（化学工艺专业论文）管网系统通用动态模拟算法及应用.pdf

摘要 管网系统通用动态模拟算法及应用 摘要 在化工过程模拟系统的研发和应用中，由于管网在工艺中起着连接各 个过程单元的重要作用，使管网系统模拟成为整个模拟系统的关键之一。 管网拓扑结构的复杂多样，管路压力与流量的非线性，以及管路之间较强 的相互作用，给管网系统自动建模与快速求解带来很大难度，为研发通用 模拟程序带来了困难。 通过对管网系统稳态模拟的研究，将模拟过程分为管网的分解、简化、 计算、还原四个步骤。研究了运用邻接矩阵法进行管网的分解，关联矩阵 法进行管网的简化与还原。在管网的计算中，建立了稳态机理模型并运用 联立方程法和序贯模块法进行了求解。 通过对管网系统动态模拟的研究，结合管网的动态机理与控制，建立 了可控的动态机理模型。运用动态序贯模块法进行管网系统动态模拟，并 在模拟过程中，模拟人员可对管网进行控制操作。模拟算法不仅适用于液 体管网和气体管网，还可应用于气液管网的模拟。 根据以上研究成果编写通用模拟程序，实现了管网系统的自动建模与 快速求解。模拟人员只需输入管网邻接矩阵、节点关联矩阵等信息，计算 机会先自动建立稳态模型并进行快速求解，为动态模拟做好准备；再自动 建立动态模型并进行实时动态模拟。将该程序应用于辽阳石化液相苯加氢 工艺的动态模拟过程，通过实践检验了该算法的可靠性和实用性。 北京化工大学硕士学位论文 关键词：管网，动态模拟，通用算法 i l g e n e r a ld y n i m a cs i m u l a t i o na l g o r i t h m a n da p p l i c a t i o no fp i p e n e t a b s t r a c t a st l l ep i p e n e tp l a y sa ni m p o r 胁tp a r to fc o n n e c t i n gt h eu n i t si nt h e c h e m i c a lp r o c e s s ，t l l ep i p e n e ts i m u l a t i o ni sak e yt e c h n o l o g yi nt 1 1 er e s e a r c h a n d 印p l i c a t i o no ft l l ec 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 h o w e v e r t h e c o m p l i c a t i o no ft l l et o p o l o g y t h en o n l i n e a rr e l a t i o n s i l i pb e t w e e np r e s s u r ea n d n o w a n dt h es 呐n gp i p e l i n e si n t e r a c t i o i l sm a k e 廿1 ep i p e n e ta u t o m a t i c m o d e l i n g ，e 伍c i e n ts i m u l a t i o na 1 1 dg e n e r a ls i m u l a t i o ns o 胁a r ei & dv e 巧 d i m c u l t t h ep i p e n e ts t e a d y - s t a t es i m u l a t i o nw a sd i v i d e di n t of o u rs t e p s ：a n a l y s i s ， s i m p l i f i c a t i o n ，s 0 1 u t i o na l l dr e g r e s s i o n a d ja c e n c ym a t r i xm e t h o df o ra n a l y s i s a n di n c i d e n c em a t r i xm e t h o df o rs i m p l i f i c a t i o na n dr e g r e s s i o nw e r es t u d i e d f o rs o l u t i o n ，m e s t e a d y s t a t em e c h a n i s mm o d e l 、v a se s t a b l i s h e d ，a n dt h e s i m u l t a l l e o u se q u a t i o n sm e t h o da 1 1 dt l l es e q u e n t i a lm o d u l a rm e t h o dw e r eu s e d c o m b i n e dw i t hp i p e n e td y n 锄i cm e c h a n i s ma n dc o n t r o l ，t h ec o n t r o l l a b l e d y n 锄i cm e c h a n i s mm o d e l 、a se s t a b l i s h e