CN114002358A - 基于汽液平衡温度计算的气相色谱状态监测软仪表及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于本发明涉及自动控制仪表领域，尤其涉及基于汽液平衡温度计算的气相色谱状态监测软仪表及方法。软仪表利用汽液平衡前的总气体流量F、汽液平衡后的气体流量V、汽液平衡后的液体流量L，计算平衡后的冷凝率R中的任意两个值，计算得到冷凝率：R，计算总气相组成为[Y 1 ,…,Y i ]、系统压力为P和冷凝率为R时的汽液平衡温度Te；计算平衡温度Te与实际的平衡温度T进行比较，若温度偏差在可接受的裕度内，则认为色谱测量精度高，测量结果可信；本发明利用色谱分析结果、温度、压力、流量仪表等信号，建立气相色谱状态侦测软仪表，用于实时分析色谱运行状态。本发明提出的方法不要求色谱安装在汽液平衡区，具有更好的通用性。
Description
技术领域
本发明属于本发明涉及自动控制仪表领域，尤其涉及基于汽液平衡温度计算的气相色谱状态监测软仪表及方法。
背景技术
在面对流程行业中的气体组分测量需求时，在线气相色谱通常作为首选的技术应用，由于生产过程往往较为复杂，待测气体中可能会夹带一些污染物，造成气相色谱的测量精度逐渐下降。除了一些明显的异常——如跳变、死值等，操作人员一般难以直接判断色谱状态及其测量精度，这给精细化生产控制带来了困难。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于汽液平衡温度计算的气相色谱状态监测软仪表,以实现工业生产过程中气相色谱运行状态的实时侦测。
为解决上述技术问题，本发明的基于汽液平衡温度计算的气相色谱状态监测软仪表及方法的具体技术方案如下：
一种基于汽液平衡温度计算的气相色谱状态监测软仪表，采用机理建模法，包括汽液平衡温度计算模块和理论汽液平衡温度Te与实际平衡温度T的偏差计算模块，所述软仪表利用汽液平衡前的总气体流量F、汽液平衡后的气体流量V、汽液平衡后的液体流量L，计算平衡后的冷凝率R中的任意两个值，计算得到冷凝率：R＝L/F＝(F–V)/F＝L/(L+V)，计算总气相组成为[Y1,…,Yi]、系统压力为P和冷凝率为R时的汽液平衡温度Te；所述计算平衡温度Te与实际的平衡温度T进行比较，若温度偏差在设定的裕度内，则认为色谱测量精度高，测量结果可信；所述软仪表模型的输出为平衡气相组成[y1,…,yi]、平衡液相组成[x1,…,xi]、平衡温度偏差dT、色谱置信度；将所述软仪表模型置入支持实时计算的系统中构成在线软仪表。
本发明还公开了一种基于汽液平衡温度计算的气相色谱状态监测方法，包括如下步骤：
步骤1：数据链接建立与预处理；
步骤2：软仪表模型建立；
步骤3：在线运行。
进一步地，所述步骤1将软仪表建立在上位机系统，并通过标准的工业OPC数据接口建立数据链接。
进一步地，所述步骤2包括如下具体步骤：
步骤2.1:计算汽液平衡温度；
步骤2.2：计算理论汽液平衡温度Te与平衡气相温度T的偏差。
进一步地，步骤2.1的计算方法如下：
步骤2.1.1：色谱归一化：Yi＝Yi/∑Yi，其中，Yi为气相色谱分析值；
步骤2.1.2：液化率计算：R＝L/F＝(F–V)/F＝L/(L+V)，其中，F为汽液平衡前的总气体流量、V为汽液平衡后的气体流量、L为汽液平衡后的液体流量；
步骤2.1.3：先设定一个迭代区间(Tlo，Tup)，及一个外循环迭代初值Tn，要求Tn在迭代范围内；
步骤2.1.4：设定一个平衡后气相组成初值[y1,…,yi]；
步骤2.1.5：计算摩尔液化率：
Rm＝1-∑(Mi*Yi)/∑(Mi*yi)*(1–R)，Mi表示各元素的摩尔质量；
步骤2.1.6：计算该摩尔液化率下的液相组成：
xi＝(Yi–(1–Rm)*yi)/Rm；
