（计算机应用技术专业论文）氧化铝蒸发流程模拟系统的研究与软件设计.pdf

摘要 氧化铝蒸发过程是氧化铝生产中的高耗能过程，其能耗约占氧化 铝生产能耗的4 0 - 5 0 。为了便于分析和优化氧化铝蒸发流程中蒸 汽消耗的分布，所以利用计算机对氧化铝蒸发过程进行仿真模拟，从 而分析找出影响蒸发工艺流程的关键因素来指导生产和工艺流程的 改进和实现流程的优化控制，对提高生产效率，达到节能降耗有重要 的意义。 在详细分析氧化铝生产蒸发工序流程的基础上对蒸发流程模拟 系统进行了功能需求分析，运用u m l 建模工具对组成模拟系统运行 框架的各个用例的静态结构和动态行为进行建模；给出了蒸发过程模 拟系统的整体框架，并在物料和能量平衡的基础上对蒸发流程中各单 元组件进行详细设计，给出了各单元组件的物料和能量平衡方程及端 口的设计规定；考虑多效蒸发流程中各效内部单元模型基本相同的特 点，在创建流程图时引入子流程图来管理单元模块及相关变量，从而 简化流程图，提高求解效率；采用l e e r u d d 最优断裂流股法对流程 图中的环路进行切割，寻找最佳收敛模块，并给出了系统主要类的详 细设计；对系统的物性数据库和模拟结果数据库进行了设计，针对模 拟运算中频繁访问数据库的问题，采用存储过程提高数据库访问效率 和可维护性；最后在系统分析和设计的基础上，结合某有色冶炼企业 试验中的氧化铝蒸发流程进行模拟验证，结果证明了该模拟仿真系统 的工程实用性。采用软件组件化思想对系统进行设计，提高了蒸发模 拟系统建模的可重用性和可扩展性。 关键词氧化铝蒸发过程，流程模拟，子流程图，u m l ，组件化，序贯 模块法 a bs t r a c t t h ea l u m i n ae v a p o r a t i o np r o c e s si sap r o c e s sw i t hh i g he n e r g y c o n s u m p t i o n ，a n d i tc o s t sa b o u t4 0 - - 5 0 o ft h et o t a le n e r g yi na l u m i n a p r o d u c t i o n i no r d e rt oa n a l y s i sa n do p t i m i z et h es t e a mc o n s u m p t i o na n d d i s t r i b u t i o ni nac o n v e n i e n tw a y , t os t u d yt h ea l u m i n ae v a p o r a t i o np r o c e s s b yc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi s ag o o dc h o i c e t of i n dt h ek e y f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ea l u m i n ap r o d u c t i o ni sv e r yi m p o r t a n tt ot h e p r o c e s si m p r o v e m e n ta n dt h eo p t i m a l c o n t r o la sw e l la s i n c r e a s i n g p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n ds a v i n ge n e r g y t h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to ft h ea l u m i n ae v a p o r a t i o np r o c e s s s i m u l a t i o ns y s t e mi s a n a l y z e da n dt h e s t a t i cs t r u c t u r ea n dd y n a m i c b e h a v i o ro fe a c hu s e c a s ew h i c hc o m p o s e st h er u n n i n gf l a m ea r em a d eb y t h eu m l m o d e l i n gt o o l ；t h ew h o l ef l a m ea n de a c hu n i tc o m p o n e n to f t h e s i m u l a t i o ns y s t e ma r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et h e r m o d y n a m i c sa n d m a t t e rc o n s e r v a t i o nl a wa sw e l la st h ep o r t sd e f i n i t i o no fe a c hu n i t c o m p o n e