d t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nw a s d o n ew i t hs e q u e n t i a ld y n a m i cm o d u l a rm e t h o d a n dt h eo p e r a t o r9 a nc o n t r o l i i i 北京化工大学硕士学位论文 m ep i p e n e ti nm es i m u l a t i o np r o c e s s t h ea l g o r i t l l i l li s 印p l i c a b l e 矗w1 i q u i d ， g a sa n dt w o - p h a s ep i p e n e t 1 1 1 e d e v e l o p e dg e n e r a ls o 脚a r er e a l i z e d a u t o m a t i c i n o d e l i n g a n d e 伍c i e n ts i 1 u l a t i o no fp i p e n e t a so p e r a t o ri n p u t sm ep i p e n e ta d ja c e n c y m a t r i x ，n o d e i n c i d e n c e瑚知x锄dr e l a t e di n f o 册a t i o n ，m es o f 研a r e e s t a b l i s h e ss t e a d y s t a t em o d e la i l ds i m u l a t e sf a s ta tf i r s tt o p r 印a r e f l o r d y n 砌cs i n m l a t i o n ，a n dm e ne s t a b l i s h e sd y n a l l l i cm o d e la n ds i 枷l a t e s r e a l 一t i n l ed y n a l l l i c a l l y t h es o r w a r ew a su s e di nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o no f 1 i q u i dp h a s e b e r 忆e n e h y d r o g e n a t i o np r o c e s s i 1 1 l i a 0 i y a n gp e 们c h e i l l i c a l c o m p a n 弘w h i c hv e r i f i e dm er e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h ea l g o r i t h m k e yw o i m s ： p i p e n e t ，d y n a i l l i cs i n m l 撕o n ，g e n e r a la l g o r i t h m i v 主要符号说明 主要符号说明 管网邻接矩阵 管路附加压力，l 【p a 内点参数，l 【p a k i n o l h 内点贡献因子，l 【p a k m o l h 管路流量，k m o l h 1 管路流通能力，k i n o l h - 1 l ( p a - 1 管路标准流通能力，k m o l h - 1 l ( p a - 1 ( 内) 节点关联矩阵 外点关联矩阵 内点物质的量，虹o l ( 内点) 压力，k p a 管路前后端平均压力，l 【p a 外点压力，k p a 标准压力，l 【p a 管路压降，l ( p a 管路阀开度， 管路前后端平均密度，蚝i n 3 管路流通因子 彳印c d f g伊，r疗pp矿矿卸 y p 矽 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：鱼蓟 日期： 堕： 。芝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：圣鱼鱼 日期： ! 堡：圭 导师签名：辨 日期：j 辽二l 前言 o 1 本课题的选题依据 上j 一 刖罱 对于大型化工过程模拟项目，往往具有大量的管路需要进行流量计算，因此管网 的计算往往从各过程单元设备的计算中分离出来，作为独立的计算模块进行计算。由 于管网在工艺中起到连接各过程单元设备的重要作用，管网系统模拟速度的快慢和模 拟精度的高低将影响着整个化工流程模拟的成败，因此管网系统的模拟是整个模拟系 统的关键之一，管网系统的建模与求解，在化工流程模拟中具有重大的意义。 管网拓扑结构的复杂多样，管路压力与流量的非线性，以及管路之间较强的相互 作用，给管网系统自动建模与快速求解带来很大难度，也为管网系统通用模拟程序的 开发带来了困难。管网系统的动态模拟技术也一直是过程系统工程专业人员所研究的 重点之一。 o 2 基本方法与技术路线 过程模拟包括建立数学模型和模型求解两部分内容。对于化工系统工程来说，建 模是一切工作的核心。