CN117136300A - 用于估算样本处理系统中的气体混合物的水分含量的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于估算样本处理系统100中的气体混合物的水分含量的系统200和方法。系统200包括数据预处理模块212和水分含量估算模块214。数据预处理模块212被配置为接收数据211，数据211包括SHS 100的测量(M1至M6、S1)以及与气体混合物相关的多个参数。数据预处理模块212被配置为分析数据211以去除数据211中的一个或多个异常值。水分含量估算模块214被配置为基于所分析的数据和经确定的气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)来计算气体冷却器的表面积，以估算气体冷却器的入口和出口处的气体混合物的水分含量。
Description
技术领域
本文实施例总体上涉及样本处理系统(SHS)。更特别地，涉及用于估算SHS中气体混合物的水分含量的系统和方法。
背景技术
一般地，在工业中部署样本处理系统(SHS)用于分析和处理/调节样本(如气体混合物、流体)，以提高初始级的处理效率。大多数情况下，SHS用于气体分析仪系统中的过滤、隔离和压力/温度/流量控制，尤其是工业气体处理、半导体、炉气和热处理。
当考虑SHS用于气体分析时，包括来自管道的烟气的气体混合物的收集必须在被输送至气体分析仪之前经历纯化过程。纯化过程一般在SHS中进行。虽然SHS的设计各不相同，但SHS的功能都是一样的，即调节/纯化气体混合物，以从气体混合物中去除灰尘、水分和腐蚀性物质。
在气体混合物(气体样本)的调节/纯化过程中，存在影响SHS性能的某些参数。其中，气体混合物的水分含量是影响SHS中的气体分析仪性能的关键参数。一般地，传统上使用几种类型的设备(诸如气体冷却器、热电冷凝器的聚结过滤器)从气体混合物中去除水分。然而，这不能确保在送至气体分析仪之前完全去除最大体积的水分含量。为了解决这一问题，在SHS中实现基于硬件的水分传感器，以监测和估算气体混合物的水分含量。基于硬件的水分传感器的实现增加了SHS的成本。此外，基于硬件的水分传感器的实现可能需要不期望地改变常规SHS的设计。
因此，鉴于前述讨论，需要用于估算气体混合物的水分含量而没有任何附加成本的系统和方法。
发明内容
本公开的目的在于减轻、缓和或消除现有技术中的上述一个或多个缺陷和缺点，并至少解决上述问题。
鉴于上述内容，本文的实施例提供了第一方面的用于估算样本处理系统中的气体混合物的水分含量的系统，以及第二方面的用于估算样本处理系统中的气体混合物的水分含量的方法。
根据实施例的第一方面，一种用于估算样本处理系统(SHS)中的气体混合物的水分含量的系统，包括数据预处理模块和水分含量估算模块。数据预处理模块被配置为接收数据，数据包括与气体混合物、气体冷却器和冷却剂相关的SHS的测量；以及与气体混合物相关的多个参数。数据预处理模块被配置为分析接收到的数据，以去除数据中的一个或多个异常值。水分含量估算模块被配置为基于分析数据，确定气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)。水分含量估算模块被配置为基于分析数据和所确定的气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)，计算气体冷却器的表面积(A)。水分含量估算模块被配置为基于气体冷却器的计算表面积(A)与气体冷却器的实际表面积(CA)的比较，估算气体混合物的水分含量。
根据一个实施例，水分含量估算模块被配置为通过使用计算流体动力学有限体积/有限元模拟，确定SHS的气体冷却器处的气体混合物的初始温度(初始温度分布)，计算气体冷却器的表面积。气体混合物在气体冷却器入口处的流量是预定义的。
根据一个实施例，水分含量估算模块被配置为基于气体冷却器的计算表面积与气体冷却器的实际表面积的比较，通过确定气体冷却器的计算表面积(A)与气体冷却器的实际表面积(CA)相匹配，来估算气体混合物的水分含量。响应于上述确定，水分含量估算模块被配置为提供：气体冷却器入口处的气体混合物和冷凝物的估算流量、冷却剂出口处的冷却剂的估算温度，以及气体冷却器入口和出口处的气体混合物的水分含量。
根据另一实施例，水分含量估算模块被配置为响应于确定气体冷却器的计算表面积(A)与气体冷却器的实际表面积(CA)不匹配，使用具有气体冷却器入口处的气体混合物的流量修改值的分析数据来迭代地执行气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)的估算。
根据一个实施例，数据预处理模块还被配置为分析数据，以通过分配SHS的测量(M1至M6、S1)中的缺失值并使用插补(imputation)技术和滤波技术去除数据中的噪声和离群值，去除SHS的测量中的一个或多个异常值。
根据一个实施例，与气体混合物、气体冷却器和冷却剂相关的SHS的测量包括来自SHS的气体冷却器和冷却剂的实时数据。实时数据包括气体混合物、气体冷却器和冷却剂的压力、温度和流量。来自SHS的气体冷却器和冷却剂的实时数据包括气体冷却器入口和出口处以及冷却剂入口处的温度和流量。
