CN115301718A - 一种土壤修复多相抽提设备性能优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤修复多相抽提设备性能优化方法，包括如下步骤：输入污染场地参数、污染相参数以及水相、气相参数；根据多孔介质多相流动力学模型，MPE设备数学模型，结合MATLAB仿真，分析不同真空度对土壤中污染物去除效率，分析阀门开度、真空泵运转频率对抽提井压力、抽提流量的影响情况，从而确定最优真空度；优化控制方案，提升油井内压力与污染物浓度的协同控制，分离器液位均匀控制，活性炭过滤器压力流量串级控制；通过优化关键参数真空度，优化控制方案来实现MPE系统高效运行与能源节省。本发明提出的性能优化策略可依据修复场地土壤、污染物参数确定最优工艺参数，在设备层面优化控制方案，从而实现提效节能目的。
Description
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域，尤其涉及一种土壤修复多相抽提设备性能优化方法。
背景技术
原位多相抽提(MPE)技术可同时修复挥发性/半挥发性有机物(Volatile OrganicCompounds VOCs/Semi-volatile Organic Compounds SVOCs)污染土壤和地下水，适用于石化企业污染场地、苯系物、多环芳烃类等污染物的高效修复，已广泛应用于工程实践，应用频率近年来逐渐提高。但现有的修复设备工艺参数是根据运行经验给出，没有经过数学计算和仿真验算，另外，修复设备的控制方案以简单控制系统为主，导致MPE设备运行效率不高，修复效率低，能源消耗大。
现有技术研究一部分集中在多相抽提修复工艺改进。该部分技术通过增加污染物净化装置、增设监控传感器、优化子装置结构等方式在工艺层面实现MPE设备性能优化。另一部分现有技术研究集中在强化MPE抽提效率。该部分技术结合热脱附系统或电力系统提供的热能或电能，弱化土壤中污染物的粘度等性质，便于去除土壤中的污染物，从而提高修复效率。目前有关多相抽提技术中，尚未有从设备工艺参数和控制方案层面提效节能的相关技术。
发明内容
本发明目的是提供了一种土壤修复多相抽提设备性能优化方法，以解决上述问题。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种土壤修复多相抽提设备性能优化方法，包括如下步骤：
S1，输入污染场地参数、污染相参数以及水相、气相参数；
S2，根据多孔介质多相流动力学模型，MPE数学设备模型，结合MATLAB仿真，分析不同真空度对土壤中污染物去除效率，分析阀门开度、真空泵运转频率对抽提井压力、抽提流量的影响情况，从而确定最优真空度；
S3，优化控制方案，提升油井内压力与污染物浓度的协同控制，分离器液位均匀控制，活性炭过滤器压力流量串级控制；
S4，通过优化关键参数真空度，优化控制方案来实现MPE系统高效运行与能源节省。
进一步的，污染场地参数包括：污染场地的固有渗透系数、密度以及孔隙度；污染相参数包括：污染相密度、粘度以及溶解度。
进一步的，多孔介质多相流动力学模型的构建：
多相流建模是构建各相流体的质量平衡方程；
针对土壤中REV，α相质量变化包括传质作用、对流作用以及周边REV的相迁移，其质量平衡方程如式(1)所示：
∑βEα,β为所有化合物β向α相转移的总和，即源汇项，kg/(m3·s)；α相为气相(g)、NAPL相(o)或水相(w)；
各相流体的质量平衡方程如下：
水相质量平衡方程如式(2)所示：
NAPL相质量平衡方程如式(3)所示：
气相质量平衡方程如式(4)：
NAPL溶解于水中与挥发到气相中会发生对流弥散作用，其质量平衡方程如下：
NAPL溶解到水相中的质量平衡方程为式(5)：
NAPL挥发到气相中的质量平衡方程为式(6)：
土壤中三相流的运动迁移均遵循Darcy定律：
本模型共5个质量平衡方程，结合初始条件和边界条件构成完整的数学模型；
其中，
分别表示土壤孔隙度和固有渗透系数；Sα,ρα分别表示α相流体饱和度和密度；qα表示α相流体迁移速度；Cα,β表示α相中化合物β的平衡浓度；
表示α相中化合物β的弥散系数；Eo-w,β表示NAPL相与水相之间的传质量；Ew-g,β表示水相与气相之间的传质量；Ew-s,β表示水相与固相之间的传质量；Eo-g,β表示NAPL相与气相之间的传质量；Qα表示外界流入REV的α相质量；krα表示α相相对渗透系数；Pα表示α相压力；μrα表示α相粘度；g表示重力加速度。
进一步的，对时间和空间分别采用有限差分和有限元方法进行离散，形成用于数值计算的线性方程组，根据初始条件和边界条件进行求解，多孔介质多相流动力学模型能够模拟饱和土和非饱和土的污染和去污染情景，不同情景的边界条件如下：
1)污染物渗入土壤扩散边界条件
流体流动阶段，Dirichlet和Neumann边界条件：
Pg＝atm，土壤表面和右边界；Pw＝(2-z)ρwg，右边界；
qo＝q(cm/min)，土壤表面渗透流速，流速q再仿真时手动给定；
污染物扩散阶段，Neumann边界条件：
2)MPE抽提阶段边界条件
MPE抽提阶段的边界条件与污染物渗入步骤相同，另外设抽提井内真空度为Pwell：
进一步的，MPE设备数学模型的建立包括空气调节阀模型，电机-真空泵模型，调节阀、真空泵对抽提井内压力的影响模型、MPE液相传动模型、抽提管道中污染物浓度模型以及抽提井数学模型的建立；其中，
1)空气调节阀模型的建立：
空气阀门用于控制新鲜空气流量以降低管道内的污染物浓度，其为电控比例调节阀，通过电机带动丝杠调节阀芯位移，实现阀门的调节；对于气体调节阀，将其视作一个薄壁小孔，建立薄壁小孔的压力流量等效模型，用小孔的流量特性表示阀门的流量特性，图中p1,p2,θ1,θ2,ρ1,ρ2分别为小孔前后流体压力、温度和密度，S,Se分别为小孔面积和有效流动面积，u2为小孔出口处流体流速；
根据伯努利方程和绝热过程公式可以得到小孔出口质量流量与小孔前后压力的关系，如式(8)所示：
其中，k表示空气比热，J/(kg·K)；R表示空气的气体常数，J/(kg·K)；
2)电机-真空泵模型的建立：
真空泵主要用于提供负压动力；真空泵采用变频调速控制，其电频率与转速的关系如式(9)所示：
真空泵的压力流量特性曲线，考虑到泄露流量的损失，由于泄露流量造成的压力损失与流量的平方成正比，所以，特性曲线通过二次函数描述：
