CN105659176A - 确定蒸馏塔中的化学成分的浓度时检测故障 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定蒸馏塔中的产品、尤其是空气的化学成分的浓度的方法，所述方法涉及实施用于从由一个或多个传感器(41-45，51-55)执行的测量来估计成分浓度的模型，所述模型使用使得可以将所述塔的运行变化考虑在内的调整参数，所述方法包括一步骤，其涉及检测所述调整参数的超出所述参数的标称变化范围之外的值(200)以便诊断一个或多个所述传感器中的故障D。

Description

确定蒸馏塔中的化学成分的浓度时检测故障

技术领域

本发明涉及检测设备中的故障并涉及确定蒸馏塔中的化学成分、尤其是空气的浓度的方法。本发明还涉及相应的空气分离单元。

背景技术

术语“浓度”在这里以及下面的文本中具体是指“摩尔分数”。为简化的目的而使用术语“浓度”。

使用空气分离单元(已知缩写为ASU)需要了解形成这些单元的蒸馏塔内的浓度和/或温度。

市面上存在的传感器——也称为浓度分析仪——使得可以在蒸馏塔的给定位置测量化学成分的浓度。为了能够正确使用所述塔，建议检查由传感器进行的测量的可靠性。

已经为此提出许多方法。这些方法主要是基于由传感器进行的各个测量之间的数据校正技术。该方式通常限于稳态运行模式，或者对于最相关运行模式、过渡状态运行模式，则需要明确确定的运行条件。所述方法往往依靠黑匣子模型，其真实性、开发、维护性和效率仍然是有问题的，尤其是当应用到复杂的工业单元时。

另外，除了其过高的成本，使用浓度分析仪也使得有必要提供附加管道以用于取出塔中的样品。

不希望添加管道和穿孔，因为它们会破坏塔的绝缘性。因此，可以在塔中使用的浓度分析仪的数量是有限的，使得不可能在塔各个部位测量浓度。

因此有利的是，基于有限数量的已安装的传感器实时估计蒸馏塔的任何位置的浓度，这尤其考虑到由蒸馏塔处理的产品的量的变化。

已经为此开发了一些方案。这些方案依靠模型，所述模型可以通过计算从传感器测得的值重建沿所述塔的成分浓度。所取得的结果的可靠性当然取决于所使用的模型的可靠性，但也取决于传感器的可靠性。这样，可以理解快速检测传感器工作中的任何异常的重要性。

可以设想各种方式。在第一方式中，在过程中加入一模型以估计对传感器故障产生影响的浓度。该模型使得具体的、虚构的数据改变，数据的值在正常工作条件下设定为零。然后当虚构数据的值变成距离零太远时发出警报。另一方式包括检测所获得的浓度值中的突然改变。然而，这些方式在计算需求方面都很麻烦。

同时，已知用于使用模型估计沿着塔的浓度的方法，该模型称为波浪模型。根据此模型，蒸馏塔被视为连续床层，浓度分布沿所述床层类似于随着气体和液体流动传播的波浪推进。这导致浓度分布具有沿塔成大致S形状的外观。所述波浪模型通过称为形状因子的参数被参数化，该参数调节波形、尤其是其外观的变平。

通常，形状因子在现有波浪模型中被认为是常数。因此，利用该模型，所述波浪在塔中行进，而其形状保持不变。但是，当运行条件改变时，尤其是在高纯度下，这种假设是错误的。为了解决这个缺陷，存在校正方法，该方法使用推理模型或在线估计将形状因子关联到运行条件，使得可以改变曲线的外观。

虽然与另一方式有关，本申请人已经进一步开发了一种方法，该方法使用一种用于估计浓度的模型，其也利用调整参数，使得可以将塔的运行变化考虑在内。

EP-A-0701186和US-A-5313800描述了根据权利要求1的前序部分的方法。

发明内容

本发明旨在基于这种类型的模型来改进浓度传感器的故障检测。

为此，本发明的一个主题是一种用于确定蒸馏塔、尤其是填料蒸馏塔中的产品、尤其是空气的化学成分浓度的方法，在该方法中实施一模型，该模型使得可以从一个或多个传感器的测量值估计成分的浓度，所述模型使用调整参数，该调整参数使得可以将塔的运行变化考虑在内，其特征在于，所述方法包括一步骤，在该步骤中检测所述调整参数在超出所述参数的标称变化范围之外的值以便诊断一个或多个所述传感器的故障。

本发明基于通过这种类型的模型的观察，只要传感器工作正常，则调整参数以已知的方式变化。另一方面，如果一个或多个传感器发生故障，则所述调整参数发生不规律变化，因为往往会考虑到所述塔的不真实的运行变化。这样，足以监测调整参数的变化，以便发现故障。因此，用于估计浓度的该模型的实际变量之一被用来确定传感器的工作中存在的异常，这有利于所述过程。