根据一个实施例，与气体混合物相关的多个参数包括用于确定气体混合物的热力学性质的参数。气体混合物的热力学性质包括比热、冷凝热、饱和蒸气压和动态粘度
根据一个实施例，与气体混合物相关的多个参数包括多个曲线。多个曲线包括Chilton曲线。Chilton曲线提供基于流雷诺数的Chilton因子，并且Chilton因子用于确定传热系数(U)和传质系数(K)。
根据实施例的第二方面，提供了一种用于估算样本处理系统(SHS)中的气体混合物的水分含量的方法。该方法包括以下步骤：接收数据，数据包括与气体混合物、气体冷却器和冷却剂相关的SHS的测量；以及与气体混合物相关的多个参数；分析接收到的数据，以去除数据中的一个或多个异常值；基于分析数据，确定气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)；基于分析数据和所确定的气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)，计算气体冷却器的表面积；以及基于气体冷却器的计算表面积与气体冷却器的实际表面积的比较，估算气体混合物的水分含量。
第二方面的效果和特征在很大程度上与上面结合第一方面描述的那些效果和特征类似。关于第一方面提到的实施例在很大程度上与第二方面兼容。
因此，应当理解，本文公开的公开内容不限于所描述的设备的特定组成部分或所描述的方法的步骤，因为这些设备和方法是可以变化的。还应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而非旨在是限制性的。应当注意，如在说明书和所附权利要求中所使用的，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个所述元件，除非上下文明确地另外规定。因此，例如，对“单元”或“该单元”的引用可以包括若干设备等。此外，词语“包括”、“包含”、“含有”及类似的措辞不排除其他元件或步骤。
根据下面给出的详细描述，本公开将变得明显。当结合下文的描述和附图考虑时，将更好地认识和理解本发明实施例的这些和其他方面以及其他目的和优点。附图被并入以用于说明本发明的优选实施例，但并非旨在限制本发明的范围。然而，应当理解，虽然下文的描述指示了优选实施例及其许多具体细节，但这些描述是以说明而非限制的方式给出的。在不脱离本发明主旨的情况下，可以在本发明实施例的范围内进行不同的配置改变和修改，并且本文的实施例包括所有这样的修改。
附图说明
详细说明结合附图给出。在附图中，附图标记最左侧的(一个或多个)数字标识附图标记首次出现的附图。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项。
图1示出了常规/现有样本处理系统的示意图；
图2示出了根据本文实施例的第一方面，用于估算样本处理系统中的气体混合物的水分含量的示例性系统；
图3示出了根据本文实施例的第二方面，被实施用于估算样本处理系统中的气体混合物的水分含量的示例性方法；
图4示出了根据本文实施例的第一方面，用于引入冷却剂的样本处理系统的示例性气体冷却器；并且
图5A和5B示出了根据本文实施例的第二方面，描绘用于估算样本处理系统中的气体混合物的水分含量而执行的步骤序列的示例性方法。
具体实施方式
结合下文中详细描述的非限制性实施例，对本文实施例及其各种特征和有利细节进行更充分的说明。省略了对公知部件和处理技术的描述以避免不必要地模糊本文中的实施例。本文所使用的示例仅旨在促进对可以实践本文实施例的方式的理解，并且还使得本领域技术人员能够实践本文实施例。相应地，示例同样不应被解释为限制本文实施例的范围。
如上所述，需要一种利用SHS的测量来估算包括烟气和水蒸气的气体混合物的水分含量而无需任何额外成本的系统和方法。本文实施例通过提供用于估算包括烟气(废气或烟道气)和水蒸气的气体混合物的水分含量的系统和方法来实现该目的。现在参考附图，更特别地，参考图1至图5B(在整个附图中，相似的附图标记表示相应特征)，图中示出了优选实施例。
图1示出了常规/现有样本处理系统(SHS)100的示意图。常规SHS100包括用于在气体混合物进入气体分析仪中被分析之前，纯化气体混合物的多个部件，气体混合物包括烟气和水蒸气。SHS100可以在发电厂、精炼厂、石化和化工厂等中实施。样本处理系统(SHS)用于分析仪系统的隔离、过滤和压力/温度/流量控制，尤其是在工业气体处理、炉气和热处理、半导体制造、发电、空气干燥器和制药应用中实施。虽然市场上或许可以买到不同类型和设计的SHS，但所有类型的SHS的功能都是一样的，即调节气体混合物，以从气体混合物中去除灰尘、水分和腐蚀性物质。气体混合物从烟气烟囱101获取，并且通过管道或烟道排出至大气中。当气体混合物经过管/管道时，在SHS100中使用SHS100的多个部件调节气体混合物，以从气体混合物中去除水分。在本文中，术语“调节”可以对应于将气体混合物暴露于某一温度以加热，并使用冷却剂进行冷却。
包含在气体混合物中的烟气是指经由烟道释放到大气中的气体，烟道是用于输送工业厂房废气的管道或通道。烟气的组分取决于燃烧的材料。然而，烟气的组分通常包括源自空气燃烧的氮气、二氧化碳、水蒸气以及氧气。烟气的组分还包括许多小百分比污染物，诸如颗粒物、一氧化碳、氮氧化物和硫氧化物。在SHS100的各气体混合物处理级获取不同的测量，并且在下面描述SHS100的各气体混合物处理级。