无论理论与技术如何发展，无论何种技术流派，无论何种实际 工作目的与需要，建模与求解都是化工系统工程专业人员的主要基本功，是实际工作 中最重要的内容。如不能很好地解决建模与求解问题，必将走入理论与实践的误区。 数学模型求解技术对专业人员来说则更为重要。纯熟地掌握各类数学模型的求解 技术，可以更透彻地理解数学模型的建立过程与方法原理，对建立数学模型有直接的 指导意义。擅长模型求解的人往往能适当地选择模型的形式，既精确又简明，找到建 模的捷径。而不熟悉模型求解的人，有时不得不选择那些自己不熟悉解法的优秀模型。 专业人员在建立过程动态模型的研究工作上，花费了大量的时间和精力，而这些 模型往往是以微分方程或方程组的形式存在。在生产实际和科学研究中的很多情况 下，所建立的模型是不能够直接积分出解析表达式的，有时候即使能求出封闭形式的 解，也往往因计算量太大而不实用。所以积分求解的过程通常要靠计算机进行数值计 算来完成。 利用计算机求解，要用计算机语言编写完整、准确的算法来实现。在设计算法程 序时，首先应注意程序的可维护性、适应性及安全性，程序的各个部分不应过分关联 而形成较强的交互作用，其次再讲究提高效率、加快运行速度等。源程序的写法风格 要清楚、朴素易懂，不宜追求所谓的技巧，一味地压缩源程序的长度。好的程序设计 非常易于发现隐患和提高运行的效率。 北京化工大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 化工过程模拟系统沿革 2 0 世纪初期，对于化工过程的开发、设计，只是采用由实验室到中间厂逐级放大 的经验方法。到了3 0 年代出现了以相似论为基础得出准数方程的办法，与此同时还 出现了建立数学模型的模拟放大法。5 0 年代后期，由于计算机的应用以及数值计算的 发展，应用数学模拟的方法基本上解决了大部分单元过程的开发放大问题。即只需一 些最基本的单元过程实验数据，就可以利用数学模型在计算机上解决其开发放大问 题。 ， 2 0 世纪5 0 年代末期，人们开始尝试在计算机上实现由各种单元过程组成的化工 过程工艺流程的开发设计问题。第一个完成这种工艺流程模拟计算的是美国的k e l l o g g 公司，该公司于1 9 5 8 年开发了f l e x l ef l o w s h e e t 。这个模拟系统可以用于计 算整个工艺流程的物料平衡、能量平衡以及进行开发设计的多方案评比问题。k e l l o g g 公司应用这个模拟系统在6 0 年代，开发了单机组、大容量、低能耗的合成氨新工艺 流程装置设计【。 这种在计算机上模拟化工过程工艺流程的软件，称为化工流程模拟系统。应用化 工流程模拟系统进行化工过程工艺开发设计的这种技术，称作计算机辅助过程设计 c a p d ( c o m p u t e r 加d e dp r o c e s sd e s i g n ) 。【2 】 1 1 1 化工过程稳态模拟系统 化工流程模拟系统是稳态模拟系统。稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中 不包括时间参数，或者说，任何状态变量的时间导数值均为零。严格说来，实际化工 生产中不可能有绝对意义上的稳态过程，状态变量总会不同程度地随时间变化，至少 会在较小范围内波动。但是，如果状态变化的幅度很小，对时间的统计平均值又基本 上恒定，那么，稳态的处理就能够给出非常接近真实情况的结果，而处理方法却可以 大大简化。因此，“稳态”这一理想化的概念对于分析研究化工过程的性质和基本规 律是非常有用的。【3 】 自6 0 、7 0 年代以来，各国陆续开始研制开发流程模拟系统，并为此投入了大量 人力、物力、财力。化工流程模拟系统从2 0 世纪6 0 年代以来，其发展已经历三代【4 】。 第一代模拟系统是在2 0 世纪5 0 年代末期至2 0 世纪6 0 年代开发的。由于化工系 统工程当时还是一门尚欠成熟的学科，并且自动控制、计算方法、计算机硬件、计算 机软件等相关学科的技术支持不足，早期的流程模拟系统起点较低，功能较弱，且都 第一章文献综述 是稳态流程模拟系统，无法进行动态模拟。如美国k e l l o g g 公司开发的f l e x i b l e f l o w s h e e t 、美国h o l l s t o n 大学开发的c 脏s s ( c h e i l i c a le n g i i l e e r i n gs i i n u l a t i o n s y s t e m ) 。 第二代模拟系统是在2 0 世纪7 0 年代开发的，对于第一代在功能、规模方面都有 很大进步。具有代表性的系统有：美国m o n s 锄t o 公司开发的f l o w t 凡气n 、美国br a 嘶 公司开发的p f l 0 ( p r o c e s sf l o w ) 、日本千代田工程公司开发的c a p e s ( c o m p u t e r 加d e d p r o c e s se n g i n e e 曲gs y s t e m ) 等、美国能源部委托麻省理工学院l b e v a l l s 教授主持开 发的a s p e n ( a d v 孤c e ds y s t e mo f p r o c e s se n g i n e e 血g ) ，这些系统所能处理的物料种 类较少，处理流程的规模也较小，过于复杂的问题难于解决【5 ，6 ，7 1 。 