（计算机科学与技术专业论文）长输管道真空干燥专家系统.pdf

中文摘要 长输管线作为石油天然气运输的载体，保证其运输安全是非常重要的。管 道中的水分不进行干燥处理而直接投产，会对管线的安全运行埋下隐患，甚至 会造成堵塞停输等较严重的事故。管道干燥的方法有干燥剂法、干空气干燥 法、真空干燥法等。其中真空干燥法的技术难度最高。这是因为：真空干燥采 用的真空泵实际抽速随着管道内的压力下降而抽速不断变化，是一个动态的过 程；管内的水分在不同的压力下的饱和蒸气压变化很大，也是一个动态的过 程；并且管道随着水分的大量蒸发还有一个温度逐渐下降的问题。为了预测管 道内的含水量和干燥时间，为工程的实施制定合理的进度计划，开发了长输管 道真空干燥专家系统软件。 此软件根据不同的真空泵机组，求出相应的名义抽速和有效抽速曲线。研 究中将真空干燥的过程分为三个阶段，分别求出各阶段干燥时间，相加后得到 总的时间。 此软件的设计思想是以工程实用性为基础的，进行了合理的假设，并考虑 了不同工作真空度下的修正系数，采用了积分的思想，满足了工程中准确度， 并能绘制不同干燥阶段的干燥曲线。 在软件使用方面力求其易操作性，在用户输入相关工程参数，如：管径， 管长，温度，以及真空泵组的抽气特性曲线的离散点等后，即可完成抽气时间 的计算。 该软件经试验检验和工程实际应用，同现场吻合很好，可认为是一个比较 成功的长输管道真空干燥抽气时间预测软件。 关键词：管道干燥；真空干燥；真空干燥专家系统 a b s t r a c t l o n g - d i s t a n c ep i p e l i n ei st r a n s p o r t a t i o nc a r r i e ro fo i la n dn a t u r a lg a s ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt oe n s u r et h es a f e t yo fi t st r a n s p o r t a t i o n i ft h ep i p e l i n ei sd i r e c t l yp u ti n t o p r o d u c t i o nf a i l u r eo fd r y i n g 订e a t m e n t ，t h eh i d d e np r o b l e mw i l lb ec a u s e df o rt h es a f e o p e r a t i o no f p i p e l i n e ，e v e nr e s u l t i n gr a t h e rs e r i o u sa c c i d e n to f c l o g g i n ga n ds h u t d o w n t h em e t h o do fp i p e l i n ed r y i n gi n c l u d e sd e s i c c a n td r y i n g ，d r ya i rd r y i n g ，v a c u u m d r y i n ga n de t c ，a m o n go f w h i c hv a c u u md r y i n gi st h em o s td i f f i c u l ti nt e c h n i q u e t h e r e a s o ni st h a tt h ep u m p i n gs p e e do fv a c u u mp u m pu s e df o rd r y i n gw i l lv a r yw i t ht h e f a l l i n go fp i p e l i n ep r e s s u r ea n d i ti sad y n a m i cp r o c e s s ，a sw e l la st h et e m p e r a t u r e d r o po np i p e l i n ew i l lo c c u r a sm a s sm o i s t u r ee v a p o r a t e i no r d e rt op r e d i c tt h ew a t e r c o n t e n ti n p i p e l i n ea n dd r y i n gt i m e ，p l a no u tr e a s o n a b l ep r o g r e s ss c h e d u l ef o r c a r r y i n go u tp r o j e c t , t h ee x p e r ts y s t e ms o f