一种面向变工况调节的大型空分精馏塔塔板模型简化方法

摘要

本发明公开了一种面向变工况调节的大型空分精馏塔塔板模型简化方法。计算全负荷开环稳态控制时各级塔板上的温度相近度和温度相近度偏差；按照塔板模型分段准则对塔板进行分段；选取每个分段塔板模型中的敏感塔板；计算滞液量因子，对敏感塔板的滞液量计算值进行修正；将每个分段塔板模型中各级塔板上滞液量变化等价为一级敏感塔板滞液量变化，构建精馏塔的分段简化塔板模型，再计算精馏塔的出口参数；将精馏塔出口参数传给外围控制器，进行变工况调节。这种方法的特点是，既保证了变工况调节中精馏塔各出口组分浓度等参数值的计算精度，又提高了变工况调节的效率。

主权项

一种面向变工况调节的大型空分精馏塔塔板模型简化方法，其特征在于包括以下步骤：1）计算全负荷开环稳态控制时各级塔板上的温度相近度Φ(i)和温度相近度偏差Φa(i)；2）由步骤1）得到的数据按照塔板模型分段准则对塔板进行分段；3）选取每个分段塔板模型中的敏感塔板；4）计算滞液量因子α，对敏感塔板的滞液量计算值进行修正；5）将每个分段塔板模型中各级塔板上滞液量变化等价为一级敏感塔板滞液量变化，构建精馏塔的分段简化塔板模型，再计算精馏塔的出口参数；6）将步骤5）得到的精馏塔出口参数传给外围控制器，进行变工况调节；所述的步骤1）的计算采用以下步骤：2.1）在全负荷开环稳态控制时，根据化工流程仿真软件计算各级塔板上的温度T，根据公式1计算各级塔板与相邻塔板的温差比值f_i$F_i=\frac{T_{i+1}-T_i}{T_i-T_{i-1}}$ 公式(1)其中T_i为第i级塔板上的温度；2.2）将步骤2.1）得到的温差比值f_i代入公式2计算全负荷开环稳态控制时各级塔板温度与相邻塔板的温度相近度Φ(i)$\Phi \left(i\right)=\frac{2f_i-(f_{i-1}+f_{i+1})}{f_i+f_{i-1}+f_{i+1}}$ 公式(2)2.3）将步骤2.2）得到的温度相近度Φ(i)代入公式3计算全负荷开环稳态控制时各级塔板的温度相近度偏差Φa(i)$\mathrm{\Phi a}\left(i\right)=\left|\frac{2\Phi \left(i\right)-\Phi (i-1)-\Phi (i+1)}{\Phi (i-1)+\Phi \left(i\right)+\Phi (i+1)}\right|$ 公式(3)；所述的步骤2）对塔板进行分段采用以下步骤：3.1)根据温差比值f_i、温度相近度Φ(i)、温度相近度偏差Φa(i)对塔板模型进行如下划分：如果c₁为塔板温度相近度临界参数，则第i级塔板本身为一个分段；如果Φ(i)∈[‑c₁,c₁]且Φa(i)≤c₂，c₂为塔板温度相近度偏差临界参数，则将第i‑1、i、i+1三级塔板放在同一个分段中；如果Φ(i)∈[‑c₁,c₁]且Φa(i)＞c₂且|Φa(i)‑Φa(i‑1)|＞|Φa(i)‑Φa(i+1)|，则将第i、i+1两级塔板与第i‑1级塔板放在不同的分段中；如果Φ(i)∈[‑c₁,c₁]且Φa(i)＞c₂且|Φa(i)‑Φa(i‑1)|＜|Φa(i)‑Φa(i+1)|，则将第i、i‑1两级塔板与第i+1级塔板放在不同的分段中；如果Φ(i)∈[‑c₁,c₁]且Φa(i)＞c₂且|Φa(i)‑Φa(i‑1)|＝|Φa(i)‑Φa(i+1)|，则将第i、i+1、i‑1三级塔板放在同一个分段中；3.2)在全负荷开环稳态控制时根据公式4和公式5，针对步骤3.1)得到的每个分段中各级塔板进行滞液量偏差Φb(i)的计算：$\mathrm{\Phi