根据本发明的可以共同或单独使用的各种特征：

-所述方法包括预先步骤，其中，建立所述参数的至少一个所述标称变化范围，

-所述预先步骤包括学习步骤，其中，记录所述调整参数在至少一个时间周期所取的全部或部分的值，称为基准值，

-所述预先步骤包括从所述基准值确定所述标称变化范围的步骤，

-所述学习步骤通过所述蒸馏塔进行，

-所述预先步骤包括融合来自若干个蒸馏塔的数据的步骤并且所述确定所述标称变化范围的步骤利用所述数据融合来确定总体/总的标称变化范围，

-所述预先步骤包括从对应于所述设施的全部或一部分的标称变化范围和/或整体标称变化范围选择所述标称变化范围的步骤，

-所述方法包括记录所述调整参数在所述调整参数偏移到超出所述标称变化范围之外的期间取的值——称为初始标称变化范围——的步骤，以及当验证使得可以确认与所述偏移相关联的故障是误报时，修改所述初始标称变化范围以给出扩大的范围的步骤，将超出所述初始标称变化范围之外的调整参数的值考虑在内，

-提供了若干个标称变化范围，每一个范围对应于所述蒸馏塔的给定的运行条件并且所述方法包括确定所述蒸馏塔的运行条件的步骤和选择对应的标称变化范围的步骤，

-所述蒸馏单元包括若干个区域，每一个区域利用一个所述调整参数以及每一个所述区域使用一个所述标称变化范围。

因此，根据本发明的一个方面，所使用的模型的类型使得可以估计随时间和沿塔的纵轴的位置变化的各成分的浓度。

更具体地，其可以是这样的模型，该模型利用与所述成分沿着塔的对流有关的传播项，和与所述成分在塔中的扩散有关的轴向扩散项，所述调整参数使得可以对扩散的影响相对于传播的影响进行加权。具体地，具有非常低、尤其是比1低得多的值的调整参数使得可以对扩散项进行加权。

本发明的模型的扩散项从液相和气相之间的交换得出。具体地，在填料蒸馏塔中，向上的气体或蒸气流与向下的液体流接触。这通过单个蒸气流与单个液体流跨单个接触界面的接触来简单建模。在界面处，液体和气体是共存的并且在任何时刻都满足热力学平衡，该平衡决定了处于液相和气相的成分的浓度。距离界面越远，流体的热力学联接程度越低。因此，远离界面时，浓度与界面处的浓度不同。在每个相中，朝向界面的扩散流倾向于使浓度重新均匀化。由于不仅考虑到成分沿塔的对流现象，而且还考虑到成分的扩散，本发明的方法提供了对浓度的判断正确的估计。

此外，通过沿着与浓度随传播项变化所沿着的轴线相同的轴线、即所述塔的纵向轴线表述扩散现象，待执行的计算的加权被减少并且模拟被实时进行。

可以注意到，这样的模型源自微观分析，尤其是源自涉及塔的无穷小横截面中的成分浓度的某些现象的等式的形成。这样，该模型的扩散项尤其从液相和气相之间的微观交换得出。

最常见的是，由于塔是竖直定向的，沿着塔的纵向轴线的位置将代表沿着塔的竖直位置。然而，本发明也能应用在具有其它取向、尤其是水平取向的塔中。

通过举例，根据本发明的模型提供沿轴线的浓度值，其原点被放置在最不易挥发的化合物的浓度为最小的塔的端部并且定向在所述最不易挥发的化合物的浓度增大的方向。换句话说，对于具有垂直取向的空气蒸馏塔，最不易挥发的化合物是氧气，原点是塔的顶部，该轴线沿着氧气的浓度增加来定向，即从顶部到底部。

应当注意的是，填料蒸馏塔被理解为指的是包括金属片材形式的元件的蒸馏塔，所述金属片材限定了用于穿过所述塔的液体和气体的流通的通道网络，所述片材构造成使得所述通道极大地相通，从而促进在所述通道中流通的液相和气相的接触。因此，本发明更广泛地适用于包括限定这种流体流通通道网络的元件的任何蒸馏塔技术。

有利地，该模型使用两个不同的时间尺度，以便既考虑到纵向流通，也考虑到垂直于所考虑的无穷小横截面中的成分的界面、也就是沿着横向于塔的纵向轴线的方向的流通，所述沿着垂直于界面的方向的流通比纵向流通更快。

由于使用这两个尺度，在塔中发生的所有物理现象都被考虑在模型内，同时允许进行减少加权计算的简化。

根据本发明的这个方面，所述模型使用例如对流-扩散的偏微分方程，该方程关联了时间的一阶导数、与塔中所述成分的浓度有关的值的在塔中的纵向位置的一阶导数和二阶导数，所述调整参数与所述二阶导数相关联。

所述模型还利用例如所述成分的浓度作为从求解所述等式得到的中间值的函数的近似表达式。

具体地，所述近似表达式是关于该调整参数的截断展开式，所述截断展开式包括表示缓慢现象的零阶项，和表示扰动的一阶项。

从所述偏微分方程得出的是所述中间值根据时间和在所述塔中的纵向位置的分布，并且通过将所述中间值代入到所述近似表达式确定了塔中成分的浓度根据时间和在所述塔中的纵向位置的分布。

例如，所述偏微分方程具有如下形式：

$f\left(X\right)\frac{\∂X}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂z}\[-LX+Vk\left(X\right)\]+\∈\frac{\∂}{\∂z}\[G\left(X\right)\frac{\∂X}{\∂z}\]$