t w a r eo fv a c u u md r y i n go nl o n g d i s t a n c e p i p e l i n eh a s b e e np r o g r a m m e d t h es o f t w a r er e c k o n st h er e l e v a n tn o m i n a lp u m p i n gs p e e da n de f f e c t i v ep u m p i n g s p e e dc u r v ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tv a c u u mp u m ps e t s t h ep r o c e s so fv a c u u md r y i n g i ns t u d yi sd i v i d e di n t ot h r e ep h a s e sa n ds e p a r a t e l yc o m p u t e sd r y i n gt i m e a d d i n gu p t oo b t a i nt o t a lt i m e t h es o f t w a r ep r o g r a m m i n gi d e ab a s e do nt h ep r a c t i c a l i t yh a sb e e nr e a s o n a b l y a s s u m e da n dg i v e nc o n s i d e r a t i o no f t h ec o r r e c t i v ec o e f f i c i e n tu n d e rd i f f e r e n tv a c u u m d e g r e e ，a d o p t e di n t e g r a t i o nt om e e tt h er e q u i r e da c c u r a c ya n dp l o td r y i n gc u r v ea t d i f f e r e n ts t a g e t h es o f t w a r ea t t e m p t st oe a s ys e r v i c e a b i l i t yb yi n p u t t i n gt h er e l a t e do p e r a t i o nd a t a i nu s e r ，s u c ha sp i p ed i a m e t e r , p i p el e n g t h ，t e m p e r a t u r e ，d i s c r e t ep o i n to fp u m p i n g p e r f o r m a n c ec u r v eo fv a c u u mp u m ps e t sa n de t c ，i tw i l lb e a b l et of i n i s ht h e c a l c u l a t i o no f p u m p i n gt i m ei m m e d i a t e l y t h i ss o f t w a r eh a sb e e nt e s t e da n dp u ti n t op r a c t i c e ，m a t c h i n gw i t hf i e l do p e r a t i o n v e r yw e l l i ti sc o n s i d e r e da sr e l a t i v e l ys u c c e s s f u lf o r e c a s ts o f t w a r ef o rp u m p i n g s p e e dt i m eo f v a c u u md r y i n go nt h el o n g d i s t a n c ep i p e l i n e k e y w o r d s ：p i p e l i n ed r y i n g ，v a c u u md r y i n g ，e x p e r ts y s t e mo fv a c u u m d r y i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：羽，翻 签字日期：山年彳月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘茎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权鑫壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孑确导师签名：压长3 签字日期：d “年方月享。