CN117311193B - 基于动态数学模型的精馏塔控制系统 - Google Patents
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Abstract
基于动态数学模型的精馏塔控制系统,包括模拟计算单元,结果显示单元,存储单元以及控制单元;模拟计算单元包括压力求解模块,组成求解模块,温度求解模块和液位求解模块;模拟计算单元通过循环率参数进行动态调整MESH方程在局部理论板上进行精馏塔系统的温度、压力、组成、流量和液位的计算;结果显示单元进行显示模拟计算单元迭代模拟计算的结果;存储单元将模拟计算单元进行迭代模拟计算的流程结构图进行存储;控制单元分别与模拟计算单元,结果显示单元以及存储单元之间进行连接,控制模拟计算单元按照存储单元存储的流程图进行迭代模拟计算并将结果通过结果显示单元进行显示。实现对精馏塔的精准控制,并保持在0.001℃以内。
Description
技术领域
本发明涉及化工流程仿真模拟领域,特别涉及一种基于动态数学模型的精馏塔控制系统。
背景技术
化学工程最常用的就是动态过程模拟,通过在计算机上建立一个数学模型,模拟和分析化学过程中的各种因素变化,基于能量守恒、质量守恒和动量守恒等原理,通过数值解算来求解模型方程,预测化学过程的动态平衡。这种技术可以帮助工程师预测和优化各种化学过程,从而提高产品质量,减少损失,节约能源,降低成本。
目前市场上化工流程模拟计算软件基本被国外垄断,而精馏塔单元是化工流程模拟软件的重要单元模块之一。精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置。常用的精馏塔由一个呈圆柱形的壳体及其中按一定间距水平设置的若干塔板所组成。正常工作时,液体在重力作用下自上而下通过各层塔板后由塔底排出;汽体在压差推动下,经均布在塔板上的开孔由下而上穿过各层塔板后由塔顶排出,在每块塔板上皆储有一定的液体,汽体穿过板上液层时,两相接触进行传质。利用混合物中各组分具有不同的挥发度,即在同一温度下各组分的蒸汽压不同这一性质,使液相中的轻组分(低沸物)转移到汽相中,而汽相中的重组分(高沸物)转移到液相中,从而实现分离的目的。
精馏塔具有多块塔板,在精馏塔理论板上汽液两相都充分混合,且传热及传质过程阻力为零。然而汽液相完全混合体现不出混合过程的动态效果,尤其对于塔釜液位而言,上一块板的液相很难瞬间与塔釜积液混合均匀。
因此,由于现有技术的限制,人们无法解决。
发明内容
(一)发明目的:为解决上述现有技术中存在的问题,本发明的目的是提供一种基于动态数学模型的精馏塔控制系统,可用于传统的操作员培训系统,亦可服务于化工设计及数字孪生技术。
(二)技术方案:为了解决上述技术问题,本技术方案提供基于动态数学模型的精馏塔控制系统,包括模拟计算单元,结果显示单元,存储单元以及控制单元;所述模拟计算单元包括压力求解模块,组成求解模块,温度求解模块和液位求解模块;所述模拟计算单元通过循环率参数进行动态调整MESH方程在局部理论板上进行精馏塔系统的温度、压力、组成、流量、液位的计算;
所述结果显示单元包括结果显示模块;所述结果显示单元进行显示所述模拟计算单元迭代模拟计算的结果;所述存储单元将模拟计算单元进行迭代模拟计算的流程结构图进行存储;
所述控制单元分别与所述模拟计算单元,结果显示单元以及存储单元之间进行连接,控制所述模拟计算单元按照所述存储单元存储的流程图进行迭代模拟计算并将结果通过所述结果显示单元进行显示。
其中,所述局部理论板上汽相与部分液相完全混合,所述汽相与部分液相之间达到动态相平衡。
其中,所述循环率参数为所述局部理论板上液相停留时间的倒数,取值范围为(0,1)。
其中,所述MESH方程指物料平衡方程、局部相平衡方程、摩尔分率加和方程、能量平衡方程。
其中,所述压力求解模块根据压力流量求解器进行计算塔顶的压力;并根据所述塔顶的压力,干板压降和液位压降进行求解各个局部理论板上的压力。
其中,所述模拟计算单元在所述局部理论板的恒压条件下,根据精馏塔塔板的汽、液相组成进行定压定焓闪蒸得到对应的局部理论板上的汽、液相组成,汽、液相流量,并通过循环率参数调整的MESH方程求解得到各局部理论板温度;
根据所述局部理论上的组成、温度更新所述局部理论上的液相密度,根据当前所述局部理论板的液相量,液相密度,溢流堰的高度得到当前局部理论板的落液量;