其中：

·t为时间；

·z代表沿着塔的从顶部到底部定向的轴线的位置；

·L和V代表塔中的液体和气体各自的流率；

·X是代表所述中间值在时刻t、位置z的向量；

·k为X的函数、有利地非线性函数的矩阵，表达所述成分的液相和气相之间的热力学平衡；

·f和G是X的函数的矩阵；和

·ε是调整参数。

函数的矩阵被理解为指的是在区间[0；1]中应用大小为A的实值矢量集[0；1]^A，其中A是矢量X的大小，在实数R的集中的实值矩阵集M(R)_AxN中，具有A行和N列，N等于1或A。

根据优选实施例，当混合物含有M种成分时，矢量X的大小等于M-1，假定各组分的浓度的总和等于1。

通过举例，在空气分离单元中，如果所关注的成分是氧气、氮气和氩气，则矢量X的大小等于2。在简化的二元混合物例如氧气和氮气的混合物的情况下，矢量X的大小为1并且偏微分方程是纯线性的。

所述扩散项是例如塔中的液体和气体的流速的函数。换句话说，上面给出的等式中，函数G的矩阵通过L和V参数化。

函数f和G可取决于代表液体和气体含率的参数σ的矢量。

根据一个实施例，σ和/或L和/或V取决于时间t和/或位置z。

优选地，该方法包括偏微分方程的数值求解的步骤。

例如，该数值解法使用时间和空间的有限差分技术以确保快速计算和低的计算复杂度。根据一个实施例，用于数值解法的时间步长是大约介于秒量级的值和分钟量级的值之间，空间步长设定在大约10厘米。

用于处理等式的数值方法可以写成隐式或显式的形式。为了获得既不是负值也不大于1的计算的浓度，优选利用隐式方法，即使它需要更多的计算。

根据一个实施例，所述塔包括用于供给和/或提取产品和/或产品成分的全部或一部分的部位。所述模型将所述塔划分成若干段，称为均质段，每一个(均质段)都设置在沿着塔的高度的两个相邻的供给和/或提取部位之间。所述对流项和/或所述扩散项适于每个均质段。尤其是可以适应参数σ的矢量。适应用于每个均质段的各组参数使得可以改进模型的精度。

所述模型还可以利用描述塔的两个段之间、尤其是两个均质段之间，以及所述塔的端部的质量守恒原理的边界条件。

因此边界条件在填充塔的均质段的端部完成所述模型。出现两种情况。第一种情况是，所述段位于所述塔的一端。在这种情况下，边界条件表示部分或全部再循环所述离开塔的流量以便在塔的顶端获得蒸气和在底端获得液体。第二种情况是，所述段连接到另一个段。在这种情况下，边界条件表示在两个相邻的段之间抽出或注入液体和/或气体。

因此，所述方法可以另外包括以下步骤：

-测量所述塔(14，26)的至少一个位置上的至少一种所述成分的浓度；和

-借助于从测得的浓度确定的调整参数来调整所述模型。

更具体地，根据所述方法，尤其是迭代地可以：

-借助于所述模型通过所述调整参数的第一值来估计所述塔的发生测量的所述位置上的所述成分的浓度，

-建立浓度的估计值与测定值之间的误差，

-建立作为所述误差的函数的调整参数的第二值，

-在所述模型中通过第二值替换调整参数的第一值。

因此，在塔的指定位置例如通过浓度分析仪测得的浓度与在相同位置通过本发明的模型确定的浓度的比较提供了估计误差，该估计误差随后用于调整所述模型。测得的浓度可以尤其是在塔的顶部和/或底部——混合物的成分之一具有高纯度的部位——的浓度。

本发明还涉及一种用于确定蒸馏塔、尤其是填料蒸馏塔中的产品、尤其是空气的化学成分的浓度的设备，所述设备包括一个或多个传感器，和用于实施能够从(一个或多个)传感器的测量值估计所述成分的浓度的模型的装置，所述模型使用调整参数，该调整参数使得可以将塔的运行变化考虑在内，其特征在于，该设备还包括用于检测所述调整参数的背离所述参数的标称变化范围之外的值以便能够诊断一个或多个所述传感器的故障的装置。所述设备构造成尤其用于实施上述方法。

