CN109588044B - 用于检测二氧化碳分离膜设备异常的系统 - Google Patents

用于检测二氧化碳分离膜设备异常的系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种二氧化碳(CO2)分离膜设备异常检测系统，包括：入口单元，包含CO2的气体通过其进入包括CO2分离膜组件的设备；分离膜组件，包括一注入口，将包含CO2的气体供应至每个CO2分离膜组件并使所供应的气体渗透通过CO2分离膜，并分别将已经渗透通过分离膜的具有相对高CO2浓度的气体排出至第一排出口，和将没有渗透通过分离膜的具有相对低CO2浓度的气体排出至第二排出口；渗透单元，用于排出具有相对高CO2浓度的气体，将其从分离膜组件排出至设备外部；残渣单元，用于排出具有相对低CO2浓度的气体，将其从分离膜组件排出至设备外部；测量器，用于测量包括入口单元、渗透单元和残渣单元中的流速、CO2浓度以及压力的信息；以及控制器，通过由测量器收集的信息确定异常的存在性，其中所述控制器确定设备是否处于异常情况。

Description

用于检测二氧化碳分离膜设备异常的系统
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳(CO2)分离膜设备异常检测系统。
背景技术
全世界正在努力减少二氧化碳(CO2)的排放以减少全球变暖引起的快速气候变化。因此，对碳捕获与封存(CCS)技术的需求日益增长，该技术可从燃烧化石燃料产生的废气中捕获CO2。
传统的CCS技术包括：其中废气与化学二氧化碳吸收剂例如胺、氨或碳酸钾接触的吸收技术；其中使用温度差或压力差使废气通过吸收剂的例如变压吸附(PSA)和变温吸附(TSA)的吸收技术；以及根据气体种类使用蒸气压力差选择性冷却和冷凝目标气体的低温技术。然而，这种传统的CCS技术具有高能耗且在处理能力或设施修复方面具有明显的限制。
新开发的CCS技术之一是CO2分离膜设备，它能够以低成本和高效率从燃煤电厂所产生的废气中分离CO2。CO2分离膜利用废气中所包含的气体分子的大小差异、渗透率差异以及分离膜组件的极性差异来分离和捕获废气中的CO2。
通常，CO2分离膜设备使用模块单元，将分离膜材料与支撑体等组合在内部压力容器中，使所注入的气体通过该内部压力容器中，捕获CO2，并然后排出CO2和过滤气体。CO2分离膜设备可通过根据操作条件和分离性能目标增加分离膜或模块的数量以相对容易的方式扩展设备和处理能力。
此外，CO2分离膜装置的优点在于其在能量方面非常高效，因为在CO2分离过程中它不涉及相变；它对环境友好，因为它不会在空气中排放有害物质并且不会排放废水；针对CO2分离膜装置安装设备和设施相对容易，因为它是模块的形式；并且可将其应用扩展至除了CO2捕获过程之外的其他气体捕获技术领域例如气体精炼领域。
然而，由于CO2分离膜设备是最近引进的技术，因此在实际发电厂中还没有很多CO2分离膜设备的应用和商业化的情况。因此，非常需要进行持续研究和技术开发用于CO2分离膜设备的有效操作。
例如，在已经商业化的类似技术领域中，例如水处理分离膜和甲烷/氮气分离膜，因为为了根据所安装的分离膜的性能获得合适的操作条件，设备必须进行试运行，并然后必须在现场连续监测的同时改变结果值，存在的问题是：不便之处在于不得不经历许多试验和错误，很难根据操作条件的变化预测设备是否会发生异常，且难以准确地检查出发生异常情况的地点或时间点。
另外，在CO2分离膜设备的情况中，由于其响应速度高于类似技术领域中的响应速度，因此快速检测或预测分离膜中的异常是很重要的。
因此，关于操作CO2分离膜设备的方法，越来越需要开发一种能够检测或预测异常的方法，以便检测到下述异常，例如操作方法应该进行改变的时间点，是否需要清洗分离膜，以及分离膜组件是否损坏并且需要更换。
发明内容
技术问题
本发明一个方面提供一种二氧化碳(CO2)分离膜设备异常检测系统，其能够精确地检查其中已经发生异常情况的CO2分离膜设备的区域或已经发生异常情况的时间点，以便可在改变操作方法时快速检测操作的适合性，快速检测是否需要清洗分离膜，并快速检测应该更换损坏模块的时间段。
技术方案
本发明的一个实施方案涉及一种二氧化碳(CO2)分离膜设备异常检测系统，包括：入口单元，包含CO2的气体通过其进入包括CO2分离膜组件的设备；分离膜组件，包括一注入口，将包含CO2的气体供应到每个CO2分离膜组件，并使所供应的气体渗透通过CO2分离膜，并分别将渗透通过分离膜的具有相对高CO2浓度的气体排出至第一排出口，和将没有渗透通过分离膜的具有相对低CO2浓度的气体排出至第二排出口；渗透单元，用于排出具有相对高CO2浓度的气体，将其从分离膜组件排出至设备外部；残渣单元，用于排出具有相对低CO2浓度的气体，将其从分离膜组件排出至设备外部；测量器，用于测量包括入口单元、渗透单元和残渣单元中的流速、CO2浓度以及的压力的信息；和控制器，通过由测量器所收集的信息来确定是否存在异常；其中，当使用下面的公式1计算的第一参考值为约小于95％时，控制器将设备的操作情况监测为异常情况，以及当使用公式1计算的第一参考值为约大于95％或者更高时，控制器根据下面的公式2和公式3计算第二参考值和第三参考值以确定设备的操作状态：
