通用动态流程模拟系统及其核心技术的研究应用

发布时间：2018-04-29 19:42

  本文选题：动态模拟 + 软件工程　； 参考：《北京化工大学》2014年博士论文

【摘要】：化工动态流程模拟技术是在稳态流程模拟技术的基础上逐渐发展起来的,稳态流程模拟可以看成是动态流程模拟的一个子集,所以动态流程模拟更复杂,技术要求更高。由于现今炼油化工装置复杂程度和自动化程度越来越高,用于复杂大系统动态建模与模拟的动态流程模拟系统的开发势在必行。化工动态流程模拟系统的开发,既可以培训操作人员、缩短开车时间、节约原材料成本,又可以帮助化工工程师和设计人员实现装置工艺优化、控制优化、延长装置安全生产运行时间。因此,在对动态流程模拟核心技术进行研究的基础上,开发出一套具有自主知识产权的适用于大型复杂化工装置的通用化工动态流程模拟系统尤为必要,且具有非常重要的意义。本论文的主要研究内容和研究成果如下：(1)在软件开发过程中,确定了软件的使用对象和开发运行环境并提出了软件系统的体系架构,提出了以C/C++语言作为系统开发的主要编程语言。由于Java的可移植性和内存管理机制较好,通讯系统采用Java语言编写。(2)利用系统集成的技术手段,开发了一套化工动态流程模拟系统。建立了用于动态模拟系统的通用工艺模型子系统,包括：结点模型、换热器模型、平衡闪蒸模型、精馏塔模型和反应器模型等。建立了DCS控制子系统,包括比例、积分、微分控制模型,联锁控制模型。联锁逻辑中只对与、或、非等基本逻辑建立模型并编写函数,复杂逻辑均可通过简单逻辑组合来实现。对长连接、短连接、同步、异步等四种数据传输的方式进行了分析研究,根据动态模拟系统数据量大和数据传输频繁的特点,提出了基于TCP/IP协议的异步长连接方式作为通讯传输模式。(3)在分析比较了两种常见相平衡求解方法后,提出和完善了一种基于同伦延拓思想的相平衡模型求解算法,解决了相平衡求解中的不适定性问题。通过引入自适应参数,建立了相平衡模型方程的同伦方程。通过对自适应参数的修正,实现了从同伦方程到相平衡方程的数值延拓计算。利用本文提出的方法计算了纯组分的正常沸点,计算结果和实际值的相对误差小于1%。三元体系的泡点计算结果与文献值相比,温度相对误差最大为1.4%,组成相对误差最大为4.8%。误差均在可接受范围之内,证明了模型及算法的正确性。将本文提出的算法和传统算法分别用于相平衡模型求解,并进行了对比研究。在保证计算结果有效数字位数相同的情况下,本文方法计算速度较快,与传统方法相比,存在数量级的差别。同时,还考察了初始组成和初始温度对于相平衡计算结果的影响。在两种方法中,初始组成对相平衡计算结果影响不大。传统方法和本文提出的方法对初始温度的敏感各不相同。传统方法对于初始温度比较敏感,如果初始温度赋值不合理会出现迭代计算不收敛的情况；而采用本文方法不需要赋初始值,可在较宽的定义域区间实现快速收敛。(4)采用同伦延拓的思想完善了平衡闪蒸模型的求解算法,并对这种计算方法进行了分析和研究。通过实例验证,采用本文方法计算结果平均相对误差为3.0%,验证了该方法的正确性,并与Pro2、 Aspen Plus和UniSim三款商业软件的计算结果进行了对比分析。计算结果表明,本文方法用于闪蒸模型求解,效果达到甚至超过商用软件。(5)针对动态流程模拟系统的交互式特点,建立了管网数学模型,通过邻接矩阵实现了管网的自动识别与建模。提出了一种新的模型求解算法,解决了传统算法在动态流程模拟暴露出的不适定性问题,有效地解决了非线性方程组的刚性问题,降低了方程组求解的过程计算量,提高了计算效率。(6)采用动态序贯模块法作为化工动态流程模拟系统的全流程求解策略。对传统的序贯模块法进行了改进,使之适用于动态流程模拟中多尺度时滞性单元过程的计算,提高了计算效率和数值稳定性。(7)基于机理模型的特征准则,提出并完善了用于炼油工艺动态模拟的建模求解策略,实现了石油馏分的表征,建立实组分组分率模型方程,采用牛顿迭代法计算各组成的分率,并根据实际数据再进行相应的修正。给出了炼油工艺动态模拟的建模求解方案。(8)采用上面所提出的模型方法,利用本文建立的动态流程模拟系统,实现了柴油加氢工艺动态模拟。模拟结果中,各主要设备的关键工艺控制点计算结果与实际值相比,最大相对误差为6%,最小相对误差为1%,能够满足实际工程需要。精制柴油实沸点蒸馏曲线数据的计算值和实际值相吻合。PID调节器模型和连锁控制模型的动态响应趋势与实际相吻合,能够很好的反应实际控制过程。以上结果均表明,柴油工艺动态模拟的实组分法数学模型和本文开发的化工动态流程模拟系统的正确性以及在计算速度、收敛性和数值稳定性等方面效果较好。
[Abstract]:The simulation technology of chemical dynamic process is developed based on steady state flow simulation technology , and the simulation of steady state process can be regarded as a subset of dynamic process simulation . ( 3 ) After analyzing and comparing two common phase equilibrium solutions , this paper proposes and perfects a phase equilibrium model solving algorithm based on homotopic extension , and solves the problem of uncertainty in the solution of phase equilibrium . By introducing the adaptive parameters , the relative error of the model and the algorithm is less than 1 % . In the two methods , the initial composition and the initial temperature have different effects on the calculation of the phase equilibrium .
This paper presents a new model solving algorithm for dynamic simulation of chemical dynamic process by using dynamic sequential module method . ( 8 ) By using the model method proposed above , the dynamic simulation of diesel hydrogenation process is realized by using the dynamic process simulation system established in this paper . The results of simulation show that the maximum relative error is 6 % , the minimum relative error is 1 % , which can meet the actual engineering needs . The dynamic response trend of the refined diesel fuel boiling point distillation curve data is in agreement with the actual value . The above results show that the mathematical model of the real component method for dynamic simulation of diesel process and the simulation system of chemical dynamic process developed in this paper are correct and have good results in calculation speed , convergence and numerical stability .

【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ019
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本文编号：1821291