专利名称：空气分离装置网络的液体生产控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制多个空气分离装置的液体生产以生产并向多个消费者分配液体的方法。更具体地说，本发明涉及这样一种方法，其中通过实时优化技术使得液体生产优化。
背景技术：
空气分离装置网络包括多个管线分配系统，所述管线分配系统将多个空气分离装置与多个消费者相连接。所述空气分离装置是已知的低温蒸馏塔，所述低温蒸馏塔通常将空气分离为氧和氮。辅助氩气柱可被包含在所述装置中以便于还生产氩气产品。液体产品例如，液体氧和液体氮是溢价产品，这是因为在液化时必须耗费能量并且所述液体通常通过卡车沿长途运输公路被分配。
确定供给到管线网络的气态产品的产品分配是一项复杂的决定，这是因为装置在生产能力、效率、产品组合以及能量消耗方面都是不同的。消费者需求水平是以协定为基础的。由于从管线的任何区域到消费者那里的流速可与管线中测得的压力有关，因此在各个装置之中的空气分离生产被控制以确保沿管线区域保持所需的压力。
由于气体需求量几乎可能瞬间改变，因此第一个目标是满足气体需求量。第二个目标是确保保持充分的液体流量以满足局部地区液体需求以及管线储备所需的任何液体。
当适当的气体产品分配受限于供给实际管线的装置时，必须对于更广泛的液体分配网络考虑有关于液体生产的适当决定。当前的液体生产决定是借助于模型工具作出的，以便于确定给定区域内每种装置的平均液体生产需求。生产目标是基于当前库存、装置可用性、预期的能量消耗以及区域的预期消费者需求作出的。每天或每周对该决定进行审查并且在必要的时候进行修改。
虽然前述方法足以确定满足了消费者需求，但是不能保证营业利润最大化。所述决定需要有关于装置的管线的性能和约束条件的详细知识以及供应商和消费者协定两方面的知识。而且，作出所述决定的人不可能一天二十四小时制定并执行所要求的决定。
气体和液体生产需求驱使所述决定围绕能量购买力作出。空气分离装置由大量电力驱动。在许多情况中，必须每天预先购买所需电力的全部或部分。一旦已购买了用于下一天的电力之后，必须在所述购买行为的约束条件之内执行具体装置的操作。因此适当地计划并确定能量购买行为在使得液体分配网络的经济性优化方面是非常重要的。因此，配给和分配决定是通过关于装置能力和效率的有限信息而临时作出的。虽然作出了合理的决定，但是难以作出从始至终都是最好的决定并且难以兼顾利润。
在近来公布的美国专利申请(公开号为20020017113)中，提出了用于自动地设定空气分离单元的网络中至少一个空气分离单元的目标水平的一种方法。所述网络由产生代表了网络生产目标水平和网络能量使用水平的生产目标水平的控制系统控制。生产目标水平是使得能量使用水平的和最小化的指标。这种类型控制系统的问题是仅使能量使用水平最小化不能使得能量消耗最小化，因为装置与装置在网络上的能量消耗可能不同。
如稍后将描述的，本发明提供了在网络或多个空气分离装置中控制生产以便于生产液体和以使得能量消耗最小化这样一种方式向多个消费者分配液体的方法。
发明内容
本发明披露了在多个空气分离装置中控制液体生产以便于生产液体和向多个消费者分配液体的方法。根据该方法，在预测期内针对每个消费者在预定时间间隔下获得液体产品需求和气体产品需求的需求数据。在该时间间隔下可连续地获得当前大气温度、压力和湿度数据。需求数据和当前大气温度、压力和湿度数据(如果获得了的话)被输入到实时计划系统中，所述实时计划系统编有模型程序和实时优化程序。模型程序包括可响应于大气温度、压力和湿度数据的装置模型程序，从而为每个空气分离装置计算出所需的电力数据，以便于产生来自于空气分离装置的气态和液体产品方案。装置模型程序包括每个空气分离装置的生产约束条件，用于限制气态和液体产品的生产。提供电力协定模型程序，所述电力协定模型程序响应于从装置模型程序中产生的电力数据以计算出成本数据从而为每个空气分离装置产生气态和液体产品方案。提供了液体分配成本模型程序。这些程序包含可归入液体产品从每个地点到各个消费者或消费者群组的公路输送成本的成本运输数据，以便于计算出向消费者群组中的每个消费者分配液体产品的输送成本。为每个地点提供了液体储存约束条件。