[公式1]
第一参考值＝[{(QP×CP·CO2)+(QR×CR·CO2)}/(QIN×CIN·CO2)]×100
[公式2]
第二参考值＝│J-{(QP×CP·CO2)/(QIN×CIN·CO2)×100}│
[公式3]
第三参考值＝│K-CP·CO2│，
其中，在公式1至公式3中：
QIN表示通过入口单元进入设备的含CO2的气体的流速(Nm3/hr)；
QP表示排出至渗透单元的气体的流速(Nm3/hr)；
QR表示排出至残渣单元的气体的流速(Nm3/hr)；
CIN·CO2表示入口单元中的CO2浓度(体积％)；
CP·CO2表示排出至渗透单元的气体的CO2浓度(体积％)；
CR·CO2表示排出至残渣单元的气体的CO2浓度(体积％)；
J表示目标CO2捕获率(％)；以及
K表示目标CO2浓度(体积％)。
有益效果
本发明可提供一种二氧化碳(CO2)分离膜设备异常检测系统，其能够精确地检查其中已经发生异常情况的CO2分离膜设备的区域或者发生异常情况的时间点，以便可在改变操作方法时快速检测操作的适合性，快速检测是否需要清洗分离膜，并快速检测应该更换损坏模块的时间段。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施方案的二氧化碳(CO2)分离膜设备异常检测系统的示意性流程图。
图2示出了根据本发明的一个实施方案的示例性CO2分离膜设备。
图3示出了根据本发明的一个实施方案的CO2分离膜设备的示例性截面(指定区域)。
图4示出了根据本发明的一个实施方案的当压力变化时通过CO2分离膜设备异常检测系统预测渗透单元中的CO2浓度的变化值的结果。
图5示出了根据本发明的一个实施方案的当压力变化时通过CO2分离膜设备异常检测系统预测渗透单元中的CO2流速的变化值的结果。
图6示出了根据本发明的一个实施方案的当流速变化时通过CO2分离膜设备异常检测系统预测渗透单元中的CO2浓度的变化值的结果。
图7示出了根据本发明的一个实施方案的当流速变化时通过CO2分离膜设备异常检测系统预测渗透单元中的CO2流速的变化值的结果。
具体实施方式
本发明的一个实施方案涉及一种二氧化碳(CO2)分离膜设备异常检测系统，包括：入口单元，包含CO2的气体通过其进入包括CO2分离膜组件的设备；分离膜组件，包括一注入口，将含有CO2的气体供应至每个CO2分离膜组件，并使所供应的气体渗透通过CO2分离膜，并分别将渗透通过分离膜的具有相对高CO2浓度的气体排出至第一排出口，和将没有渗透通过分离膜的具有相对低CO2浓度的气体排出至第二排出口；渗透单元，用于排出具有相对高CO2浓度的气体，将其从分离膜组件排出至设备外部；残渣单元，用于排出具有相对低CO2浓度的气体，将其从分离膜组件排出至设备外部；测量器，用于测量包括入口单元、渗透单元和残渣单元中的流速、CO2浓度以及压力的信息；以及控制器，通过由测量器所收集的信息来确定是否存在异常；其中，当使用本发明的公式1计算的第一参考值为约小于95％时，控制器将设备的操作情况监测为异常情况，以及当使用公式1计算的第一参考值为约大于95％或者更高时，控制器根据本发明的公式2和公式3计算第二参考值和第三参考值以确定设备的操作状态。
通过这种方式，本发明可准确地检查CO2分离膜设备中已经发生的异常情况的区域或者已经发生的异常情况的时间点，从而可在改变操作方法时快速检测出操作的适合性，快速检测出是否有必要清洗分离膜，以及快速检测出应当更换被损坏的模块的时间段。
例如，本发明的CO2分离膜设备异常检测系统可应用于包括平板型分离膜组件的CO2分离膜组件。在这种情况下，可以进一步增强应用异常检测方法的效果。
