)、y1，O(k)分別為塔頂氣氮?dú)庋踅M分濃度，xfi，N(k)，xfi，O(k)分別為第i塊塔板的進(jìn)料液氮組分濃度和進(jìn)料液氧組分濃度，M為各塔板持液量，
分別為液氮組分濃度分布和液氧組分濃度分布位置變化速度；將計(jì)算值
存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中
5)預(yù)測(k+1)T時(shí)刻的液氮液氧的組分濃度，計(jì)算過程如式(9)(10)(11)(12)，并將預(yù)測值存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中
其中SN(k)，SO(k)分別為k采樣時(shí)刻液氮，液氧組分濃度分布位置，SN(k+1)，SO(k+1)分別為k+1采樣時(shí)刻液氮，液氧組分濃度分布位置，
分別為k+1采樣時(shí)刻第i塊塔板液氮，液氧組分濃度的預(yù)估值
6)從歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中獲取kT時(shí)刻液氮液氧的組分濃度測量值和預(yù)估值并計(jì)算kT時(shí)刻的液氮液氧組分濃度預(yù)報(bào)誤差并將計(jì)算出的預(yù)報(bào)誤差存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，計(jì)算過程如式(13)(14)
其中ri，N(k)，ri，O(k)分別為k采樣時(shí)刻的預(yù)測誤差，
分別為
kT時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值；
7)修正組分濃度預(yù)測值，計(jì)算過程如式(15)(16)
其中
分別為修正后的(k+1)T時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值，
分別為kT時(shí)刻液氮和液氧的組分濃度預(yù)測值。
5.如權(quán)利要求4所述的非線性過程觀測方法，其特征在于所述的現(xiàn)場智能儀表與數(shù)據(jù)接口連接，所述數(shù)據(jù)接口與現(xiàn)場總線連接，所述DCS系統(tǒng)中的存儲(chǔ)裝置及上位機(jī)與現(xiàn)場總線連接；其中控制站用以讀取歷史數(shù)據(jù)庫，顯示觀測器工作過程狀態(tài)。
全文摘要
一種空分節(jié)能過程的非線性過程觀測系統(tǒng)，包括與空分塔直接連接的現(xiàn)場智能儀表和DCS系統(tǒng)，所述DCS系統(tǒng)包括存儲(chǔ)裝置和上位機(jī)。其中智能儀表、存儲(chǔ)裝置和上位機(jī)依次相連，所述的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)觀測器功能，預(yù)測空分塔上塔將來時(shí)刻的組分濃度分布。所述的觀測器包括檢測模塊，組分推斷模塊，組分分布函數(shù)擬合模塊，將來時(shí)刻空分塔狀態(tài)預(yù)測模塊。所述的檢測模塊包括溫度檢測元件和壓力檢測元件，I/O模塊。本發(fā)明也提供了一種空分節(jié)能過程的非線性動(dòng)態(tài)觀測方法。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101763081SQ20091015556
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者劉興高, 周葉翔 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)