日签字日期：) 一，年护月日 第一章绪论 第一章绪论 管道工程施工是管道局的支柱产业，而长输管道干燥施工是其中重要的一 个环节。在管道工程施工中保质保量的按期完工是对业主的一项重要承诺，因 此施工工期的安排至关重要。管道干燥施工处在工程的后期阶段，它的工期安 排对整个工程能否按期完工有着重要的意义。以往管道干燥施工的工期安排多 靠经验丰富的专家对施工进度进行安排，随着管道局的施工能力快速提升，工 程量逐年增加，仅通过专家建议已经不能满足现实施工的要求。在这种情况 下，为了解决管道真空干燥施工中工期预测，合理安排工程进度，减少人为因 素的影响，开发了长输管道真空干燥专家系统。 管道产业已经进入一个快速的发展时期。当工程进度成为一种重要的信息 时，专家系统就成为一个必然的选择，长输管道真空干燥专家系统只是其中的 一个环节。经济的快速发展和业务环境的变化是管道专家系统发展的主要原 因。 1 1 长输管道干燥技术的应用 1 1 1 常用长输管道干燥法的简介 管道干燥是长输管道投产作业的重要一环。天然气管道的预投产是指管道 水压( 或气压) 试验、管道除水( 或称脱水) 、干燥到引入天然气置换或者氮 气置换的全过程。目前常用的干燥方法主要有真空干燥法、干空气( 或氮气 等) 吹扫干燥法和甲醇( 或乙二醇等) 扫线干燥法。这三种方法各有优缺点。 要根据具体情况进行选择。 干空气吹扫干燥的优点是干燥水平一般；干燥时间相对较短；在干燥的同 时若采用除尘工艺，可使管道在通天然气前达到很高的清洁水平，这一点是其 它干燥技术无法做到的；干燥的过程易于控制。其缺点是，对于大口径管道， 设备占地面积很大，需要消耗大量的燃油或电力来制取干空气。 甲醇扫线干燥法的优点是，除了小口径管道外，甲醇扫线是速度较快的干 燥方法；可干燥的管道的长度仅受限于清管器的性能；在低温环境下也可以使 用。其缺点是，甲醇的易燃、易爆和剧毒性物质，使干燥技术的难度和风险高 于其它干燥技术；目前在长输管道上使用较少。 第一章绪论 真空干燥法的优点是可靠性高，管道中所有的水都可以除去；能达到很低 的露点，在使用氮气扫线时最低能达到6 8 1 2 ；设备占地小，成本低，在管道一 端作业，这对于海底管道和难以用其它方法干燥的多汇管道非常有利；不会产 生明显的废物；易于气体输入完成投产。其缺点是受温度限制较大，很多时候 需要同干空气干燥结合使用。 对于不同的管道工程情况，上述几种干燥方法都有可能被采用。 1 1 2 真空干燥法国内外研究与应用现状 对于真空干燥法干燥长输管道的例子国内外都有，但公开发表的论文不是 很多。主要的应用实例有日本的j g c 公司对阿尔及利亚的一条2 2 0 k i n 的管道 进行了真空干燥，在作业中，将管道分为1 0 4 k m 、1 1 3 k i n 、和3 4 k m 三段分别 进行干燥。我国南海的崖城1 3 1 输气管道是迄今为止采用真空干燥法的最长管 道，直径7 1 i m m 、长7 7 8 k m 。总干燥时间为7 5 天，其中包括一些处理问题的 时间，净干燥时间是6 0 天。另外，由管道局承担的利比亚管道工程1 0 5 4 k m 也 使用真空干燥技术顺利地完成了管道干燥施工任务。 目前，国内外对真空干燥应用于长输管道的研究仍处于不断发展之中，还 没有完整的理论系统和软件。 中国石油天然气管道第四工程公司从事管道干燥施工已有近l o 年的时间， 积累了很多的历史数据，目前迫切需要将数据转化为有用的信息，转化为对公 司管理决策有参考价值的信息。因此决定在真空干燥理论研究的基础上，通过 对专家系统的分析与理解，开发设计真空干燥专家系统软件来计算总的干燥时 间，对管道干燥施工工期的安排进行理论性指导。 第二章长输管道真空干燥专家系统简介 第二章长输管道真空干燥专家系统简介 2 1 专家系统简介 2 1 1 专家系统的概念 在日常生活与工作中，我们经常会遇到一些需要“专家”水平才能解决的复 杂问题，这时我们会希望得到该领域专家的具体帮助与指导，但这往往需要大 量的时间和不菲的费用。如何才能花较少的时间、较低的费用和便捷的方式来 求得所需的答案呢? 伴随着人工智能技术与应用的发展，我们将目光投向了专 家系统i l j 。 所谓“专家”，一般都拥有某一特定领域的大量知识，以及丰富的经验。在 解决问题时，专家们通常拥有一套独特的思维方式，能较圆满地解决一类困难 问题，或向用户提出一些建设性的建议等。 那么，什么是专家系统昵? 简单地讲，专家系统就是一个具有智能特点的 计算机程序，它的智能化主要表现为能够在特定的领域内模仿人类专家思维来 求解复杂问题，实现了人工智能从科学研究走向实际应用，从一般思维方法探 讨转入专门知识运用的重大突破。