一种精馏塔空冷器系统及其控制方法与流程

本发明涉及传热，尤其涉及一种精馏塔空冷器系统及其控制方法。

背景技术：

1、空冷器是石油化工和油气加工行业中最常用的换热设备之一，主要用于冷凝和冷却高温工艺流体。与传统水冷设备相比，空冷器利用环境空气作为冷却介质，具有低能耗、高风量、高换热率、低振动幅度、低噪声以及无需额外冷却水等优势。因此，空冷器广泛应用于精馏塔的空冷器系统，确保塔顶气相物料顺利冷凝成液相，满足工艺需求，同时降低能源消耗，提升空冷器系统的整体运行效率。

2、目前，现有技术在空冷器的优化控制方面仍存在一定的局限性。现有技术主要集中在精馏塔整体控制技术、空冷器控制技术(通常为固定温度设定)以及空冷器设备结构的改进上。依然未能实现空冷器控制的系统化及智能化，也无法保证空冷器在不同工况下保持最低能耗的运行状态。

3、现有技术中空冷器系统主要存在如下缺陷，首先，当空冷器的环境条件(如环境温度等)变化且空冷器的调节控制达到约束极限时，现有空冷器系统只能分别进行空冷器台数调节或空冷器出口温度控制，二者之间缺乏协同调节优化，使空冷器无法在最低能耗状态下运行，从而增加了能源消耗。其次，当空冷器的环境温度变化时，使空冷器的温度调节受限，现有空冷器系统无法利用精馏塔顶回流调节来缓解这一限制，降低了空冷器操作的灵活性和空冷器系统的整体稳定性。

4、本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种精馏塔空冷器系统，用以实现空冷器的运行台数与电机的运行电流的节能优化调节，以提高系统的换热效率并降低系统能耗。

2、精馏塔空冷器系统包括：空冷器、空冷器电机控制器、空冷器出口温度检测单元、空冷器运行控制器、空冷器节能优化控制器和精馏塔参数获取单元；

3、所述空冷器节能优化控制器与所述精馏塔参数获取单元、所述空冷器电机控制器、所述空冷器出口温度检测单元和所述空冷器运行控制器分别连接；

4、所述空冷器与所述空冷器电机控制器和所述空冷器出口温度检测单元分别连接；

5、所述空冷器节能优化控制器用于接收所述精馏塔参数获取单元的物料物性变量数据和所述空冷器出口温度检测单元检测到的温度数据；根据所述物料物性变量数据和所述温度数据生成空冷器的总热负荷及空冷器的总换热量，并将所述空冷器的总热负荷及空冷器的总换热量传输至所述空冷器运行控制器和空冷器电机控制器；

6、所述空冷器运行控制器根据所述空冷器的总热负荷及空冷器的总换热量确定空冷器运行台数并控制空冷器运行的台数；

7、所述空冷器电机控制器根据所述空冷器的总热负荷及空冷器的总换热量确定运行的每台空冷器的换热量并根据每台空冷器的换热量控制对应的空冷器的电机的转速。

8、进一步地，所述空冷器节能优化控制器，包括：

9、参数获取模块，用于获取空冷器的物料物性变量数据和空气物性变量数据；空气物性变量数据包括：空冷器的初始运行台数及空冷器的运行电流；

10、总热负荷确定模块，用于根据所述物料物性变量数据确定空冷器的总热负荷；

11、空气总流量确定模块，用于根据所述空冷器的初始运行台数及空冷器的运行电流，确定空冷器的空气总流量；

12、总换热量确定模块，用于根据所述空气总流量、所述物料物性变量数据和所述空气物性变量数据，确定空冷器的总换热量。

13、进一步地，所述总热负荷确定模块具体用于根据所述塔顶温度、泡点温度和空冷器出口物料温度，分别确定塔顶温度的焓值、泡点温度的焓值和过冷温度的焓值；根据塔顶温度的焓值、泡点温度的焓值、塔顶流量及空冷器热损失率，确定塔顶物料的冷凝热量；根据泡点温度的焓值、过冷温度的焓值、塔顶流量及空冷器热损失率，确定塔顶物料的过冷热量；根据所述冷凝热量和所述过冷热量，确定空冷器的总热负荷。

14、进一步地，所述空气总流量确定模块具体用于基于所述运行电流通过电机特性模型确定每台运行的空冷器的空气流量；基于所述空冷器的初始运行台数和所述每台运行的空冷器的空气流量通过求和函数进行求和，得到所述空气总流量。

