[发明专利]一种基于浓度曲线特性的内部热耦合空分塔控制装置

摘要

本发明公开了一种基于浓度曲线特性的内部热耦合空分塔控制装置，包括与内部热耦合空分塔连接的智能仪表、控制器和DCS系统。所述DCS系统包括上位机、控制站、存储装置、现场总线、数据接口、存储装置。所述智能仪表通过温度检测元件、压力检测元件、流量检测元件测量相关参数。上位机用以实现控制参数的求解，并将求解的控制参数通过现场总线传递给控制站。控制站根据得到的控制参数通过与现场总线相连的数据接口，对控制器进行调整。控制器实现对内部热耦合空分塔的直接控制调整。本发明提供的控制装置能够很好地处理内部热耦合空分塔的强非线性特征，具有高效的在线运算速度，并具有非常好的伺服跟踪控制效果、干扰抑制效果。

主权项

1.一种基于浓度曲线特性的内部热耦合空分塔控制装置，其特征在于，包括与内部热耦合空分塔直接连接的智能仪表、控制器和DCS系统；所述DCS系统包括上位机、控制站、存储装置、现场总线和数据接口，存储装置、控制站及上位机通过现场总线与数据接口相连接；所述智能仪表通过温度检测元件、压力检测元件、流量检测元件测量相关参数，并与数据接口连接；所述上位机用以实现控制参数的求解，包括浓度曲线描述模块、设定值转换模块、控制参数求解模块，并将求解的控制参数通过现场总线传递给控制站；所述控制站根据得到的控制参数通过与现场总线相连的数据接口，对控制器进行调整；所述控制器实现对内部热耦合空分塔的直接控制调整；所述上位机包括：/n1)浓度曲线描述模块，通过智能仪表中的温度检测元件采集温度信息以及压力检测元件采集压强数据，采集到的数据通过数据接口进行电信号转换，并通过现场总线将检测信号输送到所述浓度曲线描述模块，用以推断出各塔板浓度分布曲线的静态描述函数如下：/n /n /n其中，为t采样时刻第j块塔板的液相i组分预测浓度，S_i,h(t)、S_i,l(t)分别为t采样时刻内部热耦合空分塔高压塔、低压塔浓度曲线的表征位置，X_{i,h_min}表示高压塔i组分浓度曲线的最小浓度值，X_{i,h_max}表示高压塔i组分浓度曲线的最大浓度值，γ_i,h表示高压塔i组分浓度曲线表征位置处的斜率，X_{i,l_min}表示低压塔i组分浓度曲线的最小浓度值，X_{i,l_max}表示低压塔i组分浓度曲线的最大浓度值，γ_i,l表示低压塔i组分浓度曲线表征位置处的斜率，N为总塔板数；/n2)设定值转换模块，根据浓度曲线描述模块所获得的浓度曲线参数，将浓度设定值转换为表征位置设定值，转换公式如下：/n /n /n其中，分别为塔顶的汽相氮组分浓度的设定值和塔底的液相氧组分浓度的设定值，分别为高压塔和低压塔浓度曲线表征位置的设定值，k_i,j为第j块塔板i组分的气液平衡系数，可以由Peng-Robinson状态方程计算而来，最终的计算公式如下：/n /n其中每层塔板上的气液两相的逸度系数均可以由下式计算：/n /n混合物a和b的混合规则为：/n /n /n /n /n /n其中P是压强，T是温度，v是摩尔体积，R是气体常数，取8.3145，x_i为混合物中i组分的浓度，为i₁组分的浓度，为i₂组分浓度，a_i是i组分的引力参数，是i₁和i₂两种组分间的引力参数，a是所有组分分子间引力参数的加权和，b_i是i组分的范德华体积，b为所有组分范德华体积的加权和，A为由(9)式定义的系数，B为由(10)式定义的系数，Z为压缩因子；/n3)控制参数求解模块，用以通过浓度曲线描述模块和设定值转换模块得到的当前时刻信息求取下一时刻的控制参数，采用如下代数方程组可求得控制参数：/n /n /ny_i,j(t)＝k_i,jx_i,j(t) (14)/nQ_j(t)＝U_ovAΔT_j(t) (15)/n /n /n其中，y_i,j(t)为t采样时刻第j块塔板的气相i组分浓度，x_i,j(t)为t采样时刻第j块塔板的液相i组分浓度，z_i,j(t)为t采样时刻第j块塔板进料的i组分浓度，Q_j(t)为t采样时刻第j块塔板的传热量，U_ovA为传热系数，ΔT_j(t)为t采样时刻第j组塔板间温差，λ为汽化潜热，L_j(t)为t采样时刻第j块塔板的液相流量，F_j(t)为t采样时刻第j块塔板的进料流量，V_j(t)为t采样时刻第j块塔板的气相流量，U_j(t)为t采样时刻第j块塔板的液相采出流量，G_j(t)为t采样时刻第j块塔板的气相采出流量，q_j(t)为t采样时刻的进料热状况；压强P的作用包含在气液平衡系数k_i,j中，推导关系如2)中所述，S_i,h、S_i,l分别为内部热耦合空分塔高压塔和低压塔浓度曲线的表征位置，分别为高压塔和低压塔浓度曲线表征位置的设定值，K₁₁、K₁₂、K₂₁、K₂₂为系统参数，可根据实际的控制需求调整，通常K₁₁和K₂₁在10-100之间取值，K₁₂和K₂₂在100-1000之间取值，q_F(t+1)、P_h(t+1)分别为第t+1采样时刻的进料热状况和高压塔压强，同时也是控制装置下一时刻的控制参数；/n4)所述的上位机还用于设定系统参数K₁₁、K₁₂、K₂₁、K₂₂的值，以及设定高压塔塔顶的汽相氮组分浓度和低压塔塔底的液相氧组分浓度的设定值显示当前时刻浓度测量值和控制参数求解模块求解出的下一时刻的控制参数，并将控制参数通过现场总线传递给控制站，控制站再通过数据接口对控制器进行调整，从而完成控制装置的控制作用；同时所述的上位机还将以上信息通过现场总线传递给存储装置，方便操作人员查阅历史记录，提高生产控制品质。/n