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蒸汽动力和压缩制冷系统的综合与模拟 摘要 蒸汽动力系统和压缩制冷系统的综合与模拟足化 ：过程公用工程计算模拟 的重要组成部分，随着世界能源闩益告急，如何综合与模拟这两大系统，使其 具有较好的通用性，较高的准确度，对化工过程的能量利用，对化工厂前期建 设及生产过程具有重要的指导意义。 分别对蒸汽动力过程与压缩制冷过程进行系统的研究后，把化1 ：生产中不 同的蒸汽动力过程和压缩制冷过程归纳、总结，建立了具有通用性的蒸汽动力 流程和压缩制冷流程，并分别对两个流程进行物料衡算和能量衡算，归纳出其 各自的数学模型，通过计算机编制程序，使其可以快速、准确计算模拟蒸汽动 力过程与压缩制冷过程这两大系统。但如何更精确，更方便的模拟蒸汽动力和 压缩制冷系统，也将成为化工软件开发领域的重要课题。 为了更好的方便用户的模拟，使我们自主开发e c s s 一化工之星模拟软件功 能更加强大，向e c s s - 化工之星中添加蒸汽动力系统和压缩制冷系统的综台和 模拟就具有重要的意义。 将上述模块的计算程序，通过c 抖b u i l d e r 语言来编写界面，并进行动念链 接使计算程序模块可视化，使用户界面友好化。进而将这些模块添加到山m 内 自主开发的大型化工模拟软件e c s s 化工之星中，构成了化二i _ ，之星的蒸汽动力 系统和压缩制冷系统的单元模块模拟部分。这些模块可与其它的单元模块和功 能模块进行数据和信息的相互调用最终使化工之星能够实现蒸汽动力过程和 压缩制冷过程的化工公用工程的计算模拟。 关键词：蒸汽动力压缩制冷综合模拟e c s s 化 j 之星 s y n t h e s i sa n ds i m u l a t i o no fs t e a mp o w e r a n dc o m p r e s s e dr e f rlg e r a tlo ns y s t e n a b s t r a c t t h e s y n t h e s i sa n d s i m u l a t i o no fs t e a m p o w e rs y s t e m a n d c o m p r e s s e d r e f r i g e r a t i o na r et h ei m p o r t a n tp a r t so fu t i l i t ye n g i n e e r i n gi nt h ec h e m i c a lp r o c e s s e s a l o n gw i t ht h ee n e r g ya n dr e s o u r c ed e c r e a s i n gd a ya n dd a ) ，h o ws y n t h e s i z ea n d s i m u l a t et h et w os y s t e m s ，a n dm a k et h e mh a v em o r eg e n e r a l ，h i g h e rv e r a c i t yp l a ya n i m p o r t a n tr o l e i n d i r e c t i n ge n e r g yu t i l i z a t i o n ，b u i l d i n gp l a n t s a n dp r o d u c i n g p r o c e s s e s a f t e rs y s t e m i cs t u d y i n gp r o c e s s e so f s t e a mp o w e ra n dc o m p r e s s e dr e f r i g e r a t i o n ， t h ep a p e rc o n c l u d e sd i f f e r e n ts t e a mp o w e rc i r c u l a t i o n sa n dc o m p r e s s e dr e f r i g n e m l i o n c i r c u l a t i o n st os y n t h e s i z ea n ds u m m a r i z et h et w og e n e r a lp r o c e s s e s t h e nt h r o u g h m a s sb a l a n c ea n de n e r g yb a l a n c et ot h et w og e n e r a lp r o c e s s e s ，m a k e st h eg e n e r a l m a t h e m a t i cm o d e lo ft h ee a c hp r o c e s s ，a f t e r w a r dw r i t e st h ec o m p u t e rp r o g r a m m e s ， w h i c hc a l lq u i c k l ya n da c c u r a t e l yc o m p