專利名稱：內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精餾節(jié)能領(lǐng)域，特別地，涉及一種內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
自二十世紀七十年代經(jīng)歷兩次“石油危機”，能源成為全球關(guān)注的問題以來，節(jié)能 作為解決能源危機問題的根本途徑之一，逐漸受到各國的高度重視。精餾過程是石油煉制、石油化工和其它化工過程中應(yīng)用最為廣泛的傳質(zhì)單元操作 過程，也是石油化工領(lǐng)域中能耗最大的單元操作之一，其能耗約占化工廠總能耗的三分之 一，有時甚至還更多。美國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，美國1976年精餾耗能約占全國總能耗的3%， 如果精餾過程節(jié)能10%，相當(dāng)于每天節(jié)省100000桶石油，若以當(dāng)時的每桶石油40美元計 算，相當(dāng)于美國1976年的精餾過程的操作費用每天可以節(jié)省400萬美元，全年僅精餾過程 可以節(jié)省約15億美元。從二十世紀七十年代以來，研究者已經(jīng)從熱力學(xué)、操作原理等角度提出了大量的 精餾過程的節(jié)能方法。內(nèi)部熱耦合精餾塔是這些方法中最吸引人的一種，目前精餾塔節(jié)能 研究的一個前沿。研究結(jié)果表明，內(nèi)部熱耦合精餾塔與常規(guī)精餾塔最小回流比下的能耗和 操作費用相比還可以節(jié)省30%以上。過程在線優(yōu)化是指綜合應(yīng)用過程建模技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、 先進控制技術(shù)以及計算機技術(shù)，在滿足生產(chǎn)安全要求以及產(chǎn)品質(zhì)量約束等條件下，不斷計 算并改變過程的操作條件，使得生產(chǎn)過程始終運行在“最優(yōu)狀態(tài)”。研究表明，在線優(yōu)化所帶來的經(jīng)濟效益，相當(dāng)于DCS和各種先進控制手段所帶來 的經(jīng)濟效益的總和，其投資卻只有先進控制的三分之一?？梢娫诰€優(yōu)化的成功實施是企業(yè) 獲取最小經(jīng)濟效益的必要保證。內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制是指基于內(nèi)部熱耦合精 餾塔平衡級模型，在滿足產(chǎn)品純度要求的前提下，不斷計算并改變精餾塔的進料流量，使得 精餾過程始終運行在產(chǎn)量最大即單位能耗最小的狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前內(nèi)部熱耦合精餾塔尚無節(jié)能控制系統(tǒng)、單位能耗較大的不足，本發(fā) 明提供一種在當(dāng)前生產(chǎn)工況條件下使得內(nèi)部熱耦合精餾塔單位能耗最小、節(jié)能性好的內(nèi)部 熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔連接的現(xiàn) 場智能儀表、控制站、數(shù)據(jù)庫以及上位機，所述現(xiàn)場智能儀表與控制站、數(shù)據(jù)庫和上位機連 接，所述的上位機包括信號采集模塊，用以采集當(dāng)前生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)；節(jié)能控制模塊，用以節(jié)能控制，采用以下過程來完成1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進料流量初值；
2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，分別計算汽液相的焓值；5)由式(1) (2)計算各塔板的汽液相流量Vl^x +UjaHlja +FjH^-(Vj +^-(Uj ^H1;-Qj 二0(1)FJ+l +Ff +F^ -(Vj -[Uj +Sf)=0(2)其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進料流量，Hf表示進料焓值，S表示 側(cè)提流量，Hg和Hl分別是汽液相焓值，下標j_l、j、j+1分別表示第j_l、j、j+1塊板，上標 L表示液相，上標G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計算Q = UAAT(3)其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔΤ表示耦合塔板間的溫差；6)判斷下式是否成立，如果成立，則繼續(xù)7)，否則，更新各塔板液相組成，返回3) 迭代； 其中，χ是液相組成，y是汽相組成，ζ是進料組成，下標i = 1，...M表示組分，M 表示組分數(shù)；7)判斷產(chǎn)品純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進料 流量即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長△，返回2)繼續(xù)迭代。作為優(yōu)選的一種方案所述的上位機還包括泡點法模塊，用以由泡點法計算其 平衡溫度和汽相組成，其過程如下3. 1)假定塔板平衡溫度；3. 2)計算汽液平衡常數(shù)，采用以下過程完成 K1 = Φ,1 /Of(7)Yi = KiXi(8)其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫 度，P是塔板壓強，下標m = 1，... M表示組分，M表示組分數(shù)，摩爾體積V、物性參數(shù)be、 bp Λ ai,m、ξ \ ξ \汽相壓縮因子Ze、液相壓縮因子t由物性模塊計算；3.3)檢驗I-ΣΧ <0.0001是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計算結(jié)果，否則，更新
塔板平衡溫度，返回3. 2)繼續(xù)迭代。作為優(yōu)選的另一種方案所述的上位機還包括焓模塊，用以計算汽液相混合焓， 其過程如下
