[发明专利]一种空分节能过程的非线性过程观测系统及方法

权利要求书

1.一种空分节能过程的非线性过程观测系统，包括与空分塔直接连接 的现场智能仪表和DCS系统，所述DCS系统包括存储装置和上位机， 智能仪表与存储装置、上位机连接，其特征在于：所述上位机包括用 以预测空分塔将来时刻的组分浓度分布的观测器，所述的观测器包括： 检测模块，包括温度检测元件、压力检测元件和I/O模块，用于检测 空分塔上塔各块塔板处的温度和上塔压强，并进行电信号转换，将检 测信号输送到上位机；

组分推断模块，用以根据采用检测到的温度，压强数据计算空分塔上 塔的各塔板处的组分浓度，计算式为(1)(2)如下：

Xi,N=P×αN×10(Ti+cNbN-aN)-1αN-1---(1)]]>

Xi,O=P×αO×10(Ti+cObO-aO)-1αO-1---(2)]]>

其中X_i，N为空分塔第i块塔板处氮的液相组分浓度，X_i，O为空分塔 中第i块塔板处氧的液相组分浓度，P为上塔压强，T_i为上塔各块塔 板处的温度，α_N，α_O分别为氮和氧相对于氩的相对挥发度，a_N、b_N、c_N、 a_O、b_O、c_O为安东尼常数；

组分分布函数拟合模块，用以采用组分推断模块计算出的组分浓度数 据，拟合氮的汽相组分浓度分布函数和氧的液相组分浓度分布函数如 式(3)(4)

X^i,N=Xmin,N+Xmax,N-Xmin,N1+e-kN(i-SN)---(3)]]>

X^i,O=Xmin,O+Xmax,O-Xmin,O1+e-kO(i-SO)---(4)]]>

其中i为塔板编号，分别为第i块塔板处氮的预估液相浓度 和氧的预估液相浓度，X_min，N，X_max，N，k_N，X_min，0，X_max，0，k₀为拟合参数，S_N， S₀为空分塔组分浓度分布曲线的位置；

将来时刻空分塔状态预测模块，用以根据当前组分浓度数据以及组分 分布函数预测将来时刻的组分浓度分布，该模块包括以下三部分

①当前时刻组分浓度分布曲线位置变化速度计算，计算过程如式(5) (6)(7)(8)：

y1,N(k)=αNx1,N(k)(αN-1)x1,N(k)+1---(5)]]>

y1,O(k)=αOx1,O(k)(αO-1)x1,O(k)+1---(6)]]>

dSNdt(k)=-V1(k)y1,N(k)-Ln(k)xn,N(k)+Σi=1nFi(k)xfi,N(k)M(xn,N(k)-x1,N(k))---(7)]]>

dSOdt(k)=-V1(k)y1,O(k)-Ln(k)xn,O(k)+Σi=1nFi(k)xfi,O(k)M(xn,O(k)-x1,O(k))---(8)]]>

其中k为当前采样时刻，下角标i为塔板编号，1为塔顶编号，n为 塔底的编号，下角标N、O分别代表氮和氧，上角标f代表进料，F_i(k) 为第i块塔板进料流量，L_n(k)塔底液相流率，V₁(k)分别为塔顶气相流 率，x_n，N(k)、x_n，O(k)分别为塔底液氮液氧的组分浓度，y_1，N(k)、y_1，O(k)分 别为塔顶气氮气氧组分浓度，分别为第i块塔板的进 料液氮组分浓度和进料液氧组分浓度，M为塔板持液量，分别为液氮组分浓度分布和液氧组分浓度分布位置变化速度；

②下一时刻波形位置计算以及组分浓度预测，计算过程如式(9)(10) (11)(12)

SN(k+1)=SN(k)+dSNdt(k)*T---(9)]]>

SO(k+1)=SO(k)+dSOdt(k)*T---(10)]]>

X^i,N(k+1)=Xmin,N+Xmax,N-Xmin,N1+e-kN(i-SN(k+1))---(11)]]>

X^i,O(k+1)=Xmin,O+Xmax,O-Xmin,O1+e-kO(i-SO(k+1))---(12)]]>

其中T为采样周期，S_N(k)，S_O(k)分别为k采样时刻液氮，液氧组分浓度 分布位置，S_N(k+1)S_O(k+1)分别为k+1采样时刻液氮，液氧组分浓度 分布位置，分别为k+1采样时刻第i块塔板液氮，液 氧组分浓度的预估值；

③组分浓度预测值修正，计算过程如式(13)(14)(15)(16)

ri,N(k)=Xi,N(k)-X^i,N(k)---(13)]]>

ri,O(k)=Xi,O(k)-X^i,O(k)---(14)]]>

X~i,N(k+1)=X^i,N(k+1)+ri,N(k)---(15)]]>

X~i,O(k+1)=X^i,O(k+1)+ri,O(k)---(16)]]>

其中r_i，N(k)，r_i，O(k)分别为k采样时刻的预测误差，分 别为修正后的k+1采样时刻液氮和液氧的组分浓度预测值，分别为k采样时刻液氮和液氧的组分浓度预测值。