步骤2.1.7：利用SRK状态方程法，分别计算[y1,…,yi]与[x1,…,xi]的混合压缩因子Zg、Zl，对于气相而言，Zg为SRK立方型方程展开式的最大实根，Zl为SRK立方型方程展开式的最小实根；
所述SRK状态方程法的计算步骤如下：
mxi＝0.48508+1.551wi–0.15613*wi2，wi为各组分的偏心因子，
Tri＝Tn/Tci，Tci为各组分的临界温度，
Pri＝P/Pci，Pci为各组分的临界压力，
ali＝(1+mxi*(1-sqrt(Tri)))2，
aci＝0.42748*(8.314*Tci)2/Pci，
bi＝0.08664*8.314*Tci/Pci，
ai＝aci*ali，
Ai＝0.42748*ali*Pri/Tri2，
Bi＝0.08664*Pri/Tri，
A＝∑(sqrt(Ai)*yi))2，
B＝∑Bi*yi，
b＝8.314*B*Tn/P，
aamix＝∑(sqrt(ai)*yi，
求解如下立方型方程Z3–Z2+(A–B–B2)–A*B＝0的根，求解方法选用牛顿迭代法或解析法；
最大实根即为气相混合压缩因子Zg，采用同样的方法求解液相压缩因子Zl；
步骤2.1.8：计算气相各组成的逸度系数：
Fgi＝exp(bi/b*(Zg-1)–log(Zg–B)+A/B*bi/b–
2/a*sqrt(ai)*aamix*log(1+B/Zg))；
对于液相，采用同样的计算方法；
步骤2.1.9：计算新的汽液平衡常数：
Ki＝Fli/Fgi；
步骤2.1.10：计算新的气相组成：
yi＝Ki*Yi/(Rm+Ki–Rm*Ki)；
圆整yi＝yi/∑yi；
步骤2.1.11：计算新的液相组成：
xnewi＝yi/Ki；
步骤2.1.12：判断内循环收敛条件：max(xnewi–xi)<1e-6；
若收敛条件不满足，则xi＝xnewi，开始新的汽液相平衡计算；
若收敛条件满足，则跳出内循环，进入步骤2.1.13；
步骤2.1.13：判断外循环收敛条件：|∑xi–1|<1e-6；
若收敛条件满足，则跳出循环，所设Te即理论汽液平衡温度，同时输出[y1,…,yi]与[x1,…,xi]；
若∑xi–1>1e-6，则重设Tlo＝Te，Te＝(Te+Tup)/2，返回步骤2.1.4，开始新的汽液平衡计算；
若∑xi–1>1e-6，则重设Tup＝Te，Te＝(Te+Tlo)/2，返回步骤2.1.4，开始新的汽液平衡计算。
进一步地，所述步骤2.2的计算步骤如下:
dT＝Te–T；
若|dT|<ε，则认为色谱分析结果可信，输出Good；
若|dT|<ε，则认为色谱分析结果可信度降低，根据偏差量输出色谱的置信度β＝100-α*|dT|；
其中ε为置信区间，β为置信度，％，α为置信因子。
进一步地，所述软仪表输入为系统压力P，气相色谱分析值Yi，汽液平衡温度T，平衡后气相流量V，平衡后液相流量L，总流量F，所述的软仪表输出为气相色谱置信度β，理论汽液平衡温度Te、平衡后气相组成[y1,…,yi]，平衡后液相组成[x1,…,xi]。
进一步地，所述步骤3包括如下具体步骤：通过OPC数据接口，实现上位系统与PLC或DCS系统的实时数据交互；软仪表的计算结果将输出到对应的PLC或DCS点位上。
本发明的基于汽液平衡温度计算的气相色谱状态监测软仪表及方法具有以下优点：本发明利用色谱分析结果、温度、压力、流量仪表等信号，建立气相色谱状态侦测软仪表，用于实时分析色谱运行状态。本发明提出的方法不要求色谱安装在汽液平衡区，具有更好的通用性。
附图说明
图1是软仪表模型的模型结构示意图；
图2为色谱异常时的监测结果图；
图3为色谱正常时的监测结果图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于汽液平衡温度计算的气相色谱状态监测软仪表做进一步详细的描述。