其中Hi*表示第i個純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、 h為常數(shù)。作為優(yōu)選的再一種方案所述的上位機還包括物性模塊，用以計算物性參數(shù)，其 過程如下
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)對汽相
(20)
(21)令
(22)
(23)
(24)
(25)
(26)取初值為1-0. 用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子Ze
(27) 則
(28) 對液相
(30)
令 取初值為Pr (0. 106+0. 078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子t 則 Qb = 0.070721(41)τ = 0. OlT(42)其中，Α、B、α、β、γ、τ、Ω。Ωb 是中間變量，C、D、Ε、W 是常數(shù)，Τ。、P。、V。、Zc 分
別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對比壓力，R是氣體常數(shù)，、ω表示第i組分和 第m組分的二元交互系數(shù)，是常數(shù)，下標c表示臨界點的性質(zhì)，下標r表示對比態(tài)，下標 i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物。進一步，所述的上位機還包括結(jié)果顯示模塊，用于將節(jié)能控制結(jié)果傳給控制站進 行顯示，并通過現(xiàn)場總線將節(jié)能控制結(jié)果傳遞到現(xiàn)場操作站進行顯示。一種用所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)實現(xiàn)的節(jié)能控制方法，所述 的節(jié)能控制方法包括以下步驟1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采集塔的生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)，采集當(dāng)前進料流量作為初值；2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，計算其汽液相的焓值；5)聯(lián)立式⑴⑵計算各塔板的汽液相流量
_7] 其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進料流量，Hf表示進料焓值，S表示 側(cè)提流量，下標j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，Q表示熱耦合量，由下式計算Q = UA Δ T(3)；6)判斷式(4)是否成立，如果成立，則繼續(xù)步驟7)，否則，更新液相組成，返回步驟 3)迭代；
VJ+lyiJ+] +Uj^ +Ffz^ +Ff^j -(Vj +^yij -(Uj +S^xij <0.0001(4)
7)判斷產(chǎn)品純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進料 流量即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長△，返回步驟2)繼續(xù)迭 代。作為優(yōu)選的一種方案所述步驟3)中，由泡點法計算平衡溫度和汽相組成的過程 如下
3. 1)假定塔板平衡溫度；3. 2)計算汽液平衡常數(shù)，采用以下過程完成 其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫 度，P是塔板壓強，下標m = 1，... M表示組分，M表示組分數(shù)，摩爾體積ν、物性參數(shù)be、 bp Λ ai,m、ξ \ ξ \汽相壓縮因子Ze、液相壓縮因子t由物性參數(shù)計算單元計算；3.3)檢驗1-ΣΧ <0.00(η是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計算結(jié)果，否則，更新
塔板平衡溫度，返回步驟3. 2)繼續(xù)迭代。作為優(yōu)選的另一種方案所述步驟4)中，計算汽液相混合焓，其過程如下 其中H廣表示第i個純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，C、d、e、f、 h為常數(shù)。作為優(yōu)選的再一種方案所述物性參數(shù)計算方法包括以下步驟 取初值為P,(0. 106+0. 078P,)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子t 其中，
是中間變量，C、D、Ε、W 是常數(shù)，Τ。、P。、V。、Zc 分
別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對比壓力，R是氣體常數(shù)，、ω表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，是常數(shù)，下標c表示臨界點的性質(zhì)，下標r表示對比態(tài)，下標 i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物。進一步，在所述的步驟7)中，上位機將節(jié)能控制結(jié)果傳給控制站進行顯示，并通 過現(xiàn)場總線將節(jié)能控制結(jié)果傳遞到現(xiàn)場操作站進行顯示。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、對內(nèi)部熱耦合精餾塔進行平衡級節(jié)能控制；2、 可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)，在滿足當(dāng)前生產(chǎn)工況要求的前提下提高產(chǎn)量；3、降低單位產(chǎn)品能耗，提 高生產(chǎn)效益。