因此，专家系统必须包含领域专家的大量知 识，拥有类似人类专家思维的推理能力，并能用这些知识来解决实际问题。例 如，一个医学专家系统就能够像真正的专家一样，诊断病人的疾病，判别出病 情的严重性，并给出相应的处方和治疗建议等。 专家系统具有求解问题的专业性、灵活性、透明性，实用性和高效性等特 点，特别适用于解决决策性问题；无确定理论计算模型通常靠经验来解决的问 题以及数据不精确、不完全、用模糊推理、不精确推理求解的问题。尽管专家 系统在人类知识转化、机器学习、推理能力等方面存在局限性，还不能达到专 家的真实水平，但已在数据分析系统、诊断系统、监督系统、预测系统、设计 系统中得到成功应用，协助解决一些实际问题，特别适用于人类专家缺乏的场 合嘲川。 目前，专家系统在各个领域中已经得到广泛应用，并取得了可喜的成果， 例如个人理财专家系统、寻找油田的专家系统、贷款损失评估专家系统、各类 教学专家系统等。 第二章长输管道真空干燥专家系统简介 2 1 2 专家系统的构造 专家系统的基本结构如图2 1 ，其中箭头方向为数据流动的方向。专家系统 通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6 个部分构成【l 】 专寡、知识工程师用户 图2 1 专家系统结构图 知识库用来存放专家提供的知识。专家系统的问题求解过程是通过知识库 中的知识来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专家系统质量是否优越的 关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。一般来 说，专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、 完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。 人工智能中的知识表示形式有产生式、框架、语义网络等，在专家系统中 运用得较为普遍的知识是产生式规则。产生式规则以i f t h e n 的形式出 现，就像b a s i c 等编程语言里的条件语句一样，i f 后面跟的是条件( 前件) ， t h e n 后面的是结论( 后件) ，条件与结论均可以通过逻辑运算a n d 、o r 、 n o t 进行复合。在这里，产生式规则的理解非常简单：如果前提条件得到满 足，就产生相应的动作或结论。 例如，在“动物识别”专家系统中有这样一条规则： 球能做单腿跳吗= 否a n d 在苏格兰吗= 是a n d 高度= 大 t h e n 动物= 马 在这条规则当中，l f 后面的前件中包含三个条件，只有三个条件都得到了 满足，才能得出该动物是“马”。反之就得不出这个结论。产生式专家系统的知 - 4 - 第二章长输管道真空干燥专家系统简介 识库中包含了大量的规则，换言之，这里的知识库就是一个规则集1 4 】。 推理机针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得 新的结论，以得到问题求解结果。在这里，推理方式可以有正向和反向推理两 种。正向推理是从前件匹配到结论。反向推理则先假设一个结论成立，看它的 条件有没有得到满足。由此可见，推理机就如同专家解决问题的思维方式，知 识库就是通过推理机来实现其价值的。 人机界面是系统与用户进行交流时的界面。通过该界面，用户输入基本信 息、回答系统提出的相关问题，并输出推理结果及相关的解释等。 综合数据库专门用于存储推理过程中所需的原始数据，中间结果和最终结 论，往往是作为暂时的存储区。 解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，因而使专家系 统更具有人情味。 知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，也是专家系统设计的“瓶颈” 问题，通过知识获取，可以扩充和修改知识库中的内容，也可以实现自动学习 功能1 1 3 1 。 2 1 3 专家系统工作流程 专家系统的基本工作流程是，用户通过人机界面回答系统的提问，推理机 将用户输入的信息与知识库中各个规则的条件进行匹配，并把被匹配规则的结 论存放到综合数据库中。最后专家系统将得出最终结论呈现给用户。 在这里，专家系统还可以通过解释器向用户解释以下问题：系统为什么要 向用户提出该问题( w h y ) ? 计算机是如何得出最终结论的( h o w ) ? 领域专家或知识工程师通过专门的软件工具，或编程实现专家系统中知识 的获取，不断地充实和完善知识库中的知识i l “。 