当前局部理论板的落液量作为下一块局部理论板的液相量,在满足下一块局部理论板的压力条件下进行迭代计算,从上至下依次得到整个精馏塔系统的各局部理论板的组成、流量、温度以及液位;
当上一次迭代计算的局部理论板与当前迭代计算的局部理论板差值的绝对值小于等于控制精度时,整个迭代计算完成。
其中,所述模拟计算单元根据精馏塔系统的故障重新设定边界条件,在稳压状态下进行重新迭代计算。
其中,所述温度控制精度小于等于0.001℃。
其中,还包括自动调整单元;所述自动调整单元包括溢流堰调整模块和故障调整模块;所述溢流堰调整模块通过所述模拟计算单元模拟的实时数据,在第二阈值时间开始自动调整溢流堰高度,第三阈值时间完成调整;所述故障调整模块在第一时长等于第一阈值时间时,没有完成故障的处理,根据所述存储单元存储的故障解决方案进行故障的自动处理;
所述结果显示单元还包括输入显示模块和故障方案显示模块;所述结果显示单元将接收到的故障处理方案进行显示,当第一阈值时间内没有接收到故障处理方案,显示所述故障对应的故障解决方案;
所述存储单元还与所述自动调整单元连接,存储有故障目录;根据故障目录中对应的故障原因获取故障解决方案,再根据故障解决方案进行故障处理。
其中,所述第一阈值时间,第二阈值时间和第三阈值时间在所述模拟计算单元进行迭代模拟计算之前设定,一旦设定完成,在整个运行过程中不可更改。
(三)有益效果:本发明基于动态数学模型的精馏塔控制系统,提出局部理论板的概念模型,在所述局部理论板上通过循环率参数对MESH方程进行动态调整,迭代计算每一个所述局部理论板上的压力,组成,流量,温度以及液位;并根据所述模拟计算单元的数值进行自动调整所述溢流堰的高度,满足设定的条件进行精准控制;其次所述基于动态数学模型的精馏塔控制系统还能够根据探测数据得到故障原因的判断,在第一阈值时间内根据接收到的故障处理方案进行自动运行,而在第一阈值时间外能够调取所述存储单元存储的故障解决方案进行显示,保证所述基于动态数学模型的精馏塔控制系统对于精馏塔的精准控制,并且控制精度保持在0.001℃以内。
附图说明
图1是本发明的系统结构图;
图2是本发明基于动态数学模型的精馏塔控制系统的流程图;
图3是本发明溢流堰调整模块的一种实施例;
图4是本发明一个实施例的精馏塔系统图;
图5是本发明精馏塔入口温度变化曲线;
图6是本发明塔顶温度变化曲线;
图7是本发明塔釜温度变化曲线;
图8是本发明塔顶压力变化曲线;
图9是本发明进料流量变化曲线;
图10是本发明塔釜液位变化曲线。
附图标记:100--液化气、110--液相、120--蒸汽、130--冷凝物、140--空气、150--汽相、160--排出物、V101--塔釜液位控制阀门、V102--塔顶压力控制阀门、V103--塔顶汽相流量控制阀门、V104--塔顶回流质量流量控制阀门、V105--回流汽相控制阀门、V106--回流罐液位控制阀门、E-102C--再沸器、D102--回流罐、P102--回流泵、P103--回流罐液相排出泵、A101--冷凝器、C101--精馏塔。
具体实施方式
下面结合优选的实施例对本发明做进一步详细说明,在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明,但是,本发明显然能够以多种不同于此描述的其他方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎,因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
附图是本发明的实施例的示意图,需要注意的是,此附图仅作为示例,并非是按照等比例的条件绘制的,并且不应该以此作为对本发明的实际要求保护范围构成限制。
基于动态数学模型的精馏塔控制系统,如图1所示,包括模拟计算单元,自动调整单元,结果显示单元,存储单元以及控制单元。所述模拟计算单元通过循环率参数进行动态调整MESH方程进行精馏塔系统的温度、压力、组成、流量、液位的计算。所述自动调整单元通过所述模拟计算单元模拟的实时数据进行各塔板上溢流堰的高度的自动调整以及在第一阈值时间外根据所述存储单元存储的故障解决方案进行故障的自动处理。所述结果显示单元进行显示所述模拟计算单元迭代模拟计算的结果,所述控制单元在第一阈值时间内接收到的故障处理方案以及所述控制单元从所述存储单元调取的故障解决方案。所述存储单元将模拟计算单元进行迭代模拟计算的流程结构图和故障解决方案进行存储。所述控制单元分别与所述模拟计算单元,自动调整单元,结果显示单元以及存储单元之间连接,控制各部分之间能够正常运行。
