空分塔非平衡级节能控制系统及方法技术方案

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，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；假定各塔板液相主体组成、汽液相流量、塔板温度；计算液相传质通量、汽相主体组成、汽液相主体的焓值、汽液相有效传质系数、液相界面组成、平衡温度和汽相界面组成；如满足判断条件则继续，否则更新各塔板参数；如纯度和产量不满足当前生产工况要求则结束迭代，输出结果，否则将空气进料流量增加一个迭代步长。以及提出了一种空分塔非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、氮气和氩气的应用十分广泛。氧气可用于钢铁制造、化工工艺、金属加工、玻璃制造、石油回收和精炼、造纸、保健服务、航天国防等。氮气在冶金工业、石油回收和精炼、金属生产和加工、电子工业、化学工业中广泛地用于保护气体。氩气在飞机制造、造船、原子能工业和机械工业部门用作保护气，同时在电子、照明行业也有非常重要的应用。低温空气分离法是利用空气中氧、氮、氩等组分沸点的不同，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。它是当前国内外空气分离行业应用最为广泛的方法。在空气分离工业中，能源成本占了空气产品价格的75％。因此在能源危机不断加深的形势下，提高空气分离技术的能量效率具有重要的社会和经济意义。 非平衡级模型，又称速率模型，是建立在传质和传热速率方程上的多元分离过程模型。非平衡级模型抛弃了平衡级假设，而保留了全混级假设，不需要进行效率计算，按实际塔板计算，可以得到更加精确的组分、效率和温度等分布。空分塔非平衡级节能控制是指基于空分塔非平衡级模型，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。
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非平衡级节能控制空分塔单位能耗最小，并提高节能性的。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是 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，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 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 其中V表示汽相流量，y表示汽相组成，上标G表示汽相(并对公式2做了修订，请核对)； 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 其中，keff，iL表示第i个组分液相有效传质系数，a表示传质面积，xiI表示第i个组分的液相界面组成，Nt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； 9)判断下式(5)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 其中，HFG、HFL分别表示汽液相进料焓值，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，ε是容差，keff，iG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，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。 作为优选的一种方案所述上位机还包括泡点法模块，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 yi＝Kixi(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bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相压缩因子ZG、液相压缩因子ZL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。 作为优选的另一种方案所述上位机还包括焓模块，用以计算汽液相混合焓，其过程如下 其中Hi*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。 作为优选的再一种方案所述上位机还包括物性模块，用以计算物性参数，其过程如下 bi＝ΩbRTci/Pcia(18) Zci，m＝0.5(Zci+Zcm)(21) Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m(22) Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam) (23) 对汽相 令 AG＝aGP/R2T2(26) BG＝bGP/RT (27) αG＝2BG-1 (28) 取初值为1-0.6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子ZG 则， vG＝RT/PZG (32) 对液相 令 AL＝aLP/R2T2(36) BL＝bLP/RT (37) αL＝2BL-1 (38) 取初值为Pr(0.106+0.078Pr)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子ZL 则， vL＝RT/PZL (42) Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3(44) Ωb＝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，Tc、Pc、Vc、Zc分别是临界温度、压力、体积和压缩因子，Pr是对比压力，R是气体常数，ki，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，ki，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，Ωa、Ωb是中间变量。 作为优选的再另一种方案所述上位机还包括传质系数模块，用以计算汽液相有效传质系数，其过程如下 其中，ki，kG和ki，kL分别是汽液相传质系数，uh是筛孔气速，db是孔径，ρmG是汽相密度，ηmG是汽相粘度，Di，kG是汽相二元交互系数，Fa是动能因子，g是重力加速度，ρmL是液相密度，φ是开孔率，σm是混合液体的表面张力，hOW是板上清液层高，Di，kL是液相二元交互系数，tL是停留时间。 进一步，所述的上位机还包括结果显示模块，用于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。 一种空分塔非平衡级节能控制方法，所述的节能控制方法包括以下步骤 1)设定塔的结构参数，采集塔的生产工况数据，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 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＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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：Ｌ↓［ｊ－１］ｘ↓［ｉ，ｊ－１］＋Ｆ↓［ｊ］↑［Ｌ］ｚ↓［ｉ，ｊ］↑［Ｌ］－（Ｌ↓［ｊ］满足则结束迭代，前一步的进料空气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。＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）ｘ↓［ｉ，ｊ］＋Ｎ↓［ｉ，ｊ］↑［Ｌ］＝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Ｖ↓［ｊ＋１］ｙ↓［ｉ，ｊ＋１］＋Ｆ↓［ｊ］↑［Ｇ］ｚ↓［ｉ，ｊ］↑［Ｇ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）ｙ↓［ｉ，ｊ］－Ｎ↓［ｉ，ｊ］↑［Ｌ］＝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：Ｎ↓［ｉ］↑［Ｌ］＝ｋ↓［ｅｆｆ，ｉ］↑［Ｌ］ａ（ｘ↓［ｉ］↑［Ｉ］－ｘ↓［ｉ］）＋ｘ↓［ｉ］Ｎ↓［ｔ］ｉ＝１，２（３）＊ｘ↓［ｉ］↑［Ｉ］＝１（４）其中，ｋ↓［ｅｆｆ，ｉ］↑［Ｌ］表示第ｉ个组分液相有效传质系数，ａ表示传质面积，ｘ↓［ｉ］↑［Ｉ］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；９）判断下式（５）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：Ｖ↓［ｊ＋１］Ｈ↓［ｊ＋１］↑［Ｇ］＋Ｌ↓［ｊ－１］Ｈ↓［ｊ－１］↑［Ｌ］＋Ｆ↓［ｊ］↑［Ｇ］Ｈ↓［ｊ］↑［ＦＧ］＋Ｆ↓［ｊ］↑［Ｌ］Ｈ↓［ｊ］↑［ＦＬ］－（Ｖ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｇ］）Ｈ↓［ｊ］↑［Ｇ］－（Ｌ↓［ｊ］＋Ｓ↓［ｊ］↑［Ｌ］）Ｈ↓［ｊ］↑［Ｌ］－Ｑ↓［ｊ］＜ε（５）＊ｘ...

