CN108710353B - 一种内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置 - Google Patents

一种内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置，包括与内部热耦合空分塔直接连接的智能仪表、控制器和DCS系统。所述DCS系统包括上位机、控制站、存储装置、现场总线和数据接口，存储装置、控制站及上位机通过现场总线与数据接口相连接。所述智能仪表与数据接口连接。所述上位机用以实现控制参数的求解，包括浓度曲线描述模块、设定值转换模块、控制参数求解模块，并将求解的控制参数通过现场总线传递给控制站。控制参数通过与现场总线相连的数据接口，对控制器进行调整。本发明提供的控制装置能够很好地处理内部热耦合空分塔的强非线性特征，具有高效的在线运算速度及良好的控制性能。

Description

一种内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置
技术领域
本发明涉及工业节能控制的非线性控制领域，特别地，涉及一种内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置。
背景技术
空分装置是对空气进行分离，并得到氧、氮、氩等高纯工业气体的装置，它被广泛应用于石油、化工、冶金、电子、能源、航空航天、食品饮料、医疗保健等各种工业领域。所得到的氧、氮和氩产品在一个国家国民经济中的应用十分广泛。自从上世纪70年代的两次“石油危机”以来，能源危机加深，强烈地要求许多领域能源的有效利用。在能耗很大的空气分离工业中，能源成本占了空气产品价格的75％。于是出现这样的情况，一方面，由于现代工业的发展，一些大型工业项目如钢铁工业、化学工业、石油开采等都需要由大型空分装置提供空气制品，需求量也越来越大。另一方面，能耗成本也随着能源危机，变得越来越大。因此在这样的形势下，提高空气分离技术的能量效率显得刻不容缓。
内部热耦合空分技术比常规空分技术节能40％以上，节能效果显著。然而，由于内部热耦合空分过程具有强耦合、强病态、强不对称性、强反向响应等复杂的非线性动态特性，该塔的控制策略设计显得尤为困难。传统的PID、内模控制方案等已经不能满足要求，在内部热耦合空分塔的过程控制当中，这些方案已经很难使空分过程稳定。而基于线性辨识模型的控制方案只能工作在稳态工作点附近，稍微增大干扰幅度，或者设定值阶跃变化，系统控制质量则出现明显下降。准确把握内部热耦合空分塔的非线性特性，并在此基础上实现内部热耦合空分塔高效节能过程有效的的非线性控制方案，是提高该过程的生产控制品质的前提，已经成为一项关键的空分节能技术，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置，包括与内部热耦合空分塔直接连接的智能仪表、控制器和DCS系统，所述DCS系统包括上位机、控制站、存储装置、现场总线和数据接口，存储装置、控制站及上位机通过现场总线与数据接口相连接，所述智能仪表通过温度检测元件、压力检测元件、流量检测元件测量相关参数，并与数据接口连接；所述上位机用以实现控制参数的求解，包括浓度曲线描述模块、设定值转换模块、控制参数求解模块，并将求解的控制参数通过现场总线传递给控制站；所述控制站根据得到的控制参数通过与现场总线相连的数据接口，对控制器进行调整；所述控制器实现对内部热耦合空分塔的直接控制调整；
其中，所述上位机通过数据接口接收热耦合空分塔的温度、压力数据，根据下式得到相应的组分浓度：
Figure BDA0001688267340000021
Figure BDA0001688267340000022
其中，y和x分别代表组分浓度，P代表压强，T代表温度，α代表相对挥发度，a，b，c为安东尼系数，下标N和O分别代表氮组分和氧组分；
将组分浓度带入下式求得浓度曲线的相关参数：
Figure BDA0001688267340000023
Figure BDA0001688267340000024
其中浓度曲线的相关参数有：Si,H、Si,L分别为内部热耦合空分塔高压塔、低压塔浓度曲线的表征位置，Xi,H_min表示高压塔i组分浓度曲线的最小浓度值，Xi,H_max表示高压塔i组分浓度曲线的最大浓度值，γi,H表示高压塔i组分浓度曲线表征位置处的斜率，Xi,L_min表示低压塔i组分浓度曲线的最小浓度值，Xi,L_max表示低压塔i组分浓度曲线的最大浓度值，γi,L表示低压塔i组分浓度曲线表征位置处的斜率；
根据获得的浓度曲线的相关参数，将浓度设定值转换为表征位置设定值，转换公式如下：
Figure BDA0001688267340000025
Figure BDA0001688267340000026