所述MESH方程指物料平衡方程(M方程)、局部相平衡方程(E方程)、摩尔分率加和方程(S方程)、能量平衡方程(H方程)。
所述模拟计算单元包括压力求解模块,温度求解模块,组成求解模块以及液位求解模块。在精馏塔塔板上进行汽液两相的混合,然而汽液相完全混合体现不出混合过程的动态效果,尤其对于塔釜液位而言,上一块板的液相很难瞬间与塔釜积液混合均匀,汽相和液相之间达到混合需要时间。因此本发明提出局部理论板,所述局部理论板是对理论板的改进,即在所述局部理论板上汽液两相没有完全混合,在所述局部理论板上通过循环率参数对塔板上参与反应的液相量进行调整,从而所述局部理论板上汽相与部分液相完全混合并达到相平衡。
由于所述局部理论板上所述汽相与液相之间接触,发生传质,当汽液相从所述局部理论板离开时,两相之间达到动态相平衡。而接触的时间不同,参与接触传质的液相量也不同,因此所述循环率参数的缺省为塔板上液相停留时间的倒数,如式(1)所示,所述循环率表示为Ratio Cycle。
所述循环率参数的取值范围为大于0,小于1的数值。当液相停留的时间趋近于0时,汽相与液相之间接触的瞬间就可完成传质过程,此时当前局部理论板上的液相全部参与传质,所述循环率参数取值趋近于1;当液相停留时间无穷大,汽相与液相之间发生传质过程所需要的时间很长,此时当前局部理论板上参与传质的液相量几乎为0,所述循环率参数取值趋近于0。所述循环累积量FRj的比例可通过循环率参数调整,如式(2)所示。
FRj=塔板累积量×Ratio Cycle (2)
其中,j表示塔板索引。
在所述局部理论板,上一块塔板来的落液FLj-1,下一块塔板来的汽相量FVj+1、进料FIj和当前局部理论板上的液相循环累积量FRj达到相平衡。通过所述循环率参数对局部理论板上的液相量进行实时动态调整,所述模拟计算单元通过所述循环率参数调整的MESH方程进行求解计算得到所述各局部理论板上的压力,温度,组成,汽、液相流量以及液位。
如图2所示,开始时,计算误差为0,控制误差为0.001℃,迭代次数为0。之后输入塔板的编号,对应得到相应的局部理论板,通过循环率参数对局部理论板上的液相量进行实时动态调整得到循环累积量FRj,之后通过组成求解模块,温度求解模块,液位求解模块就行迭代计算,得到所述精馏塔系统中从上至下的各塔板对应的局部理论板上的温度,组成,流量,液位等数据,输出当前计算的各局部理论板的温度与上一次迭代计算的各局部理论板的温度差值绝对值的最大值作为计算误差。当计算误差小于等于测量误差时,退出迭代;否则,重新进行新一轮的迭代计算。
在实际的化工生成中基本都是定压操作,因此所述基于动态数学模型的精馏塔控制系统在恒定压力条件下进行各步骤的求解。由于精馏塔中具有很多的塔板,各塔板上的液相量不同,液相的密度也不同,因此各塔板上的压力也不同。
所述压力求解模块进行计算各局部理论板的压力。本发明通过底层压力流量求解器(Pressure Flow Solver)求解得到塔顶的压力。所述塔顶的压力即为塔顶内部的汽相量,因此所述压力流量求解器对于塔顶内部汽相使用气体状态方程进行求解,即可得到塔顶的压力。所述气体状态方程可以是理想气体状态方程或者PR方程等。本发明通过理想气体状态方程进行说明。
PV=nRT (3)
其中P表示压力,Pa;V表示体积,m3;n表示塔顶汽相物质的量,mol;R表示气体常数,取值为8.314J/mol/K;T表示温度,K。
方程两边同时对时间求导,得到塔顶压力变化量dP=dnRT/V。其中dn为当前时刻塔顶气相空间内物质的量的变化量,即进入塔顶的汽相量减去塔顶采出的汽相量,其中塔顶汽相量由下一块局部理论板计算,塔顶采出量由塔顶后面的阀门计算。而阀门流量的计算又用到后面罐的压力,罐压力计算又用到其后面阀门的流量,如此往复直到工艺流程结束。
这样将得到关于压力、流量两个关于时间t的常微分方程组,然后使用拟牛顿迭代法求解数值得到塔顶压力,同时求解了塔顶后路的流量。