u t ea n ds i m u l a t et h ep r o c e s s e so fs t e a m p o w e ra n dc o m p r e s s e dr e f r i g e r a t i o n h o wt os i m u l a t es t e a mp o w e ra n dc o m p r e s s e d r e f r a g r a t i o ns y s t e m ，w h i c ha l s ow i l lb e c o m ea ni m p o r t a n ts u b j e c ti nt h ef i e l do f e x p l o i t a t i o no f c h e m i c a ls o f f w a r e s i no r d c rt om a k eu s e rs i m u l a t em o r ef a c i l i t y a n dm a k ef a s s c h c m s t a rw h i c h e x p l o r e db yo u r s e l v e sm o l ep o w e r f u l a d d i n gt h et w os y n t h e s i sa n ds t i m u l a t i o n s y s t e m so fs t e a mp o w e ra n dc o m p r e s s e dr e f r i g e r a t i o nt oe c s sh a sas i g n i f i c a n ta n d g r e a tf u n c t k m u s i n gc + + b u i l d e rl a n g u a g et oc o m p i l ea t ei n t e r f a c ef o rt h ec a l c u l a t i o n a l p r o c e d u r eo ft h em o d u l e s t h e nu s i n gd y n a m i cc o n n e c t i v ep r o c e d u r ec h a n g et h e c a l c u l a t i o n a lp r o c e d u r ei n t ov i s i b l em o d u l e s ，a n da d d e dt h e s em o d u l e si n t oe c s s c h e m i c a lp r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e m 7 i h em o d u l e sc o n s t i t u t et h es t e a mp o w e rs y s t e m a n dc o m p r e s s e dr e f r i g e r a t i o ns y s t e mm o d u l e so fe c s s t h e s es i m u l a t i n gm o d u l e s c a nm u t u a lt r a n s f e rt h ed a t aa n dt h ei n t b r m a t i o nw i t ho t h e ru n i tm o d u l e sa n dt h e f u n c t i o nm o d u l e s ，f i n a l l yt h e s y n t h e s i s a n ds i m u l a t i o no fs t e a m p o w e ra n d c o m p r e s s e dr e f r i g e r a t i o ne a r lb er e a l i z e di ne c s s k e yw o r d s ：s t e a mp o w e rs y s t e m c o m p r e s s e dr e f r i g e r a t i o ns y s t e ms y n t h e s i s s i m u l a t i o ne c s s - c h e m s t a r 1 蒸汽动力系统 符号说明 ，只，b 分别为一l i 艺j ； j 高压中压低压过热蒸汽流臀：( i ，h r ) w ，w ，m 分别为加入中压，低压减温减压器的水量( k c a l ，k g ) g h ，( ，g ， 分别为高压，中压低压过热蒸汽的流量( t ，h r ) g j ，g g | q g h u ，h m n ” 分别为经过高压中压透平至超低压水的流龄( t7 hv ) 低压加热器的蒸汽流量( t h r ) 由高压蒸汽透平至中压蒸汽的流量( t h r ) 中压加热器的蒸汽流鬣( t h r ) 焓( k c a l k g ) 分别为高压中压，低压过热蒸汽的焓值( k ( ： i l i k g ) 超低压水的焓值( k c a l k g ) 低压水的焓值( kc 、a l7 k g ) 低压饱和蒸汽的焓值( k c a l k g ) 超低压蒸汽的焓值( k c a i k g ) 中压水的焓值( k t - i i ，k g ) 加入减温减脏器水的焓值( k c ai k g ) 分别为高压，中压透平的总功率r k w ) q m i s 7 叩， q 。