p＝a-bQ-cQ2 (10)
其中，n是真空泵转速，f是电频率，s是转差率，用于描述电机转速与同步转速之间的比率，m是极对数，Q表示真空泵出口流体体积流量，p表示真空泵出口压力，A、B、C为真空泵自身特性有关的参数；设真空泵以额定转速n1运行时，其出口流量和压力分别为Q1,p1，则真空泵出口流量、压力和转速满足式(11)：
代入式(10)得式(12)，即不同频率下真空泵的特性曲线方程；
变频器数学模型视为一个比例环节加一个小的惯性环节，三相异步电机的转子转速与电频率的关系近似为一个一阶惯性环节；因此变频器-电机传递函数通过一阶惯性环节加一个滞后环节：
其中：ω表示转子转速，ω0表示定子转频率，K1为变频器-电机环节的等效增益；T1为变频器-电机环节的等效时间常数；τ为变频器-电机环节纯滞后时间；
3)调节阀、真空泵对抽提井内压力的影响模型
调节阀打开，引入新鲜空气到抽提管道，会造成抽提井内负压降低；经过仿真研究，归纳影响情况的拟合模型如下：
a)真空泵以额定频率运行转时，调节阀开度对抽提井内压力影响模型：
pwell＝b1rvalve+c1 (14)
b)空气阀门全关时，真空泵运行频率对抽提井内压力影响模型：
pwell＝a2f2+b2f+c2 (15)
其中：pwell为抽提井内负压，rvalve表示阀门开度，f为真空泵运转频率；模型中的参数a2,b1,b2,c1,c2通过实验数据或实际数据拟合得到；
4)MPE液相传动建模
MPE设备中液相传送与处理系统，液体传送机构为螺杆泵和增压泵，通过变频调速调节泵的出口流量，以控制液位、流量与压力稳定，建模需计算的物理量包括气液分离器和缓冲储罐液位、活性炭过滤器入口流量与压力；
液位计算：
针对单个分离器，假设流入流量和流出流量分别为Qin,Qout，分离器内液位高度为h，液体体积为V，分离器腔内水平截面面积为Sa，那么流量变化微分方程如式(16)：
因此，液位高度计算表达式如下：
活性炭过滤器入口压力流量计算：
通过两截面和截面之间对整个管长L积分，得到管路的动态方程：
根据泵的特性曲线，泵的出口压力Δp拟合为出口流量Q的一元二次多项式，则：
管路损失通过式(16)计算：
式(18)～(20)组成了变频调节时液体管路的动态数学模型，对该式在稳态点进行线性化以及拉氏变换处理，整理后得到流量Q与泵转速n、流量Q与活性炭过滤器入口压力p4之间的传递函数
其中：
5)抽提管道中污染物浓度模型
抽提管道中的污染物浓度与抽提井内压力直接相关，需建立管道中污染物浓度的模型；该模型或函数满足以下条件：模型或函数有渐近线、连续且平缓变化；采用如下函数：
阀门打开会引入新鲜空气，污染气体与空气混合，从而降低污染物的浓度；为便于计算，假设气体混合过程中密度不会发生改变，并且空气与抽提气体的密度始终不变，混合前后总体积不发生改变；则气体混合过后的污染物浓度计算式如下：
其中ψ(pwell)表示土壤抽提物中VOCs的体积浓度，由传感器直接测量得到，ψout表示混合后气体中VOCs的体积浓度，gsoil,gair分别表示土壤抽提气体与空气的质量流量，a3,b3,c3为拟合参数；
6)抽提井数学模型的建立
通过在抽提井内施加负压抽提土壤中污染物，抽提井作为被控对象，输入变量为井内负压，输出变量为抽提流量，计算其传递函数即寻找抽提流量随井内负压的变化关系；采用系统辨识的方法将数值模型转换为传递函数；在获得了传递函数模型与仿真数据后，使用MATLAB的系统辨识工具箱获得对应的参数值，经过反复实验比较，用一个2极点1零点的系统描述进行，传递函数如下：
其中，Gwell(s)为抽提井传递函数，P(s),F(s)分别为抽提井内负压与抽提流量的拉氏变换，a4 a7为辨识参数；
ρ表示输送流体密度，Δp表示增压泵提供的压力，u,u1,u4表示管道中、截面1、截面4处的流体流速，z1,z4表示截面1截面4中心到基准面的垂直距离，ΔpL表示选取流体截面之间的管路压力损失，l表示截面1和截面4之间的直管长度，n0,Q0表示增压泵额定转速，出口流量，p1,p4表示截面1和截面4处的压力，λ表示管路摩擦因数，bL表示管路阻力系数，∑le表示截面1和截面4之间局部阻力折合的当量长度，Σξ表示截面1和截面4之间管道进口、出口的阻力系数，D表示管道直径，A、B、C均表示Δp-Q曲线拟合参数。
进一步的，控制层的执行机构包括：真空泵、空气阀、螺杆泵和增压泵；通过控制执行机构，调节抽提井内压力、抽提管道内污染物浓度、分离器液位以及活性炭过滤器的压力与流量；
1)抽提井内压力与管道内污染物浓度协同控制
抽提井内压力与管道内污染物浓度是一对耦合被控变量，当污染物浓度超过设定值时，空气阀门打开引入新鲜空气，浓度会下降，同时会造成井内负压降低，因此真空泵频率会增大以提供更高的负压弥补阀门开度引起的压降，故两者需协同控制，同时稳定压力与浓度，不能单独考虑；抽提井内压力预测模型通过式(14)和(15)获得；
2)分离器液位均匀控制
液位稳定通过控制变速泵实现；螺杆泵的频率通过气液分离器的液位控制，除了控制气液分离器的液位外，油水分离器的入口流量不能有大的波动，因为会影响油水分离效率，故拟采用均匀控制方案控制螺杆泵，使气液分离器液位稳定，同时平衡油水分离器入口流量变化；
3)活性炭过滤器压力流量串级控制
实际运行过程中，增压泵承担了太多的控制任务，包括缓冲储罐液位控制、活性炭过滤器入口流量与压力控制；三个被控变量通过一个执行机构调节，且有相互矛盾的地方会使执行机构力不从心，此处优化如下：增压泵作为串级控制系统的执行机构，调节活性炭过滤器入口流量与压力，压力控制为主回路，流量控制为副回路，同时副回路控制活性炭过滤器入口流量等于缓冲储罐入口流量，则在稳定缓冲储罐液位的基础上调节了活性炭过滤器入口流量与压力，同时减轻了增压泵的控制任务。
本发明的有益效果：
本发明针对MPE修复技术，在分析土壤中多相流迁移过程和MPE设备中流体传动的基础上，提出多相抽提设备性能优化策略。该优化策略分为两方面：优化工艺参数和优化控制方案。工艺参数的优化通过数值仿真的手段寻找MPE运行的最优真空度；控制层的优化主要在于控制方案，包含井内压力与污染物浓度的协同控制、分离器液位均匀控制和活性炭过滤器压力流量串级控制。通过复杂控制方案使MPE设备关键工艺参数运行在最优工作区间，实现MPE设备的提效节能；提出的性能优化策略不仅使设备工作再最优工艺参数区间中，还使控制系统更稳定抗干扰性更强，提高MPE运行效率，节省能源使用，达到提效节能的目的。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明MPE工艺流程图；