通过底层压力流量求解器计算得到的塔顶压力,应用于式(4),得到各局部理论板上的压力值。
P局部理论板=P塔顶+干板压降+液位压降(4)
也可以通过塔顶塔底压力线性插值计算得到各局部理论板上的压力。在此不做具体限制。
在精馏塔内,液相自上而下流动,当所述塔板上的液相量高度超过所述溢流堰的高度,液相通过所述溢流堰下方的降液管流向下一块塔板。汽相自下向上通过所述塔板上的透气孔进行流动。所述塔板上还可以设置有进料口。所述降液管为塔板与溢流堰连接位置的下方,液体从当前塔板流出的空间,此为现有技术,因此本申请不再进行赘述。
因此所述组成求解模块进行动态模拟计算所述局部理论板上汽、液相组成及流量。所述组成求解模块根据下一块局部理论板来的汽相流量FVj+1、上一块局部理论板来的液相流量FLj-1、当前局部理论板的进料FIj与当前局部理论板部分液相循环累积量FRj在所述局部理论板上混合,达到动态平衡,再进行定压定焓闪蒸(PH闪蒸)得到当前所述局部理论板总进料中液相流量FLj、液相组成xi,j、汽相流量FVj、汽相组成yi,j。其中所述液相流量FLj用于计算当前所述局部理论板上的液相量,所述汽相流量FVj则直接作为当前局部理论板的汽相量进入到上一层局部理论板参与计算。
所述温度求解模块根据所述组分求解模块求解的液相流量FLj、汽相流量FVj,应用所述局部理论板的通过所述循环率参数调整的物料衡算公式(M方程),如式(5)、式(6)所示,计算所述局部理论板的汽相、液相累积量;
其中,i表示组分索引;j表示塔板索引;xi,j表示第j板的第i个组分的摩尔组成,mol/mol;Mi,j表示第j板的组分i的累积摩尔量,mol;Fj,ni表示第j板的第ni股入口物流的流量,mol/s;Zi,j,ni;第j板的第ni股入口物流的组分i的摩尔组成,mol/mol;Fj,no表示第j板的第no股出口物流的流量,mol/s;Zi,j,no表示第j板的第no股出口物流的组分i的摩尔组成,mol/mol;FLj-1表示第j-1板落下的液相流量,mol/s;xi,j-1表示第j-1板落下的液相组分i的摩尔组成,mol/mol;FLj表示第j板落下的液相流量,mol/s;FVj+1表示第j+1板上升的汽相流量,mol/s;yl,j+1表示第j+1板上升的汽相组分i的摩尔组成,mol/mol;FVj表示第j板上升的汽相流量,mol/s;yi,j表示第j板的汽相组分i的摩尔组成,mol/mol。
当Ratio Cycle=1时,根据式(2)可知,此时全部液相循环累积量参与相平衡,应用所述循环率参数调整的局部相平衡关系式(E方程),如式(7)所示。
yi,j=Ki,j·xi,j(7)
其中,i表示组分索引;j表示塔板索引;xi,j表示第j板的第i个组分的摩尔组成,mol/mol;Ki,j表示第j板的第i个组分的相平衡常数。
所述温度求解模块根据式(5)、式(6)求解出的液相量应用所述局部理论板的通过所述循环率参数调整的能量衡算公式(H方程)计算所述局部理论板的汽相、液相摩尔焓值,如式(8)、式(9)所示。
其中,i表示组分索引;j表示塔板索引;xi,j表示第j板的第i个组分的摩尔组成,mol/mol;Fj,ni表示第j板的第ni股入口物流的流量,mol/s;Fj,no表示第j板的第no股出口物流的流量,mol/s;FLj-1表示第j-1板落下的液相流量,mol/s;FLj表示第j板落下的液相流量,mol/s;FVj+1表示第j+1板上升的汽相流量,mol/s;FVj表示第j板上升的汽相流量,mol/s;HTotal,j表示理论板j上的累积焓值,J;Hj,ni表示第ni股入口物流的摩尔焓值,J/mol;Hj,no表示第no股入口物流的摩尔焓值,J/mol;HLj-1表示上一块板落下的液相摩尔焓值,J/mol;HLj表示当前板的液相摩尔焓值,J/mol;HVj+1表示下一块板上升的汽相摩尔焓值,J/mol;HVj表示当前板的汽相摩尔焓值,J/mol;Qimp表示外部强加与当前板的热量,W;Qloss表示当前板的散热量,W。
式(8)、式(9)求解出的汽相、液相摩尔焓值应满足摩尔分数归一化方程(S方程),如式(10)、(11)所示。
所述温度求解模块根据所述局部理论板的汽相、液相摩尔焓值,调用热力学方程计算各局部理论板的温度。根据各局部理论板通过所述循环率参数调整的MESH方程,来计算得到的温度,从而进行更新各局部理论板上的液相密度。
