通用動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)及其核心技術(shù)的研究與應(yīng)用.pdf

1、化工動(dòng)態(tài)流程模擬技術(shù)是在穩(wěn)態(tài)流程模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)的，穩(wěn)態(tài)流程模擬可以看成是動(dòng)態(tài)流程模擬的一個(gè)子集，所以動(dòng)態(tài)流程模擬更復(fù)雜，技術(shù)要求更高。由于現(xiàn)今煉油化工裝置復(fù)雜程度和自動(dòng)化程度越來(lái)越高，用于復(fù)雜大系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模與模擬的動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行?；?dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，既可以培訓(xùn)操作人員、縮短開(kāi)車時(shí)間、節(jié)約原材料成本，又可以幫助化工工程師和設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)裝置工藝優(yōu)化、控制優(yōu)化、延長(zhǎng)裝置安全生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間。因此，在對(duì)動(dòng)態(tài)流程

2、模擬核心技術(shù)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的適用于大型復(fù)雜化工裝置的通用化工動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)尤為必要，且具有非常重要的意義。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容和研究成果如下:
　　(1)在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，確定了軟件的使用對(duì)象和開(kāi)發(fā)運(yùn)行環(huán)境并提出了軟件系統(tǒng)的體系架構(gòu)，提出了以C/C++語(yǔ)言作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主要編程語(yǔ)言。由于Java的可移植性和內(nèi)存管理機(jī)制較好，通訊系統(tǒng)采用Java語(yǔ)言編寫(xiě)。
　　(2)利用系統(tǒng)集成的技

3、術(shù)手段，開(kāi)發(fā)了一套化工動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)。建立了用于動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的通用工藝模型子系統(tǒng)，包括:結(jié)點(diǎn)模型、換熱器模型、平衡閃蒸模型、精餾塔模型和反應(yīng)器模型等。建立了DCS控制子系統(tǒng)，包括比例、積分、微分控制模型，聯(lián)鎖控制模型。聯(lián)鎖邏輯中只對(duì)與、或、非等基本邏輯建立模型并編寫(xiě)函數(shù)，復(fù)雜邏輯均可通過(guò)簡(jiǎn)單邏輯組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)長(zhǎng)連接、短連接、同步、異步等四種數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行了分析研究，根據(jù)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大和數(shù)據(jù)傳輸頻繁的特點(diǎn)，提出了基于TCP/I

4、P協(xié)議的異步長(zhǎng)連接方式作為通訊傳輸模式。
　　(3)在分析比較了兩種常見(jiàn)相平衡求解方法后，提出和完善了一種基于同倫延拓思想的相平衡模型求解算法，解決了相平衡求解中的不適定性問(wèn)題。通過(guò)引入自適應(yīng)參數(shù)，建立了相平衡模型方程的同倫方程。通過(guò)對(duì)自適應(yīng)參數(shù)的修正，實(shí)現(xiàn)了從同倫方程到相平衡方程的數(shù)值延拓計(jì)算。利用本文提出的方法計(jì)算了純組分的正常沸點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際值的相對(duì)誤差小于1％。三元體系的泡點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值相比，溫度相對(duì)誤差最大為1.

5、4％，組成相對(duì)誤差最大為4.8％。誤差均在可接受范圍之內(nèi)，證明了模型及算法的正確性。將本文提出的算法和傳統(tǒng)算法分別用于相平衡模型求解，并進(jìn)行了對(duì)比研究。在保證計(jì)算結(jié)果有效數(shù)字位數(shù)相同的情況下，本文方法計(jì)算速度較快，與傳統(tǒng)方法相比，存在數(shù)量級(jí)的差別。同時(shí)，還考察了初始組成和初始溫度對(duì)于相平衡計(jì)算結(jié)果的影響。在兩種方法中，初始組成對(duì)相平衡計(jì)算結(jié)果影響不大。傳統(tǒng)方法和本文提出的方法對(duì)初始溫度的敏感各不相同。傳統(tǒng)方法對(duì)于初始溫度比較敏感，如果初

6、始溫度賦值不合理會(huì)出現(xiàn)迭代計(jì)算不收斂的情況;而采用本文方法不需要賦初始值，可在較寬的定義域區(qū)間實(shí)現(xiàn)快速收斂。
　　(4)采用同倫延拓的思想完善了平衡閃蒸模型的求解算法，并對(duì)這種計(jì)算方法進(jìn)行了分析和研究。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，采用本文方法計(jì)算結(jié)果平均相對(duì)誤差為3.0％，驗(yàn)證了該方法的正確性，并與Pro2、A(s)pen Plus和UniSim三款商業(yè)軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明，本文方法用于閃蒸模型求解，效果達(dá)到甚至超過(guò)商用軟

7、件。
　　(5)針對(duì)動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)的交互式特點(diǎn)，建立了管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)鄰接矩陣實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)的自動(dòng)識(shí)別與建模。提出了一種新的模型求解算法，解決了傳統(tǒng)算法在動(dòng)態(tài)流程模擬暴露出的不適定性問(wèn)題，有效地解決了非線性方程組的剛性問(wèn)題，降低了方程組求解的過(guò)程計(jì)算量，提高了計(jì)算效率。
　　(6)采用動(dòng)態(tài)序貫?zāi)K法作為化工動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)的全流程求解策略。對(duì)傳統(tǒng)的序貫?zāi)K法進(jìn)行了改進(jìn)，使之適用于動(dòng)態(tài)流程模擬中多尺度時(shí)滯性單元過(guò)程的計(jì)算，提高

8、了計(jì)算效率和數(shù)值穩(wěn)定性。
　　(7)基于機(jī)理模型的特征準(zhǔn)則，提出并完善了用于煉油工藝動(dòng)態(tài)模擬的建模求解策略，實(shí)現(xiàn)了石油餾分的表征，建立實(shí)組分組分率模型方程，采用牛頓迭代法計(jì)算各組成的分率，并根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)再進(jìn)行相應(yīng)的修正。給出了煉油工藝動(dòng)態(tài)模擬的建模求解方案。
　　(8)采用上面所提出的模型方法，利用本文建立的動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了柴油加氫工藝動(dòng)態(tài)模擬。模擬結(jié)果中，各主要設(shè)備的關(guān)鍵工藝控制點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值相比，最大相對(duì)誤差