[发明专利]空分塔非平衡级节能控制系统及方法

权利要求书

1.一种空分塔非平衡级节能控制系统，包括与空分塔连接的现场智能仪表、以及 控制站、数据库和上位机，现场智能仪表与控制站、数据库和上位机连接，其特 征在于：所述的上位机包括：

信号采集模块，用以采集当前生产工况数据；

节能控制模块，用以节能控制，采用以下过程来完成：

1)设定空分塔的结构参数和操作参数，指定进料空气流量初值；

2)假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；

3)对每一个塔板，分别计算液相传质通量：

Lj-1xi,j-1+FjLzi,jL-(Lj+SjL)xi,j+Ni,jL=0---(1)]]>

其中，L表示液相流量，F表示进料流量，S表示侧提流量，x表示液相组成， z表示进料组成，N表示传质通量，上标L表示液相，下标i＝1、2、3表示组分， 依次对应氮、氩、氧，下标j-1、j分别表示第j-1和第j块塔板；

4)对每一个塔板，分别计算汽相主体组成

Vj+1yi,j+1+FjGzi,jG-(Vj+SjG)yi,j-Ni,jL=0---(2)]]>

其中V表示汽相流量，y表示汽相组成，上标G表示汽相；

5)对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值；

6)对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数；

7)对每一个塔板，分别计算液相界面组成：

NiL=keff,iLa(xiI-xi)+xiNt,i=1,2---(3)]]>

Σi=13xiI=1---(4)]]>

其中，表示第i个组分液相有效传质系数，a表示传质面积，表示第i 个组分的液相界面组成，N_t表示总传质通量；

8)对每一个塔板，分别由泡点法计算塔板平衡温度和汽相界面组成；

9)判断下式(5)～(8)是否满足，如果满足则继续10)，如果不满足则更 新各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度，返回3)继续迭代：

Vj+1Hj+1G+Lj-1Hj-1L+FjGHjFG+FjLHjFL-(Vj+SjG)HjG-(Lj+SjL)HjL-Qj<ϵ---(5)]]>

Σi=13xi,j-1<ϵ---(6)]]>

Σi=13yi,j-1<ϵ---(7)]]>

keff,iGa(yi-yiI)+yiNt-Ni,jL<ϵ,i=1,2---(8)]]>

其中，H^FG、H^FL分别表示汽液相进料焓值，H^G和H^L分别是汽液相焓值， 下标j-1、j、j+1分别表示第j-1、j、j+1块板，ε是容差，是汽相有效传质系 数，Q表示塔板传出的热量；

10)判断产品氮气、氧气的纯度和产量是否满足当前生产工况要求，如果不 满足则结束迭代，前一步的空气进料流量即为最大空气进料量，输出结果；如果 满足则将空气进料流量增加一个迭代步长Δ，返回2)继续迭代；

泡点法模块，用以由泡点法计算其平衡温度和汽相界面组成，其过程如下：

8.1)假定塔板平衡温度；

8.2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成：

lnΦiL=lnRTP(vL-bL)-bibL(1-ZL)+ξLaL(bibL-2Σmxmai,maL)/bLRT---(9)]]>

lnΦiG=lnRTP(vG-bG)-bibG(1-ZG)+ξGaG(bibG-2Σmxmai,maG)/bGRT---(10)]]>

Ki=ΦiL/ΦiG---(11)]]>

y_i＝K_ix_i           (12)

其中，Φ表示逸度系数，上标L表示液相，上标G表示汽相，R是气体常数， T是温度，P是塔板压强，下标m＝1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，摩 尔体积v、物性参数b^G、b^L、b_i、a^G、a^L、a_i，m、ξ^G、ξ^L、汽相压缩因子Z^G、 液相压缩因子Z^L由物性模块计算；

8.3)检验是否成立，成立则结束迭代，返回计算结果，否 则，更新塔板平衡温度，返回8.2)继续迭代；

焓模块，用以计算汽液相主体的焓值，其过程如下：

Hi*=ci+diT+eiT2+fiT3+hiT4---(13)]]>

H*=ΣiyiHi*---(14)]]>

HG=H*-RT(1-ZG)-ξG(aG-TdaGdT)/bG---(15)]]>

HL=H*-RT(1-ZL)-ξL(aL-TdaLdT)/bL---(16)]]>

其中表示第i个纯组分理想气体的焓值，H^*是混合物理想气体焓值，c、d、 e、f、h为常数；

传质系数模块，用以计算汽液相有效传质系数，其过程如下：

keff,iGa=1-yiΣk=1,k≠i3(yk/ki,kGa)---(47)]]>

keff,iLa=1-xiΣk=1,k≠i3(xk/ki,kLa)---(48)]]>

ki,kGa=5.85(uhdbρmGηmG)-14(ηmGρmGDi,kG)-12(Fa2dbgφ2ρmL)0.17(howdb)0.15(db2gρmLσm)0.1V---(49)]]>

ki,kLa=1.97×104Di,kL0.5(0.4Fa+0.17)tLL---(50)]]>

其中，和分别是汽液相传质系数，u_h是筛孔气速，d_b是孔径，是汽相 密度，是汽相粘度，是汽相二元交互系数，F_a是动能因子，g是重力加速 度，是液相密度，φ是开孔率，σ_m是混合液体的表面张力，h_OW是板上清液层 高，是液相二元交互系数，t_L是停留时间；