所述液位求解模块根据所述局部理论板上的液相量,液相密度,塔板尺寸,调用塔板水力学方程(Francis经验公式),如式(12)所示,进行求解计算所述局部理论板上的液位。
其中,FLV表示溢流堰溢流的体积流量,m3/h;LengthWeir表示溢流堰长度,m;HeightOW表示溢流堰上液层高度,m;E表示液流收缩系数,可查Bolles图得到,取值范围[1.0,1.2]。
所述模拟计算单元在所述局部理论板的恒压条件下,根据精馏塔塔板的汽、液相组成进行定压定焓闪蒸得到对应的局部理论板上的汽、液相组成,汽、液相流量,并通过循环率参数调整的MESH方程求解得到各局部理论板温度。根据所述局部理论上的组成、温度更新所述局部理论上的液相密度,根据当前所述局部理论板的液相量,液相密度,溢流堰的高度得到当前局部理论板的落液量。当前局部理论板的落液量作为下一块局部理论板的液相量,在满足下一块局部理论板的压力条件下进行迭代计算,从上至下依次得到整个精馏塔系统的各局部理论板的组成、流量、温度以及液位。
当所述局部理论板上的当前温度与上一次迭代计算的温度差值的绝对值小于等于测量精度时,表明迭代计算完成。否则重新进行下一次的迭代计算,直至求解的温度差值的绝对值小于等于精馏塔的温度控制精度。本发明中的温度计算误差保持在千分位上,即0.001℃;因此所述精馏塔的温度控制精度小于等于0.001℃。而实际的温度计测量精度为0.1℃,因此本发明的迭代模拟计算相对于现有的实际测量数值足够精准。
所述模拟计算单元还能够根据所述自动调整单元的故障分析结果重新进行所述局部理论板的边界范围的重新调整,在稳压的条件下,所述模拟计算单元根据新的边界条件重新进行压力,组成,温度,汽、液相流量,液位等计算,得到精准的计算结果。
所述自动调整单元包括溢流堰调整模块和故障调整模块。所述溢流堰调整模块根据所述模拟计算单元计算模拟的液相量自动调整所述溢流堰的堰高,来保证所述局部理论板上的液位。当所述模拟计算单元计算的局部理论板上的液相量不等于实际塔板上的当前液相量,所述溢流堰根据所述模拟计算单元的模拟数值与实际溢流堰的高度进行自动调整。
所述溢流堰调整模块可以是在所述溢流堰2与塔板1的连接处设置的滑轮3。所述滑轮3安装在所述塔板1与溢流堰2连接的下方,如图3所示,所述溢流堰2能够进行高度的调整,能够满足所述模拟计算单元。所述溢流堰调整模块还可以是所述溢流堰由多块薄板进行滑动叠加等多种方式,本发明不做具体限制,只要保证溢流堰的高度能够进行上下调整即可。
当所述模拟计算单元计算的局部理论板上的液相量大于实际塔板上的液位,所述控制单元控制所述溢流堰调整模块在第二阈值时间开始向上移动溢流堰,所述溢流堰的高度向上增加;并且达到第三阈值时间时,所述溢流堰上升到需要的高度,保证所述塔板上有足够的液相量与汽相发生反应。当所述模拟计算单元计算的局部理论板上的液相量小于实际塔板上的液位,所述控制单元控制所述溢流堰调整模块达到第二阈值时间开始向下移动溢流堰,所述溢流堰的高度减小;所述塔板上多余的液相量通过所述溢流堰下连接的降液管流出,达到第三阈值时间时,所述溢流堰下降到需要的高度,保证所述塔板上的液相量与汽相发生反应。
所述第二阈值时间可以是当前塔板对应的局部理论板模拟计算完成的时间;所述第三阈值时间可以是下一块塔板对应的局部理论板的模拟计算完成时间,不做具体限制。所述第二阈值时间和第三阈值时间在整个基于动态数学模型的精馏塔控制系统开始前进行设定修改,需要说明的是,一旦设定完成,所述第二阈值时间和第三阈值时间在整个操作过程中不可再进行改变。
本发明自动调整单元还包括故障调整模块,当实际的精馏塔系统中的测量数值发生偏差时开始计时,此时长为第一时长,所述控制单元同步进行测量数值发生偏差的故障原因分析,调取故障对应的解决方案。当第一时长等于第一阈值时间时,所述控制单元确认故障是否解除,若故障已经解除则不需要进行故障处理,若故障未解除,所述控制单元控制所述故障调整模块自动进行故障处理。
在精馏塔系统中,引起反应转化率和选择性降低故障的原因有很多,本发明主要针对流体工况故障、控制系统故障、附属设备故障几类展开故障模拟计算研究。