SHS100包括烟气烟囱101，包括烟气和水蒸气的气体混合物从该烟烟气烟囱馈送至SHS100中。SHS100还包括样本探针102和热示踪线103。样本探针102和热示踪线103包括作为一体部件的环形加热器和陶瓷过滤器。SHS100还包括气体冷却器104、样本泵106和气体分析仪108。在被分析时，气体混合物提供各种气体110作为输出，这些气体存在于先前所述的烟气组分中。
气体混合物经由样本探针102被带入SHS100。使用陶瓷过滤器过滤气体混合物以去除灰尘/胶体颗粒，并通过样本探针102的环形加热器和热示踪线103加热。环形加热器的温度保持在值“M1”，并且热示踪线103的温度保持在值“M2”。通过将环形加热器的温度保持在M1并且将热示踪线103的温度保持在M2，从样本探针102传递至气体冷却器104的气体混合物被加热。进行加热以保持气体混合物的期望温度，直到气体混合物到达气体冷却器104。这是避免水分在管线中冷凝所必需的，否则会造成若干操作问题。
冷却剂通过冷却剂的入口(在图4中示出)被引入气体冷却器，该入口不同于气体冷却器的入口(在图4中示出)，加热的气体混合物通过气体冷却器的入口进入气体冷却器104。气体冷却器104及其各种入口和出口将参照图4进行详细描述。一旦加热的气体混合物到达气体冷却器104，进入气体冷却器104的冷却剂就从气体混合物中去除热量。从气体混合物中去除热量使得水分冷凝，并作为冷凝物112被去除。然后，干燥的气体混合物经由样本泵106被泵送至气体分析仪108，以分析各种气体。
各种气体是作为输出110释放到大气中的气体，并且由诸如氮气(N2)、二氧化碳(CO2)、氧气(O2)的气体组成。还包括水蒸气以及小百分比污染物，一氧化碳(CO)、氮氧化物(NO、NO2等)、硫氧化物(SO、SO2等)等。
SHS100被配置为执行与SHS100的各气体混合物处理级的各入口、出口和主体处的气体混合物、气体冷却器和冷却剂相关的测量(M1至M6、S1)，并且生成与测量相对应的数据。例如，在气体冷却器104的入口和出口处测量温度和压力。测量气体冷却器104内的温度和泵排出压力。这些测量数据是实时数据。与气体混合物、气体冷却器和冷却剂的压力、温度和流量相关的SHS的测量包括从多个测量获取的实时数据。实时数据包括环形加热器温度M1、热示踪线温度M2、气体冷却器204入口处的压力M3、气体冷却器204处的温度M4、气体冷却器204出口处的压力M5、泵排出压力M6和流量测量S1，等等。
这些实时数据中的一些或全部可以用于估算气体混合物的水分含量。使用一个或多个模块来执行气体混合物的水分含量的估算，在模块中，可以预处理这些实时数据和其他数据，并估算气体混合物的水分含量。气体混合物的水分含量的估算和用于估算的模块在图2至图5中描述。
图2示出了根据本文实施例的第一方面，用于估算样本处理系统(SHS)中的气体混合物的水分含量的系统200。SHS可以是参照图1描述的示例性SHS100。系统200包括数据预处理模块212和水分含量估算模块214。数据预处理模块212和水分含量估算模块214可以是独立于SHS100的模块。系统200还包括SHS100的各种气体混合物调节级。SHS的各调节级包括烟气烟囱201、样本探针202、气体冷却器204、样本泵206和气体分析仪208。如前所述，各种气体210被释放到大气中。烟气烟囱201、样本探针202、气体冷却器204、样本泵206和气体分析仪208可以与参照图1描述的样本探针102、气体冷却器104、样本泵106和气体分析仪108相同，并且为了简洁起见不再重复。尽管未示出，但是可以推断系统200包括作为样本探针102的一体部分的样本探针202内的环形加热器和陶瓷过滤器，以及与热示踪线103类似的热示踪线。
备选地，数据预处理模块212和水分含量估算模块214可以是远离彼此放置的分立且单独的模块。数据预处理模块212和水分含量估算模块214可以包括一个或多个处理器、存储器和通信接口，通信接口用于在数据预处理模块212和水分含量估算模块214之间传送数据。例如，数据预处理模块212被配置为经由一个或多个通信接口，向水分含量估算模块214提供用于估算气体混合物的水分含量的分析数据。
通信接口的示例可以包括一个或多个系统间或系统内总线，诸如USB和SPI等。当数据预处理模块212和水分含量估算模块214位于单个设备中时，可以实现这种通信接口。通信接口的示例还可以包括无线通信网络和有线通信网络。当数据预处理模块212和水分含量估算模块214远离彼此放置时，可以实现这种通信接口。由于数据预处理模块212和水分含量估算模块214是独立的并且不是SHS100的一部分，因此这提供了用于估算水分含量，而无需将可能增加SHS100成本的附加硬件部件添加至SHS100的解决方案。