圖1是本發(fā)明所提出的平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明所述內(nèi)部熱耦合精餾塔結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明上位機的功能結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。實施例1參照圖1、圖2、圖3，一種內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)，包括內(nèi)部熱耦 合精餾塔1連接的現(xiàn)場智能儀表2和控制站4、數(shù)據(jù)庫5以及上位機6，所述現(xiàn)場智能儀表 2與數(shù)據(jù)接口 3連接，所述數(shù)據(jù)接口 3與控制站4、數(shù)據(jù)庫5以及上位機6連接，所述的上位 機6包括信號采集模塊7，用以采集當(dāng)前生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)；節(jié)能控制模塊8，用以節(jié)能控制，采用以下過程來完成1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進料流量初值；2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，分別計算汽液相的焓值；5)由式(1)⑵計算各塔板的汽液相流量V其+UhH1^Fj Hj -(Vj-(Uj+^-Qj =0(1)VJ+l +Uja ^Ff+F^-(Vj +sf)-(Uj +s^)=0(2)其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進料流量，Hf表示進料焓值，S表示 側(cè)提流量，Hg和Hl分別是汽液相焓值，下標j_l、j、j+1分別表示第j_l、j、j+1塊板，上標 L表示液相，上標G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計算Q = UAAT(3)其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔΤ表示耦合塔板間的溫差；6)判斷下式(4)是否成立，如果成立，則繼續(xù)7)，否則，更新各塔板液相組成，返回 3)迭代； 其中，χ是液相組成，y是汽相組成，ζ是進料組成，下標i = 1，...M表示組分，M表示組分數(shù)；7)判斷產(chǎn)品純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進料 流量即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長△，返回2)繼續(xù)迭代。所述上位機6還包括泡點法模塊9，用以由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成， 其過程如下3.1)假定塔板平衡溫度；3. 2)計算汽液平衡常數(shù)，采用以下過程完成
(5)
(6)
(7)
(8)其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫 度，P是塔板壓強，下標m = 1，. . .，M表示組分，M表示組分數(shù)，摩爾體積ν、物性參數(shù)ΙΛΙΛ bp Λ ai,m、ξ \ ξ \汽相壓縮因子Ze、液相壓縮因子t由物性模塊計算；3.3)檢驗是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3. 2)繼續(xù)迭代；所述上位機6還包括焓模塊10，用以計算汽液相混合焓，其過程如下 其中H廣表示第i個純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，C、d、e、f、 h為常數(shù)。所述上位機6還包括物性模塊11，用以計算物性參數(shù)，其過程如下 Ω3 ,ω = 0.5(Ω3 +Ω3ω)(19)對汽相
(20)
(21)令A(yù)g = aGP/R2T2(22)Bg = bGP/RT(23)αG = 2Bg-1(24)β° =Ag -3Bg -5B°2(25)γ0 = 2(Ba' + B°2) - AgBg(26)取初值為1-0. 6P,，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子ZgZg' + aGZGl + βΖ° +χ° =0(27)則，vG = RT/PZg(28)^=Q.2425361n^+3·5615536；(29)
vG-0.561553滬對液相
(31)令A(yù)l = aLP/R2T2(32)Bl = bLP/RT(33)αL = 2Bl-1(34)pL = Al - 3BL -5Β (35)yl =2{Β + Β1')-A1B1(36)取初值為Ρ,(0. 106+0. 078Ρ,)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子tζ + OClZl1 + βΖι +rL =0(37) 則vL = RT/PZl(38)^=0.2425361nV;+3·561553^(39)Qai = Ci-Di τ +Ei τ ^ffi τ 3(40)Qb = O. 070721(41)τ = 0. OlT(42)其中，A、B、α、β、Y、τ是中間變量，C、D、Ε、W是常數(shù)，Τ。、P。、V。、Ζ。分別是臨界
溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對比壓力，R是氣體常數(shù)，、ω表示第i組分和第m組分的二元交互系數(shù)，是常數(shù)，下標C表示臨界點的性質(zhì)，下標r表示對比態(tài)，下標i，m表示 第i組分和第m組分的二元混合物，Qa、Qb是中間變量；所述的上位機6還包括結(jié)果顯示模塊12，用于將節(jié)能控制結(jié)果傳給控制站進行 顯示，并通過現(xiàn)場總線將節(jié)能控制結(jié)果傳遞到現(xiàn)場操作站進行顯示。本實施例的內(nèi)部熱耦合精餾塔節(jié)能潛力優(yōu)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如附圖1所示，所 述的優(yōu)化系統(tǒng)核心由包括信號采集模塊7、節(jié)能控制模塊8、泡點法模塊9、焓模塊10、物性 模塊11、結(jié)果顯示模塊12和人機界面的上位機6構(gòu)成，此外還包括現(xiàn)場智能儀表2，數(shù)據(jù) 接口 3、控制站4、數(shù)據(jù)庫5和現(xiàn)場總線。內(nèi)部熱耦合精餾塔1、智能儀表2、數(shù)據(jù)接口 3、控制 站4、數(shù)據(jù)庫5、上位機6通過現(xiàn)場總線依次相連，實現(xiàn)信息流的上傳和下達。節(jié)能控制系統(tǒng) 在上位機6上運行，可以方便地與底層系統(tǒng)進行信息交換。本實施例的優(yōu)化系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如附圖3所示，主要包括信號采集模塊7、節(jié)能 控制模塊8、泡點法模塊9、焓模塊10、物性模塊11、結(jié)果顯示模塊12等。所述的平衡級節(jié)能控制方法按照如下步驟進行實施1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采集塔的生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)，采集當(dāng)前進料流量作為初值；2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，計算其汽液相的焓值；5)聯(lián)立式(1) (2)計算各塔板的汽液相流量^UJAHLJA +FJHFJ +^-Q =0(1)VJ+i +υΜ +Ff+F^ -[Vj+5；)=0(2)其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進料流量，Hf表示進料焓值，S表示 側(cè)提流量，Hg和Hl分別是汽液相焓值，下標j_l、j、j+1分別表示第j_l、j、j+1塊板，上標 L表示液相，上標G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計算Q = UA Δ T(3)；6)判斷式(4)是否成立，如果成立，則繼續(xù)步驟7)，否則，更新液相組成，返回步驟 3)迭代；VJ+ly,J+l +Uj^m +Ff《+Ffz^j -(Vj +^yij -(Uj +S^xij <0.0001(4)7)判斷產(chǎn)品純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進料 流量即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長△，返回步驟2)繼續(xù)迭 代。實施例2參照圖1、圖2、圖3，一種內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制方法，所述的平衡級 節(jié)能控制方法包括以下步驟1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采集塔的生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)，采集當(dāng)前進料流量作為初值；2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，計算其汽液相的焓值；5)聯(lián)立式(1) (2)計算各塔板的汽液相流量
(1)
(2)其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進料流量，Hf表示進料焓值，S表示 側(cè)提流量，Hg和Hl分別是汽液相焓值，下標j_l、j、j+1分別表示第j_l、j、j+1塊板，上標 L表示液相，上標G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計算Q = UA Δ T(3)；6)判斷式(4)是否成立，如果成立，則繼續(xù)步驟7)，否則，更新液相組成，返回步驟 3)迭代；
(4)7)判斷產(chǎn)品純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進料 流量即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長△，返回步驟2)繼續(xù)迭 代。所述步驟3)中，由泡點法計算平衡溫度和汽相組成的過程如下3. 1)假定塔板平衡溫度；3. 2)計算汽液平衡常數(shù)，采用以下過程完成
(7)
(8)其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫 度，P是塔板壓強，下標m = 1，... M表示組分，M表示組分數(shù)，摩爾體積V、物性參數(shù)be、 bp Λ ai,m、ξ \ ξ \汽相壓縮因子Ze、液相壓縮因子t由物性參數(shù)計算單元計算；3.3)檢驗Ι-ΣΧ〈Ο.ΟΟ Η是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計算結(jié)果，否則，更新
塔板平衡溫度，返回步驟3. 2)繼續(xù)迭代。所述步驟4)中，計算汽液相混合焓，其過程如下
(9) 其中H廣表示第i個純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，C、d、e、f、h為常數(shù)。所述物性參數(shù)計算方法包括以下步驟 對汽相 取初值為1-0. 6P,，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子Zg
(27)貝 對液相 取初值為P, (0. 106+0. 078Pr)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子t
(37)
則，vL = RT/PZl(38)
(39) b vL-0.56\553bLQai = Ci-Di τ +Ei τ ^ffi τ 3 (40)Qb = O. 070721(41)τ =0. OlT(42)其中，A、B、α、β、γ、τ、Ω。Ωb 是中間變量，C、D、Ε、W 是常數(shù)，Τ。、P。、V。、Zc 分