图3为本发明NAPLs在土壤中形态转化图；
图4为本发明各相流体质量变化示意图；
图5本发明电动调节阀结构与等效模型图；
图6本发明MPE设备液相传送等效图；
图7为本发明MPE控制框图；
图8为本发明多孔介质多相流动力学模型边界条件示意图；
图9为本发明模型模拟NAPL扩散后的分布图；
图10为本发明不同真空度对MPE抽提效率的影响示意图；
图11为本发明不同开度下流量与压力的关系图；
图12为本发明真空泵的压力流量特性曲线；
图13为本发明阀门开度对抽提井内压力的影响示意图；
图14为本发明真空泵运转频率对抽提井内压力的影响及拟合曲线；
图15为本发明抽提流量仿真结果与传递函数输出结果图；
图16为本发明MPE控制系统Simulink仿真图；
图17为本发明抽提井内负压、抽提流量、污染物浓度控制结果图；
图18为本发明分离器的液位与泵出口流量控制结果图；
图19为本发明活性炭过滤器入口流量与压力控制效果图；
图20为本发明运行100天两种策略效率对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
多相抽提(Multi-Phase Extraction,MPE)技术同时抽提场地污染区域气体、地下水和自由相等多相态污染介质至地面以进行多相分离及净化处理的污染场地原位修复技术，能够同时修复地下水、包气带及含水层土壤中的污染物，回收自由相态污染物并控制地下水污染流迁移，尤其适用于易挥发、易流动的非水相液体(Nonaqueous Phase LiquidsNAPL)污染修复。MPE设备处理污染物可分为三部分：抽提部分、分离部分和处理部分，工艺流程如图2所示，描述如下：
抽提部分，两台真空泵在抽提井中产生相当大的负压将污染相抽提到设备中，设备共有两根主收集干管，每根干管上连接了24根抽提歧管，每根歧管又可通过软管同时连接两口抽提井。在气液分离器进口之前的抽提管路上，安装了污染物浓度检测系统，一旦测得的可燃物浓度达到爆炸下限，调节阀会自动开启，引入新鲜空气至收集干管进行稀释，避免爆炸。两台真空泵为定频工作，即该设备运行时提供的真空度为定值。
分离部分，抽提的混合物通过气液分离器分离，其中气相通过真空泵抽到外接设备进行处理，液相(水相和非水相污染物)通过螺杆泵泵至油水分离器分离；随着含油的水不断地流入该分离器中，油滴会通过不停的碰撞结合生成更大的油滴，随着油滴的尺寸增大，油滴的浮力也在增加。通过这种方式，NAPL将形成一个可以与水分离的层。螺杆泵用于调节气液分离器和油水分离器的液位。
处理部分，分离出的NAPL将暂存于一个收集桶内，水漫过堰板后进入缓冲储罐，再通过增压泵输送至液体活性炭过滤器中进行吸附处理，活性炭作为吸附剂来去除溶解于液体中的有机物质。增压泵用于调节缓冲储罐的液位与活性炭过滤器入口流量与压力。
目前MPE的工艺参数是根据运行经验给出的，并没有经过数学计算和仿真验算，和实际修复场地所需的参数有所出入，另外，设备的控制方案以简单控制系统为主，系统运行效率以及抗干扰性较低，有进一步优化的空间。为提高MPE系统运行效率，节省能源消耗，需优化MPE性能。MPE性能优化目标：在达到相同修复效果的前提下，节省能源，降低MPE设备运行时间。优化分为两方面：优化工艺参数、优化控制方案。
工艺参数优化，通过对污染场地多相流迁移模型以及MPE设备模型的数值仿真，获取MPE工作效率最优时的参数。MPE设备中需优化的参数为真空度和活性炭过滤器吸附压力。控制方案优化，通过复杂控制方案提高MPE系统的运行效率与鲁棒性。优化策略的流程图如图1所示。
参考图1，本发明公开了一种土壤修复多相抽提设备性能优化方法，包括如下步骤：
S1，输入污染场地参数、污染相参数以及水相、气相参数；
S2，根据多孔介质多相流动力学模型，MPE数学设备模型，结合MATLAB仿真，分析不同真空度对土壤中污染物去除效率，分析阀门开度、真空泵运转频率对抽提井压力、抽提流量的影响情况，从而确定最优真空度；
S3，优化控制方案，提升油井内压力与污染物浓度的协同控制，分离器液位均匀控制，活性炭过滤器压力流量串级控制；
S4，通过优化关键参数真空度，优化控制方案来实现MPE系统高效运行与能源节省。
本实施例中，污染场地参数包括：污染场地的固有渗透系数、密度以及孔隙度；污染相参数包括：污染相密度、粘度以及溶解度。
多孔介质多相流动力学模型的构建：
土壤是一种典型的多孔介质。在受污染土壤中一般存在着空气、水和NAPL等流体。NAPL在土壤系统中的迁移是非常复杂的过程，从微观水平来看，NAPL自由相在足够大的压力和重力作用下克服土体细小孔隙中的毛细压力，穿过孔隙并且驱替孔隙中水相或者气相渗流运移，同时受到土壤中有机、无机胶体和微生物的作用，通过物理、化学和生物变化不断被吸附、分解和转化；部分可溶性和挥发性组分通过溶解和挥发过程进入地下水和孔隙空气，受对流、弥散等作用继续运移。NAPL在土壤系统中有以下几种存在形态：自由流动的液相、吸附在土颗粒表面的吸附相、溶解于水中的溶解相和挥发于空气中的挥发相，形态转化如图3所示。
多相流建模是构建各相流体的质量平衡方程，根据图4可分析各相流体质量情况。
针对土壤中REV(Representative Element Volume)，α相质量变化包括传质作用(溶解、挥发、吸附等)、对流作用以及周边REV的相迁移，其质量平衡方程如式(1)所示：
∑βEα,β为所有化合物β向α相转移的总和，即源汇项，kg/(m3·s)；α相为气相(g)、NAPL相(o)或水相(w)；
各相流体的质量平衡方程如下：
水相质量平衡方程如式(2)所示：
NAPL相质量平衡方程如式(3)所示：
气相质量平衡方程如式(4)：
NAPL溶解于水中与挥发到气相中会发生对流弥散作用，其质量平衡方程如下：
NAPL溶解到水相中的质量平衡方程为式(5)：
NAPL挥发到气相中的质量平衡方程为式(6)：
土壤中三相流的运动迁移均遵循Darcy定律：
本模型共5个质量平衡方程，结合初始条件和边界条件构成完整的数学模型；
其中，
分别表示土壤孔隙度和固有渗透系数；Sα,ρα分别表示α相流体饱和度和密度；qα表示α相流体迁移速度；Cα,β表示α相中化合物β的平衡浓度；