，q 。 叩 ， 2 压缩制冷系统 曰 c p ，c v d f ， g g 嘶，g 可，g t ) h 。 h i t a l ，i l a 2 工 哪t j 、 p t ，p o 9 ， g 压力( a t l a ) 分别为高压，中压锅炉和冷凝器的热负荷( k c n l h r ) 熵( k c a l k g ) 温度( ) 分别为高压、中爪透平的机械效率 加入系统冷剂的流鼙( k m o ! h r ) 分别表示制冷剂的定压热容和定赛热容( k c a l k m t dk ) 第- ，级采出冷剂的流量( k m o l h r ) 不经过冷量网收商接进入第，级分离器的冷龄( k c ，) 第_ ，级前置( 后置) 用户用冷量( k m o l ，h r ) 分别表示r ，e ，c 型冷量同收的冷剂流最( k m o i h i ) 第_ ，级分离器的气相焓( k c a l k b 第，级分离器的液相焓( k c a l k g ) 分别表示压缩机的热效率和机械效率 从第，级分离器出去的液楣冷剂的流量( k m o _ l b y ) 第- ，级分离器的压力( h l i n ) 分别表示压缩机入u 和出口压力( a t m ) 第j 级用户用冷冷负荷( 1 r n l h 1 ) 压缩冷凝器的冷负荷( k c a l h j l ) v q tq m ，q 【j r o l ( ，) r o y ( ，) 盯( ，) t i “ 7 岬 v ，1 切 w 盯 w = i 。：d 分别表示r ，kc 础冷醢网收的冷负衙k c a lm t ) 从第，级分离器出来的液相密度( k g k m o ) 从第，级分离器出来的气相密度( k g k m 0 1 ) 第_ ，级分离器的温度( ) 分别表示压缩机入口舸i 出口温度( ) 从第- ，级分离器出去的气相冷剂的流量( k m o | j l u ) 第_ ，级分离器的抽气量( k m o h 1 ) 分别表示压缩机入口和出口时的体积流率( k m o l ，h ) 压缩机的功率( k w ) 压缩机对每千摩尔冷荆所做的功( k j k m 0 1 ) 分别表示压缩机入口和出口的压缩系数 v 青岛科技人学研究生学 奇论文 刖舌 能源是发展国民经济和保障人民生活的重要物质基础。世界各地经济、技 术发展的事实表明，能源消耗与国民生产之间总是有这非常密切的关系。证j e 常情况下，能源消费量的增长速度和国民生产总值的发展速度成j 下比关系。 在过程工业的生产系统中，从原料到产品的整个生产过程，始终伴随着能量 的供应、转换、利用、回收、生产、排弃等环节。例如，进料需要加热，产品 需要冷却，冷、热物流之间换热构成了热回收换热系统，加热不足的部分就必 须消耗电力或由公用工程提供燃料或蒸汽，冷却不足的部分就必须消耗冷却公 用工程所提供的冷却水、冷却空气或冷量，泵和压缩机的运行需要消耗电力或 由蒸汽透平直接驱动等掣。3 1 。 从工艺过程的角度来看，一个大型化工过程系统町以分为三个予系统： ： 艺过程子系统，热回收换热网络子系统和公用工程子系统。工艺过程子系统是 指由反应器、分离器等单元设备的组成的由原料到产品的生产流程，它是过程 工业生产系统中的主体。热回收换热网络子系统是指在生产过程中由换热器、 加热器、冷却器组成的系统，其目的在于把冷物流加热到所需要温度，并网收 利用热物流的热量。公用工程子系统，它包括蒸汽动力和压缩制冷两个分系统， 蒸汽动力系统主要有锅炉、透平、废热锅炉、给水泵、蒸汽网管等设备，其作 为公用工程系统的核心，为化工、炼油等过程工业提供工艺蒸汽、动力、热能 等。压缩制冷系统包括压缩机、分离罐、冷却冷凝器、节流装置等设备，为过 程单元、工艺过程提供冷量。随着节能工作的发展，人们认识到从能量利用的 角度看，这三个子系统相互影响、密切相关。例如工艺条件或路线的改变将影 响对换热网络和蒸汽动力系统的要求，换热网络回收率的提高将减少j j l l 热公朋 工程量和冷却公用：【程量：蒸汽压力级别的确定影响回收1 = 艺热量发生蒸汽的 数量。因此，严格的讲，更大的节能效果在于对整个过程系统的能量供求关系 上进行分析，从全局的观点出发，改进现有的工艺及设备，达到合州彳f 】效的用 能的目的，这就是全过程系统能量优化综合的问题l 。 过程系统综合是一个极为复杂的多目标组合问题长期以来 ：婴靠 ：粘! 师 蒸汽动力和压缩制冷系统的综合与模拟 的经验。2 0 年来有关的研究工作发展很快，研究的课题主要有换热旧络的综合 1 5 - 7 1 ，分离序列的综合“，反应器网络的综合1 1 2 - i 3 1 。反应路径的综合or 4 - i 5 1 公 用工程系统的综合o i e - i , ) l 。 其中换热网络的综合研究已经很成熟，分离序列综合已经成为笫二个热点 反应路径及反应器网络综合的研究较少，公用工程系统综合问题的研究亦吸引 了愈来愈多的注意力。 