專利名稱：整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)空氣分離系統(tǒng)的建模與虛擬仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的低溫空氣分離系統(tǒng)的建模和虛擬仿真方法，特別是一種建立精餾塔精確數(shù)學(xué)模型的方法，以及通過設(shè)置輸入、輸出和擾動變量來研究空氣分離系統(tǒng)運(yùn)行特性和控制特性的方法，屬于熱能動力工程、化學(xué)工業(yè)以及自動控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
空氣分離系統(tǒng)是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的一個(gè)重要組成部分，同時(shí)它在冶金工業(yè)、石油精煉、化學(xué)工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天以及國防等領(lǐng)域也有十分廣泛的應(yīng)用。將空氣進(jìn)行低溫精餾是獲取氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾雀呒児I(yè)氣體的主要途徑，與現(xiàn)代工業(yè)特別是各種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)，其發(fā)展規(guī)模與技術(shù)現(xiàn)狀已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家的工業(yè)和科技發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)志。我國每年空氣分離設(shè)備金額高達(dá)100億元左右。雖然現(xiàn)在通過低溫空氣分離來制取氧氣、氮?dú)庖约捌渌∮袣怏w的方法面臨一些非低溫方法的挑戰(zhàn)，包括變壓吸附法、膜分離法和化學(xué)分離法等，但是在大規(guī)模制取多種高濃度的氣體時(shí)，從可行性、經(jīng)濟(jì)性和長期性等方面考慮，低溫分離方法具有其它幾種方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。
在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(以下簡稱IGCC)電站當(dāng)中，低溫空氣分離系統(tǒng)的主要作用是為氣化爐提供純度為95％的氧氣，純度99.9％的輸煤氮?dú)猓约凹兌葹?9％的氮?dú)庀♂尯铣蓺?。在IGCC電站的所有設(shè)備當(dāng)中，空氣分離系統(tǒng)的能量消耗可占電站總發(fā)電量的10％，建設(shè)成本占全廠總建設(shè)成本的15％。同時(shí)，由于空氣分離系統(tǒng)是大滯后大遲延環(huán)節(jié)，啟動時(shí)間較長(約2到3天)，工況調(diào)整時(shí)間也很長，其動態(tài)特性對整個(gè)IGCC電站的運(yùn)行具有很大的影響。
IGCC電站低溫空氣分離系統(tǒng)，是一個(gè)具有從幾十到上百層塔板構(gòu)成的塔型結(jié)構(gòu)，對其建立的數(shù)學(xué)模型由幾百上千的微分方程組和代數(shù)方程組構(gòu)成，模型方程組的數(shù)量多、維數(shù)高、非線性程度和剛性程度都很大，對其建立模型和虛擬仿真的難度也都比較大。同時(shí)，IGCC電站低溫空氣分離制氧系統(tǒng)是一個(gè)具有非線性、大滯后、強(qiáng)耦合和不確定性擾動的多變量對象，尤其是為了減少空氣中的氧損失、提高蒸餾效率而采用的雙級精餾塔方法，由于連接上下塔的冷凝-蒸發(fā)器的存在，導(dǎo)致了內(nèi)部熱耦合的產(chǎn)生，造成了系統(tǒng)變量間的耦合程度和非線性程度增加，使得系統(tǒng)難以平穩(wěn)操作，對建立模型、研究其運(yùn)行特性以及優(yōu)化控制提出了更高的要求。
基于以上對IGCC電站空氣分離系統(tǒng)的特點(diǎn)、作用以及重要性的分析，為了減少空氣分離制氧系統(tǒng)的用電量、降低發(fā)電凈成本、提高IGCC電站的整體效率，通過對空氣分離制氧系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行虛擬仿真，有助于對其運(yùn)行特性進(jìn)行深入研究和分析，也為進(jìn)一步制定其控制策略奠定基礎(chǔ)，同時(shí)，對進(jìn)一步研究空分制氧系統(tǒng)和電站其它部分的協(xié)調(diào)控制以及對整個(gè)IGCC電站進(jìn)行整體集成優(yōu)化設(shè)計(jì)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