基于汽液平衡温度计算的气相色谱状态监测软仪表，其实施包括四个步骤，即数据链接建立与预处理、软仪表模型建立、在线运行。
数据链接建立与预处理
对于大部分工业现场，色谱测量信号一般已经集成到DCS/PLC等底层控制系统中，可作为数据来源。软仪表可以在任何支持实时计算的系统中进行实施，底层控制系统DCS/PLC与上位机系统均可。由于计算模型占用的计算机负荷较高，一般选择放在上位机系统，并通过标准的工业OPC数据接口建立数据链接。
建立软仪表模型
软测量仪表的核心是汽液平衡计算，也即理论汽液平衡温度(色谱可信度)与色谱分析值、温度、压力、流量等直接测量值之间的数学模型。软测量建模的方法采用机理建模法。
下面对所述的机理建模法进行说明：
(1)首先，需要计算汽液平衡温度，计算方法如下：
①色谱归一化：Yi＝Yi/∑Yi。其中，Yi为气相色谱分析值。
②液化率计算：R＝L/F＝(F–V)/F＝L/(L+V)。其中，F为汽液平衡前，即过热区的总气体流量、V为汽液平衡后的气体流量、L为汽液平衡后的液体流量。
③先设定一个较宽的迭代区间(Tlo，Tup)，及一个外循环迭代初值Tn，要求Tn在迭代范围内。
④设定一个平衡后气相组成初值[y1,…,yi]
⑤计算摩尔液化率：
Rm＝1-∑(Mi*Yi)/∑(Mi*yi)*(1–R)，Mi表示各元素的摩尔质量。
⑥计算该摩尔液化率下的液相组成：
xi＝(Yi–(1–Rm)*yi)/Rm
⑦利用SRK状态方程法，分别计算[y1,…,yi]与[x1,…,xi]的混合压缩因子Zg、Zl。对于气相而言，Zg为SRK立方型方程展开式的最大实根，Zl为SRK立方型方程展开式的最小实根。
下对SRK状态方程法作如下介绍：
mxi＝0.48508+1.551wi–0.15613*wi 2，wi为各组分的偏心因子，
Tri＝Tn/Tci，Tci为各组分的临界温度，
Pri＝P/Pci，Pci为各组分的临界压力，
ali＝(1+mxi*(1-sqrt(Tri)))2，
aci＝0.42748*(8.314*Tci)2/Pci，
bi＝0.08664*8.314*Tci/Pci，
ai＝aci*ali，
Ai＝0.42748*ali*Pri/Tri 2，
Bi＝0.08664*Pri/Tri，
A＝∑(sqrt(Ai)*yi))2，
B＝∑Bi*yi，
b＝8.314*B*Tn/P，
aamix＝∑(sqrt(ai)*yi，
求解如下立方型方程Z3–Z2+(A–B–B2)–A*B＝0的根。求解方法可选用牛顿迭代法或解析法。
最大实根即为气相混合压缩因子Zg。采用同样的方法求解液相压缩因子Zl。
⑧计算气相各组成的逸度系数：
Fgi＝exp(bi/b*(Zg-1)–log(Zg–B)+A/B*bi/b–2/a*sqrt(ai)*aamix*log(1+B/Zg))
对于液相，采用同样的计算方法。
⑨计算新的汽液平衡常数：
Ki＝Fli/Fgi
⑩计算新的气相组成：
yi＝Ki*Yi/(Rm+Ki–Rm*Ki)
圆整yi＝yi/∑yi
xnewi＝yi/Ki
若收敛条件不满足，则xi＝xnewi，开始新的汽液相平衡计算；
若收敛条件满足，则跳出内循环。进入步骤13。
若收敛条件满足，则跳出循环，所设Te即理论汽液平衡温度，同时输出[y1,…,yi]与[x1,…,xi]；
若∑xi–1>1e-6，则重设Tlo＝Te，Te＝(Te+Tup)/2，返回步骤4，开始新的汽液平衡计算
若∑xi–1>1e-6，则重设Tup＝Te，Te＝(Te+Tlo)/2，返回步骤4，开始新的汽液平衡计算。
(2)进一步的，计算理论汽液平衡温度Te与平衡气相温度T的偏差：
dT＝Te–T
若|dT|<ε，则认为色谱分析结果可信，输出Good；
若|dT|<ε，则认为色谱分析结果可信度降低，根据偏差量输出色谱的置信度β＝100-α*|dT|