本发明还涉及一种空气分离单元，包括至少一个空气蒸馏塔以及用于确定上述塔中的空气的成分的浓度的设备。

本发明还涉及一种计算机程序，包括当该程序由处理器执行时用于实施上述方法的指令。

本发明还涉及一种记录介质，所述程序被存储在该介质中。

附图说明

现在将参考附图更具体地、但非限制性地描述本发明的示例性实施例，在附图中：

-图1是示出根据本发明的一个实施例的空气分离单元的结构和操作的概要图；

-图2是示出图1的分离单元的塔的无穷小部段的图示；

-图3是示出图3的无穷小部段中的现象的图示；

-图4是示出根据本发明的一个实施例的用于确定浓度的方法的操作的曲线图；

-图5示出根据本发明的方法的用于检测空气分离单元的传感器故障的方法的第一示例，通过将所述调整参数的值作为时间的函数来表示；

-图6示出根据本发明的方法的用于检测空气分离单元的传感器故障的过程的第二示例的学习阶段，通过将所述调整参数的值作为时间的函数来表示；

-图7示出图6的方法的应用阶段，通过将所述调整参数的值作为时间的函数来表示；

-图8示出根据本发明的方法的用于检测空气分离单元的传感器故障的过程的第三示例的学习阶段，通过将所述调整参数的值作为时间的函数来表示；

-图9示出图8的过程根据第一变型的应用阶段，通过将所述调整参数的值作为时间的函数来表示；

-图10示出图8的过程根据第二变型的应用阶段，通过将所述调整参数的值作为时间的函数来表示；

-图11示出根据本发明的方法的一个实施模式将空气分离单元分成多个区域；

-图12示出根据本发明的方法的另一实施模式的学习阶段，通过将与图11的所述分离单元的各个区域相关联的所述调整参数的值作为时间的函数来表示；

-图13示出所述实施方式的应用阶段，通过将与图11的所述分离单元的各个区域相关联的所述调整参数的值作为时间的函数来表示，以及

-图14示出根据结合图13进行的观察的图11的所述分离单元的状态作为时间的函数。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的低温空气分离单元2。该单元使得可以从空气获得基本上纯的氧气、氮气和氩气，无论是液态或气态形式。

以已知的方式，所述分离单元2包括称为高压塔的第一填料蒸馏塔14和定位成与高压塔14垂直相邻的第二填料蒸馏塔26。所述分离单元还包括称为粗氩塔的第三填料蒸馏塔34和称为纯氩塔的第四填料蒸馏塔36。

高压塔14包括数个均质段16、18、20，此处有三个均质段。低压塔26也包括数个均质段，此处有五个均质段。粗氩塔此处包括单个的均质段。纯氩塔包括数个均质段，此处有两个均质段。

在其中一个塔的均质段的每一端发生空气的引入或者一种或多种成分(从其它塔之一蒸馏获得)的引入，或者提取从所讨论的塔中蒸馏获得的一种或多种成分，其可以是液相和/或气相。这样执行了称为回流蒸馏类型的蒸馏。

无需进入更详细的说明，高压塔14被供给液相空气，如附图标记AIR1相关联的箭头所示，以及气相空气，如附图标记AIR2相关联的箭头所示。气相空气的供给发生在塔的底部，液相空气的供给发生在均质段16的上方，该均质段16刚好在高压塔14的底部24的上方。几乎纯液态氮——在图1中标识为LIN——在高压塔14的顶部回收。几乎纯液态氧——标识为LOX——在低压塔26的底部28回收。富氩液体——标识为LAR——在纯氩塔36的底部回收。

分离单元2还可以包括热交换器30，引入和/或离开高压塔和/或低压塔14、26的一些流体在该热交换器中进行热交换。所述高压塔和低压塔还可以配置成用于允许在所述高压塔14的顶部和所述低压塔26的底部之间进行热交换以便使处于该高度的成分能够分别液化和气化。

有利地，三个氧浓度分析仪41、42、43被放置在低压塔26的确定位置以及两个分析仪44、45被放置在高压塔14的确定位置。

此外，分离单元2包括用于确定高压塔14和低压塔26的任意位置上的空气的化学成分的浓度的设备50。特别地，该设备50包括处理器，该处理器能够利用描述成分浓度作为时间的函数以及沿着这些塔14、26的每一个的位置变化的模型。

所述模型使用由分析仪41、42、43、44、45测得的值，同时利用使得塔的操作变化也被考虑在内的调整参数。

该设备50的操作在本说明书的其余部分的关于所述模型的实施例中进行详细说明，该实施例利用与所述成分沿着塔的对流相关的传播项，以及与所述成分在塔中的扩散相关的轴向扩散项，调整参数使得可以相对于传播效果对扩散效果进行加权。

在本说明书中，在没有任何其它规定的情况下，术语塔是指图1的塔14、26中的一个。

由设备50所使用的模型包括下列偏微分方程(1)：

$f\left(X\right)\frac{\∂X}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂z}\[-LX+Vk\left(X\right)\]+\∈\frac{\∂}{\∂z}\[G\left(X\right)\frac{\∂X}{\∂z}\]---\left(1\right)$

其中：

·t代表时间；

·z代表沿着塔的从顶部到底部定向的轴线的位置；

·L和V代表塔中的液体和气体各自的流率；

·X是代表与成分的浓度相关的中间值在时刻t、位置z的向量；

·k是表示所述成分的液相和气相之间的热力学平衡的函数的矩阵；

·f和G是X的函数的矩阵；以及

·ε是调整参数。

函数k可以是非线性的。例如，其以下面的方式表达：

$k\left(x\right)=\frac{\mathrm{\α}x}{1+(\mathrm{\α}-1)x},$

其中，α是所讨论的成分相对于行(row)M的化合物的相对挥发性，其浓度不被计算，但是从其它化合物的计算浓度中推出，如上所述。

等式(1)的第一项代表传播项。等式(1)的第二项代表轴向扩散项。它来自于考虑了简化后的快速微观现象，即横向微观扩散。

现在参考图2和3描述等式1的微观起源。为清楚起见，该混合物被认为是氧气/氮气二元混合物，因此等式1是标量，x和y对应于分别处于液相和气相的氧气浓度。

图2代表塔14、26的高度为dz的无穷小区段S，其中研究对流和扩散现象。

在填料蒸馏塔14、26中，向上的气体流与向下的液体流接触。

参照图3，该物理现象可以简单地建模为单个气体流80与单个液体流82横跨单个接触界面84接触。

箭头86、88示出了气体流80从底部到顶部的垂直运动，箭头90、92示出了液体流82从顶部到底部的垂直运动，横轴代表在液体/气体界面处的距离，X和Y坐标轴分别代表液体和气体的浓度。