第三代模拟系统是8 0 、9 0 年代期间较为流行的，如a s p e np l u s 、p r o i i 、 c h a m c a d 、h y s i m 等流程模拟系统，另外s p e e du p 【8 】软件也在化工系统工程领域 有一定影响。在这些软件中，h y s i m 系统后来居上，起点较高，率先运用c 语言及 较先进的编程思想进行程序设计，程序结构较合理，使用较方便。由于各大软件公司 之间的激烈竞争，近年来流程模拟软件系统又有较快发展。继h y s i m 之后， h y p r o t e c h 公司又推出了h y s i s 【引，可用于动态模拟计算。而a s p e np l u s 的新 版本a s p e np l u s1 0 与旧版本相比已是面目一新。 国内在2 0 世纪7 0 年代开始进行化工流程模拟系统的开发工作。一些设计院所、 研究院所、高校等单位开发的模拟系统，可以对石油气分离、基本有机合成、合成氨 等工艺系统进行工况模拟、操作、开发设计等等。国内向市场推出的商品软件e c s s ( e n g i n e e 血gc h e m i c a ls i m u l a t i o ns y s t 锄) 是青岛化工学院开发的化工流程模拟系统。 伫1 1 1 2 化工过程动态模拟系统 在化工过程工艺生产中存在着相当多的动态过程，它们是不允许简化处理为稳态 过程的。如精细化学品、染料中间体、农药生产中的间歇反应釜操作过程。其正常操 作周期中，总是包括着填料、开车、反应、停车、卸料，这些过程的工艺参数都是时 间的函数。即便是连续生产过程，也有开车、停车、事故处理等动态过程。对于这些 过程的分析都需要进行动态模拟。 早期的过程动态模拟软件有，1 9 6 9 年加拿大m c m a s t e r 大学开发的d y n s y s 、1 9 7 0 年美国h o u s t o n 大学开发的p r o d y c 。1 9 7 2 年美国杜邦公司开发了d y f l o ，这个动 态模拟软件中的一些程序主要用f o r t a n 语言编写，d y f l o 中提供的各种化工过 程动态模拟模块都有接口，并有控制器模块及积分和非线性代数方程解法模块，还引 入了物料流数组的概念【1 0 ，“】，为应用提供了方便。1 9 7 4 年美国m i c h i g 姐大学开发了 d y s c o ，这个软件在d y f l o 基础上加上了调度管理功能，从而使这个软件具有了通 3 北京化工大学硕士学位论文 用软件的性能。日本科学家与工程师协会( j u s e ) 与英国c a d 中心( c a d c ) 联合 开发了d p s ，成为商品化的化工过程动态模拟系统软件。其后，日本于代田化工建设 公司开发了d o p l ，日本三井东亚化工公司又推出m o d y s 等。 2 0 世纪7 0 年代末期至8 0 年代期间，化工过程动态模拟技术在美、日、西欧等国 家和地区进入广泛的应用阶段。如美国普度大学的b o s s 、英国剑桥大学的q u a s l i n 、 美国威斯康星大学的p o i y r e d 、德国b a s f 公司的c h e m s 蹦、l i n d e 公司的o p t s 刀m 等。美国的鲁姆斯公司已将动态模拟技术用于系统可行性分析、先进控制系统方案设 计。日本的一些大型化工建设工程公司也将动态模拟技术用于进行新建大型化工厂工 艺及控制系统的设计。 2 0 世纪8 0 年代，动态模拟技术衍生出了用于培训工人的模拟培训器。美国生产 模拟培训器的厂家有：s i m u l a t i o nc o n t r 0 1c o ，a u t od v n 锄i c sc o ，以及a t l a n t i c s i l n u l a t i o nh l c 等。这些公司推出了可用于天然气工厂、乙烯厂、炼油厂、液化石油厂、 电厂、造纸厂等成套装置的动态模拟培训器。【2 】 9 0 年代中期，加拿大h y p r o t e c h 公司在其稳态模拟软件h y s i m 的基础上， 又推出了动态模拟软件h y s i s 。h y s i s 同时兼有稳态模拟和动态模拟的功能，用户可 以很方便地在稳态和动态模拟之间切换。a s p e nt e c h 公司则综合了其稳态模拟软件 a s p e np l u s 和动态模拟软件s p e e d 的特点，于1 9 9 7 年推出了同时具有稳态和动态 模拟功能的软件d 叮a m i c s 。d 吼m i c s 和h y s i s 是到目前为止仅有的两个通用 的、功能强大的、使用方便、用户界面十分友好【1 2 】的将稳态和动态模拟合二为一的著 名商业化软件。【1 3 ，1 4 】 1 2 化工过程系统的动态模拟 1 2 1 化工过程系统的动态特性 动态特性【l5 】是化工过程系统最基本的特性之一。