图2示出了本发明可应用的包括示例性分离膜组件的CO2分离膜设备。参看图2，从燃煤电厂设备等的锅炉排出的含有CO2的废气经由入口单元100进入设备，然后经由第一模块10的注入口沿管道供给至模块以及模块内的分离膜。在这种情况下，CO2分离膜组件10、20和30可包括两个或更多个单元模块11、12和13，例如图2示出的第一模块10，或者可以是单个单元模块各自形成的模块，例如图2示出的第二模块20和第三模块30。如图2所示，将经由入口单元100注入的含CO2的气体通过第一模块至第三模块分离成具有相对高CO2浓度的气体和具有相对低CO2浓度的气体。在这种情况下，最终排放至设备的渗透单元的具有相对高CO2浓度的气体(所捕获的CO2气体)可包括，例如，约80％或更高纯度，约90％或更高纯度，或约96％或更高纯度(或约80体积％或更高浓度，约90体积％或更高浓度，或约96体积％或更高浓度)的CO2，并且该气体可经由渗透单元200排出至设备外的处理装置、存储装置等。此外，在设备中最终分离的具有相对低CO2浓度的气体可经由残渣单元300(与渗透单元200分别形成)排出至外部，或者可经由注入口再次供应(循环)到第一模块至第三模块。在这种情况下，设备可将渗透单元的目标CO2浓度K设定为例如约90体积％或更高或约96体积％或更高，可将渗透单元的目标CO2捕获率J设定为例如约90体积％或更高或约96体积％或更高，并且可将这些设定值输入到系统中并且利用所输入的设定值使用公式1至公式3确定操作中是否存在异常。
图2示出的冷凝器和冷却器的顺序和配置可自由改变，并且不限于图2所示的那些。设备的配置不限于图2所示的配置。设备可以各种方式布置，使得考虑到分离膜组件的最佳布置和在该过程中的再循环能够使能量消耗最小化并且实现目标CO2捕获率和目标CO2浓度。
本发明的CO2分离膜设备异常检测系统包括测量器(未示出)，用于测量下述信息，包括入口单元100、渗透单元200和残渣单元300中的流速、CO2浓度和压力；和控制器(未示出)，用于根据由测量器收集的信息确定异常的存在。
当使用下面的公式1计算的第一参考值为约小于95％时，控制器将设备的操作情况检测为异常情况。在这种情况下，系统可通过执行检查设备的管道中是否已经发生泄漏并检查设备是否已经达到正常状态的操作来解决异常情况。
[公式1]
第一参考值＝[{(QP×CP·CO2)+(QR×CR·CO2)}/(QIN×CIN·CO2)]×100
在公式1中，QIN表示通过入口单元进入设备的含CO2气体的流速(Nm3/hr)；QP表示排出至渗透单元的气体的流速(Nm3/hr)；QR表示排出至残渣单元的气体的流速(Nm3/hr)；CIN·CO2表示入口单元中的CO2浓度(体积％)；CP·CO2表示排出至渗透单元的气体的CO2浓度(体积％)；CR·CO2表示排出至残渣单元的气体的CO2浓度(体积％)。
流速和CO2浓度中的每一个可通过设置在其中测量相应因子的区域(例如，入口单元、渗透单元或残渣单元)中的测量器来测量。
当使用公式1计算的第一参考值为约95％或更高时，控制器根据下面的公式2和公式3计算第二参考值和第三参考值以确定设备的操作状态。
[公式2]
第二参考值＝│J-{(QP×CP·CO2)/(QIN×CIN·CO2)×100}│
[公式3]
第三参考值＝│K-CP·CO2│
在公式2和公式3中，QIN、QP、QR、CIN·CO2、CP·CO2以及CR·CO2与上文描述的相同，J表示目标CO2捕获率(％)，以及K表示目标CO2浓度(体积％)。
目标CO2捕获率(J)和目标CO2浓度(K)是由用户设定为设备操作目标的值，并且不限于上文所述。例如，目标CO2捕获率(％)可设定为约90％或更高，约95％或更高，约96％或更高，或约99％或更高，并且目标CO2浓度(体积％)可设定为约90体积％或更高，约95体积％或更高，约96体积％或更高，或约99体积％或更高。
当使用公式1计算的第一参考值是95％或更高，而使用公式2计算的第二参考值和使用公式3计算的第三参考值都小于或等于用户所指定的设定值时，控制器可确定CO2分离膜装置正常运行。在这种情况下，CO2分离膜设备异常检测系统可通过以预定时间间隔重新计算第一参考值至第三参考值周期性地监测CO2分离膜设备。可根据用户的确定不同地设置重新计算时间间隔。例如，重新计算时间间隔可以是约五分钟至约三十分钟的时间间隔，但不限于此。
当使用公式1计算的第一参考值为约小于95％，而使用公式2计算的第二参考值和使用公式3计算的第三参考值中的一个或多个超过用户指定的设定值时，控制器可确定设备的操作状态为异常情况。通过这种方式，可以快速检测操作中异常的存在，并且如下所述，第二参考值和第三参考值可用于实现用于解决异常操作的对策。
使用第二参考值的异常操作检测和使用第三参考值的异常操作检测可同时执行或按顺序执行。在这种情况下，检测的顺序不受限制。
用户所指定的设定值是指由用户任意设置的对应于实际操作状态的值。随着用户指定的设定值变小，可以更精确地执行设备操作。然而，当敏感地执行存在异常的检测和确定时，可降低系统操作效率。因此，用户指定的设定值可以具体地为约10％或更少，更具体地，约5％或更少，例如10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％和1％。当用户所指定的设定值在上述范围内时，可以提高系统操作效率。