n t ；f o rm o d e l si ne a c he v a p o r a t i o nu n i ts h a r et h es a m e c h a r a c t e r s w h i c hc o n s i s t so ft h es a m eb o c k s t h es u b f l o w s h e e ti si n t r o d u c e dt o m a n a g et h eb l o c k sa n dt h er e l a t e dv a r i a b l e sw h i c hs i m p l i f i e st h ew h o l e f l o w s h e e ta n di r e p r o v e st h es o l u t i o ne f f i c i e n c y ；t h el e e r u d dc y c l e d e c o m p o s i t i o nm e t h o di sa d o p t e dt of i n dt h eo p t i m a lt e a rs t r e a m sw h i c h e n s u r et h ec a l c u l a t i o n ss t e a d ya n dq u i c kc o n v e r g e n c e ；t h em a i nc l a s s e s o ft h es y s t e ma r ed e s i g n e dp a r t i c u l a r l y ；t h ed a t a b a s e so fp r o p e r t ya n d r e s u l t sa r ed e s i g n e da n dt h es t o r e dp r o c e d u r ei su s e dt os o l v et h eh i g h f r e q u e n c ya c c e s so fd a t a b a s ew h i c hi m p r o v e st h ea c c e s s i n ge f f i c i e n c y a n dm a i n t a i n a b i l i t y ；a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n dd e s i g no ft h es y s t e m ， s o m eo ft h ef u n c t i o n sa r er e a l i z e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h e p r a c t i c a b i l i t yo ft h ea l u m i n ae v a p o r a t i o np r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e m t h e d e s i g na d o p t sc o m p o n e n tb a s e dm e t h o dw h i c hi m p r o v e st h er e u s a b i l i t y a n de x p a n s i b i l i t yo ft h ea l u m i n ae v a p o r a t i o np r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e m k e yw o r d sa l u m i n ae v a p o r a t i o np r o c e s s ，p r o c e s s s i m u l a t i o n ， s u b f l o w s h e e t ，u m l ，c o m p o n e n t i z a t i o n ，s e q u e n t i a lm o d u l a ra p p r o a c h i i 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：互陴日期：埠年点月监日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：碑益峰导师签名日期：斗年上月且日 中南大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 氧化铝生产是我国的一项工业支柱性产业，我国铝土矿多为难溶出的一水硬 铝石，生产能耗高，物耗高，成本高，同时由于技术装备相对落后，自动化水平 和劳动生产率偏低，效益较差。 目前，国内氧化铝生产主要采用烧结法，烧结法生产氧化铝占国内氧化铝总 产量的4 5 左右，比较适合含氧化硅高的低品位铝土矿。烧结法生产氧化铝是将 压碎之后的铝土矿与碱粉、石灰混合配料在高温下烧结，铝土矿中的氧化铝与碱 起作用生成铝酸钠，所得的烧结产物( 熟料) 用碱液浸出，铝酸钠进入溶液与不 溶性残渣( 赤泥) 分离。