在涉及间歇过程、连续过程的开 停工、连续过程的本征参数依时变化、控制系统的合成、过程系统局部与全局特性分 析以及利用人为非稳态操作，来强化过程系统性能和实现技术目标等问题时，都需要 系统动态特性的知识。不仅如此，动态特性还可以用来帮助我们辨识某些体统得结构、 过程的机理和估计描述系统性能的模型参数，甚至作为诊断过程系统运行故障的手 段。例如：精细化学品生产中经常采用间歇蒸馏、间歇反应、半连续反应等技术，过 程系统的状态本身就是随时变化的；而连续过程的开、停工阶段，系统的状态也是随 时变化的，因此怎样操作才能缩短开、停工时间，就要涉及系统动态特性的问题。何 况化工过程系统常常具有很强的非线性特征，对于这样的系统，要安全、顺利地开停 工，动态特性的知识就尤为重要。某些连续过程，由于催化剂迅速失活或者催化剂在 4 第一章文献综述 系统内循环过程中依次经过处于不同操作条件的区域( 如循环流化床催化反应器中的 过程和催化剂迅速失活的固定床催化反应器中的过程) ，实质上都是非定态的。作为 被控制系统合成的基础，在考虑非线性过程系统得操作、设计和控制等工程实际问题 时，定态多重性、定态稳定性、参数敏感性等系统定性分析的内容，也只有从其内在 的、动态特性分析的角度才能解决。近2 0 年来，诸如间歇过程的优化、变压吸附、 变温吸附、化学反应器强制周期操作等人为非定态操作技术的发展，也促使人们更深 入的去了解、研究和利用过程系统的动态特性。 总之，化工过程系统动态特性知识，对于在化学工程与工艺、化工过程自动化以 及相关领域工作的人员来说，都是十分重要的、基本的。【2 】 1 2 2 化工过程系统的动态模型 无论我们碰到和处理上述那一类与过程系统动态特性有关的实际问题，所需要的 最核心、最本质的知识，是如何科学的描述过程系统动态特性的规律，这意味着必须 选择或者建立一种既能反映过程系统本质特征，又相对简单明了的数学模型。模型化 ( m o d e l i n g ) 是现代化学工程方法论的重要组成部分，尤其是过程动态学的核心。 根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式，一般可以把数学模型分为 集中参数模型、分布参数模型和多极集中参数模型【1 6 1 7 】。集中参数模型认为状态变量 在系统中呈空间均匀分布，如强烈搅拌的反应罐就可以用这一类模型来描述。分布参 数模型认为状态变量在系统内呈现非均匀，但一般是连续的空间分布，如管式反应器 的模型通常就用分布参数模型。多级集中参数模型一般用于描述多级串联、级内状态 变量均匀分布的过程，如板式塔内的传质分离过程等。事实上，对于大多数过程系统， 状态变量在其中的分布既不可能是均匀分布的，也不是多级均匀分布的，更不可能出 现象模型描述的那种连续分布。模型往往只是简化了的近似描述而已。正因为如此， 对于一个特定的过程系统，无论其中状态变量的真实分布特征如何，往往可以等价地 用不同类型的模型来描述。例如，对于均相管式反应器，既能用带有弥散项( 有效传 递项) 的分布参数模型，也能很好地、近似等价地用多级集中参数模型来描述。对于 萃取塔等设备的过程模型，也有类似的情况。 根据建立模型的不同方法，一般可以将数学模型分为统计模型、确定性模型和介 于两者之间的半经验模型【1 6 ，1 7 】。统计模型又称为经验模型，纯粹由统计、关联输入输 出数据而得。其表达方式往往很简单，因而只需做少量计算就能得到所要的结果，但 是它的致命弱点是只能应用到建立模型时采集数据所涉及到的那些操作条件，或者可 以略作小范围的外推。确定性模型又称为机理模型，在化工过程系统领域内，除极少 数机械过程之外，确定性模型都是通过对所研究的体系或者系统内的某个微元，列出 质量、能量和动量守恒关系式，系统( 或微元) 内外质量、能量和动量交换速率系数 5 北京化工大学硕士学位论文 计算式，相关的相平衡关系，以及化学反应速率表达式( 如果有化学反应的话) 和化 学反应平衡计算式( 如果化学反应可逆的话) 而建立起来的。这些，实际上就像在化 工原理、化学反应工程等课程中所一再说明和运用过的那样。由于在建立确定性模型 时通常仅仅做了少数几项假设，它所处理的是更一般的情况，因而模型的普遍适用性 更强。确定性动态模型的数学表达形式如表1 1 所示。 + 表1 1 化工过程系统确定性动态模型的数学表达形式 模型类型模型表达方式应用形式 集中参数模型代数一常微分方程组理想搅拌罐反应器动态模型等 分布参数模型代数偏微分方程组填料塔、管式反应器动态模型等 多级集中参数模型代数一常微分方程组板式塔动态模型、串联c s t r 动态模型等 混合模型 卜沭二、= 樟剂的混合形式 多个单元过程组合而成的系统 近年来，人工智能技术的迅速发展及其在化工中的应用，大大推动了过程系统模 型描述和性能模拟方法的进步，这突出的反映在人工神经网络技术在过程系统性能模 拟方面的应用。人类的思维依靠大脑，而神经生物学和解剖学的研究成果证明，大脑 是由非常非常多的基本单元一神经元交织在一起的网状结构。每一个神经元都具有接 收、处理和传送信息的功能。一旦神经末梢受到的刺激超过一定水平，就可能引发某 些电化学效应，产生神经脉冲，并通过神经元之间的联系在网状结构中传播，最终导 致一系列生理活动。