专利名称：空分塔非平衡级节能控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及空分领域，特别地，涉及一种空分塔非平衡级节能控制系统及方法。
背景技术：
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。
发明内容
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，本发明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，并提高节能性的空分塔非平衡级节能控制系统及方法。
本发明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＝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，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)判断下式是否满足，如果满足则继续步骤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，返回步骤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，返回步骤2)继续迭代。
作为优选的一种方案所述步骤8)中，泡点法计算其平衡温度和汽相界面组成，采用以下过程完成 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由物性参数计算方法计算； 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步骤5)中，计算汽液相主体的焓值的过程如下 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的物性方法包括如下步骤 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步骤6)中，计算汽液相有效传质系数的过程如下 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，在所述的步骤10)中，上位机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。
本发明的有益效果主要表现在对空分塔进行非平衡级节能控制，可以用于指导生产，在满足当前生产工况要求的前提下提高产量，降低单位产品能耗，从而提高生产效益。
图1是本发明所提出的非平衡级节能控制系统的硬件结构图。
图2是本发明所述空分塔结构示意图。
图3是本发明上位机的功能模块图。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1 参照图1、图2、图3，一种空分塔非平衡级节能控制系统，包括空分塔1连接的现场智能仪表2、数据接口3、控制站4、数据库5以及上位机6，智能仪表2与现场总线连接，所述现场总线与数据接口3连接，数据接口3与控制站4、数据库5和上位机6连接，所述的上位机6包括 信号采集模块7，用以采集当前生产工况数据； 节能控制模块8，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。
所述上位机6还包括泡点法模块9，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。
所述上位机6还包括焓模块10，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。
所述上位机6还包括物性模块11，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。
所述上位机6还包括传质系数模块12，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。
所述的上位机6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。
本实施例的空分塔节能潜力优化系统的硬件结构图如附图1所示，所述的优化系统核心由包括信号采集模块7、节能控制模块8、泡点法模块9、焓模块10、物性模块11、传质系数模块12、结果显示模块13和人机界面的上位机6构成，此外还包括现场智能仪表2，数据接口3、控制站4、数据库5和现场总线。空分塔1、智能仪表2、数据接口3、控制站4、数据库5、上位机6通过现场总线依次相连，实现信息流的上传和下达。节能控制系统在上位机6上运行，可以方便地与底层系统进行信息交换。
本实施例的优化系统的功能模块图如附图3所示，主要包括信号采集模块7、节能控制模块8、泡点法模块9、焓模块10、物性模块11、传质系数模块12、结果显示模块13等。
所述的非平衡级节能控制方法按照如下步骤进行实施 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＝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，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)判断下式是否满足，如果满足则继续步骤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，返回步骤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，返回步骤2)继续迭代。
实施例2 参照图1、图2、图3，一种空分塔非平衡级节能控制方法，所述的非平衡级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＝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，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汽相界面组成； 9)判断下式是否满足，如果满足则继续步骤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，返回步骤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，返回步骤2)继续迭代。
所述步骤8)中，泡点法计算其平衡温度和汽相界面组成，采用以下过程完成 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由物性参数计算方法计算； 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。
所述步骤5)中，计算汽液相主体的焓值的过程如下 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。
所述的物性方法包括如下步骤 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。
所述步骤6)中，计算汽液相有效传质系数的过程如下 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。
在所述的步骤10)中，上位机将节能控制结果传给控制站进行显示，并通过现场总线将计算结果传递到现场操作站进行显示。
本发明所提出的空分塔非平衡级节能控制系统及方法，已通过上述具体实施步骤进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的装置和操作方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域的技术人员是显而易见的，它们都会被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
权利要求
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，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。
6.一种用如权利要求1所述的空分塔非平衡级节能控制系统实现的节能控制方法，其特征在于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＝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，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)判断下式是否满足，如果满足则继续步骤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，返回步骤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；同时上位机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。如果满足则将空气进料流量增加一个迭代步长Δ，返回步骤2)继续迭代。
7.如权利要求6所述的节能控制方法，其特征在于所述步骤8)中，泡点法计算其平衡温度和汽相界面组成，采用以下过程完成
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由物性参数计算方法计算；
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。
8.如权利要求6或7所述的节能控制方法，其特征在于所述步骤5)中，计算汽液相主体的焓值的过程如下
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。
9.如权利要求7所述的节能控制方法，其特征在于所述的物性方法包括如下步骤
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。
10.如权利要求6或7所述的节能控制方法，其特征在于所述步骤6)中，计算汽液相有效传质系数的过程如下
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。
全文摘要
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。
文档编号G05B19/418GK101776900SQ20091015718
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者刘兴高 申请人:浙江大学