基于温度波特性的内部热耦合精馏在线观测器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于精馏节能过程中的动态建模领域，具体地说，涉及一种基于温度波特 性的内部热耦合精馏在线观测器。
【背景技术】
[0002] 精馏过程能耗占国民经济总能耗的20%，占石油化工行业的67%，是石油、化工、 冶金、煤化等行业广泛使用的单元操作，与我国国民经济的诸多支柱产业息息相关。然而， 精馏过程能源利用率极低，仅为5% -10%，严重制约了经济的发展。
[0003]内部热耦合精馏技术充分利用精馏段与提馏段之间的热交换，比常规精馏节能 30%以上。然而，内部热耦合精馏过程的热耦合导致该过程具有显著的非线性动态特性， 使得目前应用广泛的基于线性化辨识模型或者数据驱动模型的观测器，难以准确的描述该 过程的复杂动态特性，往往满足不了实际生产对预测精度的需求，使得内部热耦合精馏过 程的生产控制成为国际上的一个难点。因此，基于高效、准确的非线性建模方法的观测器设 计，是实现该过程产品浓度准确预测的前提，也是提高内部热耦合精馏过程的产品品质的 保障。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有内部热耦合精馏观测器存在的测量精度不高、在线运行效率低 下、对噪声敏感度高等上述不足，提供了一种基于温度波特性的内部热耦合精馏在线观测 器，该观测器能够实现在线测量和实时误差校正，具有观测精度高、运行速度快、抗噪声能 力强等优点。
[0005] 本发明的技术方案是：一种基于温度波特性的内部热耦合精馏在线观测器，包括 内部热耦合精馏塔、智能仪表、控制站、数据存储装置、上位机观测器及上位机显示界面，所 述智能仪表与所述内部热耦合精馏塔连接，用于进行数据采集；所述控制站与所述内部热 耦合精馏塔连接，用于实现对内部热耦合精馏塔的控制；所述数据存储装置与所述智能仪 表和所述控制站连接，用于实现数据存储；所述上位机观测器与所述数据存储装置连接，用 于实现在线观测并预测未来时刻内部热耦合精馏塔的状态，所述上位机显示界面与所述上 位机观测器连接，用于显示内部热耦合精馏塔的状态；所述上位机观测器包括用于观测浓 度及浓度梯度的浓度梯度描述模块、用于观测温度梯度的温度梯度描述模块、用于观测温 度波静态的温度波静态描述模块、用于观测温度波动态的温度波动态描述模块、用于观测 计算误差的误差计算模块及用于观测未来时刻状态的未来时刻状态预测模块；其中，
[0006] ( -）所述浓度梯度描述模块观测浓度及浓度梯度的步骤为：通过智能仪表中的 温度检测元件、压力检测元件、流量检测元件采集相应的温度、压力、流量参数，传输至数据 存储装置，再由数据存储装置传输至所述浓度梯度描述模块，通过所述浓度梯度描述模块 确定出浓度及浓度梯度，所述浓度梯度描述模块包括各塔板的浓度观测和各塔板的浓度梯 度观测两部分；
[0008]
[0007] 1)各塔板的浓度观测，根据公式（1)、⑵获得各塔板当前时刻的浓度值，并将结 果传输至数据存储装置及上位机显示界面，公式（1)、（2)的表达式如下：
【主权项】