现如今化工企业正朝着综合化、装置大型化、流程中各单元复杂化的方向 发展。由于新产品开发与产业放大技术矛盾的尖锐化，传统的相似模拟、逐级 放大的方法耗资金多、资源浪费严重、旷h 费时局限性共大，已经不能满足现 代化工的要求了。因此用数学模型为指导的过程系统流程模拟便应运而尘。全 世界环境保护和节能降耗意识正在逐渐增强，因此蒸汽动力过程和压缩制冷过 程为代表的公用工程系统在化工生产中的地位也日渐提高，已成为生产中的重 要环节。 应用已有的过程模型化成果，探讨计算方法，编制出计算机程序软件即单 元模块，构成过程单元模块系统。再把这种系统配备以数据库，并用计算机系 统管理软件结合起来。这样便构成了可用于对化工过程系统进行模拟的软件。 称作化工过程模拟系统。 根据模拟系统的应用范围的不同，大致可分为通用的和专用的过程流程模 拟系统。其中专用过程模拟系统是针对特定过程专f j 1 ：发的系统，只能用于特 定的流程模拟开发，而通用的过程模型系统是指对各种流程均可适用的模拟系 统。 公用工程的综合与模拟一般包括蒸汽动力和压缩制冷系统这两个咀元的综 合模拟随着生产水平提高和经济节能的需要，蒸汽动力和压缩制冷系统的模 拟已成为化工模拟中不可或缺的部分。 现在国外通用的过程模拟软件主要包括a s p e n p l u s 、l r o l l 、c h e m ( _ a d 和国内的e c s s 一化工之星，该软件是青岛科技大学计算机与化工研究所丌发的 国内唯一的化工模拟系统，已达到国内外同类产品的领先水平。现在缺少了蕉 汽动力和压缩制冷系统模拟单元的e c s s 一化工之星，必将影响到流程模拟的完 整性限制了软件的使用领域，使得许多涉及蕉汽动力和压缩制冷的处理操t 4 ： 青岛科技大学研究生学位论文 的流程模拟难以实现。 本文所研究的过程单元包括了蒸汽动力系统和压缩制冷系统这两大模块， 主要针对不同的蒸汽动力和压缩制冷过程，进行分析、归纳、综合，使之具有 普遍化、般性、通用性。使该系统适用于各种复杂的流程模拟。它们在生产 中占有相当重要的地位，因此对上述两大单元进行模块化，融入到化工流程模 拟系统中是必然的发展趋势。 因此我们有必要对蒸汽动力系统和压缩制冷系统的数学计算模型进行研 究，从其中分析、选择、推演得出较好的数学模型，进步通过算法的设计， 利用f o r t r a n 和c + + b u i l d e r 语言开发得到准确的蒸汽动力和压缩制冷系统单 元过程模块。并将这些模块最终加入到e c s s 一化工之星模拟系统中，使得化工 之星的应用范围扩大，成为国内外一流的化工过程模拟软件。 蒸汽动力和压缩制冷系统的综含与模拟 1 文献综述 本文所述单元模块主要涉及到蒸汽动力系统和压缩制冷系统的综合和模 拟。 在大型化工或石油化工联合装置中，蒸汽动力系统、压缩制冷系统是公用 工程的核心部分，为化工，炼油等过程工业提供j 【艺蒸汽、动力、热能及相虎 的冷量等，并与过程系统和换热网络有机结合，回收过程中的余热。在合成氨、 乙烯和炼油等大型装罨中，蒸汽往往既是参与化学反应的工艺原料或工艺过程 的加热介质，又是通过透平驱动各种机泵的动力来源。蒸汽动力系统一般有几 种不同压力等级的蒸汽网管向过程输送蒸汽和热量，同时回收过程的余热各 级网管之间通过蒸汽透平产生过程所需要的动力或电力，亏盈量可由电网购入 或输出电力。蒸汽动力系统所提供的功率往往占全厂动力消耗的绝大部分，凶 此蒸汽动力本身也是生产中的耗能大户。而且化工生产只有在动力和热能都有 保证的前提下才能进行，因此蒸汽动力系统制约着化工生产，要向其提供所需 要各种能源，因此与过程系统相比。它应具有更强的柔性、可靠性和经济性。 有加热，就必然有冷却，当冷却水的温度不能满足工艺过程和生产的需要，那 么这些高级冷量就必须由压缩制冷系统供给。压缩制冷本身也要压缩机做功， 消耗巨大的能量。所以，蒸汽动力系统和压缩制冷系统的优化综合对过程系统 的生产以及能量利用率和经济性具有重要影响。随着能源的短缺，其优化综合 愈来愈受到人们的重视。由于两个系统存在着相似的地方，其研究方法也可以 互相借鉴。现将实际生产中这两大单元模块所包含的设备和研究方法作简要的 概述。 1 1 蒸汽动力系统的研究 1 1 1 蒸汽动力系统的主要设备 1 、蒸汽锅炉，包括高压锅炉、中压锅炉、低压锅炉i 种， 要作j l 】足产， i 刁：同 级别的蒸汽，目前动力锅炉产生的蒸汽有两种：或为8 0 一一1 0 0 ( k g 止1 1 1 ：) ( 绝 4 青岛科技人学研究生学化论文 压) 、5 0 0 c 左右的高压过热蒸汽；或为2 ( 卜5 0 ( k g c m 2 ) ( 绝压) 、3 0 0 ( 庄右 的中压过热蒸汽；或为两者兼而有之。 2 、蒸汽轮机，也可以叫透平机，它是利用蒸汽较高品位的热量驱动使其对外做 功，产生动力和电力供给系统如压缩机、泵等设备动力。 3 、加热器，一般作为蒸汽经过透平后，利用蒸汽余热加热其他物流的设蔷： 4 、各种工艺流程中需要蒸汽加热的单元设备、水槽、泵等。 1 1 2 蒸汽动力系统的研究现状 蒸汽动力系统的综合及模拟优化包括两个基本方面的综台和操作调优。