表示α相中化合物β的弥散系数；Eo-w,β表示NAPL相与水相之间的传质量；Ew-g,β表示水相与气相之间的传质量；Ew-s,β表示水相与固相之间的传质量；Eo-g,β表示NAPL相与气相之间的传质量；Qα表示外界流入REV的α相质量；krα表示α相相对渗透系数；Pα表示α相压力；μrα表示α相粘度；g表示重力加速度。
对时间和空间分别采用有限差分和有限元方法进行离散，形成用于数值计算的线性方程组，根据初始条件和边界条件进行求解，多孔介质多相流动力学模型能够模拟饱和土和非饱和土的污染和去污染情景，不同情景的边界条件如下：
1)污染物渗入土壤扩散边界条件
流体流动阶段，Dirichlet和Neumann边界条件：
Pg＝atm，土壤表面和右边界；Pw＝(2-z)ρwg，右边界；
qo＝q(cm/min)，土壤表面渗透流速，流速q再仿真时手动给定；
污染物扩散阶段，Neumann边界条件：
2)MPE抽提阶段边界条件
MPE抽提阶段的边界条件与污染物渗入步骤相同，另外设抽提井内真空度为Pwell：
上述构建的多孔介质多相流模型可模拟饱和土壤和非饱和土壤中污染和去污染情景。去污染情景模拟即手动设定抽提井内负压，模拟在该负压情况下的污染物被抽出土壤的情况。从理论角度计算污染土壤参数条件下的最优真空度难度以及计算成本太高。根据工程经验可预估抽提井内负压的大致范围，再在该负压范围内模拟不同负压下污染物去除情况以确定最优真空度。
MPE主要部件包括：调节阀、真空泵、螺杆泵、增压泵、气液分离器、油水分离器、液体活性炭罐。其中调节阀、真空泵、螺杆泵和增压泵为执行机构，分别用于调节入口管道可燃气体浓度、抽提井内压力、气液分离器液位以及缓冲储罐液位。建立MPE设备部件模型可为控制方案优化奠定基础。
MPE数学设备模型的建立包括空气调节阀模型，电机-真空泵模型，调节阀、真空泵对抽提井内压力的影响模型、MPE液相传动模型、抽提管道中污染物浓度模型以及抽提井数学模型的建立；其中，
1)空气调节阀模型的建立：
空气阀门用于控制新鲜空气流量以降低管道内的污染物浓度，其为电控比例调节阀，结构如图5(a)所示，通过电机带动丝杠调节阀芯位移，实现阀门的调节；对于气体调节阀，将其视作一个薄壁小孔，如图5(b)所示，建立薄壁小孔的压力流量等效模型，用小孔的流量特性表示阀门的流量特性，图中p1,p2,θ1,θ2,ρ1,ρ2分别为小孔前后流体压力、温度和密度，S,Se分别为小孔面积和有效流动面积，u2为小孔出口处流体流速；
根据伯努利方程和绝热过程公式可以得到小孔出口质量流量与小孔前后压力的关系，如式(8)所示：
其中，k表示空气比热，J/(kg·K)；R表示空气的气体常数，J/(kg·K)；
2)电机-真空泵模型的建立：
真空泵主要用于提供负压动力；真空泵采用变频调速控制，其电频率与转速的关系如式(9)所示：
真空泵的压力流量特性曲线，考虑到泄露流量等损失，由于泄露流量造成的压力损失与流量的平方成正比，所以，特性曲线通过二次函数描述：
p＝a-bQ-cQ2 (10)
其中，n是真空泵转速，f是电频率，s是转差率，用于描述电机转速与同步转速之间的比率，m是极对数，Q表示真空泵出口流体体积流量，p表示真空泵出口压力，A、B、C为真空泵自身特性有关的参数；设真空泵以额定转速n1运行时，其出口流量和压力分别为Q1,p1，则真空泵出口流量、压力和转速满足式(11)：
代入式(10)得式(12)，即不同频率下真空泵的特性曲线方程；
变频器数学模型可以视为一个比例环节加一个小的惯性环节，三相异步电机的转子转速与电频率的关系近似为一个一阶惯性环节；因此变频器-电机传递函数通过一阶惯性环节加一个滞后环节：
其中：ω表示转子转速，ω0表示定子转频率，K1为变频器-电机环节的等效增益；T1为变频器-电机环节的等效时间常数；τ为变频器-电机环节纯滞后时间；
3)调节阀、真空泵对抽提井内压力的影响模型
调节阀打开，引入新鲜空气到抽提管道，会造成抽提井内负压降低；经过仿真研究，归纳影响情况的拟合模型如下：
a)真空泵以额定频率运行转时，调节阀开度对抽提井内压力影响模型：
pwell＝b1rvalve+c1 (14)
b)空气阀门全关时，真空泵运行频率对抽提井内压力影响模型：
pwell＝a2f2+b2f+c2 (15)
其中：pwell为抽提井内负压，rvalve表示阀门开度，f为真空泵运转频率；模型中的参数a2,b1,b2,c1,c2通过实验数据或实际数据拟合得到；
4)MPE液相传动建模
MPE设备中液相传送与处理系统由图6所示，液体传送机构为螺杆泵和增压泵，通过变频调速调节泵的出口流量，以控制液位、流量与压力稳定，建模需计算的物理量包括气液分离器和缓冲储罐液位、活性炭过滤器入口流量与压力；
液位计算：
针对单个分离器，假设流入流量和流出流量分别为Qin,Qout，分离器内液位高度为h，液体体积为V，分离器腔内水平截面面积为Sa，那么流量变化微分方程如式(16)：
因此，液位高度计算表达式如下：
活性炭过滤器入口压力流量计算：
在图6中截面1和截面4之间对整个管长L积分，得到管路的动态方程：
根据泵的特性曲线，泵的出口压力Δp拟合为出口流量Q的一元二次多项式，则：
管路损失通过式(16)计算：
式(18)～(20)组成了变频调节时液体管路的动态数学模型，对该式在稳态点进行线性化以及拉氏变换处理，整理后得到流量Q与泵转速n、流量Q与活性炭过滤器入口压力p4之间的传递函数
其中：
5)抽提管道中污染物浓度模型
抽提管道中的污染物浓度与抽提井内压力直接相关，需建立管道中污染物浓度的模型；该模型或函数满足以下条件：模型或函数有渐近线、连续且平缓变化；采用如下函数：
阀门打开会引入新鲜空气，污染气体与空气混合，从而降低污染物的浓度；为便于计算，假设气体混合过程中密度不会发生改变，并且空气与抽提气体的密度始终不变，混合前后总体积不发生改变；则气体混合过后的污染物浓度计算式如下：
其中ψ(pwell)表示土壤抽提物中VOCs的体积浓度，由传感器直接测量得到，ψout表示混合后气体中VOCs的体积浓度，gsoil,gair分别表示土壤抽提气体与空气的质量流量，a3,b3,c3为拟合参数；
6)抽提井数学模型的建立
通过在抽提井内施加负压抽提土壤中污染物，抽提井作为被控对象，输入变量为井内负压，输出变量为抽提流量，计算其传递函数即寻找抽提流量随井内负压的变化关系；为了解决数值仿真计算量大耗时长的问题，采用系统辨识的方法将数值模型转换为传递函数；在获得了传递函数模型与仿真数据后，使用MATLAB的系统辨识工具箱(SystemIdentification)获得对应的参数值，经过反复实验比较，用一个2极点1零点的系统描述进行，传递函数如下：