当使用公式2计算的第二参考值和使用公式3计算的第三参考值中的一个或多个超过用户指定的设定值时，控制器可将整个设备划分为两个或更多个区域，并然后基于本发明的公式4计算第四参考值，针对每个区域确定是否已经按区域发生异常情况。
在一个具体实施例中，当第一参考值小于约95％时，CO2分离膜设备异常检测系统可省略计算第二参考值和第三参考值的过程，并然后立即执行解决异常操作的对策。在这种情况下，适当的对策可以是检测和修复包括在设备中的整个管道的泄漏部位并检查设备是否已经达到正常状态，但并不限于此。
在另一个具体实施例中，当第一参考值为约95％或更高时，CO2分离膜设备异常检测系统可按顺序执行计算第二参考值和第三参考值的过程并检测异常操作。在这种情况下，当使用公式2计算的第二参考值和使用公式3计算的第三参考值都小于或等于用户指定的设定值时，CO2分离膜设备异常检测系统可确定设备的操作状态为正常，并以约5分钟至30分钟的间隔重新计算第一参考值。
在又一个实施例中，当第一参考值为约95％或更高并且第二参考值和第三参考值中的一个或多个超过用户指定的设定值时，CO2分离膜设备异常检测系统可确定设备的操作状态为异常，将整个设备分成两个或多个区域，并然后确定每个区域是否已经发生异常情况。
为了确定区域是否发生异常情况，CO2分离膜设备异常检测系统将设备分成两个或更多个区域。用于分割设备的标准没有特别限制，并且可以有利于检测异常操作的单元来执行。例如，如上面图2所描述的那样，可将设备设置分成各自包括第一模块10、第二模块20和第三模块30之一的部分(设备区域)，或者，当单个模块(例如第一模块10)包括两个或者更多个单元模块时，可将设备设置分成多个部分，每个部分包括第一-第一模块11、第一-第二模块12以及第一-第三模块13。
图3示出了根据本发明的一个实施方案的CO2分离膜设备的截面。在下文中，为了便于描述，对于每个区域，将包含CO2的气体供应至相应区域的管道称为注入管道，将已经渗透通过相应区域的分离膜的具有相对高CO2浓度的气体排出的管道称为渗透管道，并将没有渗透通过相应区域的分离膜的具有相对低CO2浓度的气体排出的管道称为通道管道。此外，经划分区域表示为下文的待测量区域(i)。
参看图3，示例性CO2分离膜设备可由第一模块10、第二模块20和第三模块30形成。第一模块10可是由单元模块形成的多级模块，单元模块包括第一-第一模块11、第一-第二模块12和第一-第三模块13，并且第二模块20和第三模块30中的每一个可以是由单个单元模块形成的单级模块。在这种情况下，例如，可将设备划分使得每个区域包括单个单元模块。当以这种方式将设备划分为两个或更多个区域时，分别地，可将区域i(A)设置为包括第一-第一模块11，可将区域i(B)设置为包括第一-第二模块12，可将区域i(C)设置为包括第一-第三模块13，可将区域i(D)设置为包括第二模块20，以及可将区域i(E)设置为包括第三模块30。
在以这种方式将设备划分成两个或更多个区域之后，可基于公式4计算针对每个区域的第四参考值，以确定根据区域是否已经发生了异常情况。当确定区域是否已经发生异常情况时，CO2分离膜装置异常检测系统可测量每个区域的注入管道、渗透管道和通道管道的流速、CO2浓度和压力并使用所测量的流速、CO2浓度和压力来计算第四参考值。
[公式4]
第四参考值＝{│(CPV,i-CP·CO2,i)│/CP·CO2,i}
在公式4中，CPV,i表示在待测量区域(i)的渗透管道中测量的CO2浓度(体积％)，并且CP·CO2,i表示使用下面的公式5计算的该待测量区域的渗透管道中的CO2浓度的预测值。
[公式5]
CP·CO2,i＝A×CM·CO2,i+B-{D×(CM·CO2,i)2+E×CM·CO2,i+F}0.5
在公式5中，CM·CO2,i表示待测量区域(i)中的分离膜表面上的平均CO2浓度(体积％)，并且A、B、D、E以及F是通过下面的公式6至公式10计算的常数。
[公式6]
A＝P/2
[公式7]
B＝(S+P-1)/{2×(S-1)}
[公式8]
D＝P2/4
[公式9]
E＝{P×(S-P+1)}/{2×(1-S)}
[公式10]
F＝(S+P-1)2/{4×(S-1)2}
在公式6至公式10中，P和S是使用下面的公式11和公式12计算的值。
[公式11]
P＝PF,i/PP,i
[公式12]
S＝PCO2 G/PN2 G
在公式11和公式12中，PF,i表示待测量区域(i)的注入管道的管道中的压力(巴)；PP,i表示待测量区域(i)的渗透管道的管道中的压力(巴)；PCO2 G表示待测量区域(i)中分离膜的CO2渗透率(GPU)；以及PN2 G表示待测量区域(i)中分离膜的N2渗透率(GPU)。