2 2 长输管道真空干燥专家系统开发平台 本系统使用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发平台，主要是看重v b6 0 具有的强大 数据库连接和数据处理功能。 5 1 利用数据库管理窗口，用户可直接创建a c c e s s 数据库，还可直接编辑和访问其他外部数据库。v i s u a lb a s i c 可以使用数据访问 对象访问数据库，o d b ca ll 连接数据库，使用远程数据对象访问数据库， a d o 数据控件访问数据库。与普通的数据库开发平台相比，用v i s u a lb a s i c 作 为数据库开发平台有以下优点： ( 1 ) 简单性。v i s u a lb a s i c 提供了数据控件，利用该控件，用户只要编写 第二章长输管道真空干燥专家系统简介 少量的代码甚至不编写任何代码就可以访问数据库，对数据库进行浏览。 ( 2 ) 灵活性。v i s u a lb a s i c 不像一般的数据库局限于特定的应用程序结 构，也不需要用某些指令对当前打开的数据库进行操作，因而比较灵活。 ( 3 ) 可扩充性。v i s u a lb a s i c 是一种可以扩充的语言，其中包括在数据库 应用方面的扩充。在v i s u a lb a s i c 中，可以使用a e t i v e x 控件，这些控件可以由 微软公司提供，也可以由第三方开发者提供。有了这些控件，可以很容易地在 v i s u a lb a s i c 中增加新功能，扩充v i s u a lb a s i c 数据存取控制的指令系统。 此外v i s u a lb a s i c 中的s e t u pw i z a r d 可制作生成规范的带安装的用户盘，使 开发人员采用v i s u a lb a s i c 开发工具设计的应用程序在编译生成可执行文件以 后，脱离v i s u a lb a s i c 环境，并制作成标准安装盘提交给用户使用，用户可直接 在w i n d o w s 环境下进行安装和运行0 9 1 。 2 3 长输管道真空干燥专家系统建模 长输管道真空干燥专家系统采用面向对象方法来构造系统软件的开发方 法。面向对象方法的基本原理是按照人类自己认识客观世界的一般方法和一般 的思维方式去分析问题和解决问题。人类认识客观世界有两个基本过程，一个 是从特殊到一般的归纳过程，另一个是从一般到特殊的演绎过程。这两个过程 在面向对象中都得到了充分的体现。对象、类和继承性是面向对象的三大要 素。也就是数据抽象、抽象数据类型和类型继承。面向对象方法具有从应用设 计到解决问题的方案更加抽象化，而且具有极强的针对性、在设计中容易和客 户沟通、把数据和操作封装到对象里去的特点1 1 8 1 。 2 3 1 面向对象方法分析( o o a ) 2 3 1 1 面向对象分析( o o a ) 的概念 面向对象分析( o o a ) 就是运用面向对象的方法进行需求分析。其基本任务 是运用面向对象的方法，对问题域和系统责任进行分析和理解，对其中的事物 和他们之间的关系产生正确的认识，找出描述问题域及系统责任所需的类及对 象，定义这些类和对象的属性与服务，以及他们之间所形成的结构、静态联系 和动态联系。最终的目的是产生一个符合用户需求，并能够直接反映问题域和 系统责任的o o a 模型及其详细说明。 2 - 3 1 , 2 面向对象分析方法的步骤 面向对象分析( o o a ) 最为典型的代表之一是c o a d 和y o u r d o n 的5 层次分析方 第二章长输管道真空干燥专家系统简介 法由以下5 个步骤组成。 ( 1 ) 确定对象类。对于给定的应用领域，一个合适的对象集合能确保可复 用性，提高可扩充性，建立规范的对象集合对软件开发有着重要的意义。 ( 2 ) 确定结构。结构层确定了对象之间的组装和继承关系，可确定的结构 有两种：一般特殊结构、整体部分结构。前者建立继承关系，后者建立组装关 系。一般，特殊结构表示方法如图2 - 2 所示，整体，部分结构表示方法如图2 - 3 所示， 连接符两端所标的数字或字母用于表明该结构中对象实例的“多重性”，即位于 连接符一端的一个对象实例，要求另一端多个对象实例与自己进行整体，部分组 合。 i 一般类 i il j 整体类 a i 部分类 i 图2 2 一般特殊结构表示法 图2 3 整体部分结构表示法 ( 3 ) 定义主题。通过建立多个主题来处理规模较大的复杂模型，每个主题可 以看作一个子模型。 ( 4 ) 定义属性及实例联系。属性是描述对象静态特征的一个数据项，而实 例联系用于表达对象之间的静态联系，即通过对象属性来表示一个对象对另外 一个对象的依赖关系。 ( 5 ) 定义服务及消息联系。