在此之前有期刊論文“IGCC電站空分系統(tǒng)精餾塔的建?！卑l(fā)表于<<燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)>>，但是本發(fā)明提出的建模和仿真方法與之相比有很大的不同，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 1.上述論文在建模過程中，忽略了上塔空氣的輸入量(拉赫曼氣)對空氣分離系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，而在本發(fā)明當(dāng)中，將其作為一個(gè)獨(dú)立的輸入量來研究； 2.上述論文在建模過程中，沒有對上塔低濃度氮?dú)廨敵隽繉φ麄€(gè)空氣分離系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響做出任何研究，而在本發(fā)明當(dāng)中，將其作為一個(gè)擾動變量來研究； 3.上述論文在建模過程中，忽略了下塔高濃度氮?dú)廨敵隽繉諝夥蛛x系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，而在本發(fā)明當(dāng)中，將其作為一個(gè)擾動變量來研究； 4.上述論文在建模過程中，沒有對下塔空氣輸入量對整個(gè)空氣分離系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響做出任何研究，而在本發(fā)明當(dāng)中，將其作為一個(gè)獨(dú)立的輸入量來研究； 5.上述論文在建模過程中，忽略了下塔輸入上塔的富氧液態(tài)空氣量的變化對空氣分離系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，而在本發(fā)明當(dāng)中，將其作為一個(gè)擾動變量來研究； 6.對于采用雙級精餾塔的空氣分離系統(tǒng)而言，冷凝-蒸發(fā)器是連接上下塔的重要環(huán)節(jié)，其熱耦合作用非常重要，而且對空氣分離系統(tǒng)的運(yùn)行特性也有很大的影響，在上述的論文當(dāng)中沒有涉及到任何對冷凝-蒸發(fā)器的建模，而在本發(fā)明當(dāng)中，詳細(xì)介紹了冷凝-蒸發(fā)器的建模方法和步驟； 7.本發(fā)明通過設(shè)置輸入、輸出和擾動變量，以及對空氣分離系統(tǒng)做出大量的仿真實(shí)驗(yàn)，來對其控制特性做出詳細(xì)而深入的分析和研究，并對進(jìn)一步對其制定控制策略奠定了基礎(chǔ)，而在上述論文當(dāng)中僅對個(gè)別變量做了少量的仿真實(shí)驗(yàn)，無法對空氣分離系統(tǒng)的運(yùn)行特性做出全面而深入的認(rèn)識和研究。
本課題是涉及到低溫工程、化學(xué)工程、熱力學(xué)以及控制工程等多門學(xué)科的交叉學(xué)科前沿研究，具有很大的理論意義和應(yīng)用前景。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題針對現(xiàn)在IGCC電站空氣分離系統(tǒng)能耗比較大、系統(tǒng)運(yùn)行特性比較復(fù)雜、目前對其動態(tài)特性的認(rèn)識尚且不足、對其建立精確的數(shù)學(xué)模型比較困難以及其在整個(gè)IGCC電站中起著重要的作用等現(xiàn)狀，本發(fā)明提出了一種對空分制氧系統(tǒng)建立基于物質(zhì)平衡、能量平衡、氣液相平衡等關(guān)系的精確機(jī)理模型的方法，以及對其進(jìn)行虛擬仿真的方法，為深入認(rèn)識和研究空分制氧系統(tǒng)的運(yùn)行特性提供了一種方法，同時(shí)也為進(jìn)一步研究其控制特性、制定優(yōu)化運(yùn)行策略并最終降低能耗奠定基礎(chǔ)。
技術(shù)方案本發(fā)明的IGCC電站空氣分離系統(tǒng)的建模與虛擬仿真方法，是通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 該建模方法首先采用逐板法對精餾塔的每層塔板建立精確的數(shù)學(xué)模型，方法如下 A.建立各層塔板的總物質(zhì)平衡微分方程組 式中，m表示塔板的儲液量，L表示液體流量，V表示蒸汽流量，i表示塔板數(shù)，F(xiàn)表示進(jìn)料流量，t表示時(shí)間； B.建立各層塔板的各組分物質(zhì)平衡微分方程組 式中，x表示對應(yīng)組分的液態(tài)濃度，y表示對應(yīng)組分的汽態(tài)濃度，z表示進(jìn)料濃度，F(xiàn)表示進(jìn)料流量，N2表示氮?dú)猓琌2表示氧氣； C.建立各層塔板的能量平衡微分方程組 式中，u表示內(nèi)能，h表示焓值，hL表示液體的焓值，hV表示蒸汽的焓值，hF表示流入物質(zhì)的焓值，Q表示傳熱量； D.建立各層塔板的汽-液相平衡代數(shù)方程組 式中，

