空分塔平衡级节能控制系统及方法技术方案

一种空分塔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，上位机包括信号采集模块，节能控制模块，过程：设定塔的结构参数和操作参数，指定进料空气流量初值；假定各塔板液相组成；对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成、汽液相的焓值；由式（１）（２）计算各塔板的汽液相流量；判断下式（３）是否成立，如果成立，则继续，否则，更新各塔板液相组成；判断产品氮气、氧气的纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，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。以及提出了一种空分塔平衡级节能控制方法。本发明专利技术在当前生产工况条件下使得空分塔单位能耗最小、并提高节能性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及空分领域，特别地，涉及一种。
技术介绍
氧气、氮气和氩气在一个国家国民经济中的应用十分广泛。空气中含有约78. 12% 的氮、20. 95%的氧、0. 93%的氩(体积含量)和少量的二氧化碳、氖、氦、氢、氛、水蒸气(根 据空气的湿度)等，是制取氧、氮、氩等产品的原料气。低温空气分离法(cryogenic air s印aration)是利用空气中氧、氮、氩等组分沸点(挥发度)的不同，使用精馏的方法分离低 温液态空气而得到高纯度的氧、氮、氩产品。 能源危机的加深，强烈地促进了许多领域能源的有效利用。在能耗很大的空气分 离工业中，能源成本占了空气产品价格的75%。于是出现这样的情况，一方面，由于现代工 业的发展，一些大型工业项目如钢铁工业、化学工业、石油开采等都需要由大型空分装置提 供空气制品，需求量也越来越大。另一方面，能耗成本也随着能源危机，变得越来越大。因 此在这样的形势下，提高空气分离技术的能量效率显得刻不容缓。 过程在线优化是指综合应用过程建模技术、优化技术、先进控制技术以及计算机 技术，在满足生产安全要求以及产品质量约束等条件下，不断计算并改变过程的操作条件， 使得生产过程始终运行在最优状态。研究表明，在线优化所带来的经济效益，相当于DCS 和各种先进控制手段所带来的经济效益的总和，其投资却只有先进控制的三分之一。可见 在线优化的成功实施是企业获取最小经济效益的必要保证。空分塔平衡级节能控制是指基 于空分塔平衡级模型，在满足产品纯度要求的前提下，不断计算并改变空分塔的进料流量， 使得空分过程始终运行在产量最大即单位能耗最小的状态。专利
技术实现思路
为了克服现有的空分工业过程的单位能耗较大、节能性较差的不足，本专利技术提供 一种在当前生产工况条件下使得空分塔单位能耗最小、并提高节能性的空分塔平衡级节能 控制系统及方法。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是 —种空分塔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，智能仪表与控制站、数据库、上位机连接，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)假定各塔板液相组成； 3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成； 4)对每一个塔板，分别计算汽液相的焓值； 5)由式(1) (2)计算各塔板的汽液相流量 (40)(41)是中间变量，C、 D、 e、 W是常数，T。、 P。、 V。、 Z。分别是临界2) 假定各塔板液相组成；3) 对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；4) 对每一个塔板，计算其汽液相的焓值；5) 联立式(1) (2)计算各塔板的汽液相流量^^+^/^+巧《-fc+5f)巧—(q-《)巧-Q =0 (1 )+if +《-(K = 0 (2)其中，V表示汽相流量，u表示液相流量，F表示进料流量，HF表示进料焓值，S表示 ，和HL分别是汽液相焓值，下标j_l、 j、 j+1分别表示第j_l、 j、 j+1块板，上标 L表示液相，上标G表示汽相，Q表示塔板传出的热量； 6)判断式(3)是否成立，如果成立，则继续步骤7)，否则，更新液相组成，返回步骤 3)迭代; ,+《-化《)~ -《)、<0扁1 (3 ) 其中，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，下标i = 1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧； 7)判断产品氮气、氧气的纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果， 侧提流前一步的进料空气流量即为最大空气进料〗 长A，返回步骤2)继续迭代。:，如果满足则将空气进料流量增加一个迭代步CN 10776899 A说明书5/13页(19)(20)令AG = aGP/R2T2 (21)BG = bGP/RT (22)a c = 2BG-1 (23)(24)(25)取初值为1-0. 6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压縮因子f(26)则，vG = RT/PZG (27),g …w, vG+3.561553Z)G 《G =0.242536 In -^ vG-0.5615536G(28)对液相a丄=ZI]X ,,m(29)(30)令AL = aLP/R2T2 (31)BL = bLP/RT (32)a l = 2BL-1 (33)〃i = j丄—35'一55丄2(34)(35)取初值为Pr(O. 106+0. 078Pr)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压縮因子十a丄Z丄2/ =0(36)则，vL = RT/PZL (37) …，，'一+3.561553W p =0.2425361n~7-r v丄-0.5615536丄(38)(39)(40)(41) 0.070721t = 0. 01T其中，A、B、 a 、 |3 、 y、 t是中间变量，C、D、E、W是常数，Tc、Pc、Vc、Z。分别是临界温度、压力、体积和压縮因子，^是对比压力，R是气体常数，ku表示第i组分和第m组分的二元交互系数，km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，Qa、 Qb是中间变量。 进一步，在所述的步骤7)中，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。 本专利技术的有益效果主要表现在对空分塔进行平衡级节能控制，可以用于指导生产，在满足当前生产工况要求的前提下提高产量，降低单位产品能耗，从而提高生产效益。附图说明 图1是本专利技术所提出的平衡级节能控制系统的硬件结构图。 图2是本专利技术所述空分塔结构示意图。 图3是本专利技术上位机的功能模块图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。 实施例1 参照图1、图2、图3， 一种空分塔平衡级节能控制系统，包括空分塔1连接的现场智能仪表2、数据接口 3、控制站4、数据库5以及上位机6，智能仪表2与现场总线连接、所述现场总线与数据接口 3连接，所述数据接口 3与控制站4、数据库5和上位机6连接，所述的上位机6包括 信号采集模块7，用以采集当前生产工况数据； 节能控制模块8，用以采用以下过程来完成 1)设定塔的结构参数和操作参数，指定进料空气流量初值； 2)假定各塔板液相组成； 3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成； 4)对每一个塔板，分别计算汽液相的焓值； 5)由式(1) (2)计算各塔板的汽液相流量 ^《,+巧《—化+《)《—& —Q =0 ( 1 ) ^+,!