別是臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，Pr是對比壓力，R是氣體常數(shù)，、ω表示第i組分和 第m組分的二元交互系數(shù)，是常數(shù)，下標c表示臨界點的性質(zhì)，下標r表示對比態(tài)，下標 i，m表示第i組分和第m組分的二元混合物。在所述的步驟7)中，上位機將節(jié)能控制結(jié)果傳給控制站進行顯示，并通過現(xiàn)場總 線將計算結(jié)果傳遞到現(xiàn)場操作站進行顯示。本發(fā)明所提出的內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)及方法，已通過上述具體 實施步驟進行了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對本文所 述的裝置和操作方法進行改動或適當(dāng)變更與組合，來實現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)。特別需要指出的是， 所有相類似的替換和改動對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，它們都會被視為包括在本發(fā) 明精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
一種內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔連接的現(xiàn)場智能儀表、控制站、數(shù)據(jù)庫以及上位機，所述現(xiàn)場智能儀表與控制站、數(shù)據(jù)庫和上位機連接，其特征在于所述的上位機包括信號采集模塊，用以采集當(dāng)前生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)；節(jié)能控制模塊，用以節(jié)能控制，采用以下過程來完成1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進料流量初值；2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，分別計算汽液相的焓值；5)由式(1)(2)計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(xiàn)表示進料流量，HF表示進料焓值，S表示側(cè)提流量，HG和HL分別是汽液相焓值，下標j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，上標L表示液相，上標G表示汽相，Q表示熱耦合量，由下式計算Q＝UAΔT(3)其中，UA表示熱耦合系數(shù)，ΔT表示耦合塔板間的溫差；6)判斷下式(4)是否成立，如果成立，則繼續(xù)7)，否則，更新各塔板液相組成，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><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>F</mi> <mi>j</mi></msub><msub> <mi>z</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><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><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><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><msub> <mi>x</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi> </mrow></msub><mo>&lt;</mo><mn>0.0001</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，x是液相組成，y是汽相組成，z是進料組成，下標i＝1，...M表示組分，M表示組分數(shù)；7)判斷產(chǎn)品純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進料流量即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長Δ，返回2)繼續(xù)迭代。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于所述的 上位機還包括泡點法模塊，用以由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成，其過程如下
3.1)假定塔板平衡溫度；3. 2)計算汽液平衡常數(shù)，采用以下過程完成 Ii = KiXi (8)其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P 是塔板壓強，下標m = 1，. . .M表示組分，M表示組分數(shù)，摩爾體積ν、物性參數(shù)lAb^bi、"、\ω、ξ \ ξ \汽相壓縮因子Ze、液相壓縮因子t由物性模塊計算； 3. 3)檢驗1-Σ少,<0.0001是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計算結(jié)果，否則，更新塔板平衡溫度，返回3. 2)繼續(xù)迭代。3.如權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于所 述的上位機還包括焓模塊，用以計算汽液相混合焓，其過程如下 其中Hi*表示第i個純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