1. 一种基于温度波特性的内部热耦合精馏在线观测器，其特征在于：包括内部热耦合 精馏塔、智能仪表、控制站、数据存储装置、上位机观测器及上位机显示界面，所述智能仪表 与所述内部热耦合精馏塔连接，用于进行数据采集；所述控制站与所述内部热耦合精馏塔 连接，用于实现对内部热耦合精馏塔的控制；所述数据存储装置与所述智能仪表和所述控 制站连接，用于实现数据存储；所述上位机观测器与所述数据存储装置连接，用于实现在线 观测并预测未来时刻内部热耦合精馏塔的状态，所述上位机显示界面与所述上位机观测器 连接，用于显示内部热耦合精馏塔的状态；所述上位机观测器包括用于观测浓度及浓度梯 度的浓度梯度描述模块、用于观测温度梯度的温度梯度描述模块、用于观测温度波静态的 温度波静态描述模块、用于观测温度波动态的温度波动态描述模块、用于观测计算误差的 误差计算模块及用于观测未来时刻状态的未来时刻状态预测模块；其中， (一）所述浓度梯度描述模块观测浓度及浓度梯度的步骤为：通过智能仪表中的温度 检测元件、压力检测元件、流量检测元件采集相应的温度、压力、流量参数，传输至数据存储 装置，再由数据存储装置传输至所述浓度梯度描述模块，通过所述浓度梯度描述模块确定 出浓度及浓度梯度，所述浓度梯度描述模块包括各塔板的浓度观测和各塔板的浓度梯度观 测两部分； 1) 各塔板的浓度观测，根据公式（1)、⑵获得各塔板当前时刻的浓度值，并将结果传 输至数据存储装置及上位机显示界面，公式（1)、（2)的表达式如下：
式中，k为当前采样时亥I」，已(k)为k采样时刻的精馏段压强、Ps(k)为k采样 时刻的提馏段压强，Kk)为k采样时刻第i块塔板的温度，i表示塔板编号（i= 1，2,. . .，f，f+1，. . .，n，其中，1为塔顶编号，f为进料板编号，n为塔底编号），Pjk)、Ps(k) 及凡〇〇由智能仪表测得，a为相对挥发度，a、b、c为安东尼常数，Xjk)为k采样时刻第 i块板塔的液相轻组分的浓度测量值； 2) 各塔板的浓度梯度观测，根据公式（3)、（4)、（5)、（6)获得各塔板当前时刻的浓度梯 度值，并将结果传输至温度梯度描述模块、数据存储装置及上位机显示界面，公式（3)、（4)、 (5)、（6)的表达式如下：
(6) 式中，H为持液量，Vi(k)为k采样时刻第i块板塔的气相流率，Q(k)为k采样时刻第i块板塔的液相流率，Xjk)为k采样时刻第i块板塔的液相轻组分的浓度测量值，Yi(k)为 k采样时刻第i块板塔的气相轻组分浓度，^^为k采样时刻第i块板塔的液相轻组分 dt 的浓度梯度值，i表示塔板编号（i= 1，2,. . .，f，f+1，. . .，n，1为塔顶编号，f为进料板编 号，n为塔底编号），F(k)为k采样时刻的进料流量，Zf (k)为k采样时刻的进料组分；所述 Yjk)由公式（7)得到，公式（7)的表达式如下： Yi(k) =aXi(k)/[(a-l)Xi(k)+l]i= 1, 2, . . . ,f,f+1, . . . ,n (7) 式中，a为相对挥发度，Xjk)为k采样时刻第i块板塔的液相轻组分的浓度测量值； (二） 所述温度梯度描述模块观测温度梯度的步骤为：通过数据存储装置提取智能仪 表中的温度检测元件、压力检测元件收集的温度、压力参数，以及所述浓度梯度描述模块得 到的浓度梯度信息，通过所述温度梯度描述模块确定温度梯度，所述温度梯度描述模块根 据公式（8)、（9)获得温度梯度，公式（8)、（9)的表达式如下：
式中，^^为k采样时刻第i块板塔的液相轻组分的浓度梯度值，a为相对挥发度，at a、b、c为安东尼常数，(k)为k采样时刻第i块塔板的温度，已(k)为k采样时刻的精馏 段压强、Ps(k)为k采样时刻的提馏段压强，i表示塔板编号（i= 1，2,. . .，f，f+1，. . .，n，1 为塔顶编号，f?为进料板编号，n为塔底编号为k采样时刻第i块板塔的温度梯度 at 值； (三）