根据该实施例，数据预处理模块212被配置为接收数据211。数据211包括与气体混合物、气体冷却器和冷却剂相关的SHS100的测量(M1至M6、S1)，以及与包括烟气和水蒸气的气体混合物相关的多个参数。SHS的测量(M1至M6、S1)包括来自气体冷却器(104、204)和冷却剂的实时数据。来自气体冷却器204和冷却剂的实时数据包括气体冷却器204和冷却剂的温度和流量。气体冷却器204和冷却剂的温度和流量包括气体冷却器204在入口(图4中示出)和出口(图4中示出)处的温度、气体冷却器204在出口处的流量、冷却剂在入口(图4中示出)处的温度，以及冷却剂在入口(图4中示出)处的流量。
与气体混合物相关的多个参数包括用于确定气体混合物的热力学性质的参数。气体混合物的热力学性质包括参数，包括用于方程组(在图5A至5B中描述)以估算气体混合物中的烟气组分的热力学性质的系数。例如，系数包括但不限于传热系数(H)、传质系数(M)等。气体混合物的热力学性质包括但不限于比热、冷凝热、饱和蒸气压和动态粘度。
实时数据还包括气体冷却器204入口处的压力(M3)、气体冷却器204出口处的压力(M5)以及泵排出压力(M6)。多个曲线包括Chilton曲线(未示出)。Chilton曲线提供基于流雷诺数(Re)的Chilton因子。
数据预处理模块212被配置为分析接收到的数据，以去除数据211中的一个或多个异常值。分析数据211，找出SHS100的测量(M1至M6、S1)的任何缺失值、数据211中的噪声和离群值。数据预处理模块212还被配置为使用已知的插补技术来分配SHS100的测量(M1至M6、S1)中的缺失值，并且基于应用类型使用已知的滤波技术来去除数据211中的噪声和离群值。例如，一旦接收到数据211，就针对SHS100的测量(M1至M6、S1)中的任何缺失值来分析数据，并且随后可以对缺失值进行插补。本文的技术可以被定义为限定特定任务的执行方式的算法或指令集。例如，插补技术可以对应于限定插补的执行方式的算法或指令集。同样，滤波技术可以对应于限定滤波的执行方式的算法或指令集。插补技术的示例包括但不限于移动平均滤波技术。滤波技术的示例包括但不限于快速傅立叶变换。所分配的缺失值以及无噪声和离群值的数据可以被称为分析数据。数据预处理模块212被配置为提供用于估算气体混合物的水分含量的分析数据。
根据实施例的第一方面，水分含量估算模块214被配置为基于由数据预处理模块212提供的分析数据，确定气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)。水分含量估算模块214还被配置为基于分析数据和所确定的气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)，计算气体冷却器204的表面积(A)。水分含量估算模块214还被配置为基于气体冷却器(104、204)的计算表面积(A)与气体冷却器的实际(已知)表面积(CA)的比较，估算气体混合物的水分含量。
根据实施例的第一方面，水分含量估算模块214被配置为使用分析数据，通过平衡/稳定气体冷却器204中不同冷凝物温度下的质量和热传递，计算气体冷却器204的表面积。气体冷却器204的计算表面积(A)可以用于估算SHS100中气体冷却器204的入口和出口处的气体混合物的水分含量。
根据实施例的第一方面，水分含量估算模块214被配置为通过确定SHS100中气体冷却器204的入口和出口处的气体混合物的初始温度(初始温度分布)，计算气体冷却器(104、204、400)的表面积(A)。通过求解质量、动量和能量守恒方程(在图5A至5B中描述)，进行气体混合物的初始温度分布的估算。初始温度分布的估算是使用计算流体动力学(CFD)有限体积/有限元三维模拟来执行的。气体混合物在气体冷却器入口处的流量是预定义的。气体混合物的初始温度分布用于计算气体冷却器204的表面积(A)。
根据该实施例，水分含量估算模块214被配置为基于气体冷却器(104、204、400)的计算表面积与气体冷却器(104、204、400)的实际表面积的比较，估算气体混合物的水分含量。通过确定气体冷却器204的计算表面积(A)与气体冷却器204的实际表面积(CA)相匹配，将气体冷却器的计算表面积与气体冷却器的实际表面积进行比较。响应于上述确定，水分含量估算模块被配置为提供：气体冷却器入口处的气体混合物和冷凝物112的估算流量、冷却剂在出口处的估算温度，以及气体冷却器204的入口402和出口404处的气体混合物的水分含量。
根据另一实施例，水分含量估算模块214被配置为响应于确定气体冷却器(104、204)的计算表面积(A)与气体冷却器(104、204)的实际表面积(CA)不匹配，使用具有气体冷却器入口处的气体混合物的流量的另一预定义值的分析数据来迭代地执行气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)的估算。为了计算气体冷却器204的表面积，执行计算序列。计算序列以迭代方式公式化，从而以简化方式求解方程组。稍后参考图5A至5B描述计算序列。
图3示出了根据实施例的第二方面，被实施用于估算SHS100中的气体混合物的水分含量的示例性方法300。图3和图5A至5B中示出的方法作为表示可以用硬件、软件、固件或其组合实现的操作序列的逻辑流程图中的操作集合。描述方法的顺序不应被解释为限制，并且任何数目的所描述的方法框均可以以任何顺序来组合，以实现方法或替换方法。附加地，可以从方法中删除个别操作而不脱离本文描述的主题的范围。在软件上下文中，操作表示计算机指令，当由一个或多个处理器执行时，计算机指令执行所述操作。由数据预处理模块212和水分含量估算模块214中的每一个执行的用于估算SHS100中的气体混合物的水分含量的各种方法步骤可以顺序地发生。