在预定时间间隔下执行模型程序和实时优化程序，以便于为每个空气分离装置以及针对预测期在每个预定时间间隔下通过优化的气态和液体产品方案的混合的整体的非线性优化从实时优化程序中获得解决方法，其中在预测期中所述电力成本和所述液体分配成本的总成本是最小的，同时作为硬性约束条件满足气态产品的需求。通过控制空气分离装置执行优化的气态和液体产品方案以便于产生与优化的气态和液体产品方案一致的气态和液体产品。
装置模型程序可为包含多个空气分离装置中每一个的电力使用数据以及气态和液体产品方案的查阅表。对于每个空气分离装置可周期性地记录电力使用和液体生产，并且该电力使用和液体生产用于查阅表的误差校正。
可在网络系统上将需求数据输入到实时计划系统中。通过周期性地测量多个消费者的液体液位和液体储备箱并且记录预测期内输送给多个消费者的液体可确定每个消费者的液体需求。其结果除以预测期内预定时间间隔的数量。可通过连续地测量多个消费者的气体使用之后求具体时间间隔的数据的时间平均值来确定气态需求。例如，可在上个月的使用的基础上平均计算第三个预测期的每小时的气体使用。可人工计算所述平均数或通过将气体使用的粗略的以小时为基准的数据通过网络系统传输给实时计划者以便于作出实际计算。
优化的气态和液体产品方案可被电子地传输给空气分离装置的控制系统。预定时间间隔可为1小时并且预测期可为7天。
虽然本说明书清楚地以权利要求作为结束，该权利要求指出了本申请人认为是其发明的主旨，但是应该认为在联系附图时可更好地理解本发明，其中唯一的图1是本发明所涉及的给予空气分离装置的控制的示意图。
具体实施例方式
参照附图，示出了向管线18中供给气态产品14和16时的空气分离装置10和12。由附图标记20、22和24表示的消费者1、2和3分别从输出线26、28和30中提取气态产品，即，氧气和氮气。输出线26、28和30可包含用于待使用的每种产品(即气态氧和气态氮)的多个线路。
空气分离装置10和12是公知的低温蒸馏装置，所述低温蒸馏装置具有用于将进入的滤过空气压缩到较高压力的压缩机、用于将进入的空气冷却到其露点或接近于其露点的热交换器、以及用于将空气精炼为用于冷却进入空气的氮气和氧气产品的高压蒸馏塔和低压蒸馏塔。传统来说，通过传统涡轮膨胀机加入制冷剂以补偿热漏失和暖端热损失，所述传统涡轮膨胀机可用于通过发电机驱动压缩机。高压蒸馏塔产生上升的汽相，所述汽相在空气的更易挥发的成分中更富足，主要为氮气。所述高压蒸馏塔的塔顶馏出物通过连接于低压蒸馏塔的冷凝器重沸器被浓缩以产生下降的汽相，所述汽相在空气的低挥发性的成分中更富足，主要为氧气。在较低压力下，塔顶馏出物在低压蒸馏塔中可被进一步精炼，从而产生高纯度氮产品和塔底残留物，所述塔底残留物将构成液态氧产品，所述液态氧产品可作为液体储存或者通过与进入的空气气流进行热交换而汽化并且被输送到气体管线。空气分离的产品被输送到热交换器以冷却进入的空气。在期望液态氧或氮的实际量超过通过涡轮膨胀可产生的液态氧或氮量的情况下，氮液化器可包含于所述装置中并且液体产品可就地被储存在图中表示为液体储存器32和34的储存箱中。气态产品通过线路14和16被输送到气体管线18。为了从空气分离装置10和12中分离液态氮和液态氧产品，将使用分离管线以及分离出口管线。
如可理解的，空气分离装置10和12的前述描述和一个气体管线18的解释仅是出于解释的目的而示出的。本发明可设想例如位于一个位置中的几个空气分离装置和大概几个气体管线，或者具有供应单个管线消费者或仅产生液体产品的一个或多个ASP的位置。
来自于液体储存器32和34的液体产品在公路上通过油罐卡车被分别运输给消费者20、22和24的液体储存箱36、38和40。通过虚线42、44和46示出了该公路长途运输连锁。
尽管视为单个的消费者和储存箱，例如，消费者20和储存箱36，但是也可为小地理区域或工业区中的许多消费者，每个都具有其自己的储存箱。