物性模块，用以计算物性参数，其过程如下：

ai,m=Ωai,mR2Tci,m2/Pci,m---(17)]]>

b_i＝Ω_bRT_ci/P_cia              (18)

Tci,m=TciTcj(1-ki,m)---(19)]]>

Vci,m=0.125(Vci,m1/3+Vci,m1/3)3---(20)]]>

Z_ci，m＝0.5(Z_ci+Z_cm)          (21)

P_ci，m＝RT_ci，mZ_ci，m/V_ci，m  (22)

Ω_ai，m＝0.5(Ω_ai+Ω_am)       (23)

对汽相：

aG=ΣiΣmyiymai,m---(24)]]>

bG=Σiyibi---(25)]]>

令

A^G＝a^GP/R²T²                  (26)

B^G＝b^GP/RT                    (27)

α^G＝2B^G-1                    (28)

βG=AG-3BG-5BG2---(29)]]>

γG=2(BG3+BG2)-AGBG---(30)]]>

取初值为1-0.6P_r，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子Z^G

ZG3+αGZG2+βZG+γG=0---(31)]]>

则，

v^G＝RT/PZ^G                    (32)

ξG=0.242536lnvG+3.561553bGvG-0.561553bG---(33)]]>

对液相：

aL=ΣiΣmxixmai,m---(34)]]>

bL=Σixibi---(35)]]>

令

A^L＝a^LP/R²T²                  (36)

B^L＝b^LP/RT                    (37)

α^L＝2B^L-1                    (38)

βL=AL-3BL-5BL2---(39)]]>

γL=2(BL3+BL2)-ALBL---(40)]]>

取初值为P_r(0.106+0.078P_r)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子Z^L

ZL3+αLZL2+βZL+γL=0---(41)]]>

则，

v^L＝RT/PZ^L                  (42)

ξL=0.242536lnvL+3.561553bLvL-0.561553bL---(43)]]>

Ω_ai＝C_i-D_iτ+E_iτ²-W_iτ³   (44)

Ω_b＝0.070721               (45)

τ＝0.01T                   (46)

其中，A、B、α、β、γ、τ是中间变量，C、D、E、W是常数，T_c、P_c、 V_c、Z_c分别是临界温度、压力、体积和压缩因子，P_r是对比压力，R是气体常数，k_i，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，K_i，m是常数，下标c表示临界点的性 质，下标r表示对比态，下标i，m表示第i组分和第m组分的二元混合物，Ω_a、Ω_b是中间变量。

2.一种用如权利要求1所述的空分塔非平衡级节能控制系统实现的节能控制方 法，其特征在于：所述的节能控制方法包括以下步骤：

1)设定空分塔的结构参数，采集空分塔的生产工况数据，采集当前进料空气 流量作为初值；

2)假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；

3)对每一个塔板，分别计算液相传质通量：

Lj-1xi,j-1+FjLzi,jL-(Lj+SjL)xi,j+Ni,jL=0---(1)]]>

其中，L表示液相流量，F表示进料流量，S表示侧提流量，x表示液相组成， z表示进料组成，N表示传质通量，上标L表示液相，下标i＝1、2、3表示组分， 依次对应氮、氩、氧，下标j-1、j分别表示第j-1和第j块塔板；

4)对每一个塔板，分别计算汽相主体组成

Vj+1yi,j+1+FjGzi,jG-(Vj+SjG)yi,j-Ni,jL=0---(2)]]>

其中V表示汽相流量，y表示汽相组成，上标G表示汽相；

5)对每一个塔板，分别计算其汽液相主体的焓值，过程如下：

Hi*=ci+diT+eiT2+fiT3+hiT4---(13)]]>

H*=ΣiyiHi*---(14)]]>

HG=H*-RT(1-ZG)-ξG(aG-TdaGdT)/bG---(15)]]>

HL=H*-RT(1-ZL)-ξL(aL-TdaLdT)/bL---(16)]]>

其中表示第i个纯组分理想气体的焓值，H^*是混合物理想气体焓值，c、 d、e、f、h为常数；

6)对每一个塔板，分别计算汽液相有效传质系数，过程如下：

keff,iGa=1-yiΣk=1,k≠i3(yk/ki,kGa)---(47)]]>

keff,iLa=1-xiΣk=1,k≠i3(xk/ki,kLa)---(48)]]>

ki,kGa=5.85(uhdbρmGηmG)-14(ηmGρmGDi,kG)-12(Fa2dbgφ2ρmL)0.17(howdb)0.15(db2gρmLσm)0.1V---(49)]]>

ki,kLa=1.97×104Di,kL0.5(0.4Fa+0.17)tLL---(50)]]>

其中，和分别是汽液相传质系数，u_h是筛孔气速，d_b是孔径，是 汽相密度，是汽相粘度，是汽相二元交互系数，F_a是动能因子，g是重力 加速度，是液相密度，φ是开孔率，σ_m是混合液体的表面张力，h_OW是板上清 液层高，是液相二元交互系数，t_L是停留时间；