就是建立对象之间的动态关系，建立动态关系 是为了说明所确定的各种对象是如何共同协作，使系统运作起来。其步骤为： 首先确定在每个对象中必须封装的一组服务，然后将服务与对象的属性相比 较，验证其一致性。如果已经确定了对象的属性，那么每个属性就必须关联到 某个服务，否则这个属性对于这个对象来说形同虚设。消息连接是对象之间的 行为依赖关系。即：若类a 的对象在它的服务执行时需要向类b 的对象发送消 息，则称存在着从a 到b 的消息连接。一个对象必须识别每个发生或出现的事 件，然后产生发送给其它对象的消息，那么，接收消息的对象必须产生相应的 响应。 经过上述5 个步骤，就可以建立系统的模型。 第二章长输管道真空干燥专家系统简介 2 3 2 长输管道真空干燥专家系统参照o o a 模型图 图2 4 给出了长输管道真空干燥专家系统的参照o o a 模型。图中箭头表示 对象间的消息路径。主机的所有数据处理都是基于数据管理，在本次设计中采 用的就是y t m d b 和y r 9 7 m d b 两个数据库。模型的核心部分还是专家系统， 它的设计质量直接影响系统的准确性。 图2 - 4 系统参照o o a 模型 2 4 长输管道真空干燥专家系统的软件设计思想 长输管道真空干燥专家系统软件设计采用三层结构，即数据采集与转换系 统、数据计算系统、数据分析系统。软件开发采用v i s u a lb a s i c 及其d a o 技 术。 真空干燥专家系统的数据采集和转换系统是本软件的基础和前提。它主要 完成两方面的工作：第一是建立两个数据库，分别用来存放名义抽速三次样条 插值函数系数表和不同温度下水的饱和蒸气压三次样条插值函数系数表；第二 是利用v i s u a lb a s i c6 0 提供的数据访问引擎接口数据访问对象( d a o ) 访问数据库。通过输入真空泵组名义抽速离散点，系统自动给出组别号存入数 据库，用户可以选择相应的数据组别进行插值计算，系统将对应的插值函数系 数表存入相应的数据库表中，为真空干燥时间的计算提供数据基础。 数据计算系统是真空干燥专家系统的核心。它利用访问数据采集和转换系 统中的数据库，当用户输入泵端口压强x ，系统根据相应边界条件选择相应的 插值系数表组计算出名义抽速及有效抽速；当用户输入一个温度t 后，系统也 可以相应计算出此温度下水的饱和蒸气压。在此基础上，系统通过对不同真空 度下的管道干燥时间、管道内水膜蒸发量进行计算，为数据分析系统提供支 第二章长输管道真空干燥专家系统简介 持。 数据分析系统是真空干燥专家系统的终端。它使用专家经验对数据计算系 统的计算结果进行分析验证，得出总的抽气时间即干燥总时间，并绘制相 应的曲线。 第三章长输管道真空干燥原理和计算 第三章长输管道真空干燥原理和计算 3 1 真空干燥技术术语 平均自由程( m e 孤f r e e p a t h ) 平均自由程，系指粒子( 分子、电子、离子、中子等) 和同类粒子或异类 粒子相继两次碰撞时所飞越的平均距离。符号为九。 流量或抽气量( t h r o u i g h p u t ) 单位时间内流过真空泵或管道中某截面的气体量，称为流量或抽气量。在 真空技术中，该量用某截面上的压强乘以单位时间内流过的气体体积来表示， 有时简称为q 值，符号为q 。单位为p a m 3 s ，t o r r 1 s 等。 气导( c o n d u c t a n c e ) 气导表示气体在真空泵或管道中流动难易程度的量。在抽气系统中，设流 过的气体流量为q ，其中两点( 截面) 之间的压强差为p 1 - p 2 ，则c = q ( p i p 2 ) ，式中的c 即为两点( 截面) 之间的气导。但是，这种气体要处于稳定状 态中，即在那两点( 截面) 之间的气体既不喷出也不吸入。气导的符号为c ( 有时也使用u 或f ) ，单位为m 3 s ，i s ，c c s 。 ( 注：气导的倒数即为流阻。气 导值随气体的种类、温度和压强的不同而变化，但在分子流状态下与压强无 关。) 粘滞流( v i s g o u sf l o w ) 气体分子平均自由程远小于管道或真空系统横截面的最小尺寸时，流动的 气体流称为粘滞流。因此，根据气体粘滞性的不同，气体流动不是形成层流 ( l a m i n a r ) 。就是形成紊流( t u r b u l e n t ) 。 分子流( m o l e c u l a rf l o w ) 在管道内压强较低、气体分子平均自由程大于管道横截面的最大尺寸时， 流动的气体流称为分子流【。 前级真空泵( f o r ep u m p ) 前级真空泵用于保持工作真空泵的前级压强低于临界值。 罗茨泵( r o o t sp u m p ) 是由一对特殊设计的8 字型转子组成，是一种典型的机械增压泵。 