人工神经元网络数学模型就是对上述生物神经元网络主要特征与 功能的描述，因而这种模型在很多方面与人类智能类似，它对信息的处理影响速度快， 自适应性强，具有自学能力等，在过程系统动态模拟与控制方面显示出与其他类型的 模型相比独特的优势。【2 j 1 2 3 化工过程系统动态模拟的主要应用 动态模拟系统按功能应用主要分为设计型动态模拟系统和操作型动态模拟系 统。设计型动态模拟系统的用途【1 8 1 9 ，2 0 】有：分析单元操作设备经受动态负荷变化的能 力及可操作性；分析开停车及外部干扰作用下的动态性能，为装置及其控制系统的设 计提供依据，以实现加速开停车过程，节省能量，使系统对外界干扰的灵敏度减至最 小；通过仿真计算对多种控制方案进行优选，进而设计先进控制系统。 操作型动态模拟系统的用途有：以动态模拟手段来代替实际装置对操作所做出动 态响应，开发这种培训器可高效、安全地培训操作工人；以动态模拟手段来代替教学 实验设备，为培养学生实验能力带来方便。 6 第一章文献综述 1 2 4 化工过程稳态模拟和动态模拟的比较 稳态模拟是在装置的所有工艺条件都不随时间而变化的情况下进行的模拟，而动 态模拟是用来预测当某个干扰出现时，系统的各工艺参数如何随时间而变化。就模拟 系统而言，二者之间的比较如表l 2 【1 5 ，2 1 1 所示： 表l 2 稳态模拟和动态模拟的比较 稳态模拟动态模拟 仅有代数方程同时有微分方程和代数方程 物料平衡方程用代数方程描述物料方程用微分方程描述 能量平衡方程用代数方程描述 能量方程用微分方程描述 严格的热力学方法 严格的热力学方法 无水利学限制 有水利学限制 无控制器有控制器 对于稳态模拟，尽管从理论上讲，存在多种流程计算的方法，但几乎所有的商业 化稳态模拟软件都采用序贯模块法进行流程计算。对于动态模拟，其单元过程的模型 是描述该过程的一组如下形式的具有初值问题的微分方程和代数方程组： l 妾：似，y ，f ) i 出 。、“ ( x ，y ) = o iy ( b ) = y o 【 由于动态模拟是联立解所有的方程，它的计算速度很快，因此必须要有较好的算法才 能满足整个过程实时性和稳定性的要求。 1 2 5 化工过程动态模拟的今后发展方向 当前，我国在过程的模拟计算方面已经进行了一系列工作，并取得了令人瞩目的 成绩。但是，作为化学工程学科中较为年轻、发展最为迅速的子学科领域，还存在着 不少问题。目前它在工业界还没有得到广泛的应用。动态模拟软件的功能应当与动态 优化思路相结合，由于研究经费短缺、研究手段相对落后，流程模拟技术与应用领域 的发展受到了一定程度的限制。 从我国的现状和已有的成果看，针对我国过程工业调优和控制基础较差的特点， 7 北京化工大学硕士学位论文 在推行计算机集成过程系统中，只有应用人工智能化的优化和控制方法，对现有工业 装置、测量和控制设备进行特殊要求并降低投资成本，才有可能走出一条低投入、高 产出的路子。而引进专业软件的改进、消化吸收和二次开发是国内设计单位走向国际， 并与国际工程公司接轨的必要步骤。 动态计算机网络管理将实现整个炼厂的连续实时优化，这种动态模拟与管理技术 将向其他大型石油、化工领域深度发展。随着计算机的迅速升级和网络技术的迅速发 展，石油化工企业将从中得到最大程度的优化。【2 2 】 传统的过程系统工程多局限在对化工生产过程从设计、操作或控制层面上进行建 模与优化，均属技术领域。近年来，随着国际市场的竞争愈演愈烈，人们正在试图通 过改进企业业务过程以降低成本，提高产品质量和缩短市场的响应时间，从而保持在 竞争中的优势。因此，要在企业内部将工作过程、人的参与以及二者间的相互作用、 软件与硬件间的相互作用综合集成起来的同时，将企业本身与其所生存的环境相结 合，通过过程系统技术与管理的综合集成来实现过程企业整个供应链的整体优化和可 持续发展，充分发挥动态模拟的优势。【2 3 】 计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e 伊a t e dm a n u f a c t l l r cs y s t e i i l ，c 订s ) 是今后发展 方向之一。未来的过程系统综合研究热点在以下三个方面：第一，工艺流程和生产方 案的合成( p r o c e s ss y i l t l l e s i s ) ，主要目的是寻求技术先进可靠、操作优化合理的工艺 流程，这方面的成果主要应用于小规模、多品种、多批量、流程复杂、高附加值产品 的生产过程，如农药、医药、精细化工等部门的优化排产问题。第二，能量系统集成 ( p r o c e s se i l e r g yi n t e 孕a t i o n ) ，主要是对能量系统进行耦合集成，降低能耗。第三， 从过程集成思路出发，结合生态工业园区实例进行动态流程模拟，在此基础上开展不 确定条件下质量交换网络随机模型优化方法的研究，以及进行基于模糊知识推理的过 程综合是十分重要的课题。【2 4 】 1 3 化工过程动态仿真系统 1 3 1 化工过程动态仿真系统沿革 自8 0 年代以来，化工装置仿真机的应用越来越普遍，在化工装置的设计、操作 培训、控制系统研究及过程优化等方面发挥出越来越大的作用。