在步骤302中，数据预处理模块212接收数据211。数据211可以通过一个或多个输入设备从用户/操作者接收并存储在存储器中。数据211包括与气体混合物、气体冷却器和冷却剂相关的SHS的测量(M1至M6、S1)，以及与气体混合物相关的多个参数。测量(M1至M6、S1)包括至少来自气体冷却器的实时数据。与气体混合物相关的多个参数包括用于确定气体混合物的热力学性质的参数。气体混合物的热力学性质包括比热、冷凝热、饱和蒸气压和动态粘度。气体混合物包括烟气和水蒸气。
与气体混合物、气体冷却器和冷却剂相关的SHS的测量(M1至M6、S1)包括从SHS获取的实时数据。实时数据与气体混合物、气体冷却器和冷却剂的压力、温度和流量有关。实时数据包括气体冷却器204在气体冷却器的入口和出口处的温度、气体冷却器204在出口处的流量、冷却剂在入口处的温度和冷却剂在入口处的流量。实时数据还包括气体冷却器204入口处的压力(M3)、气体冷却器204出口处的压力(M5)以及泵排出压力(M6)。多个曲线包括Chilton曲线，其中Chilton曲线提供基于流雷诺数的Chilton因子，其中Chilton因子用于确定传热系数(U)和传质系数(K)。
在步骤304，分析接收到的数据，以去除数据211中的一个或多个异常值。接收到的数据通过下述方式处理：分配/插补SHS的测量(M1至M6、S1)中的缺失值，并去除数据211中的噪声和离群值。使用已知的插补技术(诸如移动平均滤波技术)来分配/插补SHS的测量(M1至M6、S1)中的缺失值。使用诸如快速傅立叶变换的已知滤波技术去除数据211中的噪声和离群值。插补的数据以及无噪声和离群数据可以被称为处理数据。提供分析数据以用于估算气体混合物的水分含量。
在步骤306中，使用由数据预处理模块212提供的分析数据确定气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)。
在步骤308中，基于分析数据和所确定的气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)，计算气体冷却器的表面积(A)。
在步骤310中，基于气体冷却器(104、204)的计算的表面积(A)与气体冷却器(104、204)的实际表面积(CA)的比较，计算SHS100中气体冷却器104、204的气体冷却器入口和气体冷却器出口处的气体混合物的水分含量。气体冷却器104、204的计算表面积(A)可以用于估算SHS100中气体冷却器104、204的入口和出口处的气体混合物的百分比水分含量。
图4示出了根据本文实施例的第一方面，用于引入冷却剂的SHS 100的示例性气体冷却器400。气体冷却器400包括冷却器主体401以及多个入口和出口(402至410)。多个入口和出口包括气体冷却器的入口402和出口404、冷却剂的入口406和出口410，以及水出口408。
气体混合物通过入口402进入气体冷却器400，同时冷却剂通过冷却剂的入口406进入气体冷却器400。如上所述，在进入气体冷却器400之前，气体混合物使用样本探针102中的环形加热器和热示踪线103加热。加热后的气体混合物通过气体冷却器主体401的传导与冷却剂交换热量。气体混合物可以与冷却剂交换热量，并且包含在气体混合物中的水蒸气失去热量。气体混合物中的水蒸气开始冷凝成纯净/清洁的液体。饱和的纯液体可以通过水出口408离开。冷却剂从加热的气体混合物吸收热量，并且冷却剂的温度升高。吸收了热量的冷却剂可以通过冷却剂出口410离开气体冷却器400。具有剩余水蒸气的气体混合物通过出口404离开气体冷却器400。水蒸气的冷凝在气体冷却器400内存在不凝性气体的情况下发生。气体冷却器的入口402和出口404处的气体混合物的水分含量可以在水分含量估算模块214处，使用公式化为求解方程组的计算序列来估算。
图5A和5B示出了根据本文实施例的第二方面，描绘用于估算样本处理系统(SHS)中的气体混合物的水分含量而执行的步骤序列的示例性方法500。方法500示出了表示被公式化以求解方程组的计算序列的步骤(502至550)。
在步骤502中，使用克劳修斯-克拉佩龙(Clausius-Clapeyron)方程或下面给出的方程，由给定温度计算气体冷却器的入口402和出口404处的饱和水蒸气压(pv,i和pv,o)。
其中T是开尔文温度。
给定温度可以例如包括气体冷却器104、204、400和冷却剂的温度和流量，包括：气体冷却器104、204、400在气体冷却器的入口402和出口404处的温度、气体冷却器104、204、400在出口404处的流量、冷却剂在入口406处的温度和冷却剂在入口406处的流量。
在步骤504中，使用气体冷却器的入口402和出口404处的饱和水蒸气压(pv,i和pv,o)，利用以下方程计算气体冷却器的入口402和出口404处的气态(即不可冷凝烟气)蒸气压。
Pg,i＝1-Pv,I