b}\left(i\right)=\frac{|M_i-\bar{M}|}{\bar{M}}$ 公式(4)；$\bar{M}=\frac{\Sigma M_i}{n}$ 公式(5)；其中n为第i级塔板所在分段中塔板的数量，M_i为第i级塔板的滞液量，为第i级塔板所在分段中塔板滞液量的平均值；3.3)对于在步骤3.1）划分后的两级及以上塔板放在同一个分段情况中的所有塔板，如果其中第i级塔板的Φb(i)≥c₃，c₃为滞液量偏差临界参数，则将该第i级塔板本身为一个分段，第i+1级及以上塔板放在同一个分段中，第i‑1级及以下塔板放在同一个分段中；如果其中第i级塔板与外界有输入输出，则将该第i级塔板本身为一个分段，第i+1级及以上塔板放在同一个分段中，第i‑1级及以下塔板放在同一个分段中；所述的步骤3）的选取敏感塔板采用以下步骤：如果第j分段中只有一级塔板，则第j分段中的塔板本身为第j分段的敏感塔板；如果第j分段中有两级及以上塔板，则根据公式6～公式10计算每级塔板的评价函数Φc(i)，选取评价函数Φc(i)为最小值的塔板为第j分段的敏感塔板；$\mathrm{\Phi c}\left(i\right)={\mu }_{O_2}{(x_{O_{2,i}}/x_{O_2}^s-1)}^2+{\mu }_{\mathrm{Ar}}{(x_{\mathrm{Ar},i}/x_{\mathrm{Ar}}^s-1)}^2+{\mu }_{N_2}{(x_{N_{2,i}}/x_{N_2}^s-1)}^2$ 公式(6)$x_{O_2}^s=\Sigma (L_i+M_i)x_{O_2,i}/\Sigma (L_i+M_i)$ 公式(7)$x_{\mathrm{Ar}}^s=\Sigma (L_i+M_i)x_{\mathrm{Ar},i}/\Sigma (L_i+M_i)$ 公式(8)$x_{N_2}^s=\Sigma (L_i+M_i)x_{N_2,i}/\Sigma (L_i+M_i)$ 公式(9)${\mu }_{O_2}+{\mu }_{\mathrm{Ar}}+{\mu }_{N_2}=3$ 公式(10)其中x_Ar,i、L_i、M_i分别为第i级塔板的液氧浓度、液氮浓度、液氩浓度、液体流量、滞液量，分别为第j分段的液氧浓度、液氩浓度和液氮浓度的平均值，μ_Ar、分别为液氧、液氩、液氮的权重，根据对于氧氮氩产品品质要求的不同而设定；所述的步骤4）滞液量因子α的计算采用以下步骤：在每个分段中，根据最大负荷、最小负荷或全负荷稳态三种工况下的各级塔板滞液量计算得滞液量因子；如果分段只由一级塔板组成，则滞液量因子α＝1；如果分段由两级及以上的塔板组成，则滞液量因子由公式11得到公式(11)其中分别为最小负荷、全负荷、最大负荷开环稳态时第i级塔板上的滞液量；分别为最小负荷、全负荷、最大负荷开环稳态时的工况系数，工况系数按照精馏塔运行时对各个负荷的需求量及负荷大小确定；所述的步骤5）的构建简化塔板模型以及出口参数的计算采用以下步骤：6.1）对于一个由第m级塔板到第m+n‑1级塔板组成的、敏感塔板为第s级塔板的分段，其中m<s<m+n‑1，由公式12～公式27构建简化塔板模型：当i≠s,m≤i≤m+n‑1时，则$M_i^F=0$ 公式(12)$x_{O_2,i}^F=x_{O_2,i}$ 公式(13)$x_{\mathrm{Ar},i}^F=x_{\mathrm{Ar},i}$ 