其中ε为置信区间，β为置信度，％，α为置信因子。
本发明的基于汽液平衡温度计算的在线气相色谱状态侦测软仪表，利用汽液平衡时的冷凝率与系统温度、系统压力，建立起所述的软仪表模型
所述的软仪表输入为系统压力P，气相色谱分析值Yi，汽液平衡温度T，平衡后气相流量V，平衡后液相流量L，总流量F。
所述的软仪表输出为气相色谱置信度β，理论汽液平衡温度Te、平衡后气相组成[y1,…,yi]，平衡后液相组成[x1,…,xi]。
在线运行
软仪表可以在任何支持实时计算的系统中进行实施。一般可以在工厂现有的PLC系统或DCS系统中实施，也可在其上位系统，如在APC系统中实施。前者的优点是无需额外的设备成本，但需评估系统CPU负荷；后者则需要备置一台工业服务器，优点是可独立进行计算，不会增加底层系统的计算负荷，且修改和维护较为方便。由于本发明专利涉及较多的迭代循环和求解计算，一般不建议于底层系统实现。
通过OPC数据接口，实现上位系统与PLC或DCS系统的实时数据交互。
软仪表的计算结果将输出到对应的PLC或DCS点位上。
下面为实施案例：
聚丙烯装置循环气在线气相色谱状态侦测
在某聚丙烯生产装置中，在循环气管线上安装了在线气相色谱，用于监测反应器中的气体组成，色谱安装位置为过热区。
图2为色谱异常时的监测结果，可以看出，当丙烯浓度发生跳变时，理论平衡温度也发生明显变化，dT偏离零点，准确地发现了色谱异常。
图3为色谱正常时的监测结果，可以看出，在进行工况调整——降低冷凝率时，汽液平衡温度升高，符合工艺原理。计算得到的理论汽液平衡温度也随之升高。说明此时色谱状态良好。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种基于汽液平衡温度计算的气相色谱状态监测软仪表，采用机理建模法，其特征在于，包括汽液平衡温度计算模块和理论汽液平衡温度Te与实际平衡温度T的偏差计算模块，所述软仪表利用汽液平衡前的总气体流量F、汽液平衡后的气体流量V、汽液平衡后的液体流量L，计算平衡后的冷凝率R中的任意两个值，计算得到冷凝率：R＝L/F＝(F–V)/F＝L/(L+V)，计算总气相组成为[Y1,…,Yi]、系统压力为P和冷凝率为R时的汽液平衡温度Te；所述计算平衡温度Te与实际的平衡温度T进行比较，若温度偏差在设定的裕度内，则认为色谱测量精度高，测量结果可信；所述软仪表模型的输出为平衡气相组成[y1,…,yi]、平衡液相组成[x1,…,xi]、平衡温度偏差dT、色谱置信度；将所述软仪表模型置入支持实时计算的系统中构成在线软仪表。
2.一种利用如权利要求1所述的基于汽液平衡温度计算的气相色谱状态监测软仪表进行气相色谱状态监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：数据链接建立与预处理；
步骤2：软仪表模型建立；
步骤3：在线运行。
3.根据权利要求2所述的气相色谱状态监测方法，其特征在于，所述步骤1将软仪表建立在上位机系统，并通过标准的工业OPC数据接口建立数据链接。
4.根据权利要求2所述的气相色谱状态监测方法，其特征在于，所述步骤2包括如下具体步骤：
步骤2.1:计算汽液平衡温度；
步骤2.2：计算理论汽液平衡温度Te与平衡气相温度T的偏差。
5.根据权利要求4所述的气相色谱状态监测方法，其特征在于，步骤2.1的计算方法如下：
步骤2.1.1：色谱归一化：Yi＝Yi/∑Yi，其中，Yi为气相色谱分析值；
步骤2.1.2：液化率计算：R＝L/F＝(F–V)/F＝L/(L+V)，其中，F为汽液平衡前的总气体流量、V为汽液平衡后的气体流量、L为汽液平衡后的液体流量；
步骤2.1.3：先设定一个迭代区间(Tlo，Tup)，及一个外循环迭代初值Tn，要求Tn在迭代范围内；