化工装置仿真机研制 应用的主要理论与技术就是化工过程的实时动态模拟，即相关的建模与求解技术。 早期的第一代仿真机产品使用的工艺过程数学模型极为粗糙，基本上属于经验模 型( 黑箱模型) ，其软件系统结构亦较为混乱，基本上没有运用典型的流程模拟技术， 应用效果不理想。而且往往是在缺乏严谨的系统分析( 自由度分析、过程机理分析、 系统分解等) 的情况下，根据经验认定变量的动态行为的模式，再利用若干组稳态设 8 第一章文献综述 计数据或运行数据确定动态模型的参数，实际上是将稳态数据动态化。对于简单的过 程，这种做法行之有效，而对复杂过程设备( 如精馏塔) 或全流程，由于多变量强交 互作用的缘故，这种做法将出现严重失真。 9 0 年代初产生的第二代仿真机产品对第一代产品进行了改进。但这些改进主要表 现在硬件与软件环境方面，对工艺过程数学模型的改进缺乏实质性的成果，基本上停 留在大量积累案例和调试经验的水平上。许多有关研制人员在方法上倾向于建立大型 动态数学模型库，以供编程人员随时调用，而对模型机理的共性和系统框架的完善化 等课题研究深度不够，而且其求解联立微分方程组的方法都是不严谨的，既产生失真， 又易导致数值不稳定。 9 0 年代中期，有关技术人员将稳态流程模拟的关键技术引入化工装置仿真机的设 计制造领域，产生了第三代化工装置仿真机。新一代仿真机的设计与前期产品有着本 质区别。从设计思想、系统框架到关键技术，均融合了过程模拟领域的许多新观点、 新方法、新技术，并结合实时动态模拟的特点给予了发展。在此领域，国内已在关键 技术方面达到甚至超过国外产品水平。与国外商品软件相比，差距在于软件的技术集 成程度、商品化程度及品牌与资金方面的综合实力。在第三代仿真机产品中，不仅对 工艺过程采取了严谨的建模方案，而且对过程系统的结构，即流程结构也采取了模型 化的表达方式。对工艺设备之间的联结关系，采用了过程矩阵，对管网流线，采用了 邻接矩阵。在使用结构模型后，使得求解策略更为清晰严谨，研制开发工作更为高效。 尤其是涉及流程结构的计算，可以全部实现计算机自动识别与处理，极大地提高了模 拟工作效率，完全避免了人工处理的失误。这项技术的应用，是在借鉴稳态流程模拟 系统技术的基础上发展起来的，可以说是第三代产品的重要标志，也是动态模拟软件 实现商品化的技术关键之一。在建立过程设备模型时，一律从机理出发，列出相应的 微分或代数方程组b 引，这与将稳态数据动态化得到的微分方程组有本质的区别。又因 借鉴了稳态流程模拟中的双层法，因而可以使用严格模型进行快速求解计算。比如在 每次积分时，都要对所有物流进行平衡闪蒸的严谨计算，而对于早期仿真机，即使其 使用的是简化模型，这些计算也是无法快速完成的。 目前国际上较有名的动态仿真系统有美国的a b bs i m c o ni n c s i m c o n 动态模拟器 州，它提供用户统一的平台及智能化工具用来开发用户自己的工程和培训模型。这类 模拟器的发展方向是实时集成模拟系统，对涉及系统本身及周围环境的各种因素进行 定量的数学描述，根据某种目标要求，做出最优化决策和最优控制，产生最佳的管理 和控制效果。国内北京化工大学过程模拟优化中心开发的d s o 通用动态流程模拟软 件平台1 2 7 j ，不仅可对装置进行精确的动态仿真，而且可通过良好的人机界面再现实际 生产环境，因此输入数据、提出问题和输出数据、解决问题均可使用实际的、可操作 的、工程化的实时在线方式完成。它是利用面向对象的思想( o o p ) ，采用标准c c + + 语言编写的基于w i n d o w s n t 的全3 2 位软件平台。平台内部运用流程拓扑结构、 9 北京化工大学硕士学位论文 自动识别程序包等处理各独立对象之间的关系，使得开发者可以轻松高效地进行运 用。针对某一具体流程，开发人员可将自行开发的专用模块与平台中的通用模块通过 一定方式正确地搭接起来，经过调试工作完成整个流程的动态模拟工作。 1 3 2 化工过程动态仿真系统的应用 动态仿真系统用来模拟装置的实际生产，不仅能得到稳态的操作情况，更重要的 是当有波动或干扰出现时，系统会发生什么变化，通过动态仿真便可一目了然。以往 新装置开车前，操作员必须在同类装置进行培训、实习，以便取得第一手的实际经验。 这样做不但费时，费用高昂，更重要的是难以在实际装置上进行事故状态及异常情况 的操作培训，也难以保证能够进行开、停车的训练。而这一切都可以在动态仿真系统 上轻易实现。操作人员可以应用计算机仿真系统反复进行实践，练习调整生产、保持 操作稳定和训练开停车的能力：教员可通过设置故障，培养操作人员分析事故原因、 处理故障的能力；通过模拟不同控制方案下装置的动态行为，研究控制回路的最优设 计。因而动态仿真系统的出现，已使计算机培训逐渐取代了传统的实际装置培训。 1 4 管网系统计算 1 4 1 管网系统计算在化工过程模拟中的意义 在化工过程模拟系统的开发研究中，其管网系统计算是整个模拟系统的关键点之 一。管网系统结构复杂、变化多样，流体的压力和流量响应特性具有较强的非线性。 若网络拓扑结构稍有不同，其网络特性便有可能有很大的差别，而且流体压力具有扰 动双向传播、响应速度快的特点，导致管网系统数学模型中各个方程之间的耦合关系 较吲邪】，给数学模型求解带来很大的困难。 