15、进一步地，所述总换热量确定模块包括：

16、自然对流潜热确定单元，用于根据所述冷凝热量、所述总热负荷和所述空气物性变量数据确定自然对流潜热；

17、对数温差确定单元，用于根据所述过冷热量、所述自然对流潜热、所述空气总流量和所述空气物性变量数据，确定强制对流下的对数温差；

18、总换热量确定单元，用于根据所述冷凝热量、所述自然对流潜热、所述强制对流下的对数温差和所述空气物性变量数据，确定所述空冷器的总换热量。

19、进一步地，所述自然对流潜热确定单元具体用于响应于空冷器处于停止运行状态，根据空冷器进口物料温度、空冷器出口物料温度、空气进空冷器温度和在空冷器处于停止运行状态下空气出空冷器的温度，确定自然对流下的对数温差；根据自然对流传热系数、自然对流冷凝传热面积和所述自然对流下的对数温差，确定处于停止运行状态的空冷器的传热量；根据所述处于停止运行状态的空冷器的传热量、空冷器总台数及所述空冷器的初始运行台数，确定所有处于停止运行状态的空冷器的总传热量；根据所述总传热量、所述冷凝热量和所述总热负荷确定自然对流潜热。

20、进一步地，所述对数温差确定单元具体用于根据所述过冷热量、所述自然对流潜热、所述空气总流量、空气密度和空气比热容，确定空气在过冷阶段的中间温度；响应于空冷器处于运行状态，根据所述空冷器进口物料温度、所述空冷器出口物料温度、泡点温度及所述中间温度，确定强制对流下的对数温差。

21、进一步地，所述总换热量确定单元具体用于根据所述冷凝热量、所述自然对流潜热、所述冷凝传热系数和所述强制对流下的对数温差，确定强制对流下物料冷凝所需的传热面积；根据所述每台空冷器的光管面积和所述初始运行台数确定所有处于运行状态的空冷器的强制对流换热面积；根据过冷传热系数、所述传热面积、所述强制对流换热面积、所述强制对流下的对数温差、所述总传热量和所述冷凝热量，确定所述空冷器的总换热量。

22、进一步地，所述空冷器出口温度检测单元用于检测空冷器的出口温度或回流罐的出口温度，并将温度数据传输至所述空冷器节能优化控制器。

23、进一步地，所述空冷器运行控制器还用于将空冷器的初始运行台数发送至所述空冷器节能优化控制器。

24、进一步地，所述精馏塔参数获取单元用于获取精馏塔的物料物性变量数据，其中所述物料物性变量数据包括：塔顶流量、塔顶温度、泡点温度和空冷器出口物料温度，并将所述物料物性变量数据发送至所述空冷器节能优化单元。

25、本发明实施例提供一种精馏塔空冷器控制方法，用以实现空冷器的运行台数与电机的运行电流的节能优化调节，以提高系统的换热效率并降低系统能耗。

26、精馏塔空冷器控制方法应用于上述精馏塔空冷器系统，包括：

27、获取空冷器的物料物性变量数据和空气物性变量数据；空气物性变量数据包括：空冷器的初始运行台数及空冷器的运行电流；

28、根据所述物料物性变量数据确定空冷器的总热负荷；

29、根据所述空冷器的初始运行台数及空冷器的运行电流，确定空冷器的空气总流量；

30、根据所述空气总流量、所述物料物性变量数据和所述空气物性变量数据，确定空冷器的总换热量。

31、进一步地，所述物料物性变量数据包括：塔顶温度、泡点温度、空冷器出口物料温度、塔顶流量和空冷器热损失率；所述根据所述物料物性变量数据确定空冷器的总热负荷，包括：

32、根据所述塔顶温度、泡点温度和空冷器出口物料温度，分别确定塔顶温度的焓值、泡点温度的焓值和过冷温度的焓值；

33、根据塔顶温度的焓值、泡点温度的焓值、塔顶流量及空冷器热损失率，确定塔顶物料的冷凝热量；

34、根据泡点温度的焓值、过冷温度的焓值、塔顶流量及空冷器热损失率，确定塔顶物料的过冷热量；

35、根据所述冷凝热量和所述过冷热量，确定空冷器的总热负荷。

36、进一步地，所述根据所述空冷器的初始运行台数及空冷器的运行电流，确定空冷器的空气总流量，包括：

37、基于所述运行电流通过电机特性模型确定每台运行的空冷器的空气流量；

38、基于所述空冷器的初始运行台数和所述每台运行的空冷器的空气流量通过求和函数进行求和，得到所述空气总流量。

39、进一步地，所述空气物性变量数据还包括：空冷器进口物料温度、空冷器出口物料温度、空气进空冷器温度、空气出空冷器的温度和在空冷器处于停止运行状态下空气出空冷器的温度；所述根据所述空气总流量、所述物料物性变量数据和所述空气物性变量数据确定空冷器的总换热量，包括：