蒸 汽动力系统的最优综合问题可以表述如下：化工厂需要一定数量的驱动机、泵 等设备的动力，高、中、低压蒸汽，脱氧水以及冷却水等。设计的目标是在满 足上述要求前提下确定系统的流程结构和操作条件，并且使系统总费用撮小。， 蒸汽动力系统的操作调优问题是指在满足不断变化的蒸汽和动力需求的前提 下，优化蒸汽动力系统的操作参数以使系统的操作费用最小。综合和操作调优 是系统优化的紧密联系的两个方面。由于蒸汽动力系统结构的多样性，蒸汽热 力学参数计算关系的复杂性以及工况的多样性，系统的优化十分复杂。 蒸汽动力系统的优化综合包括现有系统的优化操作、最优改造和对新系统 的最优设计1 2 0 i 。它们大体上可以归纳为两类问题：一是流程结构摹本吲定的系 统参数优化，包括现有系统操作条件的优化和改造优化；二是新系统优化设计 包括对新系统的流程结构最优化综合和操作条件的优化，无论哪类问题其 优化综合方法目前大致有以下几种：试探法、夹点技术分析法、数学规划法， 序贯模块法和专家系统。 1 1 2 1 试探法 n i s h i o 介绍了通过系统地应用减少有用能损耗的试探规则，进行蒸汽动力 系统优化设计的试探法。后来，又应用同样的策略分别针对蒸汽需求占主导和 动力需求占主导的两种情况，采用两步法，进行了蒸汽动力系统的初步优化设 计。c h o u 和s h i h 应用同样的方法对燃气轮机和燃气一蒸汽联合循环进 j ：了研 究。r a g a g g i o l i 应用女用分析对一个硝酸厂的蒸汽动力系统进行优化研究? 试探法比较简单，能够设计出符合现有工程经验的流程，但不能僳证解的 最优性。 1 1 2 2 夹点技术分析法 蒸汽动力和骶缩制冷系统的综台与模拟 夹点技术( p i n c ht e c h n o l o g y ) 是英国学者l i n n h o f f l 6 1 于：二十世纪七十年代木 提出的已经成为过程系统节能技术巾最有效地工具之一。在成功的应j l j 于换 热网络的基础上，夹点技术的应用范围扩展到蒸汽动力公用工程予系统，为系 统中热机、热泵的温位设最提供依据。在过程系统中，热机有三种呵能的设置 方式：在央点之上、跨越夹点、在夹点之下。分析表明：在夹点之上，将热机 与热回收系统适当结合，可以发挥最好的效益。夹点之上设置热机就是热电 联产，过程所需的全部或部分热量要由热机提供。跨越央点的设露所消耗的 热量与单独放置的热机将捧热直接排给冷源的效果一样，不能改善能量利用率。 在央点之下，热机利用过程的余热作功，不仅额外获得了功，还使冷却公刖：i = 程用量减少。同夹点之上的热机，大大提高了能量利用率。 此外，国内外的一些学者1 2 1 - 2 3 i 考虑将换热网络子系统和蒸汽动力公刚工程 子系统的综合优化，以进一步合理用能，降低全系统的能耗。通过总复台曲线 可以确定不同温位下的公用工程量，即需用的不同级别的蒸汽量。 1 1 2 3 数学规划法 数学规划法是将所研究的问题转化成由目标函数和约束条件组成的数学模 型，并根据数学模型的类型选择合适的优化方法求解。七十年代年n i s h i o 拉4 州 最早提出采用线性规划方法( l p ) 来优化蒸汽动力系统的扩建；1 9 8 0 年g r o s s m a n 1 2 7 - 2 8 1 提出了蒸汽动力系统结构和操作同时优化的混合整数线性规划( m i i 。p ) ： 1 9 8 7 年c o l m e n a r e s 和s e i d e r l 2 9 1 基于夹点热集成方法提出非线性规划( n l p ) ：最 近几年，在这些基础上以g r o s s m a n 为代表的一批学者1 3 0 - 3 4 1 提出了混合整数非线 性规划( m 1 n l p ) 进行蒸汽动力系统的综合和优化。 该方法的第一步是统筹考虑多种可能的结构方案，构造一个超结构 ( s u p e r s t r u c t u r e ) 。第二步将系统综合问题表示为一个混合整数线性规划f m i i p ) 或混合整数非线性规划( m i n l p ) 模型。其中连续变量代表所有单元设器的处理 能力和流股流量，二元变量( 0 或1 ) 表示在给定操作条件下，所给设备足f m j 力， 以及在运行单元设备的操作方式。数学规划法的优点是能够对一定舰模的系统 各部分进行同时优化，得到最优结构和操作条件。近年来，人工智能技术夺化 工过程系统过程中迅速发展和应用广泛在利用神经网络求解混合整数线性 规划( m i n l p ) 优化蒸汽动力系统时目前常用的解法育：遗传算法1 3 5 - 3 7 1 和模拟 青岛科技人学研究生学佗论文 退火法i ”4 ”。 遗传算法是建立在自然选择和群体遗传学机理基础l 的随机、迭代、进化、 具有广泛适应性的搜索方法i4 。i 。这种算法的优点是能够处理水蒸汽参数的复杂 性和透平非线性做功的特性。比较接近实际过程，而且由于遗传算法只有顽强 的鲁棒性有可能找到全局最优解。但是，遗传算法i 玎以以极快的速度搜索到 最优解的9 0 左右，但是要达到真证的最优解则要花费很k 的时| h j 。一蝗对比 试验表明，如果兼顾解的品质和收敛速度两个指标，单纯的遗传算法未必比其 它方法优越h “。 模拟退火法的最大特点就是在搜索中可以摆脱局部最优解。