4.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于所述的 上位機還包括物性模塊，用以計算物性參數(shù)，其過程如下 取初值為1-0. 6&，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子Ze Zg' +aGZG' +βΖα +γ0 =Q(27)則， 取初值為p,(0. 106+0. 078P,)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子t Ζ +aLZ,} +PZl +Yl =Q(37)則， 其中，Α、Β、α、β、Υ、τ、Ω。Ω b是中間變量，C、D、Ε、W是常數(shù)，Τ。、P。、V。、Z2分別是 臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，h是對比壓力，R是氣體常數(shù)，I^m表示第i組分和第m組 分的二元交互系數(shù)，是常數(shù)，下標c表示臨界點的性質(zhì)，下標r表示對比態(tài)，下標i，m表 示第i組分和第m組分的二元混合物。
5.如權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于所 述的上位機還包括結(jié)果顯示模塊，用于將節(jié)能控制結(jié)果傳給控制站進行顯示，并通過現(xiàn)場總線將節(jié)能控 制結(jié)果傳遞到現(xiàn)場操作站進行顯示。
6.一種用如權(quán)利要求1所述的內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)實現(xiàn)的節(jié)能控 制方法，其特征在于所述的節(jié)能控制方法包括以下步驟1)設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采集塔的生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)，采集當(dāng)前進料流量作為初值；2)假定各塔板液相組成；3)對每一個塔板，分別由泡點法計算其平衡溫度和汽相組成；4)對每一個塔板，計算其汽液相的焓值；5)聯(lián)立式(1)(2)計算各塔板的汽液相流量V1J^ +U丨 JTh ^-^+^-{υ,+^Η1；-^^(1) 其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F(xiàn)表示進料流量，Hf表示進料焓值，S表示側(cè)提 流量，下標j-1、j、j+1分別表示第j-1、j、j+1塊板，Q表示熱耦合量，由下式計算 Q = UA Δ T (3)；6)判斷式(4)是否成立，如果成立，則繼續(xù)步驟7)，否則，更新液相組成，返回步驟3) 迭代； (4)7)判斷產(chǎn)品純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，輸出結(jié)果，前一步的進料流量 即為最大進料量，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長△，返回步驟2)繼續(xù)迭代。
7.如權(quán)利要求6所述的節(jié)能控制方法，其特征在于所述步驟3)中，由泡點法計算平 衡溫度和汽相組成的過程如下3.1)假定塔板平衡溫度；3.2)計算汽液平衡常數(shù)，采用以下過程完成 其中，Φ表示逸度系數(shù)，上標L表示液相，上標G表示汽相，R是氣體常數(shù)，T是溫度，P 是塔板壓強，下標m = 1，. . .M表示組分，M表示組分數(shù)，摩爾體積ν、物性參數(shù)lAb^bi、"、 \ω、ξ \ ξ \汽相壓縮因子Ze、液相壓縮因子t由物性參數(shù)計算單元計算；3.3)檢驗ι-Σχ. o.oom是否成立，成立則結(jié)束迭代，返回計算結(jié)果，否則，更新塔板 i平衡溫度，返回步驟3. 2)繼續(xù)迭代。
8.如權(quán)利要求6或7所述的節(jié)能控制方法，其特征在于所述步驟4)中，計算汽液相 混合焓，其過程如下 其中Hi*表示第i個純組分理想氣體的焓值，H*是混合物理想氣體焓值，c、d、e、f、h為常數(shù)。
9.如權(quán)利要求7所述的節(jié)能控制方法，其特征在于所述物性參數(shù)計算方法包括以下步驟 對汽相 令 取初值為1-0. 6P，用牛頓法解如下方程，即得到汽相壓縮因子 則， 對液相 令 取初值為P,(0. 106+0. 078P,)，用牛頓法解如下方程，即得到液相壓縮因子 則， 其中，Α、Β、α、β、Υ、τ、Ω。Ω b是中間變量，C、D、Ε、W是常數(shù)，Τ。、P。、V。、Ζ。分別是 臨界溫度、壓力、體積和壓縮因子，h是對比壓力，R是氣體常數(shù)，I^m表示第i組分和第m組 分的二元交互系數(shù)，是常數(shù)，下標c表示臨界點的性質(zhì)，下標r表示對比態(tài)，下標i，m表 示第i組分和第m組分的二元混合物。
10.如權(quán)利要求6或7所述的節(jié)能控制方法，其特征在于在所述的步驟7)中，上位機 將節(jié)能控制結(jié)果傳給控制站進行顯示，并通過現(xiàn)場總線將節(jié)能控制結(jié)果傳遞到現(xiàn)場操作站 進行顯示。
全文摘要
一種內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制系統(tǒng)，包括與內(nèi)部熱耦合精餾塔連接的現(xiàn)場智能儀表、控制站、數(shù)據(jù)庫以及上位機，上位機包括信號采集模塊，用以采集當(dāng)前生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)；節(jié)能控制模塊，過程設(shè)定塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，指定進料流量初值；假定各塔板液相組成；對每一個塔板，分別計算其平衡溫度和汽相組成、汽液相的焓值和汽液相流量；判斷條件是否成立，如果成立，則繼續(xù)，否則，更新各塔板液相組成；判斷產(chǎn)品純度是否滿足約束，如果不滿足則結(jié)束迭代，如果滿足則將進料流量增加一個迭代步長Δ，繼續(xù)迭代。以及提出了一種內(nèi)部熱耦合精餾塔平衡級節(jié)能控制方法。本發(fā)明在當(dāng)前生產(chǎn)工況條件下使得內(nèi)部熱耦合精餾塔單位能耗最小、節(jié)能性好。
文檔編號G05B19/418GK101840220SQ20091015566
公開日2010年9月22日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者劉興高, 周葉翔, 閆正兵 申請人:浙江大學(xué)