此外，本发明的CO2分离膜设备异常检测系统可使用下面的公式13计算上面的公式5中的分离膜的表面上的平均CO2浓度(体积％)(CM·CO2,i)。
现有技术存在的缺点是：由于很难在现场测量分离膜表面上的平均CO2浓度(CM·CO2,i)的值，并且该值必须通过下述方式计算：对每个分离膜，以实验水平分别测量分离膜的渗透性、厚度等，并然后进行复杂的计算机(其中根据设备的配置应用所测量的渗透性，厚度等)操作，因此无法预测设备的操作条件的变化的结果值，并且每次条件改变时必须重新执行复杂的计算机操作。
另一方面，本发明的CO2分离膜设备异常检测系统不仅可以容易地使用下面的公式13根据所测量的流速、CO2浓度和压力获得难以测量的分离膜表面上的平均CO2浓度(CM·CO2,i)，还可以提供与通过实际执行复杂实验获得的结果非常相似的计算值。
另外，本发明的CO2分离膜设备异常检测系统可通过上面的公式4至公式12以及公式13解决在设备的操作条件变化之后的结果的不确定性。
[公式13]
CM·CO2,i＝{(QF,i m+Pn·CF·CO2,i)×CF·CO2,i}/(QF,i m+Pn)
在公式13中，QF,i表示待测量区域(i)的注入管道中的流速(Nm3/hr)，以及CF,i表示待测量区域(i)的注入管道中的CO2浓度(体积％)。
在公式13中，m和n是校正因子，这些校正因子可通过将上面的公式5至公式12拟合到实验数据和操作数据来获得。拟合是下述过程，该过程将上述公式5至公式12应用于注入管道中的CO2浓度图和来自模块和设备的操作数据的渗透管道中的CO2浓度图，以获得最小化这两个图之间的误差的参数。m和n可使用任何程序计算而没有限制，只要程序提供曲线拟合函数即可。例如，可以通过将使用上面的公式5至公式12计算的值输入到MATLAB、SigmaPlot等来计算m和n。
在公式13中，QF,i m是根据所注入的CO2的流速和浓度反映分离膜的表面上的CO2增加值，并且分子中的Pn是反映当由于压力变化而使得当注入每个区域的气体的体积流速变化时CO2与分离膜表面接触的时间变化值。分母中的Pn是与模块内剩余的CO2流速相关的校正项。Pn和CF·CO2,i是比率，以及QF,i m是具有流速的单位数字。然而，由于QF,i m同时存在于公式13的分母和分子中，因此QF,i m可以以无量纲系数的形式使用。
图4至图7示出了通过实际实验计算的渗透单元中的平均CO2浓度与根据上述公式5至公式13计算的预测性能指标值的对比图。在每幅图中，测量值与根据公式5至公式13的计算值显示出与实验值类似的趋势。因此，确认使用公式5至公式13可以进行相对准确的性能预测。
当根据公式4计算的第四参考值是约10％或更小时，可以确定在除了相应的待测量区域(i)之外的区域中发生了异常情况。在这种情况下，当在所有待测量区域中计算的第四参考值为约10％或更小时，可以执行下述过程，其中在未直接连接到设备中的待测量区域的部分管道中检测泄漏部位，修复所检测到的泄漏部位，并确认设备是否已达到正常状态。
同时，当计算的第四参考值超过约10％时，可确定在相应的待测量区域(i)中已经发生异常情况，并且可检查在相应的待测区域(i)中是否已经发生干扰。
具体地，检查在待测量区域(i)中是否已经发生干扰可包括：当使用公式14计算的第五参考值和使用公式15计算的第六参考值中的一个或多个为约10％或更高时，则确定由于干扰而发生噪声。
[公式14]
第五参考值＝{│(10秒前渗透管道的CO2浓度测量值-渗透管道的当前CO2浓度测量值)│/(10秒前渗透管道的CO2浓度测量值)}×100
[公式15]
第六参考值＝{│(20秒前渗透管道的流速测量值-渗透管道的当前流速测量值)│/(20秒前渗透管道的流速测量值)}×100
当在检查待测量区域(i)中是否已经发生干扰的过程中，确定已经发生噪声时，控制器可使用上面的公式1重新执行计算以校准设备的操作状态。
当在检查待测量区域(i)中是否已经发生干扰的过程中，确定已经发生噪声时，控制器可根据上面的公式2和公式3重新计算第二参考值和第三参考值以校准设备的操作状态。
当第五参考值和第六参考值都小于约10％时，可确定待测量区域(i)处于异常操作状态，并且可通过产生对策来解决异常操作。在这种情况下，可以利用上述第二参考值和第三参考值来提出用于解决异常操作的更具体计划。
在一个具体实施例中，当第五参考值和第六参考值都小于约10％，所测量的渗透单元中的CO2浓度低于目标CO2浓度(K)，并且渗透单元中的CO2捕获率高于目标CO2捕获率(J)时，则CO2分离膜设备异常检测系统包括通过检查连接至其中检测到异常操作的相应区域的管道中是否已经发生泄漏来解决异常操作。可以使用公式{(QP×CP·CO2)/(QIN×CIN·CO2)×100}来计算渗透单元中的CO2捕获率。
