内部热耦合空分塔节能潜力优化系统及方法

摘要

一种内部热耦合空分塔节能潜力优化系统，包括与内部热耦合空分塔连接的现场智能仪表，以及控制站、数据库和上位机，上位机包括优化计算模块，过程：设定塔的结构参数，指定优化变量初值，令迭代步数k＝0；假定各塔板液相组成，分别计算其平衡温度和汽相组成、汽液相的焓值、汽液相流量；判断下式(4)是否成立，如果成立，则继续，否则，更新各塔板液相组成；计算第k步的目标函数值f(k)；如果k≠0且|(f(k)-f(k-1))/f(k-1)|＜ε则结束迭代，输出结果，否则，迭代步数k增加1，并更新优化变量，其中f(k-1)表示第k-1(k≠0)的目标函数值，ε是容差。还提出一种内部热耦合空分塔节能潜力优化方法。本发明获取使内部热耦合空分塔满足产品纯度和产量要求且能耗最小的最优节能工况，并有效提高能量效率。

主权项

1.一种内部热耦合空分塔节能潜力优化系统，包括与内部热耦合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、数据库和上位机连接，其特征在于：所述的上位机包括：优化计算模块，用以优化计算，采用以下过程来完成：1)设定塔的结构参数，指定优化变量初值，令迭代步数k＝0；2)假定各塔板液相组成；3)对每一个塔板，分别由泡点法计算其平衡温度和汽相组成；4)对每一个塔板，分别计算汽液相的焓值；5)由式(1)(2)计算各塔板的汽液相流量：$V_{j+1}{H}_{j+1}^G+U_{j-1}{H}_{j-1}^L+F_j{H}_j^F-(V_j+S_j^G)H_j^G-(U_j+S_j^L)H_j^L-Q_j=0---\left(1\right)$$V_{j+1}+U_{j-1}+F_j^G+F_j^L-(V_j+S_j^G)-(U_j+S_j^L)=0---\left(2\right)$其中，V表示汽相流量，U表示液相流量，F表示进料流量，H^F表示进料焓值，S表示侧提流量，H^G和H^L分别是汽液相焓值，下标j-1、j、j+1分别表示第j-1、j、j+1块板，上标L表示液相，上标G表示汽相，Q表示热耦合量，由下式计算：Q＝UAΔT                        (3)其中，UA表示热耦合系数，ΔT表示耦合塔板间的温差；6)判断下式(4)是否成立，如果成立，则继续7)，否则，更新各塔板液相组成，返回3)迭代；$V_{j+1}{y}_{i,j+1}+U_{j-1}{x}_{i,j-1}+F_j{z}_{i,j}-(V_j+S_j^G)y_{i,j}-(U_j+S_j^L)x_{i,j}<0.0001---\left(4\right)$其中，x是液相组成，y是汽相组成，z是进料组成，下标i＝1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧；7)计算第k步的目标函数值f(k)：f(k)＝FH^F                       (5)8)如果k≠0且|(f(k)-f(k-1))/f(k-1)|＜ε则结束迭代，输出结果，否则，迭代步数k增加1，并更新优化变量，返回2)迭代，其中f(k-1)表示第k-1(k≠0)的目标函数值，ε是容差；所述上位机还包括：泡点法模块，用以由泡点法计算其平衡温度和汽相组成，其过程如下：3.1)假定塔板平衡温度；3.2)计算汽液平衡常数，采用以下过程完成：$\ln {\Phi }_i^L=\ln \frac{\mathrm{RT}}{P(v^L-b^L)}-\frac{b_i}{b^L}(1-Z^L)+{\xi }^L{a}^L(\frac{b_i}{b^L}-\frac{2\underset{m}{\Sigma }{x}_m{a}_{i,m}}{a^L})/b^L\mathrm{RT}---\left(6\right)$$\ln {\Phi }_i^G=\ln \frac{\mathrm{RT}}{P(v^G-b^G)}-\frac{b_i}{b^G}(1-Z^G)+{\xi }^G{a}^G(\frac{b_i}{b^G}-\frac{2\underset{m}{\Sigma }{x}_m{a}_{i,m}}{a^G})/b^G\mathrm{RT}---\left(7\right)$$K_i={\Phi }_i^L/{\Phi }_i^G---\left(8\right)$y_i＝K_ix_i                            (9)其中，Φ表示逸度系数，上标L表示液相，上标G表示汽相，R是气体常数，P是塔板压强，T是温度，下标m＝1、2、3表示组分，依次对应氮、氩、氧，摩尔体积v、物性参数b^G、b^L、b_i、a^G、a^L、a_i，m、ξ^G、ξ^L、汽相压缩因子Z^G、液相压缩因子Z^L由物性模块计算；3.3)检验是否成立，成立则结束迭代，返回计算结果，否则，更新塔板平衡温度，返回3.2)继续迭代；所述上位机还包括：焓模块，用以计算汽液相混合焓，其过程如下：$H_i^{*}=c_i+d_{i}T+e_i{T}^2+f_i{T}^3+h_i{T}^4---\left(10\right)$$H^{*}=\underset{i}{\Sigma }{y}_i{H}_i^{*}---\left(11\right)$$H^G=H^{*}-\mathrm{RT}(1-Z^G)-{\xi }^G(a^G-T\frac{d{a}^G}{\mathrm{dT}})/b^G---\left(12\right)$$H^L=H^{*}-\mathrm{RT}(1-Z^L)-{\xi }^L(a^L-T\frac{d{a}^L}{\mathrm{dT}})/b^L---\left(13\right)$其中表示第i个纯组分理想气体的焓值，H^*是混合物理想气体焓值，c、d、e、f、h为常数；所述上位机还包括：物性模块，用以计算物性参数，其过程如下：$a_{i,m}={\Omega }_{\mathrm{ai},m}{R}^2{T}_{\mathrm{ci},m}^2/P_{\mathrm{ci},m}---\left(14\right)$b_i＝Ω_bRT_ci/P_cia                   (15)$T_{\mathrm{ci},m}=\sqrt{T_{\mathrm{ci}}{T}_{\mathrm{cj}}}(1-k_{i,m})---\left(16\right)$$V_{\mathrm{ci},m}=0.125{(V_{\mathrm{ci},m}^{1/3}+V_{\mathrm{ci},m}^{1/3})}^3---\left(17\right)$Z_ci，m＝0.5(Z_ci+Z_cm)               (18)P_ci，m＝RT_ci，mZ_ci，m/V_ci，m       (19)Ω_ai，m＝0.5(Ω_ai+Ω_am)            (20)对汽相：$a^G=\underset{i}{\Sigma }\underset{m}{\Sigma }{y}_i{y}_m{a}_{i,m}---\left(21\right)$$b^G=\underset{i}{\Sigma }{y}_i{b}_i---\left(22\right)$令A^G＝a^GP/R²T²                       (23)B^G＝b^GP/RT                         (24)α^G＝2B^G-1                         (25)${\beta }^G=A^G-{3B}^G-{5B}^{G^2}---\left(26\right)$${\gamma }^G=2(B^{G^3}+B^{G^2}){-A}^G{B}^G---\left(27\right)$取初值为1-0.6P_r，用牛顿法解如下方程，即得到汽相压缩因子Z^G$Z^{G^3}+{\alpha }^G{Z}^{G^2}+\beta Z^G+{\gamma }^G=0---\left(28\right)$则，v^G＝RT/PZ^G                        (29)${\xi }^G=0.242536\ln \frac{v^G+3.561553b^G}{v^G-0.561553b^G}---\left(30\right)$对液相：$a^L=\underset{i}{\Sigma }\underset{m}{\Sigma }{x}_i{x}_m{a}_{i,m}---\left(31\right)$$b^L=\underset{i}{\Sigma }{y}_i{b}_i---\left(32\right)$令A^L＝a^LP/R²T²                      (33)B^L＝b^LP/RT                        (34)α^L＝2B^L-1                        (35)${\beta }^L=A^L-{3B}^L-{5B}^{L^2}---\left(36\right)$${\gamma }^L=2(B^{L^3}+B^{L^2}){-A}^L{B}^L---\left(37\right)$取初值为P_r(0.106+0.078P_r)，用牛顿法解如下方程，即得到液相压缩因子Z^L$Z^{L^3}+{\alpha }^L{Z}^{L^2}+\beta Z^L+{\gamma }^L=0---\left(38\right)$则，v^L＝RT/PZ^L                        (39)${\xi }^L=0.242536\ln \frac{v^L+3.561553b^L}{v^L-0.561553b^L}---\left(40\right)$Ω_ai＝C_i-D_iτ+E_iτ²-W_iτ³         (41)Ω_b＝0.070721                     (42)τ＝0.01T                         (43)其中，A、B、α、β、γ、τ是中间变量，C、D、E、W是常数，T_c、P_c、V_c、Z_c分别是临界温度、压力、体积和压缩因子，P_r是对比压力，R是气体常数，k_i，m表示第i组分和第m组分的二元交互系数，k_i，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，Ω_a、Ω_b是中间变量。