Figure BDA0001688267340000027
其中，
Figure BDA0001688267340000028
分别为塔顶的汽相轻组分浓度的设定值和塔底的液相氧组分浓度的设定值，
Figure BDA0001688267340000029
分别为高压塔和低压塔浓度曲线表征位置的设定值，ki,j为第j块塔板i组分的气液平衡系数，可以由Peng-Robinson状态方程计算而来，最终的计算公式如下：
Figure BDA0001688267340000031
其中每层塔板上的气液两相的逸度系数
Figure BDA0001688267340000032
均可以由下式计算：
Figure BDA0001688267340000033
混合物a和b的混合规则为：
Figure BDA0001688267340000034
Figure BDA0001688267340000035
Figure BDA0001688267340000036
Figure BDA0001688267340000037
Figure BDA0001688267340000038
其中P是压强，T是温度，v是摩尔体积，R是气体常数，取8.3145，xi为混合物中i组分(氧气、氮气或者氩气)的浓度，
Figure BDA0001688267340000039
为i1组分的浓度，
Figure BDA00016882673400000310
为i2组分浓度，ai是i组分的引力参数，
Figure BDA00016882673400000311
是i1和i2两种组分间的引力参数，a是所有组分分子间引力参数的加权和，bi是i组分的范德华体积，b为所有组分范德华体积的加权和，A为由式(11)定义的系数，B为由式(12)定义的系数，Z为压缩因子；
最后利用表征位置的设定值求取下一时刻的控制参数，采用如下代数方程组可求得控制参数：
Figure BDA00016882673400000312
Figure BDA00016882673400000313
为了书写简便，令：
Figure BDA00016882673400000314
Figure BDA00016882673400000315
则有：
Figure BDA0001688267340000041
Figure BDA0001688267340000042
两端时域微分有：
Figure BDA0001688267340000043
Figure BDA0001688267340000044
进而可以得到：
Figure BDA0001688267340000045
Figure BDA0001688267340000046
最后广义一般模型如下：
Figure BDA0001688267340000047
Figure BDA0001688267340000048
yi,j(t)＝ki,jxi,j(t) (26)
Qj(t)＝UovAΔTj(t) (27)
Figure BDA0001688267340000049
Figure BDA00016882673400000410
其中，yi,j(t)为t采样时刻第j块塔板的气相i组分浓度，xi,j(t)为t采样时刻第j块塔板的液相i组分浓度，Qj(t)为t采样时刻第j块塔板的传热量，UovA为传热系数，ΔTj(t)为t采样时刻第j组塔板间温差，λ为汽化潜热，Lj(t)为t采样时刻第j块塔板的液相流量，Fj(t)为t采样时刻的进料流量，Vj(t)为t采样时刻第j块塔板的气相流量，Uj(t)为t采样时刻第j块塔板的液相采出流量，Gj(t)为t采样时刻第j块塔板的气相采出流量，qj(t+1)为t+1采样时刻第j块塔板的进料热状况；压强P的作用包含在气液平衡系数ki,j中，Si,h、Si,l分别为内部热耦合空分塔高压塔和低压塔浓度曲线的表征位置，
Figure BDA0001688267340000051
分别为高压塔和低压塔浓度曲线表征位置的设定值，K11、K12、K21、K22为系统参数，可根据实际的控制品质好坏通过试错法调整得到，通常K11和K21在10-100之间取值，K12和K22在100-1000之间取值；
本发明的技术构思为：对内部热耦合空分过程中的浓度曲线特性进行精确描述，成功准确地把握内部热耦合空分塔的非线性动态特性，克服已有的控制装置抑制干扰能力差、控制效果差、难以实现精确设定值跟踪的不足，从而设计出内部热耦合空分过程的抑制干扰能力良好、控制效果好、可以实现精确迅速的设定值跟踪的非线性控制装置。
本发明的有益效果主要表现在：1.非线性控制方案建立在高精度非线性模型基础上，能够及时抑制干扰作用；2.控制方案较好地处理了耦合问题，能够快速准确地跟踪设定值变化。作为优选的一种方案：所述的上位机还用于设定系统参数K11、K12、K21、K22的值，以及设定高压塔塔顶的汽相氮组分浓度和低压塔塔底的液相氧组分浓度的设定值