在管网系统中，由于压力与流量间的互相影响，使用常用的序贯模块法进行仿真 时，常常造成模型解的振荡【2 9 1 。而由于模拟系统本身快速性的要求，在一操作点附近 采用稳态模拟的迭代算法是不太现实的。同时，在模拟系统开发过程中，如果逐一去 编写每个管网系统的实时模拟软件，通常要耗费许多人力物力和大量时间，而且要求 开发人员具有相当全面、深入的专业知识。因而，在模拟过程中，如何协调处理过程 单元设备计算与管网系统计算，以正确反映系统的动态特性，同时还要求具有较快的 计算速度和简便的建模软件，这是一个值得研究的问题。 我们知道，管网系统起着连接和协调各过程单元设备的重要作用，从大系统的观 点来看，管网系统实际上相当于各过程单元子系统间的协调器。因而，在化工过程模 拟中，管网系统计算的主要目的是在各过程单元设备压力确定的情况下，计算管网中 l o 第一章文献综述 各节点的压力及各管路的流量，以保证化工模拟过程中的流量平衡与压力平衡【3 0 1 。 1 4 2 管网系统计算领域的发展 目前在管网系统计算领域的科研活动还是比较活跃的，特别是在电站仿真中【3 1 1 。 国外现已发表的仿真软件中( c e r t 黜蝌，a p p o s ，m m s ，c a m p ，s 3 ) 均有各自独 立的管网系统模型和算法。美国l i i l l 【公司的s 3 系统中的f l o w s h e e t s 是把节点压 力和管路流量置于一个方程组中统一求解。美国电力研究所的模块化建模系统m m s ， 没有将管网系统的计算分离出来作为独立的计算模块，而是将它们分离在各自的过程 单元设备模块中求解。由于管网系统特性的影响，为保证模块连接时不出现矛盾和错 误，m m s 将所有含有管网系统特性的过程单元设备模块分类，并规定了它们的连接 规范，同时设置了一个假想的模块以解决兼容性和数据之间的传递问题。1 3 2 j 美国c e 公司的c e r t r a n 软件包中设置了独立的管网系统软件t h l f 【3 3 ，3 4 1 ， t h l f 采用图形化的建模方法【3 5 ，3 6 j 。首先将管网系统抽象成节点和管路，然后根据管 网的拓扑结构，画出管网系统的节点管路关系图，再将过程单元设备加在图上，最终 建立的是三方程的数学模型，即将质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，并 全部采用网络拓扑算法求解。 国内近年来也有一些单位和个人研究和发表了一些关于管网系统的模型和算法 丌，大多数多采用了图形用户界面，但是基本上还是以生成源程序为目的，在源程序 中解决管网系统的计算问题。清华大学热能工程系开发的t h n p 软件包【3 8 l ( m m 谢 h y d r a u l i cn e t w o r kp r 0 铲锄) ，该软件采用节点压力法【3 9 1 ，可用于管网系统实时或非实 时的仿真计算。它建立了单相可压缩流体的管网系统模型，模型主要由流体的质量守 恒和动量守恒方程构成，并采用半隐式欧拉积分算法和稀疏矩阵求解技术。他们还把 拓扑分析运用于管网系统计算中，作出了一些有益的尝试，取得了一定的成效。【4 0 】 北京化工大学过程模拟优化中心也独立开发了管网系统的计算模块，并在多个化 工流程仿真项目中应用，也取得了不错的效果。秦导【4 l 】采用管网邻接矩阵描述化工流 程中的管网拓扑结构，通过分析拓扑结构中的串、并、分、汇四种基本拓扑特征来识 别管网，得出管网系统计算的自动建模与求解算法【4 2 】。利用该算法，只需输入管网邻 接矩阵，即可自动产生流量压力分布计算的数学模型并进行实时动态求解。赵汉江【4 3 】 提出了双层法l 4 4 j 求解管网系统方案，将非线性的严格模型进行离散化，构成线性的简 化模型，并用简化模型进行内层迭代、严格模型进行外层迭代，在保证了计算精度的 同时，提高了计算效率1 4 5 j 。 北京化工大学硕士学位论文 第二章管网系统的分解 在对管网系统进行动态模拟时，要先对管网系统进行稳态模拟，为动态模拟做好 准备。而在对管网系统进行稳态模拟时，首先要对管网系统进行分解，即通过对管网 系统进行分析，识别出管网系统中的独立结构，从而将管网系统分解成几个彼此独立 的管网结构。 管网分解技术的关键，就是构造通用识别算法，使计算机自动识别出管网系统中 的独立结构。 2 1 管网独立结构 通过对管网系统进行搜索，将相互关联的管路合并。其实质就是对管网系统中的 管路关系进行搜索，通过不断对相邻接的管路进行合并，最终识别出每一个独立子管 网，从而就可以把管网系统分解为几个子系统，实现管网系统的分解。将管网分解成 几个独立子管网后，再对每一个独立子管网进行的进一步的运算，从而把管网系统计 算问题分散为对几个独立子管网的计算。 下面先介绍几个基本术语： ( 1 ) 管网信息流图 把工艺流程图中的每个管路都看作一个管路结点，简称结点。结点之间用有向线 连接，就是管路联线，简称联线。联线的方向说明了管路之间的物流流向。那么具有 m 个管路的管网系统就可以用具有m 个管路结点和若干条管路联线的管网信息流图 来表示。 ( 2 ) 管网邻接矩阵 管网信息流图中两个管路结点，要么互相邻接，要么互不邻接。表达这种