表示汽態(tài)當(dāng)中氮?dú)鉂舛龋?

表示汽態(tài)當(dāng)中氧氣濃度，α表示相對揮發(fā)度，

表示氮?dú)獾南鄬]發(fā)度，

表示氧氣的相對揮發(fā)度，

表示液體當(dāng)中氮?dú)鉂舛龋?

表示液體當(dāng)中氧氣濃度； E.建立各層塔板的分子規(guī)一化代數(shù)方程組 F.建立各層塔板的物性參數(shù)代數(shù)方程組 1)汽-液混合物的飽和壓力和飽和溫度分別為 Ts＝-1.362e-3ps4+5.490e-2ps3-8.558e-1ps2+7.6778ps+71.1295 式中ps表示飽和壓力，Ts表示飽和溫度； 2)各層塔板液體流量和塔板滯液量之間的函數(shù)關(guān)系為 式中，Li0表示初始液體流量，τi為時(shí)間常數(shù)，

表示塔板i中原有儲液量； 3)各層塔板處的壓力從第一層開始線性增加，即 Pi＝P1+(i-1)ΔP ΔP＝βVr2 式中Pi表示第i層的壓力，ΔP表示差壓，β為常數(shù)，Vr表示上塔底部蒸發(fā)器的蒸發(fā)率； 然后再建立冷凝-蒸發(fā)器的精確數(shù)學(xué)模型，方法如下 G1.確定冷凝-蒸發(fā)器的壁溫， 確定壁溫的微分方程為 式中，cw和mw分別表示冷凝-蒸發(fā)器的熱容量和質(zhì)量，QC和QR分別表示下塔傳給冷凝-蒸發(fā)器壁的熱量和冷凝-蒸發(fā)器壁傳給上塔的熱量； 其中QC和QR的求取方法分別如下 Qc＝αcAw(Tj-Tw) QR＝αRAw(Tw-Tj+1) 式中，αc為下塔液體和冷凝器之間的傳熱系數(shù)，αR為上塔液體和蒸發(fā)器之間的傳熱系數(shù)，Aw為傳熱面積。
G2.確定傳熱溫差
式中，