Figure BDA0001688267340000052
显示当前时刻浓度测量值和控制参数求解模块求解出的下一时刻的控制参数，并将控制参数通过现场总线传递给控制站，控制站再通过数据接口对控制器进行调整，从而完成控制装置的控制作用。同时所述的上位机还将以上信息通过现场总线传递给存储装置，方便操作人员查阅历史记录，提高生产控制品质。
附图说明
图1是内部热耦合空分塔的控制装置结构图；
图2是上位机实现方法原理图；
图3是伺服控制仿真图；
图4是定值控制仿真图。
具体实施方式
下面根据附图具体说明本发明。
参照图1和图2，一种内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置，包括与内部热耦合空分塔1直接连接的智能仪表2、控制器8和DCS系统。所述DCS系统包括上位机6、控制站5、存储装置4、现场总线7和数据接口3，存储装置4、控制站5及上位机6通过现场总线7与数据接口3相连接。所述智能仪表2通过温度检测元件、压力检测元件、流量检测元件测量相关参数，并与数据接口3连接。所述上位机6用以实现控制参数的求解，包括浓度曲线描述模块9、设定值转换模块10、控制参数求解模块11，并将求解的控制参数通过现场总线7传递给控制站5。所述控制站5根据得到的控制参数通过与现场总线7相连的数据接口3，对控制器8进行调整。所述控制器8实现对内部热耦合空分塔1的直接控制调整。
所述上位机6所述上位机通过数据接口接收热耦合空分塔的温度、压力数据，根据下式得到相应的组分浓度：
Figure BDA0001688267340000061
Figure BDA0001688267340000062
其中，y和x分别代表组分浓度，P代表压强，T代表温度，α代表相对挥发度，a，b，c为安东尼系数，下标N和O分别代表氮组分和氧组分。
将组分浓度带入下式求得浓度曲线的相关参数：
Figure BDA0001688267340000063
Figure BDA0001688267340000064
其中浓度曲线的相关参数有：Si,H、Si,L分别为内部热耦合空分塔高压塔、低压塔浓度曲线的表征位置，Xi,H_min表示高压塔i组分浓度曲线的最小浓度值，Xi,H_max表示高压塔i组分浓度曲线的最大浓度值，γi,H表示高压塔i组分浓度曲线表征位置处的斜率，Xi,L_min表示低压塔i组分浓度曲线的最小浓度值，Xi,L_max表示低压塔i组分浓度曲线的最大浓度值，γi,L表示低压塔i组分浓度曲线表征位置处的斜率。
根据获得的浓度曲线的相关参数，将浓度设定值转换为表征位置设定值，转换公式如下：
Figure BDA0001688267340000065
Figure BDA0001688267340000066
Figure BDA0001688267340000067
其中，
Figure BDA0001688267340000068
分别为塔顶的汽相轻组分浓度的设定值和塔底的液相氧组分浓度的设定值，
Figure BDA0001688267340000069
分别为高压塔和低压塔浓度曲线表征位置的设定值，ki,j为第j块塔板i组分的气液平衡系数，可以由Peng-Robinson状态方程计算而来，最终的计算公式如下：
Figure BDA00016882673400000610
其中每层塔板上的气液两相的逸度系数
Figure BDA00016882673400000611
均可以由下式计算：
Figure BDA0001688267340000071
混合物a和b的混合规则为：
Figure BDA0001688267340000072
Figure BDA0001688267340000073
Figure BDA0001688267340000074
Figure BDA0001688267340000075
Figure BDA0001688267340000076
其中P是压强，T是温度，v是摩尔体积，R是气体常数，取8.3145，xi为混合物中i组分(氧气、氮气或者氩气)的浓度，
Figure BDA0001688267340000077
为i1组分的浓度，
Figure BDA0001688267340000078
为i2组分浓度，ai是i组分的引力参数，
Figure BDA0001688267340000079
是i1和i2两种组分间的引力参数，a是所有组分分子间引力参数的加权和，bi是i组分的范德华体积，b为所有组分范德华体积的加权和，A为由式(11)定义的系数，B为由式(12)定义的系数，Z为压缩因子。
最后利用表征位置的设定值求取下一时刻的控制参数，采用如下代数方程组可求得控制参数：
Figure BDA00016882673400000710
Figure BDA00016882673400000711