步骤2.1.4：设定一个平衡后气相组成初值[y1,…,yi]；
步骤2.1.5：计算摩尔液化率：
Rm＝1-∑(Mi*Yi)/∑(Mi*yi)*(1–R)，Mi表示各元素的摩尔质量；
步骤2.1.6：计算该摩尔液化率下的液相组成：
xi＝(Yi–(1–Rm)*yi)/Rm；
步骤2.1.7：利用SRK状态方程法，分别计算[y1,…,yi]与[x1,…,xi]的混合压缩因子Zg、Zl，对于气相而言，Zg为SRK立方型方程展开式的最大实根，Zl为SRK立方型方程展开式的最小实根；
所述SRK状态方程法的计算步骤如下：
mxi＝0.48508+1.551wi–0.15613*wi2，wi为各组分的偏心因子，
Tri＝Tn/Tci，Tci为各组分的临界温度，
Pri＝P/Pci，Pci为各组分的临界压力，
ali＝(1+mxi*(1-sqrt(Tri)))2，
aci＝0.42748*(8.314*Tci)2/Pci，
bi＝0.08664*8.314*Tci/Pci，
ai＝aci*ali，
Ai＝0.42748*ali*Pri/Tri2，
Bi＝0.08664*Pri/Tri，
A＝∑(sqrt(Ai)*yi))2，
B＝∑Bi*yi，
b＝8.314*B*Tn/P，
aamix＝∑(sqrt(ai)*yi，
求解如下立方型方程Z3–Z2+(A–B–B2)–A*B＝0的根，求解方法选用牛顿迭代法或解析法；
最大实根即为气相混合压缩因子Zg，采用同样的方法求解液相压缩因子Zl；
步骤2.1.8：计算气相各组成的逸度系数：
Fgi＝exp(bi/b*(Zg-1)–log(Zg–B)+A/B*bi/b–
2/a*sqrt(ai)*aamix*log(1+B/Zg))；
对于液相，采用同样的计算方法；
步骤2.1.9：计算新的汽液平衡常数：
Ki＝Fli/Fgi；
步骤2.1.10：计算新的气相组成：
yi＝Ki*Yi/(Rm+Ki–Rm*Ki)；
圆整yi＝yi/∑yi；
步骤2.1.11：计算新的液相组成：
xnewi＝yi/Ki；
步骤2.1.12：判断内循环收敛条件：max(xnewi–xi)<1e-6；
若收敛条件不满足，则xi＝xnewi，开始新的汽液相平衡计算；
若收敛条件满足，则跳出内循环，进入步骤2.1.13；
步骤2.1.13：判断外循环收敛条件：|∑xi–1|<1e-6；
若收敛条件满足，则跳出循环，所设Te即理论汽液平衡温度，同时输出[y1,…,yi]与[x1,…,xi]；
若∑xi–1>1e-6，则重设Tlo＝Te，Te＝(Te+Tup)/2，返回步骤2.1.4，开始新的汽液平衡计算；
若∑xi–1>1e-6，则重设Tup＝Te，Te＝(Te+Tlo)/2，返回步骤2.1.4，开始新的汽液平衡计算。
6.根据权利要求5所述的气相色谱状态监测方法，其特征在于，所述步骤2.2的计算步骤如下:
dT＝Te–T；
若|dT|<ε，则认为色谱分析结果可信，输出Good；
若|dT|<ε，则认为色谱分析结果可信度降低，根据偏差量输出色谱的置信度β＝100-α*|dT|；
其中ε为置信区间，β为置信度，％，α为置信因子。
7.根据权利要求6所述的气相色谱状态监测方法，其特征在于，所述软仪表输入为系统压力P，气相色谱分析值Yi，汽液平衡温度T，平衡后气相流量V，平衡后液相流量L，总流量F，所述的软仪表输出为气相色谱置信度β，理论汽液平衡温度Te、平衡后气相组成[y1,…,yi]，平衡后液相组成[x1,…,xi]。
8.根据权利要求2所述的气相色谱状态监测方法，其特征在于，所述步骤3包括如下具体步骤：通过OPC数据接口，实现上位系统与PLC或DCS系统的实时数据交互；软仪表的计算结果将输出到对应的PLC或DCS点位上。
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