張鳳德

(河北滄州大化 TD I有限責(zé)任公司,河北,滄州,061000)

化工過程動(dòng)態(tài)仿真與優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)＊

張鳳德

(河北滄州大化 TD I有限責(zé)任公司,河北,滄州,061000)

作者在多年工程實(shí)踐基礎(chǔ)上,借鑒經(jīng)典化工流程模擬理論和技術(shù),開發(fā)成功通用化工過程動(dòng)態(tài)仿真與優(yōu)化系統(tǒng)(Dynamic Simulation&Optimization系統(tǒng))并在工業(yè)應(yīng)用中取得良好效果。

化工過程;流程模擬;超實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真

1 概述

近年來,穩(wěn)態(tài)化工流程模擬系統(tǒng)在化工裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作中的應(yīng)用已取得了十分矚目的成果。然而,穩(wěn)態(tài)模擬所用的模型假設(shè)過多,其模擬優(yōu)化結(jié)果較為抽象,且無法描述裝置在開停車和異常工況下以及控制系統(tǒng)的行為,亦無法指出實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的具體操作步驟,故其適用范圍受到諸多限制。只有采用動(dòng)態(tài)流程模擬才能全面、細(xì)致、切合實(shí)際地描述化工過程的規(guī)律。目前,使用機(jī)理模型建立并使用通用化工動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)的公開報(bào)導(dǎo)較為少見,某些文獻(xiàn)僅從概念上進(jìn)行了研究探討[1]。本文介紹的通用化工動(dòng)態(tài)流程模擬優(yōu)化系統(tǒng) (Dynamic Simulation&Optimization System, DSO)完全依據(jù)機(jī)理模型開發(fā)并在科研和實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用近兩年,經(jīng)過不斷完善,取得良好實(shí)際效果。

DSO系統(tǒng)的組織繼承了經(jīng)典穩(wěn)態(tài)流程模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和重要算法與概念[2],并結(jié)合動(dòng)態(tài)模擬的特點(diǎn)進(jìn)行了補(bǔ)充和修改。其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于機(jī)理數(shù)學(xué)模型及求解算法。此處機(jī)理模型意指具有以下特點(diǎn)的系統(tǒng)：確定的組分,統(tǒng)一的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù);統(tǒng)一的熱力學(xué)計(jì)算體系;質(zhì)量衡算微分方程;能量衡算微分方程;相平衡和閃蒸的迭代計(jì)算;傳遞與流動(dòng)計(jì)算;壓力平衡計(jì)算;化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)或化學(xué)平衡計(jì)算;嚴(yán)謹(jǐn)、正確的自由度分析;全部方程同時(shí)求解。

只有符合以上標(biāo)準(zhǔn)者方可稱為真正的機(jī)理模型,方可用于構(gòu)造具有優(yōu)化功能的模擬系統(tǒng)。而對(duì)于如此復(fù)雜的模型,欲實(shí)現(xiàn)超實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬(仿真)需解決許多基本技術(shù)問題。

在DSO系統(tǒng)中,數(shù)學(xué)模型的建立與求解借鑒了穩(wěn)態(tài)流程模擬的聯(lián)立模塊法思路[2],并進(jìn)一步發(fā)展為“跟蹤逼近法”[3],因而取得了快速精確的效果。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 開發(fā)工具與運(yùn)行環(huán)境 DSO系統(tǒng)采用全 32位 C++語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì),語(yǔ)句總量約為 10000行源程序。硬件環(huán)境為 586以上微機(jī),32M以上擴(kuò)展內(nèi)存。對(duì)于中小規(guī)模的化工流程,使用 586微機(jī)即可達(dá)到超實(shí)時(shí)模擬計(jì)算速度。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4]DSO系統(tǒng)是由以下各部分組成的：大型化工基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)庫(kù);基礎(chǔ)物性預(yù)測(cè)和估算體系;化工熱力學(xué)基本計(jì)算;流程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動(dòng)識(shí)別與輸入及調(diào)用順序編排;內(nèi)存管理及主調(diào)用模塊;單元過程動(dòng)態(tài)模擬及控制系統(tǒng)模擬;管網(wǎng)流量分配、壓力分布計(jì)算子系統(tǒng)代數(shù)、微分方程組數(shù)值求解及最優(yōu)化算法;過程數(shù)據(jù)輸入、輸出子系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)功能特點(diǎn) 由于采用了流程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動(dòng)識(shí)別與輸入技術(shù),故僅需在數(shù)據(jù)文件中定義如下矩陣,即可進(jìn)行工藝過程的定義、修改和模擬計(jì)算：過程矩陣 (拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)矩陣)[2];物流初始狀態(tài)矩陣;設(shè)備參數(shù)矩陣。以上定義輸入方法極為簡(jiǎn)單,處理過程甚至比著名的通用穩(wěn)態(tài)流程模擬系統(tǒng)ASPEN還要簡(jiǎn)便許多,非常適合工藝工程師學(xué)習(xí)和使用。以后通過不甚復(fù)雜的純軟件技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)交互式圖形輸入。