在另一个具体实施例中，当第五参考值和第六参考值均小于约10％，在渗透单元中测量的CO2浓度等于目标CO2浓度(K)，并且渗透单元中的CO2捕获率低于目标CO2捕获率(J)时，CO2分离膜设备异常检测系统可包括通过检查连接到设备的入口单元、渗透单元和残渣单元的管道是否已经发生泄漏以及通过检查每个管道的阀门是否是打开的来解决异常操作。
在又一个具体实施例中，当第五参考值和第六参考值都小于约10％，渗透单元中所测量的CO2浓度高于目标CO2浓度(K)，并且在渗透单元的CO2捕获率低于目标CO2捕获率(J)时，CO2分离膜设备异常检测系统可包括通过检查连接至其中检测到异常操作的相应区域的CO2排出气体排放管的再循环是否在正常状态下执行(再循环是否在正常状态下执行)来解决异常操作。
当第五参考值和第六参考值都小于约10％，渗透单元中所测量的CO2浓度高于目标CO2浓度(K)，并且渗透单元中的CO2捕获率高于目标CO2捕获率(J)时，CO2分离膜设备异常检测系统可包括通过检查用于测量入口单元、渗透单元和残渣单元中的每一个的流速和CO2浓度的测量器是否处于正常状态来解决异常操作。
图1示出了根据本发明的一个实施方案的CO2分离膜设备异常检测系统的示例性流程图。这仅是示例，并且本发明的内容并非限于此。
参看图1，本发明的示例性CO2分离膜设备异常检测系统通过测量器测量流速和CO2浓度(S10)并收集所测量的流速和CO2浓度。
将所收集的信息发送至控制器并用于使用上述公式1计算第一参考值，以确定设备是否处于异常操作状态(S11)。
在确定过程中，当第一参考值为约95％或更高时，CO2分离膜设备异常检测系统通过使用公式2计算的第二参考值和使用公式3计算的第三参考值来确定设备的操作状态(S12)并且检查是否通过设备操作实现目标值。
当使用第一参考值计算的值小于95％并因此确定设备处于异常操作状态时，可以省略使用第二参考值和第三参考值确定设备是否处于异常操作状态并且可立即执行用于解决异常操作的对策。
在这种情况下，适当的对策可以是检测和修复包括在设备中的整个管道的泄漏部位并检查设备是否已经达到正常状态(S17)。
当第二参考值和第三参考值都小于用户所指定的设定值并因此是正常时，系统可确定设备的操作情况是正常的并且以5分钟至30分钟的间隔重新计算第一参考值至第三参考值以周期性地监测CO2分离膜装置(S13)。
与此同时，当使用公式2计算的第二参考值和使用公式3计算的第三参考值中的一个或多个超过用户所指定的设定值时，系统确定设备的操作状态是异常的。在这种情况下，可将设备划分成一定数量的区域以按照区域来确定异常的存在性(S14)。
通过使用上面的公式4计算的第四参考值来执行按照区域确定异常的存在性(S14)。当所计算的第四参考值是约10％或更小时，可以确定异常情况在除了相应的待测量区域之外的区域中已经发生。在这种情况下，当在所有待测量区域中所计算的第四参考值为约10％或更小时，可执行下述过程，其中在未直接连接至设备中的待测量区域的部分管道中检测泄漏部位，修复所检测的泄漏部位，并确认设备是否已达到正常状态。
与此同时，当计算的第四参考值超过约10％时，可以确定在相应区域的一部分中已经发生异常情况，并检查相应区域中是否已经发生干扰(S15)。通过使用上面的公式14和公式15计算第五参考值和第六参考值来确定是否已经发生干扰。
当在检查是否已经发生干扰时检测到其中第五参考值或第六参考值超过约10％已经发生噪声的状态(S15)时，控制器可通过使用上述公式2和公式3执行重新计算来校准设备的操作状态(S18)。
当在检查是否已经发生干扰时确认其中第五参考值和第六参考值为约10％或更小没有发生噪声的状态(S15)时，系统可利用所测量的信息通过下述方式来处理异常操作(S16)：通过更换相应区域中的模块，更换分离膜，检查管道中是否发生泄漏，改变设备的操作条件等。
下面将使用本发明的优选实施方案更详细地描述本发明的配置和作用。然而，以下实施例仅提供本发明的优选实施例，但本发明不受以下实施例的任何形式的限制。
本发明的模式
实施例
实施例1-5
按照图2所示配置CO2分离膜设备之后，通过MATLAB程序使用上述本发明的公式5至公式13拟合测量变量，并分别获得1.74和2.37作为公式13中的m和n。此外，按照下表1所示改变设备中的流速和压力的同时，预测由于流速和压力的变化导致的渗透单元中的CO2浓度，如图4-7所示。
表1
变量 流速(NL/min) 压力(巴)
实施例1 70 1
实施例2 70 1.5
实施例3 70 2
实施例4 50 2
实施例5 88 2
对比例1-5