在界面84处，液体和气体共存并且在任何时刻都处于热力学平衡，这意味着界面处的浓度根据公式(2)：

y^*＝k(x^*)(2)

其中星号“*”表示是在界面84处评估的变量。

远离该界面，流体不再热力学耦合，使得浓度与界面处的浓度不同。

由箭头90、92表示的液体的向下运动通过关系式(3)描述：

${\mathrm{\σ}}_L\frac{\∂x}{\∂t}=-\frac{\∂\left(Lx\right)}{\∂z}+\frac{{\mathrm{\λ}}_L}{\∈}(x^{*}-x)---\left(3\right)$

其中σ_L代表所讨论的成分的液相停滞以及λ_L代表液相扩散系数。

同样，由箭头86、88代表的气体的向上运动通过关系式(4)描述：

${\mathrm{\σ}}_V\frac{\∂y}{\∂t}=\frac{\∂\left(Vy\right)}{\∂z}+\frac{{\mathrm{\λ}}_V}{\∈}(y^{*}-y)---\left(4\right)$

其中σ_V代表所讨论的成分的气相停滞以及λ_V代表气相扩散系数。

值得注意的是，所述模型被放在慢速时间尺度中时不适合，该慢速时间尺度不考虑使液相和气相之间能够进行质量交换的径向扩散现象，因为其太快。

相反，本发明的模型还使用快速尺度来描述由箭头94、96、98代表的该流通现象。

在每个相中，扩散流94、98倾向于使所述浓度重新均匀化。扩散则最终影响界面84，其不能积聚或产生物质。因此，质量交换流96必须穿过界面84并因此使得可以联接各相的扩散流。这种2相之间的质量交换通过关系式(5)表示：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_V}{{\mathrm{\λ}}_L\mathrm{\ϵ}}(Y^{*}-Y)+\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}(X^{*}-X)=0---\left(5\right)$

调整参数ε是非常小的，尤其是比1小得多。项λ_V/ε可被同化到与气相中的扩散流相关联的扩散系数中，以及项λ_L/ε可被同化到与液相中的扩散流相关联的扩散系数中。当塔填料有效时，假设扩散系数非常大是合理的。通过这个假设，等式(2)至(5)的系统可以被简化。

为了实现这个简化，在此使用称为不变流形技术的技术，尤其是称为中心流形技术的技术。这种技术可以保留整体质量平衡。该技术还可以使模型的结构中的一个相相对于另一个相不占优势，特别是从液体/蒸气停滞的观点来看和从热力学平衡的观点来看。

然后还原得出等式(1)，其中，函数G使得可以将塔的操作条件与扩散效果相关联。

函数G可以表示如下：

$G\left(X\right)=\frac{\frac{k^{\′}{\left(X\right)}^2}{{\mathrm{\λ}}_L}+\frac{k^{\′}\left(X\right)}{{\mathrm{\λ}}_V}}{{({\mathrm{\σ}}_L+{\mathrm{\σ}}_V{k}^{\′}(X\left)\right)}^2}{({\mathrm{\σ}}_{V}L+{\mathrm{\σ}}_{L}V)}^2---\left(6\right)$

其中，k'是函数k的导函数。该导函数使得可以示出L和V对扩散的局部作用。

函数f可以表示如下：

f(X)＝σ_L+σ_Vk′(X)(7)

应当指出的是，参数σ、L和V可以依赖于时间t和位置z。

该模型还可以描述各相的浓度。

更具体地，为此使用所述成分的浓度作为从求解等式(1)得出的中间值的函数的近似表达式。所述近似表达式是例如关于调整参数的截断展开式，所述截断展开式包括代表慢速现象的零阶项，和代表扰动的一阶项。这可以理解为指的是零阶项代表其中快速现象被认为是瞬时的系统操作，扰动的一阶项至少部分地考虑所述快速现象的非瞬时性。

液相浓度x可以表示成例如：

$x(z,t)=X-\∈{\mathrm{\σ}}_V\frac{G\left(X\right)}{{\mathrm{\σ}}_{V}L+{\mathrm{\σ}}_{L}V}\frac{\∂X}{\∂z}---\left(8\right)$

气相浓度y可以表示成例如：

$y(z,t)=k\left(X\right)+\∈{\mathrm{\σ}}_L\frac{G\left(X\right)}{{\mathrm{\σ}}_{V}L+{\mathrm{\σ}}_{L}V}\frac{\∂X}{\∂z}---\left(9\right)$

因此，为了估计成分的液相和气相浓度，可以根据时间和在塔中的垂直位置从等式(1)提取所述中间值X的分布，然后根据时间和所述塔中的垂直位置确定塔中的成分的液相浓度x和气相浓度y的分布，通过将所述中间值X代入所述近似表达式(8)和/或(9)。

这种方法在设备50中实施。

除了等式(1)，该模型包括在这里描述所述塔的两个段、尤其是两个均质段之间以及所述塔的端部的质量守恒原则的边界条件。更具体地，等式(1)中的扩散效果必须在这些边界位置被保留。

图4示出用于确定空气分离单元2中的氧气浓度分布的设备50的操作。

已知的数据100被提供给确定设备50。这些数据尤其包括分离单元2的确定位置处的温度和/或压力和/或液体和/或气体流率。

此外，浓度分析仪41、42、43、44、45为确定设备50提供塔14、26的确定位置的氧气浓度的离散测量值102。由此建立模型的初始版本。可替代地，还可以选择任意的初始值。

