一种空分节能过程的非线性过程观测系统及方法

摘要

一种空分节能过程的非线性过程观测系统，包括与空分塔直接连接的现场智能仪表和DCS系统，所述DCS系统包括存储装置和上位机。其中智能仪表、存储装置和上位机依次相连，所述的上位机实现观测器功能，预测空分塔上塔将来时刻的组分浓度分布。所述的观测器包括检测模块，组分推断模块，组分分布函数拟合模块，将来时刻空分塔状态预测模块。所述的检测模块包括温度检测元件和压力检测元件，I/O模块。本发明也提供了一种空分节能过程的非线性动态观测方法。

主权项

1.一种空分节能过程的非线性过程观测系统，包括与空分塔直接连接的现场智能仪表和DCS系统，所述DCS系统包括存储装置和上位机，智能仪表与存储装置、上位机连接，其特征在于：所述上位机包括用以预测空分塔将来时刻的组分浓度分布的观测器，所述的观测器包括：检测模块，包括温度检测元件、压力检测元件和I/O模块，用于检测空分塔上塔各块塔板处的温度和上塔压强，并进行电信号转换，将检测信号输送到上位机；组分推断模块，用以根据采用检测到的温度，压强数据计算空分塔上塔的各塔板处的组分浓度，计算式为(1)(2)如下：$X_{i,N}=\frac{P\times {\alpha }_N\times {10}^{(\frac{T_i+c_N}{b_N}-a_N)}-1}{{\alpha }_N-1}---\left(1\right)$$X_{i,O}=\frac{P\times {\alpha }_O\times {10}^{(\frac{T_i+c_O}{b_O}-a_O)}-1}{{\alpha }_O-1}---\left(2\right)$其中X_i，N为空分塔第i块塔板处氮的液相组分浓度，X_i，O为空分塔中第i块塔板处氧的液相组分浓度，P为上塔压强，T_i为上塔各块塔板处的温度，α_N，α_O分别为氮和氧相对于氩的相对挥发度，a_N、b_N、c_N、a_O、b_O、c_O为安东尼常数；组分分布函数拟合模块，用以采用组分推断模块计算出的组分浓度数据，拟合氮的汽相组分浓度分布函数和氧的液相组分浓度分布函数如式(3)(4)${\hat{X}}_{i,N}=X_{\min ,N}+\frac{X_{\max ,N}-X_{\min ,N}}{{1+e}^{{-k}_N(i-S_N)}}---\left(3\right)$${\hat{X}}_{i,O}=X_{\min ,O}+\frac{X_{\max ,O}-X_{\min ,O}}{{1+e}^{{-k}_O(i-S_O)}}---\left(4\right)$其中i为塔板编号，分别为第i块塔板处氮的液相浓度和氧的预估液相浓度，X_min，N，X_max，N，K_N，X_min，0，X_max，0，K₀为拟合参数，S_N，S₀为空分塔组分浓度分布曲线的位置；将来时刻空分塔状态预测模块，用以根据当前组分浓度数据以及组分分布函数预测将来时刻的组分浓度分布，该模块包括以下三部分①当前时刻组分浓度分布曲线位置变化速度计算，计算过程如式(5)(6)(7)(8)：$y_{1,N}\left(k\right)=\frac{{\alpha }_N{x}_{1,N}\left(k\right)}{({\alpha }_N-1)x_{1,N}\left(k\right)+1}---\left(5\right)$$y_{1,O}\left(k\right)=\frac{{\alpha }_O{x}_{1,O}\left(k\right)}{({\alpha }_O-1)x_{1,O}\left(k\right)+1}---\left(6\right)$$\frac{{\mathrm{dS}}_N}{\mathrm{dt}}\left(k\right)=\frac{{-V}_1\left(k\right)y_{1,N}\left(k\right)-L_n\left(k\right)x_{n,N}\left(k\right)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{F}_i\left(k\right){x^f}_{i,N}\left(k\right)}{M(x_{n,N}\left(k\right)-x_{1,N}\left(k\right))}---\left(7\right)$$\frac{{\mathrm{dS}}_O}{\mathrm{dt}}\left(k\right)=\frac{{-V}_1\left(k\right)y_{1,O}\left(k\right)-L_n\left(k\right)x_{n,O}\left(k\right)+\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{F}_i\left(k\right){x^f}_{i,O}\left(k\right)}{M(x_{n,O}\left(k\right)-x_{1,O}\left(k\right))}---\left(8\right)$其中k为当前采样时刻，下角标i为塔板编号，1为塔顶编号，n为塔底的编号，下角标N、O分别代表氮和氧，上角标f代表进料，F_i(k)为第i块塔板进料流量，L_n(k)塔底液相流率，V₁(k)分别为塔顶气相流率，x_n，N(k)、x_n，O(k)分别为塔底液氮液氧的组分浓度，y_1，N(k)、y_1，O(k)分别为塔顶气氮气氧组分浓度，x^f_i，N(K)，x^f_i，O(k)分别为第i块塔板的进料液氮组分浓度和进料液氧组分浓度，M为塔板持液量，分别为液氮组分浓度分布和液氧组分浓度分布位置变化速度；②下一时刻波形位置计算以及组分浓度预测，计算过程如式(9)(10)(11)(12)$S_N(k+1)=S_N\left(k\right)+\frac{{\mathrm{dS}}_N}{\mathrm{dt}}\left(k\right)*T---\left(9\right)$$S_O(k+1)=S_O\left(k\right)+\frac{{\mathrm{dS}}_O}{\mathrm{dt}}\left(k\right)*T---\left(10\right)$${\hat{X}}_{i,N}(k+1)=X_{\min ,N}+\frac{X_{\max ,N}-X_{\min ,N}}{{1+e}^{{-k}_N(i-S_N(k+1))}}---\left(11\right)$${\hat{X}}_{i,O}(k+1)=X_{\min ,O}+\frac{X_{\max ,O}-X_{\min ,O}}{{1+e}^{{-k}_O(i-S_O(k+1))}}---\left(12\right)$其中T为采样周期，S_N(k)，S_O(k)分别为k采样时刻液氮，液氧组分浓度分布位置，S_N(k+1)，S_O(k+1)分别为k+1采样时刻液氮，液氧组分浓度分布位置，分别为k+1采样时刻第i块塔板液氮，液氧组分浓度的预估值；③组分浓度预测值修正，计算过程如式(13)(14)(15)(16)$r_{i,N}\left(k\right)=X_{i,N}\left(k\right)-{\hat{X}}_{i,N}\left(k\right)---\left(13\right)$$r_{i,O}\left(k\right)=X_{i,O}\left(k\right)-{\hat{X}}_{i,O}\left(k\right)---\left(14\right)$${\tilde{X}}_{i,N}(k+1)={\hat{X}}_{i,N}(k+1)+r_{i,N}\left(k\right)---\left(15\right)$${\tilde{X}}_{i,O}(k+1)={\hat{X}}_{i,O}(k+1)+r_{i,O}\left(k\right)---\left(16\right)$其中r_i，N(k)，r_i，O(k)分别为k采样时刻的预测误差，分别为修正后的k+1采样时刻液氮和液氧的组分浓度预测值，分别为k采样时刻液氮和液氧的组分浓度预测值。