在应用模拟退 火法对蒸汽动力系统进行优化的过程中，不必假设设备投资和设备的生，“能力 之间是连续函数，因此能够比较准确的进行系统的设计。但是，模拟堪火法需 要很长计算时间，一方面是由于产生一个可行解需要很多次的搜索，另一方面 是退火法本身需要合理的算法参数，而这些参数有难以精确确定：退火太快， 导致局部最小值；退火太慢，就会变为盲日搜索。所以计算效率较低f 4 “。 1 1 2 4 序贯模块法 序贯模块法的基础是单元模块，任何热能系统均可以划为有限种类的单元 热力过程或设备，对每种单元过程或设备编制一个计算模块，由单元输入可计 算单元输出。在模拟中按单元的连接顺序调用单元模块，从系统入口流股玎始， 先对接受该流股的单元进行计算，得到该单元的输出流股变量，该输出流股就 是下一个相邻单元的输入流股。依次计算，经过整个予系统的各个单元，最终 达到系统的各输出流股，从而得到整个系统的特性。 用序贯模块法计算时，首先依然要建立系统的数学模型。蒸汽动力系统常 用的单元模块包括流股的混合或分流单元、换热单元、闪蒸单元、燃烧过程单 元及压力变化单元( 如泵、透平、压缩机和节流阀等) 为了便于计算机模拟单 元模块和模块之间的联系，在工程中，系统结构般用1 ：艺流程图表蠢i 般 计算机难以识别，因此首先要把工艺流程图转化为信息流程图，用图中的1 7 点 表示单j 亡模块，节点之间的连线表示单元问的连接流股，然后对所有单元和流 股作统一的编号，建立过程矩阵，然后按顺序调用单j 黾模块进行系统模拟“。 1 1 2 5 基于知识的专家智能系统方法 蒸汽动力和i 矗缩制冷系统的综合与模拟 专家系统即将某一领域中专家们的知识和经验整理成规则，作为知识库存 放于计算机中，根据用户输入的原始条件和设计要求等信息，经过专家系统中 的规则进行推理，符合规则条件的就执行其结果，否则就不执行从而得：n 个符合专家知识的优化结果来口“。 应用专家系统对工业的系统能量综合具有一定的优越性。因为能量系统的 优化问题，从过程实际角度看是一个十分复杂的问题。系统的优化综合不仪要 考虑定量的指标，如能耗、投资和操作费用等，还要考虑若干定性的要求如 安全性、可靠性，这些定性的目标很难用数学形式来表述，单纯的数学优化法 难以奏效，而专家系统正是可以起到这种作用的工具。 1 1 3 蒸汽动力系统研究的不足 上一节中所述的蒸汽动力系统研究的几种方法都有各自的特点和不足。j l 乏 点方法主要是在热力学分析系统的能量状况的基础上为蒸汽动力系统中热机、 热泵的温位设置提供依据，但并不能指出蒸汽动力系统中热机和热泵在实际的 运行过程中是否经济合理，以及如何将系统所需要的蒸汽在各热机之间分配最 为经济合理。根据总负荷曲线确定蒸汽的级别，这种分段加热处理实际上就是 用温位较低的蒸汽加热夹点以上温位较低的物流。公用】：程划分的级别越多， 高温位的加热公用工程用量越少，可减少运行费用。但是在工程实际中，级别 越多，系统越复杂。因此，用总负荷曲线来确定蒸汽的级别，只是在理想的条 件下提出了参考，并没有考虑工程实际的经济性。 数学规划法，遗传算法和模拟退火法，都是以数学方法为主，通过计算机 模拟，来优化蒸汽动力系统的操作参数，达到节约能量的优化目标。但是，其 缺点也很明显：第一，对于规模较大、设备单元多的装嚣，易于产生组合爆炸 的现象，变量数太多，无法求解；第二，若目标函数不足凸函数，则无法得到 全局最优解：第三，该方法假定设备的价格是其处理能力的连续函数，这是不 符合实际的，无法得到真j 下的最优解。因此可以认为数学规划法得到的最优解 并不足真正的最优解，只是在一定的简化条件下所得到的最优。 序贯模块法在模块水平上的计算非常稳定和有效，流程水平j 二的计算也能 稳定收敛，但对系统存在多股循环流时，多层嵌套迭代会使收敛减慢。 另外，由二f 在过程工业的生产过程中，生产受市场和季：肯的影响微太。使 得企业一年巾通常有几种生产方案。由于习i 同的生产j ：况对蒸汽动力系统的热 青岛科技大学研究生学位论文 电需求也不同。因此企业的蒸汽动力系统通常也会有几种工况。但是由于以j ： 的两种方法都只是对一种工况下的操作参数进行优化，所以并不能及时地指导 蒸汽动力系统做相应地调整，这就使得在企业生产过程中蒸汽动力系统的运行 方案经常不能及时地满足企业生产的需要。 专家系统能模仿专家们的思维过程，对于能量系统的优化综合有定的应 用前景。但是，目前有关这方面的研制丁作还处于发展阶段。 此外，这些优化方法也没有考虑机组在实际运行中的经济性，没有涉及蒸 汽负荷在机组问的经济分配问题。而且没有对蒸汽动力系统进行热力学分析， 分析蒸汽在利用过程中能量利用的合理性。尤其是对于系统所需要的中压蒸汽 在数学优化的过程中考虑到高压锅炉的效率优于中压锅炉，通常停开中压锅炉， 通过高压锅炉产生高压蒸汽，再经过透平做功降压为中压蒸汽供给中压用户， 并没有从热力学的角度分析用能的合理性。 1 2 压缩制冷系统的研究 1 2 1 压缩制冷系统的主要设备 1 压缩机，通过动力驱动，压缩低压的蒸汽至高压的设备。 2 冷却冷凝器，将从压缩机出来的高压蒸汽冷凝至大气温度( 或使之凝结) 。 3 节流装置，包括节流阀、膨胀机等，是将高压低冷的蒸汽通过膨胀使之蒸发 在蒸发器中产生冷量。 