Pg,o＝1-Pv,o -(2)
其中pg,i是气体冷却器入口402处的气态蒸气压；
pg,o是气体冷却器出口404处的气态蒸气压。
在步骤506中，使用气体冷却器的出口404处的气体混合物的流量，计算气体冷却器的出口404处的水蒸气和气体的数量/量或摩尔数。气体混合物包括气体(烟气)和水蒸气(蒸气混合物)。
离开气体冷却器的出口404的水蒸气的摩尔数为Wb＝Fb*pv,o，
离开气体冷却器的出口404的气体的摩尔数为Gb＝Fb*pg,o -(3)
其中Fb＝气体冷却器的出口404处的气体和蒸气混合物的流量；
pg,o＝气体冷却器的出口404处的气态蒸气压。
在步骤508中，通过假定气体冷却器的入口402处的气体混合物的流量(Fa，应当大于气体冷却器的出口404处的流出流量)，使用以下方程来计算冷凝物流量(Fc)。
Fc＝Fa-Fb -(4)
其中Fc＝冷凝物流量，
Fa＝气体冷却器的入口402处的气体混合物流量，
Fb＝气体冷却器的出口404处的气体混合物流量。
在步骤510中，利用水蒸气压(pv,i)和气态蒸气压(pg,i)，计算气体冷却器的入口402处的水蒸气和气体的数量或量或摩尔数(Wa)。
进入气体冷却器的入口402的水蒸气摩尔数Wa＝Fa*pv,i，
离开气体冷却器的入口402的气体摩尔数Ga＝Fa*pg,i -(5)。
在步骤512中，使用以下方程计算冷凝和冷却Fc摩尔水蒸气的过程中的传热量。
AH1＝Fc*(LHw，a+CPw，a*(Ta-Tb)) -(6)
其中LHw,a＝水蒸气在温度Ta下的潜热，
CPw,a＝水蒸气在温度Ta下的比热，
Ta＝气体冷却器的入口402处的温度。
在步骤514中，使用以下方程计算冷却不凝性气体(烟气或气态)混合物的过程中的传热量。
ΔH2＝Ga*CPg，a(Ta-Tb)) -(7)
其中CPg，a＝不凝性气体在温度Ta下的比热。
在步骤516中，使用以下方程计算冷却未冷凝水蒸气的过程中的传热量
ΔH3＝(Wa-Fc)*CPw，a(Ta-Tb)) -(8)
然后利用以下方程计算传递至冷却剂的总热量。
ΔH＝ΔH1+ΔH2+ΔH3 -(9)
在步骤518中，通过使传递的总热量(ΔH)等于冷却剂温度的上升，计算冷却剂出口(410)处的温度(Te)。
ΔH＝Fd*(Td-Te) --(10)
其中Td＝冷却剂入口406的温度，
Te＝冷却剂出口410的温度。
在步骤520中，计算进入气体冷却器/热交换器的气体和蒸气混合物的质量速度，其中已知气体冷却器/热交换器的横截面积为“CA”。
质量速度，
在步骤522中，计算进入的气体和蒸气混合物的雷诺数。随后或同时，根据气体冷却器204的入口402处的温度(Ta)计算气体混合物的粘度(μ)。
雷诺数，
在步骤524中，使用Chilton和Colburn(1934)给出的曲线图，根据雷诺数(Re)计算传热因子(j)。备选地，可以使用近似函数/曲线，根据在步骤522中计算的雷诺数(Re)计算传热因子(j)。
j＝f(Re) -(13)
在步骤526中，使用以下方程计算气膜(水蒸气和气体混合物)中的传热系数(Colburn，1934)。
其中J＝来自步骤524的传热因子，
c＝恒定压力下的比热，
MV＝步骤520中计算的质量速度，
(cμ/k)2/3＝0.83(Colburn，1934)。
在步骤528中，使用以下方程计算蒸气分子通过气膜的扩散速率(Chilton和Colburn，1934)。
其中j＝从步骤524获取的传热因子，
MV＝步骤520中计算的质量速度，
Mm＝气体混合物的平均分子量，
pgf＝主体(pg)与相邻冷凝物表面(pg')之间的不凝性气体蒸气压的对数平均值，
(μ/ρkd)2/3＝0.71(Colburn，1934)。
在步骤530中，将气体冷却器(104、204、400)的温度范围划分成十点网格，并且将传热系数值分配给由气体冷却器(104、204、400)的温度范围划分的十点网格。为了在十点网格中分配第一值，温度范围被划分为针对特定温度范围的十点。例如，如果温度范围在80和60之间，则该范围被划分为80、78……60。随后，在每个温度(即80、78……)下，假定冷凝物温度(tc)并重复迭代计算(从532到538)以达到热平衡。如果达到平衡或稳定，则假定的冷凝物温度(tc)是正确的。如果不平衡，则假定冷凝物温度(tc)的新值，并且重复步骤532至538。
在步骤532中，通过假定冷凝物表面的温度(tc)，使用以下方程计算不凝性气体蒸气压的对数平均值(pgf)。
hs*(tg-tc)+K*λ*(pv-pc)＝h0*(tc-tw) -(16)
其中Hs＝步骤526中计算的显传热系数，
tg＝不凝性气体温度(等于Ta),
tc＝冷凝物表面温度(从方程16估算)，
K＝步骤528中计算的传质系数(如来自方程15的“K＝常数/pgf”),
λ＝水蒸气潜热(基于Ta计算)，
pv＝混合物温度下的水蒸气压(由针对Ta的克劳修斯-克拉佩龙方程计算)，
pc＝冷凝物表面温度下的水蒸气压(使用克劳修斯-克拉佩龙方程由tc的估算值计算)。
假定冷凝物表面的温度tc，基于该温度计算pc、pg'、pgf并代入方程16。应当注意，在方程(16)中迭代地估算tc、pgf，直到达到平衡。也就是说，方程左侧的值等于方程右侧的值。