表示下塔頂部的溫度，

表示上塔底部的溫度； G3.確定由下塔傳到上塔的熱量， 確定傳熱量的方程式為 式中，k表示傳熱系數(shù)，A表示傳熱面積。
本發(fā)明的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)空氣分離系統(tǒng)的虛擬仿真方法從控制的角度針對所建立的數(shù)學(xué)模型設(shè)置系統(tǒng)的輸入、輸出以及擾動變量，然后進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)；首先進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，即精餾塔從冷態(tài)啟動開始運(yùn)行，隨著精餾過程的不斷進(jìn)行，各層塔板上的液體和蒸汽流量逐漸達(dá)到穩(wěn)定，各層塔板上氮?dú)?、氧氣和氬氣的濃度也逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)得到各層塔板對應(yīng)的壓力和溫度，以及產(chǎn)品氮?dú)夂脱鯕獾牧髁亢蜐舛?；其次，在上述穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的基礎(chǔ)之上，改變系統(tǒng)的輸入、輸出以及擾動變量進(jìn)行動態(tài)仿真試驗(yàn)，得到系統(tǒng)的運(yùn)行特性曲線以及系統(tǒng)各個(gè)操作變量之間的動態(tài)、靜態(tài)以及耦合關(guān)系。
所述設(shè)置系統(tǒng)的輸入、輸出以及擾動變量，采用了將上塔輸入空氣量即拉赫曼氣作為一個(gè)單獨(dú)的輸入量的方法，來研究它對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。
精餾塔從冷態(tài)啟動開始運(yùn)行時(shí)，各層塔板上儲存液體的各組分濃度與進(jìn)料空氣的組分濃度相同，即其中氮?dú)?、氧氣和氬氣的濃度分別為78.1％、20.95％和0.95％。
所述空氣分離系統(tǒng)的虛擬仿真方法具體為 H.精餾塔從冷態(tài)啟動開始運(yùn)行，漸達(dá)到初始穩(wěn)定狀態(tài)； I.在穩(wěn)定狀態(tài)的基礎(chǔ)之上，改變系統(tǒng)的輸入、輸出以及擾動變量，進(jìn)行變工況操作。
所述變工況操作采用如下方法 J1.階躍改變下塔空氣輸入量u1，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； J2.階躍改變上塔空氣輸入量u2，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； J3.階躍改變下塔液氮抽取量Id1，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； J4.階躍改變下塔液態(tài)空氣抽取量Id2，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮濃度y1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； J5.階躍改變下塔氮?dú)猱a(chǎn)品流量d1，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； J6.階躍改變上塔氮?dú)猱a(chǎn)品流量d2，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； J7.階躍改變上塔氧氣產(chǎn)品流量d3，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性。
有益效果本發(fā)明的IGCC電站空氣分離系統(tǒng)的建模與虛擬仿真方法具有以下的優(yōu)點(diǎn) (1)將雙級精餾塔的上塔和下塔通過冷凝-蒸發(fā)器有機(jī)地聯(lián)合起來，考慮到由于冷凝-蒸發(fā)器的存在而造成的熱耦合，以及系統(tǒng)變量間的耦合程度和非線性程度的增加，構(gòu)造一個(gè)完整的精餾塔模型； (2)上塔空氣輸入量(拉赫曼氣)主要作用是的補(bǔ)償塔內(nèi)的冷量損失，相對于下塔空氣輸入量較小，但是考慮到了它對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，并將其設(shè)定為一個(gè)單獨(dú)的輸入量； (3)通過建模仿真，可以深入研究空氣分離系統(tǒng)的運(yùn)行特性，尤其是控制特性，為進(jìn)一步制定其控制策略和優(yōu)化運(yùn)行奠定基礎(chǔ)； (4)運(yùn)用建模和虛擬仿真的方法，可以模仿空氣分離系統(tǒng)的實(shí)際操作行為，減輕了運(yùn)行人員實(shí)地操作的強(qiáng)度、降低了能耗，有效避免了實(shí)地操作對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。