按照如图2所示配置CO2分离膜设备之后，同时按照如下表2所示改变设备中的流速和压力，实际测量由于流速和压力的变化变化导致的渗透单元中的CO2浓度的变化，如图4-7所示。
表2
Figure BDA0001941851590000151
Figure BDA0001941851590000161
从图4-7可以看出，通过实际实验计算的对比例1-5中的渗透单元中的CO2浓度显示出与实施例1-5的根据本发明的公式5-13计算的预测性能指数曲线类似的趋势。因此，确认使用公式5-13可以进行相对准确的性能预测。
此外，尽管对比例1-5导致不得不进行实验以得出每个值而造成了不便，但是本发明的实施例1-5使用公式5-13以预测性能指标曲线的形式提供了结果值，从而具有使用测量值来预测和提供由于变量变化引起的操作效率变化的效果。
(附图标记的描述)
100：入口单位
200：渗透单元
300：残渣单元
10：第一模块
11：第一-第一模块
12：第一-第二模块
13：第一-第三模块
20：第二模块
30：第三模块

Claims (13)

1.一种用于检测二氧化碳(CO2)分离膜设备异常的系统，所述系统包括：
入口单元，含有CO2的气体通过其进入包括CO2分离膜组件的设备；
分离膜组件，包括一注入口，将含有CO2的气体供应至每个CO2分离膜组件，并使所供应的气体渗透通过所述CO2分离膜，并分别将已经渗透通过所述分离膜的具有相对高CO2浓度的气体排出至第一排出口，和将没有渗透通过所述分离膜的具有相对低CO2浓度的气体排出至第二排出口；
渗透单元，用于排出具有相对高CO2浓度的气体，将其排出至所述设备的外部；
残渣单元，用于排出具有相对低CO2浓度的气体，将其排出至所述设备的外部；
测量器，用于测量包括在所述入口单元、所述渗透单元和所述残渣单元中的流速、CO2浓度以及压力的信息；以及
控制器，用于根据所述测量器收集的信息确定异常的存在，其中：
当使用公式1计算的第一参考值为小于95％时，所述控制器将所述设备的操作情况检测为异常情况；和
当使用公式1计算的第一参考值为95％或更高时，所述控制器根据公式2和公式3计算第二参考值和第三参考值来确定所述设备的操作状态：
[公式1]第一参考值＝[{(QP×CP·CO2)+(QR×CR·CO2)}/(QIN×CIN·CO2)]×100
[公式2]第二参考值＝│J-{(QP×CP·CO2)/(QIN×CIN·CO2)×100}│
[公式3]第三参考值＝│K-CP·CO2│；
其中，在公式1至3中：
QIN表示通过所述入口单元进入所述设备的含CO2的气体的流速，单位为Nm3/hr；
QP表示排出至所述渗透单元的气体的流速，单位为Nm3/hr；
QR表示排出至所述残渣单元的气体的流速，单位为Nm3/hr；
CIN·CO2表示所述入口单元的CO2浓度，单位为体积％；
CP·CO2表示排出至所述渗透单元的气体的CO2浓度，单位为体积％；
CR·CO2表示排出至所述残渣单元的气体的CO2浓度，单位为体积％；
J表示目标CO2捕获率，单位为％；以及
K表示目标CO2浓度，单位为体积％。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，当使用公式1计算的第一参考值为小于95％时，所述控制器将所述设备的操作状况检测为异常情况并检查所述设备的管道中是否已经发生泄漏以及所述设备是否已达到正常状态。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，当使用公式2计算的第二参考值和使用公式3计算的第三参考值都小于或等于用户所指定的设定值时，所述控制器按照五分钟至十分钟的间隔来重新计算第一参考值。
4.根据权利要求要求1所述的系统，当使用公式2计算的第二参考值和使用公式3计算的第三参考值中的一个或多个超过用户所指定的设定值时，所述控制器将整个设备划分成两个或更多个区域，并然后计算第四参考值，所述第四参考值基于下面的公式4，对每个区域确定是否按区域已经发生异常情况：
[公式4]第四参考值＝{│(CPV,i-CP·CO2,i)│/CP·CO2,i}
其中，在公式4中，CPV,i表示在待测量区域(i)的渗透管道中测量的CO2浓度(体积％)，以及CP·CO2,i表示使用下面的公式5计算的所述待测量区域的渗透管道中的CO2浓度的预测值；
[公式5]CP·CO2,i＝A×CM·CO2,i+B-{D×(CM·CO2,i)2+E×CM·CO2,i+F}0.5
其中，在公式5中，CM·CO2,i表示待测量区域(i)中分离膜表面上的平均CO2浓度(体积％)，并且A、B、D、E和F是通过下面的公式6至10计算的常数；
[公式6]A＝P/2
[公式7]B＝(S+P-1)/{2×(S-1)}