铝酸钠溶液经脱硅后进行碳酸化分解( 部分用种子分解) ， 得到氢氧化铝及母液，氢氧化铝经焙烧后便得到氧化铝。 氧化铝蒸发过程是氧化铝生产中的高耗能过程，其目的是平衡氧化铝生产过 程中的水量和排除杂质盐类，其能耗约占氧化铝生产能耗的4 0 5 0 0 o 。在氧化 铝蒸发工艺流程中为了减少蒸汽的消耗量，通常利用前一个蒸发器生成的二次蒸 汽来作为后一个蒸发器的加热介质，后一个蒸发器的蒸发室是前一个蒸发器的冷 凝器，此即多效率蒸发。因为二次蒸汽的压力较前一个加热蒸汽的压力低，所以 需要有抽真空的装置来保证后一个蒸发器应在更低的压力下操作。某企业的氧化 铝蒸发工艺流程采用4 效逆流蒸发系统，蒸发器的蒸发能力受各效蒸发器的传热 系数、内部压力、温度、溶液流动状态入口料液的温度、浓度与流量、生蒸汽的 温度与流量、自蒸发器的蒸发系数、末效真空度以及外部环境的温度及风速等许 多因素的影响，基于热力学和物质守恒的基本理论，如何分析找出影响蒸发工艺 流程的关键因素对实现流程的优化控制具有十分重要的意义。 1 2 氧化铝蒸发流程模拟系统的国内外研究现状 1 2 1 流程模拟软件发展与应用状况 流程模拟技术是应用计算机辅助手段，以处理物料一能量一信息流的过程系统 为研究对象，实现对化工过程的热量和物料衡算、尺寸计算和费用计算等【1 1 。通 过分析流程模拟系统产生的数据，有助于对流程进行最优规划、设计、操作、控 制和管理，从而节省大量的人力和物力【2 1 。流程模拟通常是指对一个系统进行稳 中南人学硕十学位论文第一章绪论 态模拟。一个模拟系统中有3 方面内容是必不可少的。首先是系统模型，即描述 系统性能的数学模型。一个完整的系统模型，不仅必须包括组成此系统的各个单 元模型，而且还要包括能对系统结构给予明确表述的部分。单元模型是系统模型 的基础。其次是物性数据。化工系统有别于其他工业系统的重要一点就是其中物 料会发生种种状态和组成的变化，为了进行这方面的分析，必然需要有这些物料 的各种物性数据。最后是解算方法，模拟实际上就是对一个数学模型进行求解。 因此必须有针对不同模型特点的有效的解算方法。系统模型，物性数据和解算方 法就是模拟的三个核心环节，缺一不可，称之为“模拟三要素 【3 】。 从应用范围方面来看，化工流程模拟系统可以分为两大类，即专用的和通用 的化工流程模拟系统。专用化工流程模拟系统是针对特定流程专门开发的模拟系 统，只用于对该流程进行模拟的目的，不具有通用性，其特点是结构比较简单， 在模型方面只需要有该流程中涉及的单元模型即可，而且表述流程结构的问题也 可在程序设计中解决，在模拟系统的主程序中调用各个单元操作模块的顺序，就 体现了流程结构。在物性数据方面，也只需备有该程序中设计的物料的有关物性 数据即可。在解算方法方面，也相对比较简单，对流程内各个单元模块的求解顺 序可有模拟系统的开发者事先排好，不需要由系统排出各个单元的求解顺序的功 能。通用流程模拟系统是指并非针对特定流程开发的，对不同的流程均可适用的 系统。通用流程模拟系统的结构比专用系统要复杂得多。为了使用户能将各种不 同的流程结构方便地输入系统，并使得系统能够自动识别出流程内的某些复杂情 况( 如再循环回路等) 进行处理等等。 目前的通用化工流程模拟系统主要是按照处理模拟型问题的要求开发的，但 多数也同时具有能够处理某些设计型问题的能力。模拟型问题的任务是对一个化 工系统作出工况特性分析，即根据给定的系统的输入数据( 例如进料的组成、流 量等) 以及表达系统特性的数据( 例如各个单元的设备参数等) ，预计系统输出 的数据( 例如产品的组成、流量等) ，这完全是按照实际系统工况特性的因果关 系在计算机上进行模仿性演示。在设计型问题中，同模拟型问题中的情况很不相 同，其已知条件和待求结果的关系和实际系统工况特性的因果关系是不相一致甚 至是相反的。通常指对流程结构为已知的化工系统进行一般含义下的设计计算， 即计算出能满足设计者所规定的要求的某些参数或变量( 设备参数，描述物料性 质的变量等) 所应具有的数值，而这些数值若是在模拟型问题中本应是由用户给 出作为数据输入的。因此它并不涉及流程结构的设计，也不追求实现某种最优目 标，而是相对简单和更为基本的任务【4 】【4 1 。 自从6 0 年代以来，世界各国陆续开发的通用化工流程模拟系统不下数十种。 a s p e np l u s 是生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统，源于美 2 中南人学硕十学位论文第一章绪论 国能源部七十年代后期在麻省理工学院( m i t ) 组织的会战，开发新型第三代流 程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统( a d v a n c e ds y s t e mf o rp r o c e s s e n g i n e e r i n g ，简称a s p e n ) ，并于1 9 8 1 年底完成。1 9 8 2 年为了将其商品化，成 立了a s p e n t e c h 公司，并称之为a s p e np l u s t 引。