其中，Gwell(s)为抽提井传递函数，P(s),F(s)分别为抽提井内负压与抽提流量的拉氏变换，a4 a7为辨识参数；
ρ表示输送流体密度，Δp表示增压泵提供的压力，u,u1,u4表示管道中、截面1、截面4处的流体流速，z1,z4表示截面1截面4中心到基准面的垂直距离，ΔpL表示选取流体截面之间的管路压力损失，l表示截面1和截面4之间的直管长度，n0,Q0表示增压泵额定转速，出口流量，p1,p4表示截面1和截面4处的压力，λ表示管路摩擦因数，bL表示管路阻力系数，Σle表示截面1和截面4之间局部阻力折合的当量长度，Σξ表示截面1和截面4之间管道进口、出口的阻力系数，D表示管道直径，A、B、C均表示Δp-Q曲线拟合参数。
控制层的执行机构包括：真空泵、空气阀、螺杆泵和增压泵；通过控制执行机构，调节抽提井内压力、抽提管道内污染物浓度、分离器液位以及活性炭过滤器的压力与流量，控制框图如图7所示；
1)抽提井内压力与管道内污染物浓度协同控制
抽提井内压力与管道内污染物浓度是一对耦合被控变量，当污染物浓度超过设定值时，空气阀门打开引入新鲜空气，浓度会下降，同时会造成井内负压降低，因此真空泵频率会增大以提供更高的负压弥补阀门开度引起的压降，故两者需协同控制，同时稳定压力与浓度，不能单独考虑；抽提井内压力预测模型通过式(14)和(15)获得；
2)分离器液位均匀控制
液位稳定通过控制变速泵实现；螺杆泵的频率通过气液分离器的液位控制，除了控制气液分离器的液位外，油水分离器的入口流量不能有大的波动，因为会影响油水分离效率，故拟采用均匀控制方案控制螺杆泵，使气液分离器液位稳定，同时平衡油水分离器入口流量变化；
3)活性炭过滤器压力流量串级控制
实际运行过程中，增压泵承担了太多的控制任务，包括缓冲储罐液位控制、活性炭过滤器入口流量与压力控制；三个被控变量通过一个执行机构调节，且有相互矛盾的地方会使执行机构力不从心，此处优化如下：增压泵作为串级控制系统的执行机构，调节活性炭过滤器入口流量与压力，压力控制为主回路，流量控制为副回路，同时副回路控制活性炭过滤器入口流量等于缓冲储罐入口流量，则在稳定缓冲储罐液位的基础上调节了活性炭过滤器入口流量与压力，同时减轻了增压泵的控制任务。
本发明针对MPE修复技术，在分析土壤中多相流迁移过程和MPE设备中流体传动的基础上，提出多相抽提设备性能优化策略。该优化策略分为两方面：优化工艺参数和优化控制方案。工艺参数的优化通过数值仿真的手段寻找MPE运行的最优真空度；控制层的优化主要在于控制方案，包含井内压力与污染物浓度的协同控制、分离器液位均匀控制和活性炭过滤器压力流量串级控制。通过复杂控制方案使MPE设备关键工艺参数运行在最优工作区间，实现MPE设备的提效节能。
作为一种高效、经济、可操作性强的土壤原位修复技术，多相抽提技术在国内外已经运用到实际污染场地的修复并取得较好的效果。但现有的修复设备大多根据污染场地的特征参数定制，生产周期长、投资大，对不同污染特征参数与不同水文地质条件场地灵活性较差，修复效率低，能源消耗大。本发明提出的性能优化策略不仅使设备工作再最优工艺参数区间中，还使控制系统更稳定抗干扰性更强，提高MPE运行效率，节省能源使用，达到提效节能的目的。
应用例
通过应用例对本发明的技术方案进行举例说明，即展开说明。
为了验证本专利提出的优化策略的有效性，将实际运行策略仿真结果作为对比。仿真设计如下：
(1)根据多孔介质多相流模型，根据土壤及污染物参数模拟污染物渗透进入土壤的过程，扩散充分后的土壤状态为两种策略的初始土壤状态；
(2)MPE去除污染物模拟仿真。设置不同真空度参数，根据仿真结果确定最优真空度。根据设备实际情况确定活性炭过滤器最佳吸附压力。
(3)结合设备模型，模拟两种策略去除污染物的总体情况。
1、多孔介质多相流仿真
本专利构建的多孔介质多相流模型可以模拟图8中饱和土和非饱和土的污染和去污染情景。必须有足够多的边界条件才能使方程中的未知量与方程一样多，此时方程有解。
图8中标注了污染物扩散阶段与MPE抽提阶段的边界条件。开始，8000L污染物从渗透入口向土壤扩散，渗透入口约1.5m。当污染物充分扩散后，再模拟MPE抽提过程，使用单个抽提井抽提，井深约3m，底部设置有过滤器，用于过滤抽提过程中的固相物体。仿真中使用的土壤和污染物参数如表1所示。
表1
仿真计算结果表明，在约2个月的时间内，NAPL在非饱和区、毛细区和饱和区扩散达到平衡。非饱和带扩散后，NAPL出现残余饱和，NAPL游离在毛细边缘形成羽流，15天内扩散深度达到8m。在扩散阶段的最后，NAPL剩余饱和度在非饱和区约3-4％，在饱和区约5-7.5％，分布图如图9所示。
在扩散阶段中，NAPL总量和流动相逐渐减少，由于传质作用，部分NAPL向固定相转移，流动相减少，而且随着挥发量的增加，NAPL的总量会减少。由于残留饱和度的存在，流动相的数量随着污染物的扩散而减少，15天后，污染物在土壤中的分布趋于稳定。注入污染物的总量为8000L，渗入土壤中的NAPL总量约7000L，约1000L的NAPL或蒸发或挥发未进入土壤。在土壤中，约4000L的NAPL滞留在土壤中成为不动相，约占总体积的57.14％，剩余3000LNAPL流动相。
MPE去除污染物的核心在于真空泵，真空泵提供强力负压，迫使土壤中污染相迁移至抽提井，从而抽出处理，因此抽提井内真空度对修复效率有相当重要的影响。为探究真空度对MPE技术去除效率的影响情况，设置对比仿真实验。在其他参数不变的情况下，设置不同的真空度，模拟MPE的去除效率，即在仅改变真空度参数的条件下，重复MPE抽提阶段实验。此处设置三组真空度参数：Pwell1＝15kPa,Pwell2＝10kPa,Pwell3＝8kPa。
真空度对MPE抽提效率的影响如图10所示，图10(a)表示对抽提速度的影响，图10(b)表示对抽提量的影响，在三个参数的作用下，抽出污染物总量分别为：6483L、5904L和4738L，去除率分别为：92.61％、84.34％和67.69％，不同真空度下各相污染物具体回收量如表2所示。根据仿真结果可知，此土壤参数下最优真空度为10kPa。抽提压力的降低导致污染物的迁移更困难，修复效率降低不难理解；但是随着抽提压力的升高，修复效率并没有大幅提升，说明固相污染物并不会单纯的随着抽提压力升高而大幅降低。根据技术文件该液体活性炭过滤器工作最佳压力为6bar，即0.6MPa。