圖1是理論塔板流體參數(shù)示意圖。
圖2是冷凝-蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是IGCC電站低溫空氣分離系統(tǒng)的雙級精餾塔結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施例方式 IGCC電站空氣分離系統(tǒng)的建模與虛擬仿真方法，采用基于總物質(zhì)平衡微分方程、組分物質(zhì)平衡微分方程、能量平衡微分方程以及氣液相平衡代數(shù)方程式、分子歸一化代數(shù)方程式以及氣相和液相物性代數(shù)方程式，再與聯(lián)結(jié)上塔和下塔的冷凝-蒸發(fā)器模型結(jié)合的方法，構(gòu)成空氣分離系統(tǒng)的精確機(jī)理模型；并針對模型設(shè)置系統(tǒng)的輸入、輸出以及擾動變量，對系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真。本發(fā)明主要內(nèi)容可以分為三個(gè)方面一是在建立精確機(jī)理模型的基礎(chǔ)上，設(shè)置系統(tǒng)的輸入、輸出以及擾動變量，以便研究系統(tǒng)的控制特性，為進(jìn)一步制定系統(tǒng)的控制策略奠定基礎(chǔ)；二是沒有忽略上塔的空氣輸入量，雖然其數(shù)量相對于下塔的空氣輸入量較小，但是仍然將其作為一個(gè)單獨(dú)的變量，研究其變化對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響；三是運(yùn)用建立的模型進(jìn)行虛擬仿真，可以模仿空氣分離系統(tǒng)的實(shí)際操作行為。
本發(fā)明采用的理論塔板結(jié)構(gòu)如附圖1所示，圖中，Li表示第i層塔板的液流量，Vi表示第i層塔板的蒸汽流量，xi表示第i層塔板液體中各組分的濃度，yi表示第i層塔板蒸汽中各組分的濃度，zi表示流入第i層塔板的流量為Fi的流體中各組分的濃度，Mi表示第i層塔板的儲液量，Qi表示流入第i層塔板的熱量。
由于在塔內(nèi)每層塔板上，都在不斷地進(jìn)行著傳熱、傳質(zhì)以及流體流動過程，對整個(gè)蒸餾塔建立精細(xì)的機(jī)理數(shù)學(xué)模型會非常復(fù)雜，因此在不影響模型精度的前提下，本文做出如下的合理假設(shè) ①每層塔板上的氣體和液體都充分混合，每塊塔板上的組分一致； ②每層塔板上的氣相和液相達(dá)到相平衡； ③由于每層塔板上蒸汽質(zhì)量相對液體質(zhì)量非常小，所以在計(jì)算塔板的儲液量時(shí)，忽略本層的蒸汽質(zhì)量； ④由于蒸餾塔的冷損失相對于塔內(nèi)的傳熱量非常小，在此予以忽略，即假設(shè)整個(gè)空氣分離器處于理想絕熱狀態(tài)，與外界無熱交換； ⑤各層塔板上不存在“液泛”和“泄漏”現(xiàn)象； ⑥忽略各種物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)； ⑦忽略填料對氣液平衡的影響。
根據(jù)理論塔板流體參數(shù)示意圖1以及以上的假設(shè)條件，對于每一層塔板可以得到如下所示的數(shù)學(xué)模型 總物料平衡微分方程組 組分物料平衡微分方程組 能量平衡微分方程組 氣液平衡方程組 分子歸一化方程組 以上式中α是對應(yīng)各組成成分的相對揮發(fā)度，u和h分別表示對應(yīng)物質(zhì)的內(nèi)能和焓值。
參數(shù)選取 各層塔板液體流量和塔板滯液量之間的函數(shù)關(guān)系為 其中τi為時(shí)間常數(shù)，

表示塔板i中原有儲液量。
各層塔板處的壓力從第一層開始線性增加，即 Pi＝P1+(i-1)ΔP ΔP＝βVr2 其中β為常數(shù)，Vr為上塔底部蒸發(fā)器的蒸發(fā)率。
混合物的飽和壓力和飽和溫度分別為 Ts＝-1.362e-3ps4+5.490e-2ps3-8.558e-1ps2+7.6778ps+71.1295 本發(fā)明的IGCC電站空氣分離系統(tǒng)的建模與虛擬仿真方法中的冷凝-蒸發(fā)器的建模方法，主要包括以下內(nèi)容 冷凝-蒸發(fā)器的作用是通過熱耦合的方式連接上塔和下塔，高壓塔頂部的氣態(tài)氮?dú)庠诶淠鲀?nèi)冷凝釋放熱量，此熱量傳遞到蒸發(fā)器用來蒸發(fā)低壓塔底部的液態(tài)氧氣。
本發(fā)明采用的冷凝-蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如附圖2所示，圖中Lin和Vout分別表示上塔底部流進(jìn)蒸發(fā)器的液流量和流出蒸發(fā)器的氣流量，