该软件经过2 0 多年来不断地改进、 扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件， 应用案例数以百万计。a s p e np l u s 广泛应用于化工过程的研究开发，设计，生产 过程的控制，优化及技术改造等方面的性能优良。它用严格和最新的计算方法， 进行单元和全过程的计算，为企业提供准确的单元操作模型，还可以评估已有装 置的优化操作或新建，改建装罨的优化设计。这套系统功能齐全，规模庞大，可 应用于化工，炼油，石油化工，气体加工，煤炭，医药，冶金，环境保护，动力， 节能，食品等许多工业领域。a s p e np l u s 包括数据，物性，单元操作模型，内置 缺省值，报告及为满足其它特殊工业应用所开发的功能。其具有以下主要的功能： ( 1 ) w i n d o w s 交互性界面：界面包括工艺流程图形视图，输入数据浏览视图， 独特的”n e x t ”专家向导系统，来引导用户进行完整的、一致的流程的定义； ( 2 ) e o 模型：方程模型有着先进参数管理和整个模拟的灵敏分析或者是模拟 特定部分的分析。序贯模块法和面向方程的解决技术允许用户模拟多嵌套流程。 即使很小问题也能很快地、精确的解决； ( 3 ) a c t i v e x ( o l ea u t o m a t i o n ) 控件可以和微软e x c e l 和v i s u a lb a s i c 方 便的连接，支持o l e ( 对象链接与嵌入) 功能，比如像复制，粘贴或链接； ( 4 ) 全面的单元操作：包括气液，气液液，固体系统和用户模型： ( 5 ) a c mm o d e le x p o r t 选项：用户可以在a s p e nc u s t o mm o d e l e r ( a c m ) 创建模拟模型和编译。编译好的模型可以应用在a s p e np l u s 静态模拟中，可以 是序贯模块法模式下或面向方程的解决方案的模式下。此外，a s p e np l u s 的接e 1 选项拓展了a s p e np l u s 的应用范围，增强了流程生命周期的管理。 p r o i i 流程模拟程序广泛地应用于化学过程的严格的质量和能量平衡。产 品的p r o v i s i o n 图形用户界面( g u i ) ，提供了一个完全交互的、基于w i n d o w s 的环境，无论是对于建立简单的，还是复杂的p r o i i 模型，它都是理想的环境。 在国内有超过8 0 家设计院，工程公司，科研机构以及超过2 0 所高等院校在使用 p r o i i 软件。在实用性上，p r o i i 软件广泛地应用于油气加工、炼油、化工、 化学工程、建筑、聚合物、精细化工制药等行业，由于该软件针对炼油化工行业 的开发思路进行了扩展，p r o i i 在炼油化工行业要比其它同类软件更具优势。现 在s i m s c i 的计算模型己成为国际标准。p r o i i 有标准的o d b c 接口，可同换热 器计算软件或其它大型计算软件相连，另外还可与w o r d 、e x c e l 数据库相连， 计算结果可在多种方式下输出。 中南人学硕十学位论文第一章绪论 d e s i g ni i 工艺流程模拟软件经过二十九年的开发和改进已经成为流程模 拟变革的先驱。d e s i g ni i 是强大的流程模拟计算工程，它可以为大量的管线和 单元操作做热量平衡和物料平衡。d e s i g ni i 的简便而精确的模块，使工艺工程 师把注意力集中在工程上而不是计算机操作上。d e s i g ni i f o rw i n d o w s 提供自 由格式文字窗口，只需要很少量的输入数据和d e s i g ni i 命令。d e s i g ni i 提供 了一些先进的特性如：热交换器和分离器的核算及设计计算。 c h e m t r a n 可以提供所有流程模拟所需的物性并与d e s i g ni if o rw i n d o w s 进行整和。对于非理想性的化工系统和轻烃系统中一些必须计算的不常用的性质 来说，这是最好的方法。c h e m t r a n 用自动耗时预测来提高您的工程效率，还可 以对纯组分和混合物的热力学性质进行关联。 1 2 2 多效蒸发系统仿真模拟的研究现状 化工流程模拟对于一个系统的能量进行系统和全面的分析，找寻流程中热量 利用率的最大化是非常有效的方法1 6 】。国内氧化铝蒸发过程通常采用逆流并行多 效蒸发工艺，其中蒸汽消耗约占氧化铝生产总汽耗的5 5 - 6 0 ，其能耗占工艺 总能耗的2 5 - - - 4 0 ，占生产成本的1 0 - 一1 2 。因此，有必要对氧化铝蒸发过程 进行仿真模拟，来分析蒸汽消耗的动态分布，以寻找提高蒸汽利用率的有效途径。 针对多效蒸发过程，国内外学者在模型建立和模拟计算方面做了大量的研究 工作。a j e m q v i s t a ! ”对脱盐多效蒸发过程建立了通用的海水蒸发过程仿真优化模 型。阿根廷的j s p r o s t ，m t g o n z u l e z 和m j u r b i c a i n 对降膜蒸发器中热传递系 数的相互关系进行了研究，主要通过在不同条件下对单效蒸发器传热参数进行研 究，进而将其扩展到多效蒸发应用中。