40、根据所述冷凝热量、所述总热负荷和所述空气物性变量数据确定自然对流潜热；

41、根据所述过冷热量、所述自然对流潜热、所述空气总流量和所述空气物性变量数据，确定强制对流下的对数温差；

42、根据所述冷凝热量、所述自然对流潜热、所述强制对流下的对数温差和所述空气物性变量数据，确定所述空冷器的总换热量。

43、进一步地，所述空气物性变量数据还包括：空冷器进口物料温度、空冷器出口物料温度、空气进空冷器温度、在空冷器处于停止运行状态下空气出空冷器的温度、自然对流传热系数、自然对流冷凝传热面积和空冷器总台数；所述根据所述冷凝热量、所述总热负荷和所述空气物性变量数据确定自然对流潜热，包括：

44、响应于空冷器处于停止运行状态，根据所述空冷器进口物料温度、所述空冷器出口物料温度、所述空气进空冷器温度和在空冷器处于停止运行状态下空气出空冷器的温度，确定自然对流下的对数温差；

45、根据自然对流传热系数、自然对流冷凝传热面积和所述自然对流下的对数温差，确定处于停止运行状态的空冷器的传热量；

46、根据所述处于停止运行状态的空冷器的传热量、所述空冷器总台数及所述空冷器的初始运行台数，确定所有处于停止运行状态的空冷器的总传热量；

47、根据所述总传热量、所述冷凝热量和所述总热负荷确定自然对流潜热。

48、进一步地，所述空气物性变量数据还包括：空气密度、空气比热容和空气出空冷器温度；所述根据所述过冷热量、所述自然对流潜热、所述空气总流量和所述空气物性变量数据，确定强制对流下的对数温差，包括：

49、根据所述过冷热量、所述自然对流潜热、所述空气总流量、所述空气密度和所述空气比热容，确定空气在过冷阶段的中间温度；

50、响应于空冷器处于运行状态，根据所述空冷器进口物料温度、所述泡点温度、所述空气出空冷器的温度及所述中间温度，确定强制对流下的对数温差。

51、进一步地，所述空气物性变量数据还包括：冷凝传热系数、每台空冷器的光管面积和过冷传热系数；所述根据所述冷凝热量、所述自然对流潜热、所述强制对流下的对数温差和所述空气物性变量数据，确定所述空冷器的总换热量，包括：

52、根据所述冷凝热量、所述自然对流潜热、所述冷凝传热系数和所述强制对流下的对数温差，确定强制对流下物料冷凝所需的传热面积；

53、根据所述每台空冷器的光管面积和所述初始运行台数确定所有处于运行状态的空冷器的强制对流换热面积；

54、根据过冷传热系数、所述传热面积、所述强制对流换热面积、所述强制对流下的对数温差、所述总传热量和所述冷凝热量，确定所述空冷器的总换热量。

55、本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述精馏塔空冷器控制方法。

56、本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述精馏塔空冷器控制方法。

57、本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述精馏塔空冷器控制方法。

58、本发明实施例提供的精馏塔空冷器系统及其控制方法，空冷器节能优化控制器基于空气物性变量数据和物料物性变量数据，动态计算精馏塔空冷器系统的总热负荷。同时，该控制器通过电机性能模型和换热计算模型，分别计算出空冷器在当前工况下的空气总流量和总换热量，从而实现对空冷器总换热能力的实时评估。空冷器电机控制器与空冷器运行控制器根据总热负荷与总换热能力之间的比对结果，判断当前空冷器运行台数是否冗余或不足，以及电机的运行电流是否偏高或偏低，并以此生成最优的启停控制指令和电流调节指令，实现了对空冷器的运行台数与运行电流的联合调节。空冷器节能优化控制器通过换热需求与能耗之间的精准匹配，有效提升了换热效率，降低了精馏塔空冷器系统的无效电力消耗。