表示上塔氧氣輸出量，Vin和Lout分別表示下塔頂部流進(jìn)冷凝器的氣流量和流出冷凝器的液流量，

表示下塔氮?dú)獾妮敵隽俊?br> 建立冷凝-蒸發(fā)器模型時(shí)，做出以下三點(diǎn)合理假設(shè) ①進(jìn)入冷凝器的氣態(tài)氮?dú)獗蝗磕Y(jié)，并且凝結(jié)放出的熱量全部傳遞到蒸發(fā)器； ②冷凝器中的液體處于飽和狀態(tài)； ②冷凝器和蒸發(fā)器的動態(tài)行為與普通塔板類似，對于建立理論塔板模型時(shí)所做出的假設(shè)在此仍然成立。
考慮不同工況下冷凝-蒸發(fā)器自身的蓄熱量隨著溫度的不同而有所變化，計(jì)算冷凝-蒸發(fā)器壁溫的微分方程為 其中QC和QR的求取方法分別如下 Qc＝αcAw(Tj-Tw) QR＝αRAw(Tw-Tj+1) 式中，αc為下塔液體和冷凝器之間的傳熱系數(shù)，αR為上塔液體和蒸發(fā)器之間的傳熱系數(shù)，Aw為傳熱面積。
冷凝器的總物質(zhì)平衡關(guān)系 冷凝器的物質(zhì)濃度關(guān)系 冷凝器組分物質(zhì)平衡關(guān)系 由下塔傳到上塔的熱量為 以上各式中，Tw表示冷凝-蒸發(fā)器壁溫，cw和mw分別表示冷凝-蒸發(fā)器的熱容量和質(zhì)量；QC和QR分別表示下塔傳給冷凝-蒸發(fā)器壁的熱量和冷凝-蒸發(fā)器壁傳給上塔的熱量；k為傳熱系數(shù)，A為傳熱面積，