[公式8]D＝P2/4
[公式9]E＝{P×(S-P+1)}/{2×(1-S)}
[公式10]F＝(S+P-1)2/{4×(S-1)2}
其中，在公式6至10中，P和S是使用下面的公式11和12计算的值；
[公式11]P＝PF,i/PP,i
[公式12]S＝PCO2 G/PN2 G，
其中，在公式11和12中：
PF,i表示待测量区域(i)的注入管道的管道中的压力，单位为巴；
PP,i表示待测量区域(i)的渗透管道的管道中的压力，单位为巴；
PCO2 G表示待测量区域(i)中的分离膜的CO2渗透率，单位为GPU；以及
PN2 G表示待测量区域(i)中的分离膜的N2渗透率，单位为GPU。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，当所述第四参考值为10％或更小时，所述控制器检查所述设备的管道中是否已经发生泄漏以及所述设备是否已经达到正常状态。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，当所述第四参考值超过10％时，所述控制器确定待测量区域(i)处于异常操作状态并检查其中是否已经发生干扰。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，检查是否已经发生干扰包括，当使用下面的公式14计算的第五参考值和使用下面的公式15计算的第六参考值中的一个或多个是10％或更高时，确定由于干扰已经发生噪声：
[公式14]第五参考值＝{│(10秒前渗透管道的CO2浓度测量值-渗透管道的当前CO2浓度测量值)│/(10秒前渗透管道的CO2浓度测量值)}×100
[公式15]第六参考值＝{│(20秒前渗透管道的流速测量值-渗透管道的当前流速测量值)│/(20秒前渗透管道的流速测量值)}×100。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，当在检查待测量区域(i)中是否已经发生干扰的过程中，确定由于干扰已经发生噪声时，所述控制器根据公式2和公式3重新计算第二参考值和第三参考值。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，当所述第五参考值和所述第六参考值都小于10％时，所述控制器确定待测量区域(i)处于异常操作状态并产生对策。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，当在所述设备的渗透单元中测量的CO2浓度低于目标CO2浓度(K)，并且所述渗透单元中的CO2捕获率高于目标CO2捕获率(J)时，所述对策包括通过检查连接到其中检测到异常操作的相应区域的管道中是否已经发生泄漏来解决异常操作，
其中，所述渗透单元中的CO2捕获率使用公式{(QP×CP·CO2)/(QIN×CIN·CO2)×100}来计算。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，当所述渗透单元中测量的CO2浓度等于目标CO2浓度(K)，并且所述渗透单元中的CO2捕获率低于所述目标CO2捕获率(J)时，所述对策包括通过检查连接至所述设备的所述入口单元、所述渗透单元和所述残渣单元的管道中是否已经发生泄漏以及通过检查每个管道的阀门是否是打开来解决异常操作，
其中，所述渗透单元中的CO2捕获率使用公式{(QP×CP·CO2)/(QIN×CIN·CO2)×100}来计算。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，当在所述渗透单元中测量的CO2浓度高于所述目标CO2浓度(K)，并且所述渗透单元中的CO2捕获率低于所述目标CO2捕获率(J)时，所述对策包括通过检查连接至其中检测到异常操作的相应区域的CO2排出气体排放管的再循环是否在正常状态下执行来解决异常操作；
其中，所述渗透单元中的CO2捕获率使用公式{(QP×CP·CO2)/(QIN×CIN·CO2)×100}来计算。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，当在所述渗透单元中测量的CO2浓度高于目标CO2浓度(K)，并且渗透单元中的CO2捕获率高于目标CO2捕获率(J)时，所述对策包括通过检查用于测量所述入口单元、所述渗透单元和所述残渣单元中的每个流速和CO2浓度的测量器是否处于正常状态来解决异常操作；
其中，所述渗透单元中的CO2捕获率使用公式{(QP×CP·CO2)/(QIN×CIN·CO2)×100}来计算。
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