通过改变进料浓度和压力，对多效蒸发单 元中的每一效蒸发单元进行模拟，通过一个方程，将传热系数和流体物性，几何 参数和流量联系起来【8 j 。土耳其的d u r m u sk a y a ，h i b r a h i ms a r a c 对多效蒸发器 进行数学建模，这里的蒸发器包括并流，逆流和平行流，每一种操作进行了有无 预热器的研究，从节能的角度考虑了预热的影响和效果。通过对一个制糖工厂进 行个案研究。将采用预热器与不采用预热器的蒸发过程进行对比【9 】。h i s h a mt e 1 d e s s o u k y a ，h i s h a mm e t t o u n e y a 和f a i s a lm a n d a n i b 对并行多效海水蒸馏系统 的性能进行了研究d o 。h i s h a me 1 d e s s o u k y ，i m a da l a t i q i ，s b i n g u l a c ，h i s h a m e t t o u n e y 等对多效蒸发蒸馏过程进行了稳态分析i i 。f a i s a la i j u w a y h e l ，h i s h a m e 1 d e s s o u k y 和h i s h a me t t o u n e y 对带有蒸汽压缩机泵的单效蒸发蒸馏系统进 行了研究【l2 1 。vm i r a n d a a 和r s i m p s o n 对一企业的西红柿浓缩多效蒸发系统进 行了建模和模拟，改进了可以使用灵敏度分析的微分和代数方程的模型，研究表 明影响多效蒸发的最重要的参数是全局传热系数和蒸汽潜热【1 3 1 。r b h a r g a v a a ，s 4 中南人学硕士学位论文第一章绪论 k h a n a m b ，b m o h a n t y a 和a k r a y 对多效蒸发系统中最佳迸料流股顺序的选 择进行了研究( 1 4 】。美国的环境保护机构，国家风险管理研究实验室提出了基于 c a p e o p e n 接口标准和m i c r o s o f t n e tf r a m e w o r k 的化工过程建模。建立了通 过c a p e o p e n 接口执行的过程建模组件【l5 1 。c l r h o d e s 对流程模拟中的热力 学性质的重要性，模拟过程中物性应用的薄弱环节以及热力学性质对流程设计中 的优化的影响进行了阐述i l 酬。 国内研究情况有阮奇等【l7 j 对逆流多效淡碱浓缩蒸发系统进行了物料与能量 平衡的计算；文献【l8 】在已知蒸发器传热系数条件下对氧化铝蒸发系统进行了模 拟计算；文献【1 9 】对不带闪蒸器的氧化铝蒸发系统进行了数值模拟。清华大学的 杜小泽等对竖管降膜降膜不稳定性能量进行了分析f 2 0 j 。这些模型尽管是针对不 同的蒸发过程，在特定条件下建立的，无法直接用于实际生产中的氧化铝蒸发过 程，但其建模思想可为实际氧化铝蒸发过程的模拟提供借鉴。 1 2 3 国外通用流程模拟软件模拟氧化铝蒸发过程时存在的问题 目前国内外流行的流程模拟软件a s p e np l u s 及p r 0 ii 是通用的化工过程模 拟软件，它们提供了大量的物性数据，热力学模型和单元操作模型，可用于化工 过程的模拟、设计和优化【2 。但由于其没有适合国内氧化铝蒸发生产工艺及设 各自身特点的单元模块可供使用( 如管式降膜蒸发器单元模型) ，另外考虑到柜 内的矿物原料及设备自身特点，国外的流程模拟软件难以应用于国内的氧化铝蒸 发过程模拟，同时国外流程模拟软件的价格昂贵，且相关技术不透明，基于国外 软件的二次开发也很困难。因此，开发具有我国自主知识产权的氧化铝蒸发流程 模拟系统，不仅具有广阔的市场前景和巨大的经济效益，而且可以打破国外产品 在市场上的垄断性和技术上的应用局限性，对于我国冶金信息技术的健康发展具 有十分重要的意义。基于此，本文结合氧化铝蒸发过程工艺流程特点，设计了氧 化铝蒸发流程模拟系统，重点讨论了模拟系统实现过程中的关键技术。 1 3 论文主要研究内容与结构安排 本文在分析氧化铝蒸发工序流程的基础上，采用u m l 对系统的功能进行了详 细的分析；研究了蒸发流程模拟系统中的各个单元模型并对其建模；针对蒸发流 程自身的特点，研究了基于子流程图的氧化铝蒸发流程模拟系统的设计，选取序 贯模块法作为蒸发流程模拟方法，深入研究了基于序贯模块法的蒸发流程自动解 算策略，其主要内容包括系统分块、环路切割、单元模块计算顺序的排定；给出 了模拟系统中主要类的详细设计；在前面研究的基础上，讨论开发了氧化铝蒸发 中南人学硕十学位论文第一章绪论 流程模拟系统。该项目受到国家自然科学基金项目( 6 0 8 0 4 0 3 7 ) “检测大时滞有 色冶金配料过程不确定实时优化方法研究”；湖南省科技计划项目( 2 0 0 8 c k 3 0 7 2 ) “面向节能降耗的锌电解过程智能优化控制技术与应用”及国家自然科学基金重 点项目( 6 0 6 3 4 0 2 0 ) “面向节能降耗的有色冶金过程控制若干理论与方法研究 的资助，同时也是与中铝”氧化铝蒸发工序优化控制技术及应用”的合作项目。 