4 分离罐，用来分离制冷剂提供冷量后，进行汽液分离的装置。 5 工艺流程中所需冷量的单元设备、换热器、泵等。 1 2 2 压缩制冷系统的研究现状 近年来，国际制冷界的研究着眼予三大热点问题：制冷装嚣设计方法的现 代化、节能节材以及c f c 的替代。由于制冷行业发展迅猛，其能量消耗将不断 上升，如何提高制冷装置的效率、节能降耗是许多学者及生产厂家越来越) 乏心 的问题。且随着c f c 冷剂全面禁用同期的临近，寻找可以惜代的制冷 ：质成了 当今制冷界的首要任务。一个匹配良好的制冷系统换用新j 【质后。般多会产牛 制冷效率下降问题，需要重新匹配。用传统的发计方法订算，需要做大量的实 蒸汽动力和压缩制冷系统的综台与模拟 验加上设计人员的经验去调整。这不仅浪费大量的人力物力，也将耗费报多时 间，有时往往也不安全。在这种大背景下，引人计算机模拟方法替代做实验， 这对解决当今制冷界的三大向题提供了一条前景广阔的有效途径。压缩制冷的 计算机模拟方法发展到现在可分为两种，即数值模拟和基于数学模型的智能模 拟1 4 4 i 。 1 2 3 压缩制冷数值模拟的研究 制冷系统数值模型的研究从2 0 世纪7 0 年代开始，发展到现在，经历了从 单纯的部件模型研究。到适合系统模拟要求的部件模型和系统模型研究：从稳 态、集中参数，到动态、分布参数模型的研究：从瞬态特性研究，到长时间运 行过程的模拟1 4 5 1 。一般来说，系统数值模型按时问维和空间维可分为：稳念集 中参数模型、稳态分布参数模型、动态集中参数模型、动态分布参数模型。下 面主要对压缩制冷模拟的几种模型进行论述。 1 2 3 1 稳态参数模型 稳态模拟主要是反映制冷系统的稳态工作特性、各部件在稳态_ t 作时的匹 配关系和充注量对制冷系统的影晌，是实现制冷系统优化设计的基础。 系统各部件，如压缩机、冷凝器、节流装黄和蒸发器均采用稳态集中参数 模型描述，此摸型可反映各部件的总体性能和相互问的传递关系，计算量不大。 如文献1 4 6 i 利用稳态集中参数模型对蒸汽压缩制冷系统进行设计和对整体性能做 出( 如c o p ) 估算。c e e c h i n i 和m a r e h a l t 4 6 1 在实验的基础上利用稳态集中参数模型 对空调和制冷装置进行模拟和优化设计。g h l e e 和j yy o o 【4 ”利用稳念集中 参数模型结合实验数据对分体式和整体式汽车空调进行性能分析，结果比较理 想。b a n s a l 和p u r k a y 踮t h a 【4 8 1 利用稳态集中参数模型结合多种制冷剂物性数掘库 对蒸汽压缩制冷系统和热泵系统充注不同冷剂后的性能进行预测。p - g j o l l h ” 等人利用稳态分块集中参数模型对船舶冷藏箱制冷系统在全负荷下进行模拟研 究。国内的周光亮1 50 。，利用稳态集中参数模型实现了房问空凋制冷系统的汁算 机校核。 在对出缩制冷系统稳态模拟研究中，为了提高模型的准确性，对些比较 重要、且在空问方向参数变化较大的部件应作分稚参数处理。在f h 缩制冷系统 中一般对冷凝器和蒸发器建立分斫i 参数模型，这样可以全面反映制冷到状态空 闻变化有助于深入分析换热器在制冷系统中的工作状态，虽然计算量棚对较 0 青岛科技大学研究生学位论文 大但目前的计算机运算速度完全可以胜任。j 压缩机和节流装鼍d i 于热惯性相 对干换热器来说可以忽略，因此只对它们建立集中参数模型。陈华等 ”运川此 模型进行了房阅空调器制冷系统稳态分布参数分相模拟的研究。x j i a l 5 - j 等人在 总结过去研究的基础上采用稳态分布参数模型对蒸发器进行模拟计算。于兵 等i 粥i 在对冰箱制冷系统进行了动态分布参数的深人研究之后，总结出一种新的 热力参数的稳态模拟方法，此方法基于系统的稳定状态对制冷系统进行匹配， 采用稳态分布参数、参数间定量关联的思想实现系统模拟。 1 2 3 2 动态模拟模型 实际的压缩制冷系统制冷过程是一个融合了传热、传质的复合过程。制冷 剂在系统中循环流动，其每一点的状态参数是不相同的，并且随时问的变化而 变化。特别是在开停车或变负荷等瞬态工况剧烈变化过程的模拟研究，动态模 型的建立是必不可少的。由于动态模型比静态模型要复杂很多，尤其是动态分 布参数模型，在系统建模时往往要进行必要的简化。从早期的文献一i 可以看出， 制冷系统的动态研究一般集中在系统大扰动情况f 的瞬时模拟，如，r 停车过程 的模拟。9 0 年代以后，出现了从开车到停车的长时间的模拟研究，其代表为丁 国良的博士论文【5 “。 动态集中参数模型相对分布参数模型来说模型简单，计算量小，主要片j 于 整个系统的模拟。文献5 6 j 采用动态集中参数法建立各部件数学模型，采用阶 微分方程，运用欧拉方法求解。b e c k e r 等”7 崃用动态集中参数的方法对冷库制 冷系统建立一系列部件模型，并采用积分的方法研究了冷库运行的丌车、运迸 运出千湿货物、正常开停车的过程，但该文对基于湿空气是一个没有能量和质 量积聚的假设下建立湿空气的质、能方程。周予成5 剐采用动态集中参数模型对 系统进行了瞬时仿真，模拟了启动5m i n 内系统中压力、冷剂流量、温度的变 化情况。 