为了书写简便，令：
Figure BDA00016882673400000712
Figure BDA00016882673400000713
则有：
Figure BDA00016882673400000714
Figure BDA00016882673400000715
两端时域微分有：
Figure BDA0001688267340000081
Figure BDA0001688267340000082
进而可以得到：
Figure BDA0001688267340000083
Figure BDA0001688267340000084
最后广义一般模型如下：
Figure BDA0001688267340000085
Figure BDA0001688267340000086
yi,j(t)＝ki,jxi,j(t) (26)
Qj(t)＝UovAΔTj(t) (27)
Figure BDA0001688267340000087
Figure BDA0001688267340000088
其中，yi,j(t)为t采样时刻第j块塔板的气相i组分浓度，xi,j(t)为t采样时刻第j块塔板的液相i组分浓度，Qj(t)为t采样时刻第j块塔板的传热量，UovA为传热系数，ΔTj(t)为t采样时刻第j组塔板间温差，λ为汽化潜热，Lj(t)为t采样时刻第j块塔板的液相流量，Fj(t)为t采样时刻的进料流量，Vj(t)为t采样时刻第j块塔板的气相流量，Uj(t)为t采样时刻第j块塔板的液相采出流量，Gj(t)为t采样时刻第j块塔板的气相采出流量，qj(t+1)为t+1采样时刻第j块塔板的进料热状况；压强P的作用包含在气液平衡系数ki,j中，Si,h、Si,l分别为内部热耦合空分塔高压塔和低压塔浓度曲线的表征位置，
Figure BDA0001688267340000089
分别为高压塔和低压塔浓度曲线表征位置的设定值，K11、K12、K21、K22为系统参数，可根据实际的控制品质好坏通过试错法调整得到，通常K11和K21在10-100之间取值，K12和K22在100-1000之间取值。
上述的内部热耦合空分塔控制装置，其特征在于所述的上位机还用于设定系统参数K11、K12、K21、K22的值，以及设定高压塔塔顶的汽相氮组分浓度和低压塔塔底的液相氧组分浓度的设定值
Figure BDA0001688267340000091
显示当前时刻浓度测量值和控制参数求解模块求解出的下一时刻的控制参数，并将控制参数通过现场总线传递给控制站，控制站再通过数据接口对控制器进行调整，从而完成控制装置的控制作用。同时所述的上位机还将以上信息通过现场总线传递给存储装置，方便操作人员查阅历史记录，提高生产控制品质。
图3和图4分别给出了本方案在热耦合空分塔的伺服控制仿真和定值控制仿真，可以看到通过高阶控制模型不论是跟踪设定值变化还是抑制干扰作用，响应速度和整定效果都到达目的。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置，其特征在于，包括与内部热耦合空分塔直接连接的智能仪表、控制器和DCS系统；所述DCS系统包括上位机、控制站、存储装置、现场总线和数据接口；存储装置、控制站及上位机通过现场总线与数据接口相连接；所述智能仪表通过温度检测元件、压力检测元件、流量检测元件测量相关参数，并与数据接口连接；所述上位机用以实现控制参数的求解，包括浓度曲线描述模块、设定值转换模块、控制参数求解模块，并将求解的控制参数通过现场总线传递给控制站；所述控制站根据得到的控制参数通过与现场总线相连的数据接口，对控制器进行调整；所述控制器实现对内部热耦合空分塔的直接控制调整；
其中，所述上位机首先通过数据接口接收热耦合空分塔的温度、压力数据，根据下式得到相应的组分浓度：
Figure FDA0002473751240000011
Figure FDA0002473751240000012
其中，y和x分别代表组分浓度，P代表压强，T代表温度，α代表相对挥发度，a，b，c为安东尼系数，下标N和O分别代表氮组分和氧组分；
然后将组分浓度带入下式求得浓度曲线的相关参数：
Figure FDA0002473751240000014
Figure FDA0002473751240000013
其中，浓度曲线的相关参数有：Si,H、Si,L分别为内部热耦合空分塔高压塔、低压塔浓度曲线的表征位置，Xi,H_min表示高压塔i组分浓度曲线的最小浓度值，Xi,H_max表示高压塔i组分浓度曲线的最大浓度值，γi,H表示高压塔i组分浓度曲线表征位置处的斜率，Xi,L_min表示低压塔i组分浓度曲线的最小浓度值，Xi,L_max表示低压塔i组分浓度曲线的最大浓度值，γi,L表示低压塔i组分浓度曲线表征位置处的斜率；
再根据获得的浓度曲线的相关参数，将浓度设定值转换为表征位置设定值，转换公式如下：