表2
2、MPE设备仿真
1)空气调节阀流量压力特性
根据结构图测量可知阀门开口周长135mm，阀芯行程46mm，所以最大开口面积为6210mm2。不同阀门开度下的压力流量关系如图11所示。实际使用中真空泵的吸力有限，提供的负压最多35kPa。
2)真空泵压力流量特性
真空泵主要用于提供负压动力。真空泵采用变频调速控制，电机可采用的频率输入为30～60Hz。根据电机说明书，电机工作在50Hz交流电下转速n为2900r/min。根据转速公式，可以计算出
带入可求得转差率s为0.03。
根据真空泵技术手册，可以得到压力流量曲线如图12所示。
使用MATLAB对图像数据进行拟合，得到如下公式(50Hz)：
Δp＝478.7-0.2815Q-0.000174Q2 (26)
Δp＝478.7-0.2815Q-0.000174Q2 (27)
3)调节阀与真空泵对抽提井内压力与抽提流量的影响分析
a)空气阀开度对抽提井内压力的影响
在仿真过程中真空泵保持50Hz频率运转，提供负压为480mbar。为了分析阀门开度对压力影响的具体规律，改变阀门开度从0到100％，间隔20％进行仿真，观察抽提井内压力的变化，仿真结果如图13(a)所示。从图中可以看出，抽提井内负压达到稳态时远低于真空泵运转提供的负压，阀门全开时抽提井内稳态压力值约78kPa(负压220mbar)与关闭阀门时的59kPa(负压410mbar)有明显差别。打开阀门会对抽提井内压力产生明显影响，使得抽提井内压力上升，产生该现象的原因是真空泵工作点的变化与容器内压力上升共同造成的。
为了定量分析抽提井内压力受到阀门开度的影响，取其稳态值进行拟合，获得对应的经验公式，拟合曲线如图13(b)所示，拟合得到的经验公式为式(28)。
pwell＝-193.1rvalve+409.5 (28)
b)真空泵运行频率对抽提井内压力影响分析
MPE作业时抽提井内负压由真空泵提供，真空泵运转频率不同其提供的负压大小自然不同。另外，真空泵与抽提井之间通过管道连接，中间还有气液分离器、新鲜空气阀门设备，接下来将分析真空泵运转频率与阀门开度对抽提井内负压的影响。
为了排除空气流量造成的干扰，在仿真中关闭空气阀门，并设定真空泵提供的负压恒为480mbar，这是该真空泵能提供的理论最大负压。
仿真中真空泵频率设置为20Hz、30Hz、40Hz、50Hz，观察抽提过程中的压力变化，仿真结果如图14(a)所示。从图中可知：真空泵运转频率为50Hz时，抽提井内压力稳定在57.6kPa(负压424mbar)左右，当真空泵运转频率降低到20Hz时，抽提井内压力仅为95.4kPa(负压46mbar)左右，非常接近大气压力，几乎没有抽提能力。从图14(a)中可知在10秒内抽提井内压力基本达到稳态，所以取第10秒处的值作为稳态压力。使用MATLAB对数据进行拟合，拟合曲线如图14(b)所示，拟合方程为式(29)。
pwell＝0.1396f2+1.317f-1.54 (29)
4)空气阀与真空泵的传递函数
阀门作为控制系统的执行机构，其开度大小会影响抽提井内压力与抽提流量大小，其开度亦需要通过数学模型描述，接下来构造其传递函数，便于后续控制系统仿真。
新鲜空气阀的阀门开关过程是是由电机丝杠驱动阀芯完成的，查询产品说明书得知：该阀芯的行程总长46mm，最大移动速度25mm/s，所以完整行程最少耗时18.4s。采用一阶惯性环节模拟阀芯运动规律，参数调整为可以在20s内达到95％目标值即可，经过调参得到如下传递函数。
真空泵环节传递函数需结合实际运行状态选取参数值，K1＝58.2,T1＝20,τ＝2，变频器-电机-真空泵环节的传递函数如下：
5)MPE液相传动模型
MPE液相处理部分建模参数如表3所示，代入式(21)可得：
表3
6)浓度函数与抽提井传递函数
通过实验手动设置真空泵运行频率，让设备工作在不同压力下，选择11组不同工况下的压力-浓度数据，用于计算回归函数。使用MATLAB的回归函数工具箱，进行拟合，得到对应参数值a3＝0.2516,b3＝8.309,c3＝0.0649，浓度-压力的经验方程如下：
设置抽提井内负压为工程中常用的100mbar，通过数值仿真计算抽提流量，仿真结果如图15所示，此时抽提气体流量约为0.11kg/s(合396m3/h)，较接近工程实际检测到的总流量600m3/h，工程中由于空气阀门有开度，所以总流量会大于仿真的抽提流量。使用MATLAB的系统辨识工具箱(System Identification)获得对应的参数值，经过反复实验比较得到传递函数如下：
通过Simulink测试该传递函数，输入值为100的阶跃信号，输出如图15中红色实线，与仿真数值十分接近，说明得到的传递函数可以通过检验。
3、优化策略仿真验证
根据控制方案在MATLAB的Simulink中搭建MPE控制系统的数学模型，通过对比实际系统运行效率验证本文提出的MPE性能优化策略的有效性。Simulink仿真图如图16所示，第二部分设备仿真都可以通过图16的仿真程序完成。
1)抽提井内压力与管道内污染物浓度
抽提井内负压需要稳定在10kPa(100mbar)，根据爆炸下限将管道内污染物浓度设定值为20％。这两个被控量需要精确控制，故选用PI控制器，使稳态值稳定在设定值。经过调参，压力控制PI参数为：Kp＝5,TI＝0.025，浓度控制PI参数为：Kp＝15,TI＝4。控制结果如图17所示，图17(a)表示抽提井负压，图17(b)表示抽提流量，图17(c)表示污染物浓度，图17(d)表示真空泵转速，图17(f)表示阀门开度，从图中可以看出，抽提井内压力与污染物浓度稳定在设定值，从系统启动到系统稳定运行约1分钟时间，调节过程超调量很小。当系统稳定运行时，阀门开度约5％，真空泵维持2892rpm速度运转。
2)气液分离器液位
分离器液位通过螺杆泵调节，在调节过程中要求出口流量波动小，即使超出设定值也可以接受，因此采用均匀控制。均匀控制通过P控制器实现，气液分离器容腔高度为1m，由于控制作用较弱，需设定较为安全的液位高度，此处设定为0.5m，控制器参数为：Kp＝0.005。