在步骤534和536中，计算方程(16)的左侧(即通过气体和冷凝物膜的传热速率)和右侧(即通过设置在气体冷却器主体401内的管和冷却剂膜的传热速率)。如已经描述的，tc和pgf在方程(16)中迭代地估算，直到方程(16)左侧的值等于右侧的值。迭代在方程(16)左侧的值最终等于右侧的值时停止。通过气体和冷凝物膜的传热速率以及通过气体冷却器主体401内的管和冷却剂膜的传热速率的值是迭代停止的值。
在步骤538中，将通过气体和冷凝物膜的传热速率的值与通过气体冷却器主体401内的管和水膜的传热速率的值进行比较。
在步骤540中，作为比较的结果，确定通过气体和冷凝物膜的传热速率的值是否等于通过气体冷却器主体内的管和水膜的传热速率的值。如果这两个值相等，则方法500进行至步骤542。如果确定这两个值不相等，则方法500重复从步骤532到540的计算。
在步骤542中，通过使通过气膜的热传递等于潜热，使用以下方程计算总传热系数(U)。
hs*(tg-tc)+K*λ*(pv-pc)＝U*Δt -(17)
其中Δt＝Ta-Te，
hs＝膜传热系数，
U＝总传热系数。
在步骤544中，现在将步骤542中计算得到的总传热系数(U)的值分配为网格中的第一值。
要计算气体冷却器(104、204、400)的表面积(A)，可以使用参数tg、tw，Δt、tc、pg、pgf、q、m、Re、K和U。其中“tg”是不凝性气体温度，“tw”是水温，“Δt”是气体冷却器400的入口402与冷却剂出口410之间的温差，“tc”是冷凝物表面温度。其中“pg”是不凝性气体压力，“pg'”是冷凝物表面附近的蒸气压，“pgf”是pg和pg'的对数平均温度，q是传热量，m是质量流量，“Re”是雷诺数，K是传质系数，“U”是总传热系数。tg、tw、Δt、tc可以共同形成初始温度分布或初始温度。
为了计算气体冷却器(104、204、400)的表面积，在冷凝器或气体冷却器(104、204、400)整个长度上标识Ta与Tb之间的几个温度，比如十个点。通过在Ta与Tb之间的所有10个间隔处迭代步骤532中的方程16和步骤542中的方程17，计算冷凝物表面温度(tc)和总传热系数(U)。结果进入下表，表1(即Ta是90℃，Tb是50℃)。
表1
气体冷却器(104、204、400)的表面积(A)基于“q与(1/UΔt)”曲线(未示出)下的面积来计算，其中q是传热量，“U”是总传热系数，Δt是气体冷却器的入口402与冷却剂出口410之间的温差，如上文的表1所示。点1到点10之间的每个“q”值与每个“UΔt”值在表1中示出。通过将这些“q”值与“UΔt”值结合，可以获取曲线图(曲线)(未示出)。
在步骤546中，将在步骤544中计算的气体冷却器(104、204、400)的表面积(A)与气体冷却器(104、204、400)的实际表面积(CA)进行比较。
在步骤548中，确定气体冷却器(104、204、400)的计算表面积(A)是否与气体冷却器(104、204、400)的实际表面积(CA)相匹配。如果确定气体冷却器(104、204、400)的计算表面积(A)与气体冷却器104、204、400的实际表面积(CA)相匹配或几乎相等或非常接近(CA和A之间的差异相当大或差异非常小)，则方法500进行至步骤550。进一步地，在步骤550中，考虑在气体冷却器的入口(Wa)处进入和在气体冷却器的出口(Wb)处离开的水蒸气的估算摩尔数，以提供输出。如果确定气体冷却器104、204、400的计算表面积(A)与气体冷却器104、204、400的实际表面积(CA)不匹配，则方法500重复步骤508至548，其中，假定气体混合物在气体冷却器204的入口402处的流量(Fa，应当大于气体冷却器204的出口404处的流出流量)，则使用方程(4)计算冷凝物流量(F)，即Fc＝Fa-Fb。
在步骤550中，如果气体冷却器的计算面积(A)与实际表面积(CA)相匹配，则气体混合物和冷凝物的估算流量、冷却剂在出口410处的估算温度，以及气体冷却器204的入口402和出口404处的气体混合物的百分比水分含量均作为输出216提供/分配。
上述用于估算样本处理系统(SHS)中的气体混合物的水分含量的系统的一个优点在于，避免了对基于水分传感器的硬件需求的依赖性。该系统的另一优点在于，提高了气体分析仪读数的可靠性。该系统的又一优点在于通过为现有/常规样本处理系统提供附加特征(水分测量)来估算水分含量，但不增加任何附加成本(不需要硬件部件)。
该系统可以应用于现有的样本处理系统，并且水分估算可以用作预测样本处理系统某些类型的故障(冷却器堵塞、泵故障)时的测量之一。此外，该系统可以集成在现有的样本处理系统中，以帮助提供特定类型的预测诊断解决方案。
对具体实施例的前述描述将完全披露本文实施例的一般特性，因此通过应用当前知识，本领域技术人员完全可以在不偏离通用概念的情况下对这些具体实施例进行修改和/或适应于各种应用，因此，此类适应及修改应该并且旨在被理解为包含在所公开实施例的等同方式或范围内。应当理解，本文所采用的措辞或术语的目的是为了描述而不是限制。因此，虽然已经根据优选实施例描述了本文的实施例，但是本领域技术人员将认识到，可以在如本文描述的实施例的范围内利用修改来实践本文的实施例。