Figure FDA00024737512400000215
Figure FDA0002473751240000021
其中，
Figure FDA0002473751240000022
分别为塔顶的汽相氮组分浓度的设定值和塔底的液相氧组分浓度的设定值，
Figure FDA0002473751240000023
分别为高压塔和低压塔浓度曲线表征位置的设定值，ki,j为第j块塔板i组分的气液平衡系数，可以由Peng-Robinson状态方程计算而来，最终的计算公式如下：
Figure FDA0002473751240000024
其中，每层塔板上的气液两相的逸度系数
Figure FDA0002473751240000025
均可以由下式计算：
Figure FDA0002473751240000026
混合物a和b的混合规则为：
Figure FDA0002473751240000027
Figure FDA0002473751240000028
Figure FDA0002473751240000029
Figure FDA00024737512400000210
Figure FDA00024737512400000211
其中，P是压强，T是温度，v是摩尔体积，R是气体常数，取8.3145，xi为混合物中i组分的浓度，所述组分包括氧气、氮气和氩气，
Figure FDA00024737512400000212
为i1组分的浓度，
Figure FDA00024737512400000213
为i2组分浓度，ai是i组分的引力参数，
Figure FDA00024737512400000214
是i1和i2两种组分间的引力参数，a是所有组分分子间引力参数的加权和，bi是i组分的范德华体积，b为所有组分范德华体积的加权和，A为由式(11)定义的系数，B为由式(12)定义的系数，Z为压缩因子；
最后利用表征位置的设定值求取下一时刻的控制参数，采用如下代数方程组可求得控制参数：
Figure FDA0002473751240000031
Figure FDA0002473751240000032
为了书写简便，令：
Figure FDA0002473751240000033
Figure FDA0002473751240000034
则有：
Figure FDA00024737512400000313
Figure FDA0002473751240000035
两端时域微分有：
Figure FDA0002473751240000036
Figure FDA0002473751240000037
进而可以得到：
Figure FDA0002473751240000038
Figure FDA0002473751240000039
最后广义一般模型如下：
Figure FDA00024737512400000310
Figure FDA00024737512400000311
yi,j(t)＝ki,jxi,j(t) (26)
Qj(t)＝UovAΔTj(t) (27)
Figure FDA00024737512400000312
Figure FDA0002473751240000041
其中，yi,j(t)为t采样时刻第j块塔板的气相i组分浓度，xi,j(t)为t采样时刻第j块塔板的液相i组分浓度，Qj(t)为t采样时刻第j块塔板的传热量，UovA为传热系数，ΔTj(t)为t采样时刻第j组塔板间温差，λ为汽化潜热，Lj(t)为t采样时刻第j块塔板的液相流量，Fj(t)为t采样时刻的进料流量，Vj(t)为t采样时刻第j块塔板的气相流量，Uj(t)为t采样时刻第j块塔板的液相采出流量，Gj(t)为t采样时刻第j块塔板的气相采出流量，qj(t+1)为t+1采样时刻第j块塔板的进料热状况；压强P的作用包含在气液平衡系数ki,j中，K11、K12、K21、K22为系统参数。
2.根据权利要求1所述内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置，其特征在于，所述K11在10-100之间取值。
3.根据权利要求1所述内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置，其特征在于，所述K12在10-100之间取值。
4.根据权利要求1所述内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置，其特征在于，所述K12在100-1000之间取值。
5.根据权利要求1所述内部热耦合空分塔广义一般模型控制装置，其特征在于，所述K22在100-1000之间取值。
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