第三章长输管道真空干燥原理和计算 3 2 真空干燥基本原理 在真空干燥过程中，由于水的沸点随着压力的降低而降低，当管道中的压 力降到相应温度下的水的饱和蒸气压时，管道中的水分将大量汽化，变成蒸气 进入管道中形成湿气体，最终被真空泵抽走，达到干燥的目的。设蒸气为理想 气体，则应符合理想气体状态方程。 p v ；兰r 丁 ( 3 1 ) 一 肘 式中：p 、v 、t _ 一分别为蒸气压、体积和温度 i o 气体常数 m 、m 一蒸气的相对分子质量和质量。 在低压下水的相变过程与常压力下大体相似，但相变时的温度不同。例如 在1 0 0 0 帕压力值，固态转化为液态的温度略高于0 。c ，而液态水转化为蒸气的温 度约为6 3 1 2 ，可见降低压力后冰点变化不大，而沸点却大大降低了。可以想 象，当压力降低到某一值时，沸点即与冰点相重合，固态冰就可以不经液态而 直接转化为汽态，这时的压力称为三相点压力，相应温度为三相点温度。水的 三相点压力p o = 6 1 0 5 p a ，三相点温度t o = 0 0 0 9 8 。在压力低于三相点压力时， 固态冰直接转化为汽态，称为升华。图3 1 所示为纯水的相平衡。表3 一l 为水 在各种温度下的饱和蒸气压1 1 1 】。 t ( k ) 图3 一l 纯水的相平衡 表3 - 1 水在各种温度下的饱和蒸气压 温度l i 压力 i 温度0 压力 ll p a i t o n li r 。 il t o 。 8 l i9 j 3 9 2 2 5 41 6 9 l以o li 3 孙5 0 2 1 4 9 第三章长输管道真空干燥原理和计算 l l080 4 9 3 6 1 9 8 2 7 1 54 ii 船9 6 0 3 朋 1 10l i ，i l 研s ii 姗s o 0 6 1 0 a 0 4 5 7 9 i ll il l 8i l 7 0 瑚1 7 _ 5 1 31 0 0 1 2 2 8 0 9 2 0 9 - ， 9 - 9 7 0 z ， l l0 1 7 0 1 9 3 7 0 1 4 5 3 i j8 f 8 z 螂 l ：l o ， i 2 0 l i 2 3 3 7 0 1 7 5 4 l i l il ” 0 ，矧 i 2 6 7 4 3 0 0 4 2 4 2 i 3 1 舵 0 ，7 l 6 2 7 44 7 0 73 3 0 5 0 2 93 7 7 3 l l0 4 0 l i 7 3 7 85 5 3 24 38 6 3 8 8 6 4 8 0 l il ，邡i s 。8 脚，。 0 哪- 4 7 9 1 0 6 1 0 i 80 5 3 0 1 4 2 9 01 0 7 25 71 7 3 1 0 8 1 2 9 8 l 6 0 l 1 9 9 1 01 4 9 46 32 2 8 4 0 0 ”1 。4 i 6 72 7 3 2 0 2 0 5 0 7 3 i l 3 5 4 2 0 l l 2 6 5 7 l l 7 74 1 8 7 0s l 8 35 3 4 0 0 桃6 8 76 2 4 8 04 6 8 79 3 9l 7 8 4 6 0 8 5 船。6 i 0i 9 79 0 9 2 06 8 2 11 0 01 0 1 3 2 , 5 0 7 6 0 0 l 1 0 l1 0 4 9 8 07 8 7 6 il i 3 3 真空系统设计与计算 真空系统设计计算的目的是依据某一具体真空干燥设备的实际需要，设计 配置出能够满足工艺要求的真空系统。 第三章长输管道真空干燥原理和计算 3 3 1 真空系统设计的已知条件和基本要求 设计真空系统时，通常是把真空室作为已知的被抽容器，然后确定能够满 足工艺要求的抽气系统，在进行真空系统设计之前应首先掌握如下已知条件。 真空室的工艺参数，应包括工作真空度、极限真空度和抽气时间( 包括 预抽真空时间和达到极限真空度的时间) 等。 真空室的结构参数，包括真空干燥室的容积，暴露在真空室内的表面面 积。 真空室的气体负荷，主要包括真空室内的大气，真空室及室内构件的表 面放气，真空室的漏气，工艺过程中被干燥物料的放气等。 从真空角度考虑，在设计抽气系统的具体结构时应满足如下基本要求。 为提高抽气系统的通导能力，系统中各元件间的管道应短而粗，少弯 曲，主泵和真空室间的管道直径不应小于主泵吸气口的直径。 系统应本着串联可以提高极限真空度并联可以提高抽气速率的原则，组 合各泵间的抽气程序。 为了保证系统的密封性能，被抽系统的总漏气率须限制在允许漏气率范 围之内。 为了防止机械泵振动和返油，在机械泵入口处应设置缓振软管和放气 阀，为节省能源、缩短工作周期，对大型真空系统应配置维持泵。 为实现系统的自动操作和安全运转，在抽气系统和水冷系统上应分别设 置真空继电器和水压继电器，对复杂大型的真空系统可考虑选用微机程序控 制。 