论文的结构安排如下： 第一章绪论 介绍了氧化铝蒸发流程模拟系统的研究背景及重要意义，讨论了流程模拟软 件的发展与应用情况和多效蒸发系统模拟软件的国内外研究状况以及国外通用 流程模拟软件在氧化铝蒸发流程拟系统应用中存在的问题。 第二章氧化铝蒸发流程模拟系统需求分析 采用u m l 建模语言对氧化铝蒸发模拟系统的各个子系统的用例进行了详细 的分析，对软件系统进行了功能上的划分，确定了系统的设计原则与目标。 第三章氧化铝蒸发流程模拟系统总体设计 设计了氧化铝蒸发模拟系统的运行框架；根据组件化设计的思想对系统中的 单元模块组件从其物料与能量平衡方程及其端口类型的定义方面进行了设计；根 据氧化铝蒸发工艺流程的特点，提出了基于子流程图的流程图搭建方法；对蒸发 模拟系统中的主要类进行了设计。 第四章基于子流程图结构的氧化铝蒸发流程模拟系统设计 根据氧化铝蒸发工艺流程的特点，提出了基于子流程图的流程图搭建方法， 该方法使流程图更加清晰和简洁，充分体现了面向对象程序设计的特征：采用 l e e r u d d 分解法对蒸发系统中的环路进行切割确定收敛模块并排定模块计算顺 序。 第五章氧化铝蒸发流程模拟系统数据库设计 通过几个主流数据库平台的比较，选择s q ls e v e r 来存储系统数据，采用 a d o 作为数据库的访问方式：设计了系统的物性数据库和模拟结果数据库；模 拟运算中采用存储过程提高数据库访问效率。 第六章氧化铝蒸发流程模拟系统的实现 介绍了氧化铝蒸发流程模拟系统的开发环境和开发工具，利用建立的氧化铝 蒸发流程模拟原型系统对某氧化铝蒸发流程进行模拟仿真。 第七章结论 对氧化铝蒸发流程模拟系统的研究及应用予以总结，并结合发展要求和趋 势，指出下一步的工作重点。 6 中南大学硕十学位论文第二章氧化铝蒸发流程模拟系统需求分析 第二章氧化铝蒸发流程模拟系统需求分析 2 1 氧化铝蒸发工序流程分析 氧化铝蒸发过程主要利用高温高压蒸汽将种分或碳分过程中产生的种分母 液或碳分母液浓缩到符合铝土矿溶出或生料浆配料的浓度要求，再作为循环母液 重新参与氧化铝生产，保持整个氧化铝生产循环系统中的水量平衡。氧化铝蒸发 工序流程通常采用多效逆流加料方式，即料液与二次蒸汽流向j 下好相反。该流程 的主要优点是随着料液浓度的提高，其温度亦相应提高，这样料液粘度增加较少， 各效的传热系数相差不大，可充分发挥设备能力。由于浓缩液的排出温度较高， 可利用其显热，在减压下闪蒸增浓，故可生产较高浓度的浓缩液，因而适用于粘 度较大的料液蒸发。 图2 1 为某厂氧化铝四效逆流蒸发工序流程图。加热生蒸汽s t r e a m l n 和料液 l i q u i d l n 分别从一效和四效蒸发器逆向进入，1 、2 、3 效蒸发器产生的二次蒸汽 分别进入2 、3 、4 效蒸发器并对其加热，料液从l 效蒸发器出来后依次进入3 级闪蒸器进行蒸发浓缩，每级闪蒸器产生的乏气分别用来为1 、2 、3 效的预热器 加热，1 效蒸发器排出的是纯净冷凝水，而2 、3 、4 效蒸发器排出的是带有杂质 的冷凝水。( 注：图1 中一表示蒸汽流向，表示料液流向，一表示冷凝水 流向，e v a 表示蒸发器，h e a t e r 表示预热器，t a n k 表示冷水罐，f l a s h 表示闪蒸 器，矩形 s r a i n - - - 一一h 睇w 竹一一- 一一- - - ，- ； ，。1-， 氧化铝蒸发过程的工艺流程图 7 中南人学硕十学位论文第二章氧化铝蒸发流稃模拟系统需求分析 2 2 系统建模工具介绍 需求分析要求详细、准确地搞清楚系统必须“做什么”，是关系到软件开发 成败的关键阶段。在需求分析阶段，需要用到各种方法、技术和工具等。通常把 一整套需求规格说明的方法、技术、图形工具以及相应的软件工具的集合称为建 模方法【2 2 1 。传统的结构化方法学适合需求比较确定的应用领域，实际上，有些 系统的需求往往是变化的，面向对象方法解决了这一问题。面向对象的软件开发 包括3 个主要阶段：面向对象分析( o b j e c t o r i e n t e d a n a l y s i s ，o o a ) ，面向对象 设计( o b j e c t o r i e n t e dd e s i g n ，o o d ) ，面向对象程序设计( 0 b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ，o o p ) 。其中，o o a 是指系统分析员对将要开发的系统进行定义 和分析，进而得到各个对象类以及它们之间的关系的抽象描述；o o d 是指系统 设计人员将面向对象分析的结果转化为适合于程序设计语言中的具体描述，它是 进行面向对象程序设计的蓝图；o o p 是程序设计人员利用程序设计语言，根据 o o d 得到的对象类的描述，建立实际可运行的系统。 面向对象方法中一般采用半形式化语言( s e m i f o k r m a ll a n g u a g e ) 的表示符 号进行面向对象建模。不同的学者在各自不同的方法框架中采用不同的建模语 言。因此建立一种统一的建模语言并使之成为标准非常必要。u m l ( u n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g e ，统一建模语言) 是一种定义良好、易于表达、功能强大且普 遍适用的建模语言【2 3 】。