所述存储单元存储有所述故障目录。当所述控制单元没有接收到仿真学员提出的故障处理方案,则所述控制单元会调取所述存储单元存储的故障目录,并根据故障目录中对应的故障原因获取故障解决方案,再根据故障解决方案进行故障处理。所述存储单元还存储有所述模拟计算单元进行迭代模拟计算的流程,如图2所示。
具体的说,所述故障目录中包括故障原因和故障解决方案,不同故障原因对应不同故障解决方案,每一个故障原因下,可以根据故障等级或设备运行情况对应不同的故障解决方案。
所述控制单元进行故障处理可以是如下方式,
所述控制单元根据测量数据进行故障分析,确定故障原因以及故障等级或设备运行情况,在所述存储单元存储的故障目录中获取对应的故障解决方案后,所述故障调整模块进行自动运行进行故障处理。同时所述控制单元将故障解决方案输出至所述结果显示单元进行显示。
所述结果显示单元包括输入显示模块,故障方案显示模块和计算结果显示模块。仿真学员在所述输入显示模块进行输入的故障处理方案并显示,超出第一阈值时间,所述输入显示模块将关闭,不能进行任何操作。同时在所述输入显示模块还可以进行输入设定第一阈值时间,第二阈值时间以及第三阈值时间。并且一旦输入确定,在整个基于动态数学模型的精馏塔控制系统进行迭代计算过程中将不再显示所述输入显示单元。故障方案显示模块的用途、计算结果显示模块的用途
当第一时长大于等于第一阈值时间时,所述控制单元没有接收到故障的处理方案,所述控制单元将从所述存储单元调取的故障解决方案输出至所述故障方案显示模块进行显示,并将对应故障原因的解决方案依次排列。
所述计算结果显示模块将所述模拟计算单元进行模拟迭代计算得到的压力,组成,汽、液相流量,温度以及各局部理论板上的液位进行显示。
所述第一阈值时间可以在本发明基于动态数学模型的精馏塔控制系统进行迭代模拟计算之前进行设定,可以根据待培训学员的能力水平等进行修改调整,需要注意的是,一旦设定后,在整个运行过程中将不可更改。
下面结合具体的实施例进行描述,此计算结果显示模块主要是针对入门初学者,对于整个精馏塔系统了解比较浅显阶段:
步骤1.首先绘制精馏塔系统的初始状态图,并将所述精馏塔系统中各塔板的实际运行状态探测数据作为该塔板对应的局部理论板的对比数据,在所述各塔板对应的局部理论板上进行显示。
步骤2.根据所述模拟计算单元迭代模拟计算的各局部理论板的实时数据对应精馏塔系统的所述各塔板实际运行状态探测数据,并在所述精馏塔系统的初始状态图中进行显示。
需要注意的是,所述各塔板的实际运行状态探测数据与迭代模拟计算的所述各局部理论板的实时数据应区分进行显示,可以是不同的字体颜色,不同的字体大小和/或不同的字体类型等。还可以是当所述迭代计算的实时数据与实际运行状态探测数据差别较大时,所述迭代计算的实时数据闪烁显示,之后再进行锁定,引起操作者和观察者的注意。
根据所述各塔板的实际运行状态探测数据与迭代模拟计算的所述各局部理论板的实时数据,能够直观的显示出计算结果的偏差,并有利于仿真学员针对故障进行原因分析并思考故障对应的处理方案。通过所述输入显示模块进行输入并将输入的故障处理方案进行显示,能够进行人工检查输入的故障处理方案是否有笔误。
步骤3.所述模拟计算单元根据输入的故障处理方案进行重新的迭代模拟计算,并覆盖显示迭代模拟计算的各局部理论板的实时数据。
显示重新进行计算的迭代模拟计算的实时数据,能够更直观的显示所述故障处理方案的迭代计算结果与实际的探测数据之间的差值,能够更直观的验证输入的故障处理方案的正确性。有利于对于仿真学员进行培训的练习及显示培训的效果。并且如果故障解除,能够将输入的故障处理方案编辑进故障目录对并作为故障类型对应的一种故障的解决方案进行存储。
另外所述结果显示单元将显示重新进行计算的迭代模拟计算的实时数据进行显示,还有利于当第一时长大于等于第一时间阈值时,所述控制单元能够准确的根据故障原因调取所述存储单元存储的故障目录,并控制所述故障调整模块自动运行所述故障目录中存储的故障解决方案进行故障的处理。
所述计算结果显示模块的另一个具体实施例还可以是:
步骤1.首先绘制精馏塔系统的初始状态图,并将所述精馏塔系统中各塔板的实际运行状态探测数据作为该塔板对应的局部理论板的对比数据,在所述各塔板对应的局部理论板上进行显示。
步骤2.根据学员在输入显示模块输入的第一阈值时间、第二阈值时间和第三阈值时间进行迭代模拟计算,得到各局部理论板的实时数据。