通常，制冷系统动态分布特性的研究，主要是采用动态分柿参数摸型，对 其系统中冷凝器、膨胀阀一蒸发器回路的研究，对组成系统的其他音瞌铂：如堆缩 机般作集中参数处理。如x j i a 等i 鲫l 用动态分布参数方法建立了燕发器的模 型，但是蒸发器管内的两相流模型被简化为均相流，在随后发表的文献”训l l 建立 了一个真正的蒸发器动态分布参数模型，在模型中考虑了非均十h 流，并儿为了 蒸汽动力幂| 压缩制冷系统的综合与模拟 研究不同的两相流模型对蒸发器性能的影响情况，文中使用了四种刁：同的两棚 流模型。葛云亭等f 6 0 6 。】建立了冷凝器、蒸发器动态分布参数模型并_ 酋次捉m 了 使模型封闭可解的界面方程，对两相区计算封闭性问题的解决丌辟了新的途径。 对于使用膨胀阀的制冷系统还需研究蒸发器和膨胀阀回路之问的动态关 系，这是保证系统稳定工作的必要条件，如文献 6 2 1 研究了蒸发器一膨胀阀四路 的动态藕合关系，建立了动态分布参数模型，研究了在典型负荷( 如冷却水温度 的变化) 变动下此回路的稳定性情况。 1 2 4 压缩制冷智能仿真的研究 目前，蒸汽压缩制冷系统的数值模拟技术已有了长足的发展。动态集中参 数和分布参数模型的研究发展也很快。并且向实用化转化，但是出于实际装嚣 的多样性和复杂性，在模拟精度和适应性方面仍显得不足。例如两相流问题 还未能从理论上得以精确地描述，因此也无法用很精确或者很合适的数学模 型来表达；再有像换热系数关联式等，理论上理想的研究结果很难直接应用于 实际，这是由于这些问题对外界的环境条件很敏感。在这种情况下，研究肯所 得出的结论很难有很好的通用性，一般多对某一产品和某类产品建立相应的模 型。数值模拟模型的复杂性影响其实用性，而简单的模型又无法保证精度和适 用性。为了模拟技术的进一步实用化，应选择尽可能简单的模型与算法因此 出现了将蒸汽压缩制冷系统数值模拟理论与现代人工智能技术相结合的新的模 拟方法一制冷系统的智能模拟仿真技术【6 ”。 近几年来，制冷系统的智能仿真有了较快的发展。丁国良等料l 通过对制冷 压缩机性能的研究，结合传统的数值理论模型与模糊理论、神经网络等理论， 建立了制冷压缩机热力计算的智能模拟模型。他们还采用分相集中参数的建模 思路，提出将平均比容的权垂因子作为两相区简化的特征参教忡纠，并狭得该特 征参数的无最纲影响参数，采用人工神经网络方法建立特征参数与其影响参数 之闻的非线性映射，建立了绝热毛细管快速模拟的方法。文献”刚现代人“【：智 能技术来改进现有的制冷系统仿真方法，提炼出与制冷系统模拟结果的量化密 切相关的定量参数，然后在已有的定性数值仿真模型的基础 ：，根据实验数掘， 采用人工神经网络( a n n ) 方法对仿真模型中的定量参数进行辨识，i j 别i j 壤佳 的定鼍参数，然后对房问空调稳态特性进行初步模拟其结果良好，刘浩等”“ 以相区划分和制冷剂出 - i 烩值迭代为基础，提出了一种稳定的逆流型冷凝器模 青岛科技人学研究生学位论文 拟分布参数摸型和算法，结合人工神经网络的模拟仿真思路，建立丁冷凝器的 稳念分布参数模型。 1 3 化工过程系统模拟软件 由上：述论述可以看出，目前蒸汽动力系统主要研究关于节能等方面的计算 和优化，雁缩制冷的研究主要集中在空调、冷库等小型制冷装黄的模拟，时于 大型化工生产上需要的蒸汽动力系统和压缩制冷模拟的研究还甚少。所以利 用计算机模拟技术，模拟生产上这两大系统成为当务之急。 随着计算机技术的发展和推广以及设备新工作机理的提出，国内外许多化 工软件公司，一直在完善自己的化工模拟产品。其中著名的软件比如：a s p e n 、 p r o i i 、c h e m c a d 、h y s y s 和e c s s l 6 8 e g l ，它们中已有很多模块的模拟，但 还有很多不足之处，与现代模拟要求还有一段距离，下面主要介绍一下 a s p e n 、c h e m c a d 和p r o i f 、e c s s 这四种软件l7 0 1 。 1 3 1a s p e n - - p l u s 化工过程模拟软件 7 0 年代初，由麻省理工学院组织而集中开发了新一代化工流程模拟系统。 经不断完善，成为世界上最全面的模拟软件，如今在流程工业的过程开发、过 程设计及老厂改造中发挥着重要作用。 其主要产品功能和特剧7 1 是：数据输入方便、直观，所需数据均以填表厅 式输入，内装在线专家系统自动引导，帮助用户逐步完成数据的输入二l ：作：配 有最新且完备的物性模型，有物性数据回归、自选物性及数稍库管理等功能； 备有全面、广泛的化工单元操作模型。 1 3 2c h e m c a d 化工过程模拟软件 c h e m c a d 软件是由c h e m s t a t i o n s 公司开发的过程模拟软件( l t e m c a d 拥有4 0 多个单元处理模块，它除了具有一般的单元模块和功能模块以外，还包 括篱道设计、价格评估等复杂计算。因此c h e m c a d 可以求解j l 乎所有的嗨7 j 操作对非常复杂的循环回路也可以轻松处理。一直以操作简单、i 裔度集成、 界面友好而著称，可与多种其它应用程序进行交互作用和数据的传递 1 3 3p r o | i 化工过程模拟软件 蒸汽动力汞i 乐