它融入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术。u m l 是面向对象技术与可视化建模技术发展的里程碑，它是由著名的面向对象技术专 家g r a d yb o o c h 、i v a rj a c o b s o n 和j a m e sr u m b a u g h 发起，在b o o c h 表示法、 o o s e ( o b i e c t o r i e n t e ds o f t w a r ee n g i n e e r i n g ) 方法和o m t ( o b j e c tm o d e l i n g t e c h n o l o g y ) 方法的基础上，广泛征求意见，集众家之长，反复修改而完成的。 在美国，u m l 已经获得工业界和学术界的广泛支持。1 9 9 7 年1 1 月1 7 日，u m l 被o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 批准为标准。这标志着面向对象技术领域 中关于建模语言的争论暂告一段落。它的作用域不限于支持面向对象的分析与设 计，还支持从需求分析开始的软件开发的全过程1 2 4 。使用u m l 模型，是当今 成功地进行软件开发所不可缺少的关键环节。据专家预测，在未来1 5 2 0 年内， u m l 将是软件开发的支柱技术。 2 3 蒸发流程模拟系统功能需求 通过对氧化铝蒸发工序流程的物料和热量平衡及各单元器件的能耗分析，可 以看出在实际生产中影响氧化铝蒸发过程的因素有很多，入口生蒸汽的温度、压 8 中南大学硕十学位论文第二章氧化铝蒸发流程模拟系统需求分析 力及流量，入口料液的温度、压力及流量，各效蒸发器内部的换热面积及管壁内 外的压差，管壁内结垢的厚度及其分布，末效真空度，各效蒸发器件表面积、环 境风速、环境温度等。如何在提高氧化铝产量的同时，合理选取最佳的工艺参数， 对整个工艺流程的优化，从而达到节能降耗的目的具有重要的意义。 根据氧化铝蒸发工序流程的分析，确定氧化铝蒸发流程模拟系统需要具备以 下功能： ( 1 ) 蒸发系统流程图编辑功能 用户图形界面为用户与蒸发模拟系统之间提供动态交互的支撑平台。采用图 形化自动建模功能，图形化建模具有一种图形化界面，用户可以在计算机屏幕上 通过点取可视化图形构件、菜单或弹出式窗口等方式，使用图形符号( 线、图标 等) 把模型的逻辑结构描绘成直观的图形系统。采用图形化的建模方法，可以在 很大程度上减小对使用者专业知识的需求，从而大大缩短模型的开发周期。对于 氧化铝蒸发系统的建模，可以根据实际的工况，选择合适的蒸发器及相关设备组 件来创建工艺流程图，包括单元模块和流股的选取，添加和删除功能，流程图命 名、打开、关闭和保存功能。 ( 2 ) 单元模块组件的设置功能 对流程图中各个单元模块进行相关参数的设置。对于蒸发器模块主要设置的 参数有入口蒸汽的温度、压力和流量，入口料液的温度、压力和流量，蒸发器的 换热面积，物料的组分，该单元模块计算时采用的物性方法，出口冷凝水的温度 和流量。对于预热器需要设置的参数有入口料液的温度、压力和流量，入口二次 蒸汽的温度、压力和流量。对于闪蒸器需要设置的参数主要有内部压力，入口料 液的温度、压力和流量。对于冷凝水罐需要设置的参数主要有入口冷凝水的流量、 温度。根据不同的工况条件选择相关的工作参数。 ( 3 ) 序贯模块求解功能 根据所创建的流程图中各单元模块及流股间的连接关系，生成相应的邻接矩 阵，采用循环回路切割算法对整个流程的拓扑结构进行分割并排定模块问的计算 顺序，根据设置的收敛容差范围，对整个流程进行求解。 ( 4 ) 灵敏度分析功能 灵敏度分析模块用来分析和研究一个或多个流程操作变量的改变对其它流 程变量的影响，它是做工况研究的一个最有用的工具。可以用灵敏度分析模块来 生产随进料物流，模块输入参数或其它输入参数的变化的模拟结果表或图，还可 以用它来验证一个设计规定的解是否再操作变量的变化范围内，甚至可以用它来 做简单的过程优化。 对蒸发过程中不同设备及进入口物料和加热蒸汽的参数进行灵敏度分析可 9 中南人学硕十学位论文第二章氧化铝蒸发流程模拟系统需求分析 找出哪些参数对某种工作特性灵敏度较高。通过改变某个或多个参数，然后分析 该参数的改变对系统中其他参数的变化产生的影响。通过灵敏度分析可以显示出 哪些参数对某种工作特性较为灵敏，有助于进一步深入分析。在氧化铝生产蒸发 工序中，通过改变操纵变量来分析不同操作条件下进料参数对系统关键指标的影 响，从而找出蒸发过程中能耗利用率的分布情况，为实现节能降耗的目标提供可 靠的保证。 ( 5 ) 流程优化功能 用户可以通过过程变量和其它经济参数来定义优化目标函数，包括对流程设 计涉及到的工艺优化、成本优化、技术优化、质量优化等优化指标等。例如：最 大产品产量，最小能耗或最大效益等，并选择一些关键操作变量，优化功能调整 这些变量以便满足优化目标，此外用户还可以对优化施加约束条件。对单元模块 设备模型在给定优化目标函数的前提下进行参数优化来获得最佳工艺参数。 ( 6 ) 数据拟合功能 数据拟合模块，可以用来将模拟模型与装置数据或实验数据拟合。用户提供 一套或多套关于一个模拟模型的输入参数和输出结果的实测数据，数据拟合调整 指定的某个或某些输入参数以便使模型与实测数据吻合。 ( 7 ) 工况研究功能 用来对同一流程做多个工况的模拟计算，每个工况的参数可以给定不同的输 入值，这样可以在同一次模拟计算中得到不同工况的计算结果，从而可做不同方 案的比较。 ( 8 ) 收敛设置功能 在氧化铝蒸发工序流程中存在多个循环回路，采用序贯模块法进行求解时， 需要对每个环路中的某个流股撕裂，并给定该流股的一个初始值然后进行计算， 将该给定的初始值与计算出的值进行比较，直到两者之间的差的绝对值在给定的 允许的容差范围之内，即认为收敛，对该模块的计算结束，按序贯模块法排定的 计算顺序对下一个模块进行计算。收敛模块的设置主要是针对序贯模块法计算过 程中数据的精度进行设置，根据给定的容差范围来控制模拟计算过程。 ( 9 ) 模拟结果处理功能 模拟结果处理包括对模拟计算结果的显示、保存和打印功能。对模拟结果的 显示分为报表显示和曲线显示。根据不同给定参数下的模拟结果生成曲线报表， 对这些曲线进行分析，来预测工艺参数的变化对系统生产的影响。 ( 1 0 ) 模拟软件二次开发接口模拟系统采用组件化技术，以满足后续更新和向 相关领域扩展提供二次开发接口。 1 0 中南人学硕士学位论文第二章氧化铝蒸发流程模拟系统需求分析 2 4 蒸发流程模拟系统分析 u m l 为人们提供了从不同的角度去观察和展示系统的各种特征的一种标准 方法。在u m l 中，从任何一个角度对系统所做的抽象都可能需要几种模型图来 描述，而这些来自不同角度的模型图最终组成了系统的完整图像2 5 1 。u m l 的主 要内容可由五类图来定义，分别是用例图、静态图、行为图、交互图和实现图【2 6 1 。 2 4 1 系统用例图 u m l 中，用例( c a s e ) 模型是开发者准确迅速了解用户要求和相关概念的 最常用、最有效的方法，是用户和开发者一起深入剖析系统功能需求的起点。一 个用例是有关一个系统行为的一个描述，是从一个用户的观点编写的，可以捕获 一个事件的可视化序列【2 ，而事件则是一个系统对单个用户的激励的响应过程。 用例图( u s ec a s ed i a g r a m ) 从用户角度描述系统功能，并指出各功能的操作者。 它是丛系统的外部用户角度出发，对系统的抽象表示。用例视图是其他视图的核 心与基础。 根据蒸发流程模拟系统的实际需求，分析出系统总体用例图如图3 2 所示。 o 二次开发接u 管理 图2 2 系统总体用例 整个蒸发流程模拟系统由流程图编辑器、流程模拟控制器、组件管理、数据 库管理及二次开发接口管理共5 个基本用例组成。系统用例有两类执行者：仿真 用户和仿真系统开发人员。仿真用户是指使用该系统进行流程分析的人员，如流 中南大学硕十学位论文第二章氧化铝蒸发流稗模拟系统需求分析 程工艺工程师、建模工程师等；仿真系统开发人员可以对现有的软件进行功能的 修改与升级，主要涉及对组件功能的扩展及开发新的组件，根据相关学科的发展， 对模拟系统中的物性数据库进行修改和更新，同时也可以对二次开发接口进行管 理。下面对以上5 个用例分别做具体介绍。 ( 1 ) 流程图编辑器用例 流程编辑器通过创建已经注册进来的各类单元设备组件对象及各个组件之 问的连接关系，实现流程图的可视化编辑和存储等功能。流程图编辑器辑对搭建 的流程进行分析，从而形成流程拓扑结构，以供后续模拟计算的实现。流程编辑 器用例如图2 3 所示： 仿 。 流程图新建 r 、) 、， o 单元模块重命名 。 图2 3 流程图编辑器用例 下面是对流程编辑器用例的描述： 新建流程图 用例说明：新建一个空白的流程图文件。 打开流程图 用例说明：打开一个已经保存的流程图文件。 编辑流程图 用例说明：在流程图编辑窗口中，选取所需的单元模块组件，用流股将其相 互连接起来，创建一个工艺流程。在编辑流程图时可以对单元模块进行重新命名、 随意拖动、删除单元模块对象图标，以及对单元模块参数进行设定。更重要的是 系统能够通过其中的流程图完整性检查组件来检查相关单元模块及连接的流股 是否完全，确定所创建的流程图是否合理。在单元模块组件中已经事先规定了该 模块的连接方式，假如该单元组件规定为两进两出的连接方式，那么缺少了任何 1 2 中南大学硕十学位论文 第二章氧化铝蒸发流程模拟系统需求分析 一个流股信息，系统认为该流程图未创建完毕，提示用户继续修改直至流程图完 整。 保存流程图 用例说明：保存编辑好的流程图文件。保存方式有文件保存和数据库保存。 导出流程图 用例说明：导出编辑好或已经保存的流程图文件。可以将流程图导出到其它 应用软件中，例如导出到e x c e l l 或w o r d 等中。 ( 2 ) 模拟运算是整个模拟系统的核心组件，用来管理和调度各设备组件来完成流 程模拟。用例图如图2 4 所示。 吴一( ) _ ，八 耪羹南户 收敛设置 。 环路识别 定 序贯求解 图2 4 模拟运算用例 下面是对模拟运算用例的描述： 环路识别 用例说明：对于大多数化工系统都会有一些从后面的单元反过来向前面的单 元传送的物流存在，即在整个流程中