分离器的液位与泵出口流量如图18所示，图18(a)表示气液分离器液位，图18(b)表示螺杆泵出口流量，在运行到400s时，给泵的出口流量加入干扰(出口流量减小15％)，模拟实际工况中的流量波动情况，图中红色曲线是未加入干扰的变化曲线，蓝色曲线为加入干扰的变化曲线。从图中可以看出：控制结果达到了控制效果，在外界干扰的情况下，流量与液位变化均十分平缓，调节时间长，约100s后再次达到稳定。
3)活性炭过滤器入口流量与压力
活性炭过滤器入口流量与压力通过串级回路控制，压力控制回路为主回路，精确调控活性炭过滤器入口压力，流量回路作为副回路，保证活性炭过滤器入口流量波动小，因此主回路采用PI控制，参数为Kp＝10,TI＝0.3，副回路采用P控制，参数为Kp＝0.05，控制效果如图19所示，图19(a)表示活性炭过滤器入口压力，图19(b)表示活性炭过滤器入口流量，图19(c)表示缓冲储罐流量变化，图19(d)表示缓冲储罐液位变化。经过约200s时间，压力与流量均达到稳定，尤其是压力精准稳定在设定值。缓冲储罐实际高度约2m，约400s储罐内液位到达0.5m时，增压泵开始工作，再经过约400s的时间缓冲储罐的流量变化达到平衡，流出量等于流入量，液位高度稳定在0.52m左右，实现了压力、流量、液位的统一调控。
4)效率与能耗分析
MPE实际运行中真空泵以额定频率50Hz定频运转，所以正常情况下抽提井内负压最大为100mbar，当阀门开启时抽提井内负压又有所下降，另外工程运行为保证安全，阀门开度会比仿真大，以确保污染物浓度快速下降，避免爆炸风险，所以抽提井压降会更大，由于真空泵定频运转，损失的压力没有补充，抽提效率有所损失，理论上，本文提出的优化策略效率高能耗少。为比较两种运行策略的效率与能耗情况，分别以两种运行策略运行100天时间，比较运行结束后抽提量、土壤中污染物的浓度等指标，两种运行策略启动时土壤初始情况为第一部分中污染物扩散充分后的结果。图20(a)表示抽提流量变化，图20(b)表示土壤中污染物浓度变化，图20比较两种策略的抽提总流量与土壤中污染物浓度的变化情况，优化策略运行结果抽提总量约1.5×105m3，实际运行策略约1.3×105m3，提高效率约15.38％，土壤中污染物处理情况也更可观。
根据污染土壤的初始状态，优化策略和实际运行策略分别处理完所有污染物需要的时间分别为280天和320天，分别消耗电能8.736×104kW·h和9.984×104kW·h，相比之下，优化策略节能12.5％。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种土壤修复多相抽提设备性能优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，输入污染场地参数、污染相参数以及水相、气相参数；
S2，根据多孔介质多相流动力学模型，MPE数学设备模型，结合MATLAB仿真，分析不同真空度对土壤中污染物去除效率，分析阀门开度、真空泵运转频率对抽提井压力、抽提流量的影响情况，从而确定最优真空度；
S3，优化控制方案，提升油井内压力与污染物浓度的协同控制，分离器液位均匀控制，活性炭过滤器压力流量串级控制；
S4，通过优化关键参数真空度，优化控制方案来实现MPE系统高效运行与能源节省。
2.根据权利要求1所述的一种土壤修复多相抽提设备性能优化方法，其特征在于，污染场地参数包括：污染场地的固有渗透系数、密度以及孔隙度；污染相参数包括：污染相密度、粘度以及溶解度。
3.根据权利要求1所述的一种土壤修复多相抽提设备性能优化方法，其特征在于，多孔介质多相流动力学模型的构建：
多相流建模是构建各相流体的质量平衡方程；
针对土壤中REV，α相质量变化包括传质作用、对流作用以及周边REV的相迁移，其质量平衡方程如式(1)所示：
∑βEα,β为所有化合物β向α相转移的总和，即源汇项，kg/(m3·s)；α相为气相(g)、NAPL相(o)或水相(w)；
各相流体的质量平衡方程如下：
水相质量平衡方程如式(2)所示：
NAPL相质量平衡方程如式(3)所示：
气相质量平衡方程如式(4)：
NAPL溶解于水中与挥发到气相中会发生对流弥散作用，其质量平衡方程如下：
NAPL溶解到水相中的质量平衡方程为式(5)：
NAPL挥发到气相中的质量平衡方程为式(6)：
土壤中三相流的运动迁移均遵循Darcy定律：
本模型共5个质量平衡方程，结合初始条件和边界条件构成完整的数学模型；
其中，
分别表示土壤孔隙度和固有渗透系数；Sα,ρα分别表示α相流体饱和度和密度；qα表示α相流体迁移速度；Cα,β表示α相中化合物β的平衡浓度；
表示α相中化合物β的弥散系数；Eo-w,β表示NAPL相与水相之间的传质量；Ew-g,β表示水相与气相之间的传质量；Ew-s,β表示水相与固相之间的传质量；Eo-g,β表示NAPL相与气相之间的传质量；Qα表示外界流入REV的α相质量；krα表示α相相对渗透系数；Pα表示α相压力；μrα表示α相粘度；g表示重力加速度。
4.根据权利要求3所述的一种土壤修复多相抽提设备性能优化方法，其特征在于，对时间和空间分别采用有限差分和有限元方法进行离散，形成用于数值计算的线性方程组，根据初始条件和边界条件进行求解，多孔介质多相流动力学模型能够模拟饱和土和非饱和土的污染和去污染情景，不同情景的边界条件如下：
1)污染物渗入土壤扩散边界条件
流体流动阶段，Dirichlet和Neumann边界条件：
Pg＝atm，土壤表面和右边界；Pw＝(2-z)ρwg，右边界；
qo＝q(cm/min)，土壤表面渗透流速，流速q再仿真时手动给定；
污染物扩散阶段，Neumann边界条件：
2)MPE抽提阶段边界条件
MPE抽提阶段的边界条件与污染物渗入步骤相同，另外设抽提井内真空度为Pwell：
5.根据权利要求4所述的一种土壤修复多相抽提设备性能优化方法，其特征在于，MPE设备数学模型的建立包括空气调节阀模型，电机-真空泵模型，调节阀、真空泵对抽提井内压力的影响模型、MPE液相传动模型、抽提管道中污染物浓度模型以及抽提井数学模型的建立；其中，
1)空气调节阀模型的建立：
空气阀门用于控制新鲜空气流量以降低管道内的污染物浓度，其为电控比例调节阀，通过电机带动丝杠调节阀芯位移，实现阀门的调节；对于气体调节阀，将其视作一个薄壁小孔，建立薄壁小孔的压力流量等效模型，用小孔的流量特性表示阀门的流量特性，图中p1,p2,θ1,θ2,ρ1,ρ2分别为小孔前后流体压力、温度和密度，S,Se分别为小孔面积和有效流动面积，u2为小孔出口处流体流速；
根据伯努利方程和绝热过程公式可以得到小孔出口质量流量与小孔前后压力的关系，如式(8)所示：