可用流量计48、50和52计量消费者20、22和24从气体管线18中抽取的气态产品。通过液体液位检测器54、56和58例行公事地监控液体储存箱36、38和40中的液体液位。可根据来自于流量计48、50和52的现行基础监控气体使用。可通过监控储存箱中的液体液位与沿路线42、44和46通过经陆路运输加入到储存箱的液体量的差监控液体使用。例如，如果储存箱(诸如储存箱36)在一次运输中被完全充满液态氧并且液体液位已下降到箱容量的一半时，可容易地确定液态氧的消费者20的消耗量。在一周期间可进行几次运输。
空气分离装置10和12无论如何都必须满足消费者20、22和24的气体供应协定，因此必须连续地向管线18中供应充足的气体。如果气体管线需求超出气体生产能力的话，使得来自于液体储存器32和34的液体汽化并将其放入到管线中以便于通过线路补充气体生产。在满足气体需求之后，满足液体需求。然而，液体是价值增加的产品，因为能量必须从液化状态下膨胀和传输并且对于空气分离装置10和12的任何空气分离装置位置来说仅存在有限量的液体储存器32和34。
每个空气分离装置10和12都主要通过其用于压缩进入空气的压缩机连续地消耗电力。由于每个空气分离装置10和12仅具有制造气态和液态产品的有限能力，因此通过简单地使用和通过最直接的可行路线输送液体而使得能量使用最小化而制定气态和液体生产看来是简单问题。使得方案复杂的原因在于，取决于协商的供电协定，每个装置的电力成本都可能不同。而且，每天各个时候的电力成本也将改变。因此，输送气态和液体产品应考虑的变量为与为空气分离装置供电相关的成本；钟点；季节，因为空气分离装置的效率随季节和大气条件而改变；ASP效率随产品方案的改变；以及根据其需求输送给消费者的液体的运输成本。使得情况复杂的原因甚至还在于，每个空气分离装置只具有储存液体产品的有限容量并且液体产品的消费者使用不必为恒定的。如果液体是在价格非常高时在给定ASP下生产出来，但是由于消费者需求导致不是立即需要液体，并且可在以后较低成本下生产液体的话，这就表示生产者的财政损失。
根据本发明，气态和液体产品的分配受到实时计划系统60的控制。实时计划系统60在预测期(最好是一周)内发挥作用并且在预定时间间隔(最好为1小时)下执行控制，以在预测期内的每个小时中提供每个空气分离装置10和12的气态和液体生产的优化预测，以减小预测期内的操作的总成本。在本领域中每个空气分离装置10和12的气态和液体生产是指由于受到空气分离装置10和12的控制系统62和64的控制而以小时为基准改变的产品方案。根据每个消费者20、22和24的先前的气体和液体使用来计算最优条件选配。
作为第一个步骤，必须确定出液体的每小时平均使用量。可以多种方式进行确定。一种方式是通过用液位检测器54、56和58测量液位并且将所述液位与上个月的液体输送相比较，之后用一个月的小时数除液体使用量以获得以小时为基准的液体使用量，以测量每个消费者的液体使用量。可通过流量计48、50和52监控气体产品的以小时为基准的实际使用量并且储存。如上所述的，可对特定消费者在过去的时期(例如，一个月)每个时间间隔下的气体使用量进行平均。可在实时计划系统60中执行计算并储存。以上述方式确定的液体需求和气体产品需求数据分别作为消费者20、22和24的输入66、68和70被引入。另外，来自于流量计48、50和52的以小时为基准的气体消耗数据可作为数据分别通过输入72、74和76被自动地输入到实时计划系统60中。如可理解的，液体液位检测器54、56和58可通过网络(LAN)系统直接连接于实时计划系统60。另外，以小时(本示例中所使用的预定时间间隔)为基准的大气温度、压力和湿度数据可作为用于包含空气分离装置10和12的位置的输入78和80被输入。
实时计划系统除具有储存能力外还包含与实时优化程序84相互作用的一系列模型82。然而，存在许多实时优化程序，其中一种可用的是名为“RTO”的程序，所述程序可从英国的Teesside的MDC技术中获得。实时优化程序使用被称为混合的整体非线性编程的优化技术。实时优化程序84与模型82如下文中所述的那样相互作用。