步骤3.根据步骤2计算的所述模拟计算单元迭代模拟计算的各局部理论板的实时数据对应精馏塔系统的所述各塔板实际运行状态探测数据形成映射关系。
当映射关系错误时,(即各局部理论板的实时数据与各塔板实际运行状态探测数据差大于等于精度阈值时,超出控制精度,映射关系错误),所述计算结果显示模块将模拟计算单元迭代模拟计算的各局部理论板的实时数据进行显示在对应的局部理论板上,并与该局部理论板的对比数据之间形成区分;当映射关系正确时,(即各局部理论板的实时数据与各塔板实际运行状态探测数据差小于精度阈值时,未超出控制精度,映射关系正确),则所述模拟计算单元迭代模拟计算的各局部理论板的实时数据不显示,所述计算结果显示模块只显示对比数据。
步骤4.仿真学员根据所述结果显示单元显示的映射错误数据,在所述输入显示单元输入故障的处理方案;根据故障处理方案运行,重复步骤1-步骤3。
当计算结果显示模块中各局部理论板位置只显示一组数据,即为对比数据。此时所述模拟计算单元迭代模拟计算的各局部理论板的实时数据对应精馏塔系统的所述各塔板实际运行状态探测数据之间的映射关系正确,所述模拟计算单元迭代模拟计算的各局部理论板的实时数据不显示;表明故障处理方案完全解决故障问题,并将所述故障处理方案对应故障原因存储进故障目录,作为一种故障解决方案进行存储,以备后续的提取,自动运行。
通过此实施例得到的计算结果显示模块更清晰易观测,能够快速识别出故障的发生位置,进行故障分析,从而使得仿真学员更容易想到故障解决方案。避免了仿真学员针对故障位置进行错误的判断,得到错误的处理方案的现象。
所述控制单元进行控制所述模拟计算单元按照所述存储单元存储的迭代计算流程进行计算,并将结果输出至所述计算结果显示模块进行显示。所述控制单元还能够控制所述溢流堰调整模块进行溢流堰的堰高的自动调整,满足需要的高度设计。所述控制单元还能够根据故障的原因分析,调取所述存储单元存储的故障解决方案并输出至所述故障方案显示模块进行显示。所述控制单元还能够根据接收到的故障处理方案进行自动运行。
如图4所示,结合一个具体的实施例进行介绍,其中C101中共有69块塔板,分别自下向上进行排列并依次编号。在100和C101之间设置有入口流量质量监测位点F100101、入口点温度监测位点TI00202;在C101底部设置有精馏塔塔底压力监测位点PI00302;在C101和V101之间设置有V101阀门开度监测位点LIC00301;在V101和110之间设置有进料流量质量监测位点FI00102;在C101顶部设置有精馏塔塔顶温度监测位点TI00303;在C101和V102之间设置有精馏塔塔顶压力监测位点PIC00301;在C101和V104之间设置有精馏塔塔顶回流温度监测位点TI00302;在P102和V104之间设置有精馏塔塔顶回流质量流量监测位点FIC00301。
根据在上述的监测位点进行监测,共有6种故障类型,分别是原料汽入口上游温度偏低故障,塔顶回流流量控制阀门故障,塔顶回流流量控制回路显示故障,塔釜液位控制阀门故障,回流泵P102A故障,再沸器蒸汽中断故障。根据第一种原料汽入口上游温度偏低故障类型进行故障扰动:
在精馏塔正常运行的状态下,人为增加干扰因素,原料汽入口上游温度由正常值88℃经1min后斜坡变化至70℃。所述基于动态数学模型的精馏塔控制系统的原料汽入口温度偏低为例进行模拟计算。所述控制单元控制所述模拟计算单元根据所述存储单元存储的迭代模拟计算流程进行模拟计算,并将结果输出至所述结果显示单元进行显示。所述结果显示单元显示的结果如图5~图10所示。
①上游温度由88℃降为70℃后,精馏塔入口温度TI00202由77℃降为69℃。
②塔顶温度TI00303温度下降,且最终稳定在49.3℃。
③塔顶压力迅速下降,但在控制器的作用下稳定在1.85MPa。
④塔釜温度迅速下降,但在控制器的作用下稳定在107.6℃。
因此当所述精馏塔的原料汽入口上游温度斜坡下降18℃时,精馏塔各工艺指标迅速响应,且主要工艺指标在各控制器的作用下按照所述结果显示单元的结果下实现有效控制,最终精馏塔再沸器负荷增大,满足所述精馏塔的能量平衡要求。