从这些数据开始，设置有由等式(1)代表的模型的确定设备50迭代地估计在塔14、26中的氧气浓度分布。

在第一次迭代过程中，调整参数ε设定成特定值。确定设备50使用所述模型估计氧气浓度分布104，该模型自身并入了调整参数的这个值。

然后，确定设备50对在确定位置所估计的浓度和离散测量值进行比较，并且从中推导出估计误差(图4中的方框106)，用于调节所述调整参数ε(图4中的方框108)。

因此，开始时，在最初几次迭代过程中，浓度分布是非常不准确的。一段时间后，参数ε被正确地调整。然后，确定设备50可提供精确的浓度分布。

优选地，每个塔14、26都有其自身的调整参数ε。

在估计浓度分布的过程中，确定设备50对所述偏微分方程(1)进行数值求解。

为此，使用时间和空间有限差分的技术以确保低复杂度的快速计算。为数值求解所选择的时间步长在此设定为大约一秒钟以及空间步长设定为大约10厘米。

用于处理所述等式的数值解法例如借助于隐式解法编写，使得计算出的浓度既不是负值也不大于1。

根据一个优选实施例，用于调节所述调整参数的原则108如下：

-如果调整参数ε为一个正确的值，则等式(1)的数学模型是现实的。在这种情况下，估计误差是零；

-如果估计误差不为零，则该数学模型是不正确的。因此，有必要改变调整参数ε的值。

这里，确定设备50使用一附加的等式(10)：

$\frac{d\mathrm{\ϵ}}{dt}=M---\left(10\right)$

其中M是估计误差以及可选地其它参数的函数。

等式(10)使得可以连续改变调整参数ε以便保持估计误差尽可能低。

例如，函数M可以直接使用一个或多个估计误差，并且可以考虑其它参数，例如液体和/或气体的流率、压力等。

可以使用仅取决于单个估计误差的简单线性函数M。另外，函数M也可以使用更复杂的结构以便加速估计误差的减小。

因此，图5至10、12和13示出了给出作为时间的函数的调整参数ε的值的曲线200。

根据本发明，所述用于确定浓度的方法包括步骤202，下文也称为应用阶段，其中，检测所述调整参数的超出/脱离所述参数的标称变化范围的值。这样，诊断出一个或多个所述传感器的故障D，例如，通过发出警报。因此，由于本发明，很好地利用了已经用于获得成分浓度的值的评估的变量之一，从而附加地检测用于所述评估的传感器的异常。

有利地，所述方法包括预先步骤204，其中建立所述参数的至少一个所述标称变化范围。

所述预先步骤204可以包括学习步骤206，其中记录由所述调整参数在至少一段时间上取的全部或部分的值，称为基准值208。

如图5更具体地示出，所述预先步骤还可以包括初始化步骤210，在该步骤期间，忽略所述调整参数的值以避免该值在仍然很不精确时被考虑在内，例如在上面说明的可能性。

所述预先步骤204可以附加地包括从所述基准值206确定所述标称变化范围的步骤。这可以是识别所述调整参数所取的最大值和最小值的步骤。所述确定的变化范围在此位于最大允许值212、212'和最小允许值214之间。

这里也可以设置处于中间上阈值214、214'和中间下阈值216之间的中间范围。然后，根据本发明的模型配置成用于在调整参数的值超出所述中间范围时发出警告W。

所述预先阶段之后，通过监测由所述调整参数取得的值来利用所述模型。因此将可以记录由调整参数在所述调整参数超出所述标称变化范围之外的偏移220的期间所取的值。尤其是可以随后触发用于验证传感器的操作。

在这方面，根据本发明的一个实施例，所述方法可以包括如下步骤，即，当执行的验证使得可以确认相关联的故障是误报时，修改初始的标称变化范围222以给出扩大的范围224，将调整参数在所述偏移220期间取的值考虑在内。误报可以理解为指的是由模型发出存在异常的警报，而该异常在验证后属于不实。换句话说，所有的传感器都处于正常工作状态。

这里，与初始标称变化范围相关联的最大允许值212被扩大的标称变化范围224的上允许值212'代替。中间范围同样如此，与初始标称变化范围相关联的中间上阈值214被与扩大的标称变化范围224相关联的中间上阈值214'代替。

换句话说，在图5中，在时间上首次通过更高的值发生的偏移220对应于更新所述调整参数的标称变化范围的步骤，仅其次通过更低的值发生的偏移220对应于检测实际的故障D。此外，还可以观察到其后发出的警报W并未跟随以故障的检测，调整参数的值随后返回中间范围内。

根据图6和7所示的一个有利实施例，提供了多个标称变化范围312、312'，每个范围对应于所述蒸馏塔的给定的操作条件300、300'。

更具体地，如图6所示，在学习阶段206，检测到各种操作条件300、300'，并且所述标称变化范围312、312'中的一个与所述操作条件300、300'中的一个相关联，如箭头302，302'所示。

如图7所示，一旦处于应用阶段，所述方法包括确定蒸馏塔的操作条件的步骤和以迭代方式选择相应的标称变化范围312、312'的步骤。

这里示出一连串的对应于第一标称变化范围312的第一应用阶段304，接着是对应于第二标称变化范围312'的第二应用阶段306，接着是第三应用阶段308，其中对应于第一标称变化范围312。