為下塔頂部的溫度，

為上塔底部的溫度，Mi表示組分i的質(zhì)量。蒸發(fā)器的模型建立方法與冷凝器的類似。
本發(fā)明的IGCC電站空氣分離系統(tǒng)的建模與虛擬仿真方法中的虛擬仿真方法，主要包括冷態(tài)啟動和變工況操作兩部分內(nèi)容。
在冷態(tài)啟動情況下，假定開始運(yùn)行時(shí)各層塔板上各組分的濃度與進(jìn)料空氣的濃度相同。隨著蒸餾過程的不斷進(jìn)行，各層塔板上各個(gè)組分的濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，各層塔板上的氣相和液相流量也逐漸達(dá)到穩(wěn)定，同時(shí)可以確定各層對應(yīng)的壓力和溫度，以及產(chǎn)品氮?dú)夂脱鯕獾牧髁亢蜐舛取?br> 在冷態(tài)啟動達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過改變系統(tǒng)的輸入、輸出以及擾動變量進(jìn)行變工況操作。
變工況操作包括以下步驟 1.階躍改變下塔空氣輸入量u1，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； 2.階躍改變上塔空氣輸入量u2，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； 3.階躍改變下塔液氮抽取量(內(nèi)部擾動變量)Id1，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； 4.階躍改變下塔液態(tài)空氣抽取量(內(nèi)部擾動變量)Id2，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； 5.階躍改變下塔氮?dú)猱a(chǎn)品流量(外部擾動變量)d1，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； 6.階躍改變上塔氮?dú)猱a(chǎn)品流量(外部擾動變量)d2，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； 7.階躍改變上塔氧氣產(chǎn)品流量(外部擾動變量)d3，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性； 由于IGCC電站空氣分離系統(tǒng)是一個(gè)典型的具有非線性、大滯后、強(qiáng)耦合和不確定性擾動的多變量對象，尤其是為了減少空氣中的氧損失、提高蒸餾效率而采用的雙級精餾塔，由于連接上下塔的冷凝-蒸發(fā)器的存在，導(dǎo)致了內(nèi)部熱耦合的產(chǎn)生，造成了系統(tǒng)變量間的耦合程度和非線性程度增加，使得系統(tǒng)難以平穩(wěn)操作，為研究其運(yùn)行特性加大了難度。
通過以上的變工況操作，可以模仿低溫空氣分離系統(tǒng)的實(shí)際操作行為，有助于對其運(yùn)行特性以及其對整個(gè)IGCC電站的特性影響進(jìn)行深入分析和研究；通過研究系統(tǒng)各個(gè)操作變量之間的靜態(tài)、動態(tài)以及耦合關(guān)系，也為對其制定合適的控制策略以及對其優(yōu)化運(yùn)行，以減少空氣分離制氧系統(tǒng)的用電量、降低發(fā)電凈成本、提高IGCC電站的整體效率奠定基礎(chǔ)；同時(shí)，對進(jìn)一步研究空分制氧系統(tǒng)和電站其它部分的協(xié)調(diào)控制以及對整個(gè)IGCC電站進(jìn)行整體集成優(yōu)化設(shè)計(jì)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
權(quán)利要求
1.一種整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)空氣分離系統(tǒng)的建模方法，其特征在于該建模方法首先采用逐板法對精餾塔的每層塔板建立精確的數(shù)學(xué)模型，方法如下
A.建立各層塔板的總物質(zhì)平衡微分方程組
式中，m表示塔板的儲液量，L表示液體流量，V表示蒸汽流量，i表示塔板數(shù)，F(xiàn)表示進(jìn)料流量，t表示時(shí)間；
B.建立各層塔板的各組分物質(zhì)平衡微分方程組
式中，x表示對應(yīng)組分的液態(tài)濃度，y表示對應(yīng)組分的汽態(tài)濃度，z表示進(jìn)料濃度，F(xiàn)表示進(jìn)料流量，N2表示氮?dú)?，O2表示氧氣；
C.建立各層塔板的能量平衡微分方程組
式中，u表示內(nèi)能，h表示焓值，hL表示液體的焓值，hV表示蒸汽的焓值，hF表示流入物質(zhì)的焓值，Q表示傳熱量；
D.建立各層塔板的汽-液相平衡代數(shù)方程組
式中，
表示汽態(tài)當(dāng)中氮?dú)鉂舛龋?br> 表示汽態(tài)當(dāng)中氧氣濃度，α表示相對揮發(fā)度，
表示氮?dú)獾南鄬]發(fā)度，
表示氧氣的相對揮發(fā)度，
表示液體當(dāng)中氮?dú)鉂舛龋?br> 表示液體當(dāng)中氧氣濃度；
E.建立各層塔板的分子規(guī)一化代數(shù)方程組
F.建立各層塔板的物性參數(shù)代數(shù)方程組
1)汽-液混合物的飽和壓力和飽和溫度分別為
式中，ps表示飽和壓力，Ts表示飽和溫度；
2)各層塔板液體流量和塔板滯液量之間的函數(shù)關(guān)系為
式中，
表示初始液體流量，τi為時(shí)間常數(shù)，
表示塔板i中原有儲液量；
3)各層塔板處的壓力從第一層開始線性增加，即
Pi＝P1+(i-1)ΔP
ΔP＝βVr2
式中Pi表示第i層的壓力，ΔP表示差壓，β為常數(shù)，Vr表示上塔底部蒸發(fā)器的蒸發(fā)率；
然后再建立冷凝-蒸發(fā)器的精確數(shù)學(xué)模型，方法如下
G1.確定冷凝-蒸發(fā)器的壁溫，
確定壁溫的微分方程為
式中cw和mw分別表示冷凝-蒸發(fā)器的熱容量和質(zhì)量，QC和QR分別表示下塔傳給冷凝-蒸發(fā)器壁的熱量和冷凝-蒸發(fā)器壁傳給上塔的熱量；
G2.確定傳熱溫差
式中，
表示下塔頂部的溫度，
表示上塔底部的溫度；
G3.確定由下塔傳到上塔的熱量，
確定傳熱量的方程式為
