[發(fā)明專利]一種基于濃度曲線特性的內(nèi)部熱耦合空分塔控制裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711117067.3
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107885080B
• 公開（公告）日: 2019-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉興高;王之宇
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 33200 杭州求是專利事務(wù)所有限公司
• 代理人: 邱啟旺<國際申請>=<國際公布>=<進入

1.一種基于濃度曲線特性的內(nèi)部熱耦合空分塔控制裝置，其特征在于，包括與內(nèi)部熱耦合空分塔直接連接的智能儀表、控制器和DCS系統(tǒng)；所述DCS系統(tǒng)包括上位機、控制站、存儲裝置、現(xiàn)場總線和數(shù)據(jù)接口，存儲裝置、控制站及上位機通過現(xiàn)場總線與數(shù)據(jù)接口相連接；所述智能儀表通過溫度檢測元件、壓力檢測元件、流量檢測元件測量相關(guān)參數(shù)，并與數(shù)據(jù)接口連接；所述上位機用以實現(xiàn)控制參數(shù)的求解，包括濃度曲線描述模塊、設(shè)定值轉(zhuǎn)換模塊、控制參數(shù)求解模塊，并將求解的控制參數(shù)通過現(xiàn)場總線傳遞給控制站；所述控制站根據(jù)得到的控制參數(shù)通過與現(xiàn)場總線相連的數(shù)據(jù)接口，對控制器進行調(diào)整；所述控制器實現(xiàn)對內(nèi)部熱耦合空分塔的直接控制調(diào)整；所述上位機包括：

1)濃度曲線描述模塊，通過智能儀表中的溫度檢測元件采集溫度信息以及壓力檢測元件采集壓強數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口進行電信號轉(zhuǎn)換，并通過現(xiàn)場總線將檢測信號輸送到所述濃度曲線描述模塊，用以推斷出各塔板濃度分布曲線的靜態(tài)描述函數(shù)如下：

其中，為t采樣時刻第j塊塔板的液相i組分預(yù)測濃度，S_i,h(t)、S_i,l(t)分別為t采樣時刻內(nèi)部熱耦合空分塔高壓塔、低壓塔濃度曲線的表征位置，X_{i,h_min}表示高壓塔i組分濃度曲線的最小濃度值，X_{i,h_max}表示高壓塔i組分濃度曲線的最大濃度值，γ_i,h表示高壓塔i組分濃度曲線表征位置處的斜率，X_{i,l_min}表示低壓塔i組分濃度曲線的最小濃度值，X_{i,l_max}表示低壓塔i組分濃度曲線的最大濃度值，γ_i,l表示低壓塔i組分濃度曲線表征位置處的斜率，N為總塔板數(shù)；

2)設(shè)定值轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)濃度曲線描述模塊所獲得的濃度曲線參數(shù)，將濃度設(shè)定值轉(zhuǎn)換為表征位置設(shè)定值，轉(zhuǎn)換公式如下：

其中，分別為塔頂?shù)钠嗟M分濃度的設(shè)定值和塔底的液相氧組分濃度的設(shè)定值，分別為高壓塔和低壓塔濃度曲線表征位置的設(shè)定值，k_i,j為第j塊塔板i組分的氣液平衡系數(shù)，可以由Peng-Robinson狀態(tài)方程計算而來，最終的計算公式如下：

其中每層塔板上的氣液兩相的逸度系數(shù)均可以由下式計算：

混合物a和b的混合規(guī)則為：

其中P是壓強，T是溫度，v是摩爾體積，R是氣體常數(shù)，取8.3145，x_i為混合物中i組分的濃度，為i₁組分的濃度，為i₂組分濃度，a_i是i組分的引力參數(shù)，是i₁和i₂兩種組分間的引力參數(shù)，a是所有組分分子間引力參數(shù)的加權(quán)和，b_i是i組分的范德華體積，b為所有組分范德華體積的加權(quán)和，A為由(9)式定義的系數(shù)，B為由(10)式定義的系數(shù)，Z為壓縮因子；

3)控制參數(shù)求解模塊，用以通過濃度曲線描述模塊和設(shè)定值轉(zhuǎn)換模塊得到的當(dāng)前時刻信息求取下一時刻的控制參數(shù)，采用如下代數(shù)方程組可求得控制參數(shù)：

y_i,j(t)＝k_i,jx_i,j(t) (14)

Q_j(t)＝U_ovAΔT_j(t) (15)

其中，y_i,j(t)為t采樣時刻第j塊塔板的氣相i組分濃度，x_i,j(t)為t采樣時刻第j塊塔板的液相i組分濃度，z_i,j(t)為t采樣時刻第j塊塔板進料的i組分濃度，Q_j(t)為t采樣時刻第j塊塔板的傳熱量，U_ovA為傳熱系數(shù)，ΔT_j(t)為t采樣時刻第j組塔板間溫差，λ為汽化潛熱，L_j(t)為t采樣時刻第j塊塔板的液相流量，F(xiàn)_j(t)為t采樣時刻第j塊塔板的進料流量，V_j(t)為t采樣時刻第j塊塔板的氣相流量，U_j(t)為t采樣時刻第j塊塔板的液相采出流量，G_j(t)為t采樣時刻第j塊塔板的氣相采出流量，q_j(t)為t采樣時刻的進料熱狀況；壓強P的作用包含在氣液平衡系數(shù)k_i,j中，推導(dǎo)關(guān)系如2)中所述，S_i,h、S_i,l分別為內(nèi)部熱耦合空分塔高壓塔和低壓塔濃度曲線的表征位置，分別為高壓塔和低壓塔濃度曲線表征位置的設(shè)定值，K₁₁、K₁₂、K₂₁、K₂₂為系統(tǒng)參數(shù)，可根據(jù)實際的控制需求調(diào)整，通常K₁₁和K₂₁在10-100之間取值，K₁₂和K₂₂在100-1000之間取值，q_F(t+1)、P_h(t+1)分別為第t+1采樣時刻的進料熱狀況和高壓塔壓強，同時也是控制裝置下一時刻的控制參數(shù)；

4)所述的上位機還用于設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)K₁₁、K₁₂、K₂₁、K₂₂的值，以及設(shè)定高壓塔塔頂?shù)钠嗟M分濃度和低壓塔塔底的液相氧組分濃度的設(shè)定值顯示當(dāng)前時刻濃度測量值和控制參數(shù)求解模塊求解出的下一時刻的控制參數(shù)，并將控制參數(shù)通過現(xiàn)場總線傳遞給控制站，控制站再通過數(shù)據(jù)接口對控制器進行調(diào)整，從而完成控制裝置的控制作用；同時所述的上位機還將以上信息通過現(xiàn)場總線傳遞給存儲裝置，方便操作人員查閱歷史記錄，提高生產(chǎn)控制品質(zhì)。