+if=0 (2) 其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示进料流量，HF表示进料烚值，S表示侧提流量，tf和#分别是汽液相焓值，下标j-l、 j、 j+l分别表示第j-l、 j、 j+l块板，上标L表示液相，上标G表示汽相，Q表示塔板传出的热量； 6)判断下式(3)是否成立，如果成立，则继续7)，否则，更新各塔板液相组成，返回3)迭代; CJ+1 +^、4 +巧、-化+Sf )i -<0.0001 ( 3 ) 其中，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，下标i = 1、2、3表示组分，依次对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空分塔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，智能仪表与控制站、数据库、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）假定各塔板液相组成；３）对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；４）对每一个塔板，分别计算汽液相的焓值；５）由式（１）（２）计算各塔板的汽液相流量：Ｖ↓［ｊ＋１］Ｈ↓［ｊ＋１］↑［Ｇ］＋Ｕ↓［ｊ－１］Ｈ↓［ｊ－１］↑［Ｌ］＋Ｆ↓［ｊ］Ｈ↓［ｊ］↑［Ｆ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）Ｈ↓［ｊ］↑［Ｇ］－（Ｕ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）Ｈ↓［ｊ］↑［Ｌ］－Ｑ↓［ｊ］＝０（１）Ｖ↓［ｊ＋１］＋Ｕ↓［ｊ－１］＋Ｆ↓［ｊ］↑［Ｇ］＋Ｆ↓［ｊ］↑［Ｌ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）－（Ｕ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）＝０（２）其中，Ｖ表示汽相流量，Ｕ表示液相流量，Ｆ表示进料流量，Ｈ↑［Ｆ］表示进料焓值，Ｓ表示侧提流量，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，上标Ｌ表示液相，上标Ｇ表示汽相，Ｑ表示塔板传出的热量；６）判断下式（３）是否成立，如果成立，则继续７），否则，更新各塔板液相组成，返回３）迭代；Ｖ↓［ｊ＋１］ｙ↓［ｉ，ｊ＋１］＋Ｕ↓［ｊ－１］ｘ↓［ｉ，ｊ－１］＋Ｆ↓［ｊ］ｚ↓［ｉ，ｊ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）ｙ↓［ｉ，ｊ］－（Ｕ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）ｘ↓［ｉ，ｊ］＜０．０００１（３）其中，ｘ是液相组成，ｙ是汽相组成，ｚ是进料组成，下标ｉ＝１、２、３表示组分，依次对应氮、氩、氧；７）判断产品氮气、氧气的纯度是否满足约束，如果不满足则结束迭代，输出结果，前一步的进料空气流量即为最大空气进料量，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。...

【技术特征摘要】
一种空分塔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，智能仪表与控制站、数据库、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)假定各塔板液相组成；3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；4)对每一个塔板，分别计算汽液相的焓值；5)由式(1)(2)计算各塔板的汽液相流量 <mrow><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><msubsup> <mi>H</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>G</mi></msubsup><mo>+</mo><msub> <mi>U</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><msubsup> <mi>H</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>L</mi></msubsup><mo>+</mo><msub> <mi>F</mi> <mi>j</mi></msub><msubsup> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>F</mi></msubsup><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>V</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup><mi>S</mi><mi>j</mi><mi>G</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><msubsup> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>G</mi></msubsup><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>U</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup><mi>S</mi><mi>j</mi><mi>L</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><msubsup> <mi>H</mi> <mi>j</mi> <mi>L</mi></msubsup><mo>-</mo><msub> <mi>Q</mi> <mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>U</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msubsup> <mi>F</mi> <mi>j</mi> <mi>G</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup> <mi>F</mi> <mi>j</mi> <mi>L</mi></msubsup><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>V</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup><mi>S</mi><mi>j</mi><mi>G</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>U</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup><mi>S</mi><mi>j</mi><mi>L</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示进料流量，HF表示进料焓值，S表示侧提流量，HG和HL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，上标L表示液相，上标G表示汽相，Q表示塔板传出的热量；6)判断下式(3)是否成立，如果成立，则继续7)，否则，更新各塔板液相组成，返回3)迭代； <mrow><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>U</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>x</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>-</mo&...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴高，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]