模型82包括响应于大气温度、压力和湿度数据的装置模型程序。这些模型计算每个空气分离装置10和12所需的电力数据以产生气体和液体产品方案。它们还包含用于每个空气分离装置10和12的用以限制气态和液体产品的生产的硬性约束条件。空气分离装置通常是有限尺寸的，并且仅能制造一定量的气态氮和气态氧以及液态氮和液态氧。如前面所述的，进一步的约束条件包括每一位置的液体储存量32和34。装置模型可十分完善，并且可实际模造分配托盘或每个塔中的规整填料中发生的分配。例如，所述模型可具有模造每个单元操作的详细的首要模型。相关基本模型也是可行的，所述模型使用多项式拟合表示主要压缩机性能和产品恢复速率。在低水平的完善下，模型可包括查阅表，其中电力使用量与涉及生产每种气态和液体产品方案的生产相关。所述查阅表可自身进行季节性地调节。可通过汇集用于特定产品方案的电力数据并且将其与储存在产生用以校正差异的误差因数的查阅表中的数据相比较而调整该查阅表构思，从而更新查阅表。
另外，存在电力协定模型程序，所述电力协定模型程序响应于电力程序以便于计算出成本数据从而为每个空气分离装置10和12产生气态和液体产品方案。这是与电力协定有关的运算法则。
提供了液体分配成本模型程序，所述程序包含成本运输数据，最好为液体产品从每个位置到消费者(例如为消费者或消费者20、22和24的消费者群组)处的公路运输成本，以便于计算向每个消费者(同样也适用于消费者群组)分配液体产品的运输成本。
如前面所述的，实时计划系统以小时为基准执行操作。根据第一次的执行获得了对于当前气态和液体生产的评估。这些评估可为流量计50和52测得的当前气态使用量。其他的可行性是使得所述程序设有可由每个装置生产出的最小产品或最大产品方案。模型82确定电力使用数据，所述数据之后被供给到电力使用模型中以确定成本数据。除此之外是液体产品的运输数据，并且对于预测期所涉及的总成本进行计算。
如前面所述的，无论如何都必须满足气体生产需求，因此这表示对于实时优化程序84的硬性约束条件。甚至在液体生产亏本时，程序也需进行检查以确定首先满足了气体生产需求。从而据此调节装置10和12的生产方案。之后实时优化程序84将转而调节每个变量，例如，从装置10的以小时为基准的气态氮生产，从而确定生产成本是已增加还是减少。所述程序将连续地经历反复直到生产成本处于最小值。当每次反复之间达到成本的最小化改变的预定因数(例如，10美元)时确定最小值。当进行此项操作时实时优化程序84向每个控制系统62和64传输期望的液体和气体生产方案。
实时优化程序84的另一个优点是，它允许在考虑实时改变和需求(例如，消费者停工)的同时进行预测。例如，特别是实时计划系统84和实时优化程序可包括增加的人工调节数据，例如，当已知一特定消费者将不在操作中时，将该消费者的液体和气体需求的具体时间设定为零的能力。
以下是表格形式的计算示例，示出了各种输入和对于实时计划系统84可获得的结果类型。简化之处在于，预测期是三个小时而时间间隔为一小时。而且，考虑了两个装置，即，服务于两个消费者(消费者A和消费者B)的装置1和装置2。为了简化该示例，假定在三个小时内来自于给定装置的总的液体产品必须被运输，但是不必在生产出的那个小时内被运输。更完善的模型应包括每个位置的液体流量并且应附加约束条件以便于将箱液位保持在使用者的指定限值内。假定给出不受限定的货车运输方法，即，在给定小时内可运输多少液体的方面没有限制。
以下是简化的查阅表形式的装置模型的表，其中在标准温度和压力下与总装置电力有关的列A和B以每小时每千立方英尺的兆瓦特(“MW”)为单位(“MCFH”)。该表中的气体生产和液体生产是以“MCFH”为单位的。
以下是假定的分配成本