3 關(guān)鍵技術(shù)及有關(guān)的新觀念

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 良好、合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是算法的保證。DSO系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分三大類：全局?jǐn)?shù)據(jù)～拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、物流、基本物性、熱力學(xué);局部數(shù)據(jù)～設(shè)備狀態(tài);臨時(shí)數(shù)據(jù)～算法數(shù)據(jù)。對(duì)于物流定義,DSO系統(tǒng)采用了與眾不同的手段,即“物流狀態(tài)雙備份存儲(chǔ)”方法。該法是運(yùn)用“隱式多步法”求解大型復(fù)雜微分方程組的重要技術(shù)保證,可有效地解決方程組剛性問題[5]。與工藝過程無關(guān)的算法數(shù)據(jù)作為臨時(shí)工作變量處理,可以減少內(nèi)存占用并提高系統(tǒng)可靠性。

3.2 流程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動(dòng)識(shí)別與輸入 利用過程矩陣建立工藝過程的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型并輸入模擬系統(tǒng)。其算法借鑒了經(jīng)典穩(wěn)態(tài)流程模擬系統(tǒng)中流程分塊、切割和排序算法[2]。

3.3 基本熱力學(xué)計(jì)算 由于使用了“雙層法”[6],使得嚴(yán)謹(jǐn)熱力學(xué)計(jì)算量急劇減小,運(yùn)算速度提高 1至 2個(gè)數(shù)量級(jí)。即便如此,熱力學(xué)計(jì)算仍需在以下幾方面給予改進(jìn)：1)狀態(tài)方程求解～只有采用特殊迭代算法[7],才可確?？焖偾蟪鲋付ㄎ锢硪饬x的根。2)物流相態(tài)快速確定～避免無謂的相平衡計(jì)算,幾乎不耗機(jī)時(shí)。其具體算法另文專門敘述。3)定溫或定焓閃蒸計(jì)算方法[4]～現(xiàn)有公開算法除速度慢、不穩(wěn)定外,尚忽略了一個(gè)極為重要的物理規(guī)律。即指定物流溫度、壓力和組成后,并不能確保求出物流的相態(tài) (例如恒沸點(diǎn)附近)。故需使用其它算法。

3.4 復(fù)雜精餾塔超實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬 當(dāng)使用機(jī)理模型時(shí),一個(gè)精餾塔的計(jì)算量可相當(dāng)于幾十個(gè)甚或幾百個(gè)其它設(shè)備的計(jì)算量。故解決了超高速模擬精餾塔的問題,大致就解決了超實(shí)時(shí)模擬全流程的問題。DSO系統(tǒng)在 586微機(jī)上即可進(jìn)行復(fù)雜精餾塔的機(jī)理模型超實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬,每個(gè)微分時(shí)間內(nèi)都可算出逐板的溫度、壓力、流量、組成,并適用于開停車、異常工況和全回流操作。所用方法的原理見于文獻(xiàn)[3,6]。

3.5 管網(wǎng)流量分配計(jì)算 系統(tǒng)根據(jù)拓?fù)湫畔⑤斎?內(nèi)部自動(dòng)生成聯(lián)立方程組,經(jīng)過不相關(guān)方程識(shí)別、變量切割和求解次序排定等算法處理[2],再利用閥門開度、管路阻力和起始?jí)毫π畔?即可完成計(jì)算。整個(gè)過程均為在線自動(dòng)處理,無需人工干預(yù)。具體算法另文專門敘述。

3.6 數(shù)值積分算法與數(shù)值穩(wěn)定性 需從軟件、物理意義和算法幾方面保證數(shù)值穩(wěn)定性。

應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào),所有科學(xué)計(jì)算均使用雙精度 8字節(jié)數(shù)據(jù),所有中間結(jié)果、迭代計(jì)算均需保證十余位有效數(shù)字。所有代數(shù)方程求解均需使用結(jié)合物理意義的專用算法,而不使用通用算法。求解微分方程組宜采用結(jié)合物理意義的預(yù)測(cè)校正算法或隱式算法,不宜照搬顯式歐拉法。