可观察到的是，这样的实施方式避免在调整参数的值在点310处以较低值超出第一标称变化范围312时发出对应于故障的警报，因为随后进入第二操作阶段306，在该操作阶段中，调整参数的值随后处于对应的标称变化范围312'中。在点314处同样正确的是，尽管这次调整参数的值为超出第二标称变化范围312'的更高的值，但随后第一标称变化范围312适用。发出的对应于故障D的警报(这里在第二操作阶段306和第三操作阶段308期间)则更为相关，因为考虑到塔的不同的运行条件。

根据第一变型，对应于已经评论的图5、6和7，仅通过所述蒸馏塔进行所述学习步骤206。

根据另一变型，如图8所示，所述预先步骤204——包括融合源自数个蒸馏单元或塔的融合数据232、234、236的步骤230以及确定所述标称变化范围的所述步骤——则称为总体标称变化范围，利用所述数据融合。所述预先步骤则包括从对应于每个所述单元的标称变化范围和总体标称变化范围412中间选择所述标称变化范围的步骤238。这里，只有对应于来自第二单元的数据234的标称变化范围412-2被识别和示出，以便于展示。

这样，若干个可能的标称变化范围可用，即，例如所述总体标称变化范围412即最宽范围和对应于产生数据的蒸馏单元或塔的全部或部分的标称变化范围412-2。这样可以通过利用来自特定设施、尤其是已知相近或相似操作的设施的历史来缩短或甚至取消学习阶段。

如在图9和10所示，在应用阶段中，随后选择所述标称变化范围之一以便应用所述模型。在图9中，选择总体标称变化范围412。在图10中，是对应于来自第二应用的数据的范围412-2。这样可以观察到关于发出警报D的不同。

如图11所示，可以认为蒸馏单元10包括若干个区域240、242，每一个区域应用一个所述调整参数。更具体地，每一个区域包括分开的浓度传感器或分析仪51、54、55，所述区域中的某些可以具有共同的浓度传感器或分析仪52、53。这里设置有含有第一、第二和第三传感器51、52、53的第一区域240和含有第二、第三、第四和第五传感器52、53、54、55的第二区域242。

如图12所示，确定了一个所述标称变化范围512-1、512-2，待在应用阶段用于塔10的所述区域240、242中的每一个。

如图13和14所示，这样的方案的一个优点是便于识别(一个或多个)故障传感器。

在图13中可见，发出对应于第一区域240的第一警报A1，然后发出对应于第二区域242的第二警报A2，该第二警报A2在第一警报A1之后。

在图14中，这通过第一警报A1之前的第一序列244表示，第一序列对应于故障不存在的信息的发出。该第一序列244之后是在第一警报A1至第二警报A2范围内的第二序列246，在此期间，发出可能有故障的第二序列信息。该第二序列246然后是在第二警报A2之后发生的第三序列248，在此期间发出故障信息的第三序列。对序列244、246、248的系列的分析使得可以相信受影响的是第一区域240的传感器之一，因为异常首先出现在该区域。

再次参照图13，可以看到，恢复正常后，对两个区域240、242同时发出新的警报A3。

在图14中，所述恢复正常对应于第四序列250，并且新的警报A3对应于第六序列252的开始，其中直接发出故障信息，而无需经过发出可能有故障的信息的步骤。序列250、252的这种系列使得可以相信所述异常影响了两个区域240、242共用的传感器252、253，因为其同时出现在两个区域中。

当然，上述根据本发明的用于确定浓度的设备设置成能够这样检测故障。在这方面，该设备包括用于检测所述调整参数的超出所述参数的标称变化范围的值200的装置。为此，所述装置将能够利用例如由所述设备的处理器50运行的计算机程序。所述计算机程序被可选地存储在记录介质上。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于确定蒸馏塔中的产品、尤其是空气的化学成分的浓度的方法，在所述方法中实施使得可以从由一个或多个传感器进行的测量来估计成分浓度的模型，所述模型使用使得可以将所述塔的运行变化考虑在内的调整参数，其特征在于，所述方法包括一步骤，在该步骤中，检测所述调整参数的超出所述参数的标称变化范围之外的值(200)以便诊断一个或多个所述传感器的故障。

2.根据权利要求1所述的方法，包括预先步骤(204)，其中建立所述参数的至少一个所述标称变化范围。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述预先步骤(204)包括学习步骤(206)，其中记录所述调整参数在至少一段时间上的全部或部分值，所述值称为基准值(208)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述预先步骤(204)包括从所述基准值(208)确定所述标称变化范围的步骤(210)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述预先步骤(204)包括融合来自数个蒸馏塔的数据的步骤(230)，确定所述标称变化范围的所述步骤使用所述数据融合以确定总体标称变化范围(412)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在所述调整参数超出所述标称变化范围的偏移(220)期间记录所述调整参数的值、称为初始标称变化范围(212)的步骤，以及当验证使得可以确认与所述偏移相关的故障不存在时，修改初始标称变化范围以给出扩大的范围(212')的步骤，将调整参数的超出所述初始标称变化范围(212)之外的值考虑在内。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中提供数个标称变化范围(312，312')，每一个范围对应于所述蒸馏塔的给定的操作条件(300，300')，并且所述方法包括确定所述蒸馏塔的操作条件(300，300')的步骤，以及选择对应的标称变化范围(312，312')的步骤。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述蒸馏塔包括数个区域(240，242)，其中每一个区域利用一个所述调整参数，在该方法中为每一个所述区域(240，242)使用一个所述标称变化范围(512-1，512-2)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述模型利用与所述成分沿着所述塔的对流相关的传播项以及与所述成分在所述塔中的扩散相关的轴向扩散项，调整参数使得可以相对于传播的效果对扩散的效果进行加权。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