Claims (10)
1.一种用于估算样本处理系统SHS(100)中的气体混合物的水分含量的系统(200)，所述系统(200)包括:
数据预处理模块(212)，所述数据预处理模块被配置为：
接收数据(211)，所述数据包括与所述气体混合物、气体冷却器和冷却剂相关的所述SHS的测量(M1至M6、S1)，以及与所述气体混合物相关的多个参数；
分析接收到的数据以从所述数据(211)中去除一个或多个异常值，以及
水分含量估算模块(214)，所述水分含量估算模块被配置为：
基于分析数据，确定所述气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)，
基于所述分析数据和所确定的所述气体混合物的所述热力学性质、所述传热系数(U)和所述传质系数(K)，计算所述气体冷却器的表面积(A)，并且
基于所述气体冷却器(104、204、400)的计算表面积(A)与所述气体冷却器(104、204、400)的实际表面积(CA)的比较，估算所述气体混合物的水分含量。
2.根据权利要求1所述的系统(200)，其中所述水分含量估算模块(214)被配置为通过使用计算流体动力学有限体积/有限元模拟确定所述SHS(100)的气体冷却器(104、204、400)处的所述气体混合物的初始温度，来计算所述气体冷却器(104、204、400)的表面积，并且其中所述气体混合物在所述气体冷却器的入口(402)处的流量是预定义的。
3.根据权利要求2所述的系统(200)，其中所述水分含量估算模块(214)被配置为通过确定所述气体冷却器(104、204、400)的计算表面积(A)与所述气体冷却器(104、204、400)的实际表面积(CA)相匹配，来基于所述气体冷却器(104、204、400)的所述计算表面积与所述气体冷却器(104、204、400)的所述实际表面积的比较，估算所述气体混合物的水分含量，
响应于所述确定，所述水分含量估算模块被配置为提供：
所述气体冷却器的入口(402)处的所述气体混合物和冷凝物的估算流量；
所述冷却剂的出口(410)处的所述冷却剂的估算温度；以及
所述气体冷却器(104、204、400)的入口(402)和出口(404)处的所述气体混合物的所述水分含量。
4.根据权利要求2所述的系统(200)，其中所述水分含量估算模块(214)被配置为响应于确定所述气体冷却器(104、204、400)的所述计算表面积与所述气体冷却器(104、204、400)的所述实际表面积不匹配，使用具有所述气体冷却器(104、204、400)的入口(402)处的所述气体混合物的流量修改值的所述分析数据来迭代地执行所述气体混合物的所述热力学性质、所述传热系数(U)和所述传质系数(K)的估算。
5.根据权利要求1所述的系统(200)，其中所述数据预处理模块(212)被配置为通过使用插补技术和滤波技术分配所述SHS(100)的测量(M1至M6、S1)中的缺失值和去除所述数据(211)中的噪声和离群值，来分析所接收的数据以去除所述数据(211)中的一个或多个异常值。
6.根据权利要求1所述的系统(200)，其中与所述气体混合物、所述气体冷却器和所述冷却剂相关的所述SHS(100)的所述测量包括从所述SHS(100)获取的实时数据；其中所述实时数据包括所述气体混合物、所述气体冷却器和所述冷却剂的压力、温度和流量。
7.根据权利要求6所述的系统(200)，其中来自所述SHS(100)的所述气体冷却器(104、204、400)和所述冷却剂的所述实时数据包括所述气体冷却器(104、204、400)的入口(402)和出口(404)处以及所述冷却剂的入口(406)处的温度和流量。
8.根据权利要求1所述的系统(200)，其中与所述气体混合物相关的所述多个参数包括用于确定所述气体混合物的所述热力学性质的参数，并且其中所述气体混合物的所述热力学性质包括比热、冷凝热、饱和蒸气压和动态粘度。
9.根据权利要求1所述的系统(200)，其中与所述气体混合物相关的所述多个参数包括多个曲线；其中所述多个曲线包括Chilton曲线，其中所述Chilton曲线提供基于流量的雷诺数的Chilton因子，其中所述Chilton因子用于确定所述传热系数(U)和所述传质系数(K)。
10.一种用于估算样本处理系统SHS(100)中的气体混合物的水分含量的方法(300)，所述方法包括：
接收(302)数据(211)，所述数据包括与气体混合物、气体冷却器和冷却剂相关的所述SHS(100)的测量，以及与所述气体混合物相关的多个参数，
分析接收到的数据以去除所述数据(211)中的一个或多个异常值，
基于分析数据，确定(306)所述气体混合物的热力学性质、传热系数(U)和传质系数(K)，
基于所述分析数据和所确定的所述气体混合物的所述热力学性质、所述传热系数(U)和所述传质系数(K)，计算(308)所述气体冷却器的表面积，并且
基于所述气体冷却器(104、204、400)的计算表面积(A)与所述气体冷却器(104、204、400)的实际表面积(CA)的比较，估算(310)所述气体混合物的所述水分含量。
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