3.7 物理定義域分析與過程自由度分析 動(dòng)態(tài)模擬對(duì)機(jī)理模型的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)模擬。其中一個(gè)重要方面在于要求模型具有很寬的定義域。當(dāng)涉及定義域邊界甚或超出定義域時(shí),應(yīng)得出具有物理意義的、連續(xù)平滑的解。多數(shù)模型方程僅從數(shù)學(xué)上看其定義域較寬廣,但從物理上看其定義域卻是較窄的。例如許多蒸汽壓方程,其物理定義域應(yīng)為冰點(diǎn)以上臨界點(diǎn)以下,但如僅從數(shù)學(xué)上看則寬廣得多。而實(shí)際問題就更為復(fù)雜。越是機(jī)理模型,定義域就越窄。稍有疏忽,便會(huì)導(dǎo)致求解過程的崩潰。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢碜杂啥确治隹砂l(fā)現(xiàn)許多模型求解算法的錯(cuò)漏之處。上文提及的閃蒸算法的問題即是一例。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

4.1 模擬速度和內(nèi)存占用 由于采取了一系列有效的技術(shù)方法,DSO系統(tǒng)可在 32M以下內(nèi)存的 586微機(jī)上進(jìn)行任何規(guī)模實(shí)際流程的超實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬。故不僅用于模擬優(yōu)化研究,還可用于對(duì)速度要求極高的場(chǎng)合,如仿真培訓(xùn)或過程控制。

4.2 用于操作技能培訓(xùn) 使用 DSO系統(tǒng)作為工藝子系統(tǒng)的化工裝置仿真培訓(xùn)器已有十余套,均已順利驗(yàn)收。涉及許多重要的煉油和化工裝置。如聚酯、己內(nèi)酰胺、錦綸聚合、聚丙烯、聚乙烯、加氫、氣分、芳烴等等。其特點(diǎn)是開發(fā)周期短、技術(shù)質(zhì)量高、易于驗(yàn)收、易于維護(hù)、易于升級(jí)換代并兼有輔助優(yōu)化研究功能。

4.3 輔助優(yōu)化設(shè)計(jì) DSO系統(tǒng)已用于實(shí)際裝置的溶劑回收塔在線高級(jí)優(yōu)化控制。另外,該系統(tǒng)已成功用于 TD I裝置的仿真培訓(xùn)和輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于 TD I裝置工藝極為復(fù)雜,又涉及硝酸亞硝酸、硫酸、鹽酸、苛性堿、光氣等難算物質(zhì), ASPEN等著名穩(wěn)態(tài)模擬軟件也無法計(jì)算,故國(guó)外設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)問題很多。而DSO系統(tǒng)可以進(jìn)行模擬,并取得重要結(jié)果。為工藝設(shè)計(jì)的改動(dòng)、操作規(guī)程的確定、開車方案的研究提供了重要的依據(jù),也發(fā)現(xiàn)了原設(shè)計(jì)中的一些不妥之處。

5 結(jié)語(yǔ)

DSO系統(tǒng)的建立與應(yīng)用是綜合運(yùn)用流程模擬技術(shù)的結(jié)果,也是多年來化工系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐結(jié)合的產(chǎn)物,而決不是一兩個(gè)算法問題所能概括的。它的完善與發(fā)展還需要進(jìn)一步的實(shí)踐總結(jié)和理論抽象。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域它有著很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1]楚紀(jì)正.化工過程工藝設(shè)備仿真模型的開發(fā)工具平臺(tái).計(jì)算機(jī)仿真,1997,14(2)：28-31

[2]彭秉璞.化工系統(tǒng)分析與模擬.化學(xué)工業(yè)出版社,1990

[3]王景德.高壓聚乙烯過程動(dòng)態(tài)模擬.北京化工大學(xué)碩士論文, 1997

[4]現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)手冊(cè)計(jì)算方法分冊(cè).北京出版社,1990.3

[5]王健紅,魏壽彭.嚴(yán)格法精餾過程模擬的加速收斂技術(shù).北京化工學(xué)院學(xué)報(bào),1992,19(3)：10-14

[6]王健紅.一種適用于狀態(tài)方程求根的高階收斂迭代算法.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),1994.1

V448.25+3

A

1003-3467(2010)10-0020-02

張鳳德(1968.9～),男,河北滄州人,大學(xué)本科,工程師。