公式(14)$h_i^{\mathrm{LF}}=h_i^L$ 公式(15)0＝L_i‑1+V_i+1‑L_i‑V_i+F_i 公式(16)$0=L_{i-1}{x}_{O_2,i-1}+V_{i+1}{y}_{O_2,i+1}-L_i{x}_{O_2,i}-V_i{y}_{O_2,i}+F_i{z}_{O_2,i}$ 公式(17)0＝L_i‑1x_Ar,i‑1+V_i+1y_Ar,i+1‑L_ix_Ar,i‑V_iy_Ar,i++F_iz_Ar,i 公式(18)$0=L_{i-1}{h}_{i-1}^L+V_{i+1}{h}_{i+1}^V-L_i{h}_i^L-V_i{h}_i^V+{F_{i}h}_i^F$ 公式(19)当i＝s时，则$M_s^F=\underset{i=m}{\overset{m+n-1}{\Sigma }}{M}_i$ 公式(20)$x_{O_2,s}^F=\alpha \underset{i=m}{\overset{m+n-1}{\Sigma }}{M}_i^0{x}_{O_2,i}/M_s^F$ 公式(21)$x_{\mathrm{Ar},s}^F=\alpha \underset{i=m}{\overset{m+n-1}{\Sigma }}{M}_i^0{x}_{\mathrm{Ar},i}/M_s^F$ 公式(22)$h_s^{\mathrm{LF}}=\alpha \underset{i=m}{\overset{m+n-1}{\Sigma }}{M}_i^0{h}_i^L/M_s^F$ 公式(23)$\frac{d{M}_s^F}{\mathrm{dt}}=L_{m-1}+V_{m+n}-L_m-V_{m+n-1}$ 公式(24)$\frac{d{M}_s^F{x}_{O_2,s}^F}{\mathrm{dt}}=L_{m-1}{x}_{O_2,m-1}+V_{m+n}{y}_{O_{2}m+n}-L_m{x}_{O_2,m}-V_{m+n-1}{y}_{O_2,m+n-1}$ 公式(25)$\frac{d{M}_s^F{x}_{\mathrm{Ar},s}^F}{\mathrm{dt}}=L_{m-1}{x}_{\mathrm{Ar},m-1}+V_{m+n}{y}_{\mathrm{Ar},m+n}-L_m{x}_{\mathrm{Ar},m}-V_{m+n-1}{y}_{\mathrm{Ar},m+n-1}$ 公式(26)$h_s^{\mathrm{LF}}\frac{d{M}_s^F}{\mathrm{dt}}=L_{m-1}{h}_{m-1}^L+V_{m+n}{h}_{m+n}^V-L_m{h}_m^L-V_{m+n-1}{h}_{m+n-1}^V$ 公式(27)其中，L_i、V_i、M_i为第i级塔板的液体流量、气体流量、滞液量，F_i为第i塔板的进料量，Z_Ar,i分别为空气中的氧、氩摩尔分数，x_Ar,i、为第i级塔板的液氧、液氩、液氮摩尔分数，y_Ar,i、为第i级塔板的气氧、气氩、气氮摩尔分数，为第i级塔板的液体流量焓值、气体流量焓值；分别为简化塔板模型中第i级塔板上的滞液量、液氧摩尔分数、液氩摩尔分数、液体流量焓值；分别为简化塔板模型中第s级塔板上的滞液量、液氧摩尔分数、液氩摩尔分数、液体流量焓值；α、分别为滞液量因子和第i级塔板的初始滞液量；6.2）使用matlab软件中的ode15s函数对步骤6.1）得到的简化塔板模型进行求解，计算得到精馏塔各出口的液氧、液氩、液氮摩尔分数。