真空系统建成后应便于测量和检漏，为迅速找到漏孔，应进行分段检 漏，因此每一个用阀门封闭的空间至少应设置一个测量点，以便于测量和检 漏。真空计测量安装管应直立【8 j 1 1 ”。 3 3 2 真空系统的设计计算程序 真空系统一般的设计计算程序为： 计算真空室内的总放气量； 确定真空室的有效抽气速率； 对复杂真空系统首先粗选主泵和粗配主泵的前级泵； 按要求配置阀门、捕集器、除尘器等相关元件； 绘制真空系统草图，确定真空系统各部位尺寸，为精算创造条件； 精算各真空泵，包括真空度和抽气时问的计算，确认是否满足给定的参 第三章长输管道真空干燥原理和计算 数要求，如达不到要求应重新选泵和配泵，直到满足已定的参数要求为止【1 0 l 。 3 4 真空系统设计中的主要参数计算 3 4 1 真空室的气体负荷 真空室内的气体总负荷是真空系统计算中最重要的依据之一。除了初始时 充满真空室和管道内的容积性气体之外，气体负荷主要还包括以下几点： ( 1 ) 干燥过程中水的汽化量q s ( p a m 3 ， 在干燥过程中放出水蒸气的流量可近似由下式计算： q g - 堕坠 ( 3 - 2 ) f 式中：m w 在干燥过程中蒸发出的水的质量，k g ： r w 一水蒸气的气体常数，r w = 4 6 1 9 j ( k g k ) ； r 一真空干燥室的气体温度，k ； 卜物料的干燥处理时间，s 。 对于处于稳恒作业下的连续式真空干燥设备，这一放气量在干燥过程中可 作为恒定值处理；对周期性作业的干燥设备，q t 还应乘以一个大于l 的放气不 均匀性系数。 ( 2 ) 真空室的漏气q l ( p a m 3 s ) 主要通过壳体渗透到室内的气体。漏气的大小既可以直接用漏气速率来表 示，也可以用真空室的压强增长率( 压升率，p a s ) 来表示，后者乘以真空室 的总容积( m 3 ) 即为前者。真空室在设计时都要规定其总漏气速率，国内真空 干燥设备一般规定允许漏气速率在1 0 。2 1 0 p a m 3 s 的范围内。【1 习 ( 3 ) 真空室的极限真空 n p 尸p o + 兰生 ( 3 3 ) sp 式中：p r 一真空室所能达到的极限真空( p a ) ； p 口一真空泵的极限真空( p a ) ： q o 一空载时，长期抽气后真空室的气体负荷( 包括漏气、材料表面 出气等) ( p a m j s ) ； s 。- 一真空室抽气口附近泵的有效抽速( m 3 s ) ； 真空室的极限真空总是低于真空抽气机组的极限真空，两者之差取决于 q o ，s p ，在s p 一定的条件下，真空室的极限真空正比于真空室的漏气和出气。 第三章长输管道真空干燥原理和计算 ( 3 - 4 ) 式中：p r 真空室工作压力，p a ： q r 一工艺生产过程真空室的气体负荷，p a m 3 s 。 从经济方面考虑，工作压力最好选在主泵最大抽速附近的压力值。 ( 5 ) 水膜蒸发速率 若保证物料表面进行湿分汽态传质所需要的干燥室的工作真空度为p ，其 出口处的有效抽气速率s 。，则有： ps,mrt+qf+ql(3-5) 式中：p _ _ 干燥室工作压力，p a ； s r 干燥室出1 ：3 处的有效抽气速率，m 3 s ： m 湿分摩尔质量，k g m o l ； m 单位时间内汽化的湿分质量，即干燥速度，k e t s t _ 干燥热力学温度，k ； r = 8 3 1 4 j ( m 0 1 目，为摩尔气体常数； q r 干燥室内各构件的总放气速率，p a l s q l 一千燥室的漏气速率，p a l s 。 对于长输管道工程，可忽略q f 与q l 。 3 4 2 流量与流导计算 3 4 , 2 3 稀薄气体的流动状态 被抽气体沿管道流向泵时，由于受到管道阻力，会使真空泵的抽气速率产 生一定的损失。其损失的大小不仅与管道的几何尺寸有关，而且也与气体的性 质及气体的流动状态( 压强) 有关。低压下气体在管道中的流动状态与常压时 不同，流动状态可分为四种：湍流、粘滞流、粘滞一分子流和分子流。 真空系统中的真空泵从大气开始工作后，被抽气体在动压差的作用下而产 生了流动。这种流动在开始抽气的一段时间内，气体交错而混乱地沿管道流 动，有时会出现旋涡，气流的这种流动状态为湍流。 经过一段时间抽气后，管道中的气体即转入有规律的流动状态。此时旋涡 已经消失，各部分气体互不干扰地按其确定的轨迹流动，这种流动状态称为粘 滞流。粘滞流发生在低真空区域或中真空区域，在这两个区域中，气体分子密 第三章长输管道真空干燥原理和计算 度还比较高，因而分子间的碰撞仍然比较频繁，此时因碰撞所引起的内摩擦力 是决定气体运动规律的主要因素，管道真空干燥设备所要求的真空工艺条件大 多在此压强范围内。 随着抽气过程的继续进行，在