下表表示对于每个消费者A和消费者B在气体和液体需求量上的预测以及对于装置1和装置2预测的电力成本。气体需求量以MCFH为单位，而液体需求量以MCF为单位预测3小时时间范围内的总量消费者A液体需求量 300消费者B液体需求量 150小时1小时2 小时3消费者A气体需求量 200 200 200消费者B气体需求量 300 300 100装置1电力成本(美元/MW) 30 30 30装置2电力成本(美元/MW) 30 25 20其结果示在以下的名为“情况I结果”和“情况II结果”的表中。情况I结果是实时优化程序的起始点。这些起始点在预测期内是任意的生产率。通过优化生产和分配完成所述计算以产生最高成本。使用当前的生产可达到更适宜的起始点。情况II结果是三个小时中每个小时的最终优化结果。将在装置1和2中执行这些最终的优化结果。如果在小时1完结时在预测数据中存在变化，将再次运行所述程序。在情况I结果和情况II结果两者中如同在本发明实际应用中那样检查约束条件。在情况II中，示出了优化液体和气体生产的结果，其中在预测期内成本是最小化的。所生产的气体和液体分别以MCFH和MCF为单位。输送给消费者的液体以MCF为单位。
情况I结果所计算的液体和气体生产以及液体运输小时1 小时2 小时3装置1所生产的气体200 200 0所生产的液体0 50 100输送给消费者A的液体 0 0 0输送给消费者B的液体 150 0 0
装置2所生产的气体 300300 300所生产的液体 100100 100输送给消费者A的液体 0 0 300输送给消费者B的液体 0 0 0约束条件检查装置1最大气体极限 300300 300所生产的气体 200200 0最大液体极限 100100 100所生产的液体 0 50 100最大气体+液体极限300300 300所生产的气体+液体200250 100所生产的总液体 150所运输的总液体 150装置2最大气体极限 400400 400所生产的气体 300300 300最大液体极限 100100 100所生产的液体 100100 100约束条件检查(连续)最大气体+液体极限400400 400所生产的气体+液体400400 400所生产的总液体 300所运输的总液体 300
输送和生产数据消费者A液体需求的总量300输送的总量300消费者B液体需求的总量150输送的总量150总气体需求需求的总量500 500 300输送的总量300 500 300成本计算装置1电力消耗(MW) 2.0 3.0 2.0装置2电力消耗(MW) 8.0 8.0 8.0装置1电力成本(美元) 60.090.060.0装置2电力成本(美元) 240.0 200.0 160.0装置1分配成本(美元) 300.0 0.0 0.0装置2分配成本(美元) 0.0 0.0 600.0每小时的总成本(美元) 600.0 290.0 820.0总成本(美元) 1710.0情况II结果所计算的液体和气体生产以及液体运输小时1 小时2 小时3装置1所生产的气体 200 200 200所生产的液体 100 100 100输送给消费者A的液体 300 0 0输送给消费者B的液体 0 0 0
装置2所生产的气体 300300 300所生产的液体 0 50 100输送给消费者A的液体 0 00输送给消费者B的液体 0 150 0约束条件检查装置1最大气体极限 300300 300所生产的气体 200200 200最大液体极限 100100 100所生产的液体 100100 100最大气体+液体极限300300 300所生产的气体+液体300300 300所生产的总液体 300所运输的总液体 300约束条件检查(连续)装置2最大气体极限 400400 400所生产的气体 300300 100最大液体极限 100100 100所生产的液体 0 50 100最大气体+液体极限400400 400所生产的气体+液体300350 200所生产的总液体 150所运输的总液体 150
输送和生产数据消费者A液体需求的总量 300输送的总量 300消费者B液体需求的总量 150输送的总量 150总气体需求需求的总量 500 500 300输送的总量 300 500 300成本计算装置1电力消耗(MW) 4.0 4.0 4.0装置2电力消耗(MW) 6.0 7.0 4.0装置1电力成本(美元)120.0120.0 120.0装置2电力成本(美元)180.0175.0 80.0装置1分配成本(美元)300.00.0 0.0装置2分配成本(美元)0.0 150.0 0.0每小时的总成本(美元) 600.0445.0 200.0总成本(美元) 1245.0如果将情况I数据与情况II数据进行分析和比较的话，可容易地明白优化的情况II处于较低总成本。