【技术特征摘要】
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，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其中，keff，iL表示第i个组分液相有效传质系数，a表示传质面积，xiI表示第i个组分的液相界面组成，Nt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；9)判断下式(5)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)继续迭代其中，HFG、HFL分别表示汽液相进料焓值，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，ε是容差，keff，iG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，前一步的进料空气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。2.如权利要求1所述的空分塔非平衡级节能控制系统，其特征在于所述上位机还包括泡点法模块，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yi＝Kixi(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bG、bL、bi、aG、aL、ai，m、ξG、ξL、汽相压缩因子ZG、液相压缩因子ZL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。3.如权利要求1或2所述的空分塔非平衡级节能控制系统，其特征在于所述上位机还包括焓模块，用以计算汽液相混合焓，其过程如下其中Hi*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。4.如权利要求2所述的空分塔非平衡级节能控制系统，其特征在于所述上位机还包括物性模块，用以计算物性参数，其过程如下bi＝ΩbRTci/Pcia (18)Zci，m＝0.5(Zci+Zcm) (21)Pci，m＝RTci，mZci，m/Vci，m (22)Ωai，m＝0.5(Ωai+Ωam)(23)对汽相令AG＝aGP/R2T2 (26)BG＝bGP/RT (27)αG＝2BG-1 (28)取初值为1-0.6Pr，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子ZG则，vG＝RT/PZG (32)对液相令AL＝aLP/R2T2 (36)BL＝bLP/RT (37)αL＝2BL-1 (38)取初值为Pr(0.106+0.078Pr)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子ZL则，vL＝RT/PZL (42)Ωai＝Ci-Diτ+Eiτ2-Wiτ3 (44)Ωb＝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，Tc、Pc、Vc、Zc分别是临界温度、压力、体积和压缩因子，Pr是对比压力，R是气体常数，ki，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，ki，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，Ωa、Ωb是中间变量。5.如权利要求1或2所述的空分塔非平衡级节能控制系统，其特征在于所述上位机还包括传质系数模块，用以计算汽液相有效传质系数，其过程如下其中，ki，kG和ki，kL分别是汽液相传质系数，uh是筛孔气速，db是孔径，ρmG是汽相密度，ηmG是汽相粘度，Di，kG是汽相二元交互系数，Fa是动能因子，g是重力加速度，ρmL是液相密度，φ是开孔率...

【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]