其中，k表示空气比热，J/(kg·K)；R表示空气的气体常数，J/(kg·K)；
2)电机-真空泵模型的建立：
真空泵主要用于提供负压动力；真空泵采用变频调速控制，其电频率与转速的关系如式(9)所示：
真空泵的压力流量特性曲线，考虑到泄露流量的损失，由于泄露流量造成的压力损失与流量的平方成正比，所以，特性曲线通过二次函数描述：
p＝a-bQ-cQ2 (10)
其中，n是真空泵转速，f是电频率，s是转差率，用于描述电机转速与同步转速之间的比率，m是极对数，Q表示真空泵出口流体体积流量，p表示真空泵出口压力，A、B、C为真空泵自身特性有关的参数；设真空泵以额定转速n1运行时，其出口流量和压力分别为Q1,p1，则真空泵出口流量、压力和转速满足式(11)：
代入式(10)得式(12)，即不同频率下真空泵的特性曲线方程；
变频器数学模型视为一个比例环节加一个小的惯性环节，三相异步电机的转子转速与电频率的关系近似为一个一阶惯性环节；因此变频器-电机传递函数通过一阶惯性环节加一个滞后环节：
其中：ω表示转子转速，ω0表示定子转频率，K1为变频器-电机环节的等效增益；T1为变频器-电机环节的等效时间常数；τ为变频器-电机环节纯滞后时间；
3)调节阀、真空泵对抽提井内压力的影响模型
调节阀打开，引入新鲜空气到抽提管道，会造成抽提井内负压降低；经过仿真研究，归纳影响情况的拟合模型如下：
a)真空泵以额定频率运行转时，调节阀开度对抽提井内压力影响模型：
pwell＝b1rvalve+c1 (14)
b)空气阀门全关时，真空泵运行频率对抽提井内压力影响模型：
pwell＝a2f2+b2f+c2 (15)
其中：pwell为抽提井内负压，rvalve表示阀门开度，f为真空泵运转频率；模型中的参数a2,b1,b2,c1,c2通过实验数据或实际数据拟合得到；
4)MPE液相传动建模
MPE设备中液相传送与处理系统，液体传送机构为螺杆泵和增压泵，通过变频调速调节泵的出口流量，以控制液位、流量与压力稳定，建模需计算的物理量包括气液分离器和缓冲储罐液位、活性炭过滤器入口流量与压力；
液位计算：
针对单个分离器，假设流入流量和流出流量分别为Qin,Qout，分离器内液位高度为h，液体体积为V，分离器腔内水平截面面积为Sa，那么流量变化微分方程如式(16)：
因此，液位高度计算表达式如下：
活性炭过滤器入口压力流量计算：
通过两截面和截面之间对整个管长L积分，得到管路的动态方程：
根据泵的特性曲线，泵的出口压力Δp拟合为出口流量Q的一元二次多项式，则：
管路损失通过式(16)计算：
式(18)～(20)组成了变频调节时液体管路的动态数学模型，对该式在稳态点进行线性化以及拉氏变换处理，整理后得到流量Q与泵转速n、流量Q与活性炭过滤器入口压力p4之间的传递函数
其中：
D＝Bn0+2CQ0；
5)抽提管道中污染物浓度模型
抽提管道中的污染物浓度与抽提井内压力直接相关，需建立管道中污染物浓度的模型；该模型或函数满足以下条件：模型或函数有渐近线、连续且平缓变化；采用如下函数：
阀门打开会引入新鲜空气，污染气体与空气混合，从而降低污染物的浓度；为便于计算，假设气体混合过程中密度不会发生改变，并且空气与抽提气体的密度始终不变，混合前后总体积不发生改变；则气体混合过后的污染物浓度计算式如下：
其中ψ(pwell)表示土壤抽提物中VOCs的体积浓度，由传感器直接测量得到，ψout表示混合后气体中VOCs的体积浓度，gsoil,gair分别表示土壤抽提气体与空气的质量流量，a3,b3,c3为拟合参数；
6)抽提井数学模型的建立
通过在抽提井内施加负压抽提土壤中污染物，抽提井作为被控对象，输入变量为井内负压，输出变量为抽提流量，计算其传递函数即寻找抽提流量随井内负压的变化关系；采用系统辨识的方法将数值模型转换为传递函数；在获得了传递函数模型与仿真数据后，使用MATLAB的系统辨识工具箱获得对应的参数值，经过反复实验比较，用一个2极点1零点的系统描述进行，传递函数如下：
其中，Gwell(s)为抽提井传递函数，P(s),F(s)分别为抽提井内负压与抽提流量的拉氏变换，a4 a7为辨识参数；
ρ表示输送流体密度，Δp表示增压泵提供的压力，u,u1,u4表示管道中、截面1、截面4处的流体流速，z1,z4表示截面1截面4中心到基准面的垂直距离，ΔpL表示选取流体截面之间的管路压力损失，l表示截面1和截面4之间的直管长度，n0,Q0表示增压泵额定转速，出口流量，p1,p4表示截面1和截面4处的压力，λ表示管路摩擦因数，bL表示管路阻力系数，∑le表示截面1和截面4之间局部阻力折合的当量长度，∑ξ表示截面1和截面4之间管道进口、出口的阻力系数，D表示管道直径，A、B、C均表示Δp-Q曲线拟合参数。
6.根据权利要求5所述的一种土壤修复多相抽提设备性能优化方法，其特征在于，控制层的执行机构包括：真空泵、空气阀、螺杆泵和增压泵；通过控制执行机构，调节抽提井内压力、抽提管道内污染物浓度、分离器液位以及活性炭过滤器的压力与流量；
1)抽提井内压力与管道内污染物浓度协同控制
抽提井内压力与管道内污染物浓度是一对耦合被控变量，当污染物浓度超过设定值时，空气阀门打开引入新鲜空气，浓度会下降，同时会造成井内负压降低，因此真空泵频率会增大以提供更高的负压弥补阀门开度引起的压降，故两者需协同控制，同时稳定压力与浓度，不能单独考虑；抽提井内压力预测模型通过式(14)和(15)获得；
2)分离器液位均匀控制
液位稳定通过控制变速泵实现；螺杆泵的频率通过气液分离器的液位控制，除了控制气液分离器的液位外，油水分离器的入口流量不能有大的波动，因为会影响油水分离效率，故拟采用均匀控制方案控制螺杆泵，使气液分离器液位稳定，同时平衡油水分离器入口流量变化；
3)活性炭过滤器压力流量串级控制
实际运行过程中，增压泵承担了太多的控制任务，包括缓冲储罐液位控制、活性炭过滤器入口流量与压力控制；三个被控变量通过一个执行机构调节，且有相互矛盾的地方会使执行机构力不从心，此处优化如下：增压泵作为串级控制系统的执行机构，调节活性炭过滤器入口流量与压力，压力控制为主回路，流量控制为副回路，同时副回路控制活性炭过滤器入口流量等于缓冲储罐入口流量，则在稳定缓冲储罐液位的基础上调节了活性炭过滤器入口流量与压力，同时减轻了增压泵的控制任务。
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