式中，k表示傳熱系數(shù)，A表示傳熱面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)空氣分離系統(tǒng)的建模方法，其特征在于QC和QR的求取方法分別如下
Qc＝αcAw(Tj-Tw)
QR＝αRAw(Tw-Tj+1)
式中，αc為下塔頂部的液體和冷凝器之間的傳熱系數(shù)，αR為上塔底部的液體和蒸發(fā)器之間的傳熱系數(shù)，Aw為傳熱面積。
3.一種整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)空氣分離系統(tǒng)的虛擬仿真方法，其特征在于該虛擬仿真方法從控制的角度針對所建立的數(shù)學(xué)模型設(shè)置系統(tǒng)的輸入、輸出以及擾動變量，然后進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)。首先進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，即精餾塔從冷態(tài)啟動開始運(yùn)行，隨著精餾過程的不斷進(jìn)行，各層塔板上的液體和蒸汽流量逐漸達(dá)到穩(wěn)定，各層塔板上氮?dú)?、氧氣和氬氣的濃度也逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)得到各層塔板對應(yīng)的壓力和溫度，以及產(chǎn)品氮?dú)夂脱鯕獾牧髁亢蜐舛龋黄浯?，在上述穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的基礎(chǔ)之上，改變系統(tǒng)的輸入、輸出以及擾動變量進(jìn)行動態(tài)仿真試驗(yàn)，得到系統(tǒng)的運(yùn)行特性曲線以及系統(tǒng)各個(gè)操作變量之間的動態(tài)、靜態(tài)以及耦合關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)空氣分離系統(tǒng)的虛擬仿真方法，其特征在于所述設(shè)置系統(tǒng)的輸入、輸出以及擾動變量，采用了將上塔輸入空氣量即拉赫曼氣作為一個(gè)單獨(dú)的輸入量的方法，來研究它對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)空氣分離系統(tǒng)的虛擬仿真方法，其特征在于精餾塔從冷態(tài)啟動開始運(yùn)行時(shí)，各層塔板上儲存液體的各組分濃度與進(jìn)料空氣的組分濃度相同，即其中氮?dú)?、氧氣和氬氣的濃度分別為78.1％、20.95％和0.95％。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)空氣分離系統(tǒng)的虛擬仿真方法，其特征在于所述空氣分離系統(tǒng)的虛擬仿真方法具體為
H.精餾塔從冷態(tài)啟動開始運(yùn)行，漸達(dá)到初始穩(wěn)定狀態(tài)；
I.在穩(wěn)定狀態(tài)的基礎(chǔ)之上，改變系統(tǒng)的輸入、輸出以及擾動變量，進(jìn)行變工況操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)空氣分離系統(tǒng)的建模與虛擬仿真方法，其特征在于所述變工況操作采用如下方法
J1.階躍改變下塔空氣輸入量u1，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性；
J2.階躍改變上塔空氣輸入量u2，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性；
J3.階躍改變下塔液氮抽取量Id1，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性；
J4.階躍改變下塔液態(tài)空氣抽取量Id2，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮濃度y1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性；
J5.階躍改變下塔氮?dú)猱a(chǎn)品流量d1，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性；
J6.階躍改變上塔氮?dú)猱a(chǎn)品流量d2，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性；
J7.階躍改變上塔氧氣產(chǎn)品流量d3，觀察三個(gè)輸出量高濃度氮?dú)鉂舛葃1、低濃度氮?dú)鉂舛葃2和氧氣濃度y3的動態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性。
全文摘要
整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)空氣分離系統(tǒng)的建模與虛擬仿真方法，采用建模和仿真相結(jié)合的方法，根據(jù)各層塔板上的物質(zhì)平衡、能量平衡、氣液相平衡、分子歸一化方程式以及物性方程組建立精餾塔的精確數(shù)學(xué)模型，并對空氣分離系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，包括精餾塔的冷態(tài)啟動過程和變工況操作，借此來研究精餾塔的動態(tài)運(yùn)行特性，以及系統(tǒng)的輸入、輸出和擾動變量之間的動態(tài)、靜態(tài)以及耦合關(guān)系。這對于深入了解空氣分離系統(tǒng)的運(yùn)行特性、制定空氣分離系統(tǒng)控制策略以及優(yōu)化運(yùn)行有很大作用，也為進(jìn)一步研究空氣分離制氧系統(tǒng)和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站其它部分的協(xié)調(diào)控制以及對整個(gè)電站進(jìn)行整體集成優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
文檔編號G09B25/02GK101364355SQ200810156008
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者呂劍虹, 郭同書, 向文國, 科 吳, 亮 趙, 丁維明 申請人:東南大學(xué)