虽然已参照具体实施例描述了本发明，但是如本领域中普通技术人员可明白的，在不脱离本发明精神和保护范围的情况下可作出各种变型、添加和删减。
权利要求
1.一种在多个空气分离装置中控制液体生产以便于生产液体和向多个消费者分配液体的方法，所述方法包括在预测期内针对每个消费者在预定时间间隔下获得液体产品需求和气体产品需求的需求数据；将所述需求数据和当前大气温度、压力和湿度数据输入到实时计划系统中，所述实时计划系统编有模型程序和实时优化程序；所述模型程序包括装置模型程序，用于为每个所述空气分离装置计算出所需的电力数据以便于产生来自于空气分离装置的气态和液体产品方案，并且还包括每个所述空气分离装置的生产约束条件，所述空气分离装置限制气态和液体产品的生产；电力协定模型程序，所述电力协定模型程序响应于电力数据以计算出成本数据从而为每个空气分离装置产生气态和液体产品方案；以及液体分配成本模型程序，所述程序包含可归入液体产品从每个所述地点到各个消费者或消费者群组的公路输送成本的成本运输数据，以便于计算出向所述消费者群组中的每个所述消费者分配液体产品的输送成本；以及为每个所述地点提供了液体储存约束条件；在所述预定时间间隔下执行所述模型程序和所述实时优化程序以便于为每个空气分离装置以及针对预测期在每个预定时间间隔下通过优化的气态和液体产品方案的混合的整体、非线性优化从实时优化程序中获得解决方法，其中在预测期中所述电力成本和所述液体分配成本的总成本是最小的，同时作为硬性约束条件满足气态产品的需求；以及通过控制空气分离装置执行优化的气态和液体产品方案以便于产生与优化的气态和液体产品方案一致的气态和液体产品。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述时间间隔内为每个所述空气分离装置连续地获得当前大气温度、压力和湿度数据；并且所述装置模型程序响应于所述大气温度、压力和湿度数据以计算出所述电力数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置模型程序为包含所述多个空气分离装置中每一个的电力使用数据以及气态和液体产品方案的查阅表。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于每个所述空气分离装置周期性地记录电力使用和液体生产，并且该电力使用和液体生产用于产生误差校正。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过周期性地测量所述多个消费者的液体储备箱中的液体液位，记录预测期内输送给所述多个消费者的液体以及其结果除以预测期内预定时间间隔的数量而确定每个所述消费者的液体需求，并且可通过连续地测量所述多个消费者的气体使用并且通过网络将该气体使用传输给实时计划者而确定气体需求。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述优化的气态和液体产品方案被电子地传输给所述空气分离装置的控制系统。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定时间间隔为1小时并且所述预测期为7天。
全文摘要
一种在多个空气分离装置(10、12)中控制液体和气体生产以便于生产液体和气体并向多个消费者(20、22、24)分配液体的方法，其中实时优化程序(84)使得包含在生产气体和液体产品中的电力成本以及液体产品的公路运输成本优化为最小值。
文档编号G05B13/04GK1768336SQ200480008677
公开日2006年5月3日 申请日期2004年1月27日 优先权日2003年1月28日
发明者L·梅甘, D·F·伦诺克斯, P·F·沙夫, D·阿德贝昆 申请人:普莱克斯技术有限公司