7)对每一个塔板，分别计算液相界面组成：

NiL=keff,iLa(xiI-xi)+xiNt,i=1,2---(3)]]>

Σi=13xiI=1---(4)]]>

其中，表示第i个组分的液相界面组成，N_t表示总传质通量；

8)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相界面组成，采用以下 过程完成：

8.1)假定塔板平衡温度；

8.2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成：

lnΦiL=lnRTP(vL-bL)-bibL(1-ZL)+ξLaL(bibL-2Σmxmai,maL)/bLRT---(9)]]>

lnΦiG=lnRTP(vG-bG)-bibG(1-ZG)+ξGaG(bibG-2Σmxmai,maG)/bGRT---(10)]]>

Ki=ΦiL/ΦiG---(11)]]>

y_i＝K_ix_i             (12)

其中，Φ表示逸度系数，上标L表示液相，上标G表示汽相，R是气体常数， T是温度，P是塔板压强，下标m＝1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，摩 尔体积v、物性参数b^G、b^L、b_i、a^G、a^L、a_i，m、ξ^G、ξ^L、汽相压缩因子Z^G、 液相压缩因子Z^L由物性参数计算方法计算；所述的物性参数计算方法包括如下步 骤：

ai,m=Ωai,mR2Tci,m2/Pci,m---(17)]]>

b_i＝Ω_bRT_ci/P_cia        (18)

Tci,m=TciTcj(1-ki,m)---(19)]]>

Vci,m=0.125(Vci,m1/3+Vci,m1/3)3---(20)]]>

Z_ci，m＝0.5(Z_ci+Z_cm)               (21)

P_ci，m＝RT_ci，mZ_ci，m/V_ci，m       (22)

Ω_ai，m＝0.5(Ω_ai+Ω_am)            (23)

对汽相：

aG=ΣiΣmyiymai,m---(24)]]>

bG=Σiyibi---(25)]]>

令

A^G＝a^GP/R²T²                       (26)

B^G＝b^GP/RT                         (27)

α^G＝2B^G-1                         (28)

βG=AG-3BG-5BG2---(29)]]>

γG=2(BG3+BG2)-AGBG---(30)]]>

取初值为1-0.6P_r，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子Z^G

ZG3+αGZG2+βZG+γG=0---(31)]]>

则，

v^G＝RT/PZ^G                         (32)

ξG=0.242536lnvG+3.561553bGvG-0.561553bG---(33)]]>

对液相：

aL=ΣiΣmxixmai,m---(34)]]>

bL=Σixibi---(35)]]>

令

A^L＝a^LP/R²T²                       (36)

B^L＝b^LP/RT                         (37)

α^L＝2B^L-1                         (38)

βL=AL-3BL-5BL2---(39)]]>

γL=2(BL3+BL2)-ALBL---(40)]]>

取初值为P_r(0.106+0.078P_r)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子Z^L

ZL3+αLZL2+βZL+γL=0---(41)]]>

则，

v^L＝RT/PZ^L                         (42)

ξL=0.242536lnvL+3.561553bLvL-0.561553bL---(43)]]>

Ω_ai＝C_i-D_iτ+E_iτ²-W_iτ³          (44)

Ω_b＝0.070721                      (45)

τ＝0.01T                          (46)

其中，A、B、α、β、γ、τ是中间变量，C、D、E、W是常数，T_c、P_c、 V_c、Z_c分别是临界温度、压力、体积和压缩因子，P_r是对比压力，R是气体常数，k_i，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，k_i，m是常数，下标c表示临界点的性 质，下标r表示对比态，下标i，m表示第i组分和第m组分的二元混合物，Ω_a、Ω_b是中间变量；

8.3)检验是否成立，成立则结束迭代，返回计算结果，否 则，更新塔板平衡温度，返回8.2)继续迭代；

9)判断下式是否满足，如果满足则继续步骤10)，如果不满足则更新各塔板 液相主体组成、汽液相流量、塔板温度，返回步骤3)继续迭代：

Vj+1Hj+1G+Lj-1Hj-1L+FjGHjFG+FjLHjFL-(Vj+SjG)HjG-(Lj+SjL)HjL-Qj<ϵ---(5)]]>

Σi=13xi,j-1<ϵ---(6)]]>

Σi=13yi,j-1<ϵ---(7)]]>

keff,iGa(yi-yiI)+yiNt-Ni,jL<ϵ,i=1,2---(8)]]>

其中，H^FG、H^FL分别表示汽液相进料焓值，H^G和H^L分别是汽液相焓值， 下标j-1、j、j+1分别表示第j-1、j、j+1块板，ε是容差，是汽相有效传质系 数，Q表示塔板传出的热量；

10)判断产品氮气、氧气的纯度和产量是否满足当前生产工况要求，如果不 满足则结束迭代，前一步的空气进料流量即为最大空气进料量，输出结果；同时 上位机将节能控制结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将节能控制结果传 递到现场操作站进行显示，如果满足则将空气进料流量增加一个迭代步长Δ，返 回步骤2)继续迭代。