-测量所述塔的至少一个位置中的至少一种所述成分的浓度；和

-借助于从所测量的浓度确定的调整参数来调节模型。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

-在所述塔的所述位置估计所述成分的浓度，在所述位置借助于所述模型利用所述调整参数的第一值进行测量，

-建立浓度的估计值与测量值之间的误差，

-根据所述误差建立调整参数的第二值，

-在所述模型中用第二值替换所述调整参数的第一值。

12.一种用于确定蒸馏塔(10，14，26)中的产品、尤其是空气的化学成分的浓度的设备，所述设备包括一个或多个传感器(41-45，51-55)，用于实施使得可以从所述传感器进行的测量估计成分浓度的模型的装置，所述模型利用使得可以将所述塔的运行变化考虑在内的调整参数，其特征在于，所述设备包括用于检测所述调整参数的超出所述参数的标称变化范围的值以便能够诊断一个或多个所述传感器的故障的装置。

13.一种空气分离单元(2)，包括至少一个空气蒸馏塔(10，14，26)和根据权利要求12所述的用于确定所述塔(10，14，26)中的空气的成分的浓度的设备。

14.一种计算机程序，包括当该程序由处理器(50)执行时用于实施根据权利要求1至11中任一项所述的方法的指令。

15.一种记录介质，其中存储有根据权利要求14所述的程序。

Claims (15)

1.一种用于确定蒸馏塔中的产品、尤其是空气的化学成分的浓度的方法，在所述方法中实施使得可以从由一个或多个传感器进行的测量来估计成分浓度的模型，所述模型使用使得可以将所述塔的运行变化考虑在内的调整参数，其特征在于，所述方法包括一步骤，在该步骤中，检测所述调整参数的超出所述参数的标称变化范围之外的值(200)以便诊断一个或多个所述传感器的故障。

2.根据权利要求1所述的方法，包括预先步骤(204)，其中建立所述参数的至少一个所述标称变化范围。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述预先步骤(204)包括学习步骤(206)，其中记录所述调整参数在至少一段时间上的全部或部分值，所述值称为基准值(208)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述预先步骤(204)包括从所述基准值(208)确定所述标称变化范围的步骤(210)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述预先步骤(204)包括融合来自数个蒸馏塔的数据的步骤(230)，确定所述标称变化范围的所述步骤使用所述数据融合以确定总体标称变化范围(412)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在所述调整参数超出所述标称变化范围的偏移(220)期间记录所述调整参数的值、称为初始标称变化范围(212)的步骤，以及当验证使得可以确认与所述偏移相关的故障是误报时，修改初始标称变化范围以给出扩大的范围(212')的步骤，将调整参数的超出所述初始标称变化范围(212)之外的值考虑在内。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中提供数个标称变化范围(312，312')，每一个范围对应于所述蒸馏塔的给定的操作条件(300，300')，并且所述方法包括确定所述蒸馏塔的操作条件(300，300')的步骤，以及选择对应的标称变化范围(312，312')的步骤。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述蒸馏单元包括数个区域(240，242)，其中每一个区域利用一个所述调整参数，在该方法中为每一个所述区域(240，242)使用一个所述标称变化范围(512-1，512-2)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述模型利用与所述成分沿着所述塔的对流相关的传播项以及与所述成分在所述塔中的扩散相关的轴向扩散项，调整参数使得可以相对于传播的效果对扩散的效果进行加权。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

-测量所述塔的至少一个位置中的至少一种所述成分的浓度；和

-借助于从所测量的浓度确定的调整参数来调节模型。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

-在所述塔的所述位置估计所述成分的浓度，在所述位置借助于所述模型利用所述调整参数的第一值进行测量，

-建立浓度的估计值与测量值之间的误差，

-根据所述误差建立调整参数的第二值，

-在所述模型中用第二值替换所述调整参数的第一值。

12.一种用于确定蒸馏塔(10，14，26)中的产品、尤其是空气的化学成分的浓度的设备，所述设备包括一个或多个传感器(41-45，51-55)，用于实施使得可以从所述传感器的测量值估计成分的浓度的模型的装置，所述模型利用使得可以将所述塔的运行变化考虑在内的调整参数，其特征在于，所述设备包括用于检测所述调整参数的超出所述参数的标称变化范围的值以便能够诊断一个或多个所述传感器的故障的装置。

13.一种空气分离单元(2)，包括至少一个空气蒸馏塔(10，14，26)和根据权利要求12所述的用于确定所述塔(10，14，26)中的空气的成分的浓度的设备。

14.一种计算机程序，包括当该程序由处理器(50)执行时用于实施根据权利要求1至11中任一项所述的方法的指令。

15.一种记录介质，其中存储有根据权利要求14所述的程序。