本发明基于动态数学模型的精馏塔控制系统,提出局部理论板的概念模型,在所述局部理论板上通过循环率参数对MESH方程进行动态调整,迭代计算每一个所述局部理论板上的压力,组成,流量,温度以及液位。并根据所述模拟计算单元的数值进行自动调整所述溢流堰的高度,满足设定的条件进行精准控制。其次所述基于动态数学模型的精馏塔控制系统还能够根据探测数据得到故障原因的判断,在第一阈值时间内根据接收到的故障处理方案进行自动运行,而在第一阈值时间外能够调取所述存储单元存储的故障解决方案进行显示,保证所述基于动态数学模型的精馏塔控制系统对于精馏塔的精准控制,并且测量精度保持在0.001℃以内。
以上内容是对本发明创造的优选的实施例的说明,可以帮助本领域技术人员更充分地理解本发明创造的技术方案。但是,这些实施例仅仅是举例说明,不能认定本发明创造的具体实施方式仅限于这些实施例的说明。对本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干简单推演和变换,都应当视为属于本发明创造的保护范围。
Claims (6)
1.基于动态数学模型的精馏塔控制系统,其特征在于,包括模拟计算单元,结果显示单元,存储单元以及控制单元;所述模拟计算单元包括压力求解模块,组成求解模块,温度求解模块和液位求解模块;所述模拟计算单元通过循环率参数进行动态调整MESH方程在局部理论板上进行精馏塔系统的温度、压力、组成、流量、液位的计算;
所述模拟计算单元在所述局部理论板的恒压条件下,根据精馏塔塔板的汽、液相组成进行定压定焓闪蒸得到对应的局部理论板上的汽、液相组成,汽、液相流量,并通过循环率参数调整的MESH方程求解得到各局部理论板温度;
根据所述局部理论上的组成、温度更新所述局部理论上的液相密度,根据当前所述局部理论板的液相量,液相密度,溢流堰的高度得到当前局部理论板的落液量;
当前局部理论板的落液量作为下一块局部理论板的液相量,在满足下一块局部理论板的压力条件下进行迭代计算,从上至下依次得到整个精馏塔系统的各局部理论板的组成、流量、温度以及液位;
当上一次迭代计算的局部理论板与当前迭代计算的局部理论板差值的绝对值小于等于控制精度时,整个迭代计算完成;
所述局部理论板上汽相与部分液相完全混合,所述汽相与部分液相之间达到动态相平衡;所述循环率参数为所述局部理论板上液相停留时间的倒数,取值范围为(0,1);所述MESH方程指物料平衡方程、局部相平衡方程、摩尔分率加和方程、能量平衡方程;
所述结果显示单元包括结果显示模块;所述结果显示单元进行显示所述模拟计算单元迭代模拟计算的结果;所述存储单元将模拟计算单元进行迭代模拟计算的流程结构图进行存储;
所述控制单元分别与所述模拟计算单元,结果显示单元以及存储单元之间进行连接,控制所述模拟计算单元按照所述存储单元存储的流程图进行迭代模拟计算并将结果通过所述结果显示单元进行显示。
2.根据权利要求1所述的基于动态数学模型的精馏塔控制系统,其特征在于,所述压力求解模块根据压力流量求解器进行计算塔顶的压力;并根据所述塔顶的压力,干板压降和液位压降进行求解各个局部理论板上的压力。
3.根据权利要求1所述的基于动态数学模型的精馏塔控制系统,其特征在于,所述模拟计算单元根据精馏塔系统的故障重新设定边界条件,在稳压状态下进行重新迭代计算。
4.根据权利要求1所述的基于动态数学模型的精馏塔控制系统,其特征在于,所述温度控制精度小于等于0.001℃。
5.根据权利要求1所述的基于动态数学模型的精馏塔控制系统,其特征在于,还包括自动调整单元;所述自动调整单元包括溢流堰调整模块和故障调整模块;所述溢流堰调整模块通过所述模拟计算单元模拟的实时数据,在第二阈值时间开始自动调整溢流堰高度,第三阈值时间完成调整;所述故障调整模块在第一时长等于第一阈值时间时,没有完成故障的处理,根据所述存储单元存储的故障解决方案进行故障的自动处理;
所述结果显示单元还包括输入显示模块和故障方案显示模块;所述结果显示单元将接收到的故障处理方案进行显示,当第一阈值时间内没有接收到故障处理方案,显示所述故障对应的故障解决方案;
所述存储单元还与所述自动调整单元连接,存储有故障目录;根据故障目录中对应的故障原因获取故障解决方案,再根据故障解决方案进行故障处理。
6.根据权利要求5所述的基于动态数学模型的精馏塔控制系统,其特征在于,所述第一阈值时间,第二阈值时间和第三阈值时间在所述模拟计算单元进行迭代模拟计算之前设定。
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