适用于过程系统动态模拟的流体网络求解方法与流程

本发明涉及一种适用于过程系统动态模拟的流体网络求解方法。适用于化工过程动态模拟领域。

背景技术：

化工过程动态模拟软件已广泛用于培训工人的模拟培训器中，其中一个重要部分是流量压力求解器，流量压力求解器的目的是求解化工流程中流体网的流量和压力的分布。

清华大学开发的流体网计算软件flownet采用方程组法求解，但是，该解法的计算量还是较大，而且很难彻底解决迭代收敛的问题，也常会出现“死网”的问题。

近年也有学者提出将流体网分为气相网和液相网来求解，这种解法计算稳定且高效，广泛应用于很多流程模拟器中。该解法将流体网拆分为气相网和液相网，导致建模工作量较大，不能直接处理气液混相的流动类型。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种稳定、高效，且能直接处理化工过程中各种流动类型的适用于过程系统动态模拟的流体网络求解方法。

本发明所采用的技术方案是：一种适用于过程系统动态模拟的流体网络求解方法，流体网由若干设备模块组成，其特征在于：

获取流体网中各设备模块对应的方程组，所述设备模块分为流动设备和压力节点设备，流动设备对应流动设备方程组和各压力节点设备对应压力节点设备方程组；联立从流体网中的各设备模块获取的方程组，解出所有变量的值；

所述流动设备方程组由流动方程、压力平衡方程和流量平衡方程组成，其中流动方程为flow为质量流量，k为导通系数，δp为设备前后压差；

所述压力节点设备方程组由体积平衡方程、压力平衡方程及流量平衡方程组成，其中体积平衡方程为v＝f(flow,h,p,t)，其中v为压力节点设备的容积，flow为质量流量，h为持液量，p为压力节点设备内部压力，t为压力节点设备内部温度。

在动态模拟中每一轮都联立从流体网中的各设备模块获取的方程组求解，求解完成后采用序贯模块法对设备模块进行质量衡算和能量衡算。

所述流动设备包括阀门、换热器、泵、压缩机、过滤器；所述压力节点设备包括塔罐、反应器、混合器。

本发明的有益效果是：本发明不用区分气相网和液相网，计算稳定、高效，能直接处理化工过程中的各种流动类型。流体网中设备分为流动设备和压力节点设备，流体网中的方程由流体网中相应的流动设备和压力节点设备提供，求解思路清晰。

附图说明

图1为实施例的工艺流程图。

具体实施方式

流体网由若干设备模块组成，每个设备模块都需要向流动网注册与其自身对应的方程组，设备模块分为两种类型：一种是流动设备(阀门、换热器、泵、压缩机、过滤器等)、一种是压力节点设备(各种塔罐、反应器、混合器等)。

流动设备对应流动设备方程组，流动设备方程组包括流动方程、压力平衡方程和流量平衡方程，其中流动方程为

其中flow为质量流量，k为导通系数，δp为设备前后压差。

压力节点设备对应压力节点设备方程组，压力节点设备方程组包括体积平衡方程、压力平衡方程及流量平衡方程，其中体积平衡方程为

v＝f(flow,h,p,t)

其中v为压力节点设备的容积，flow为质量流量，h为持液量，p为压力节点设备内部压力，t为压力节点设备内部温度。

如图1所示，本实施例中流体网具有分离塔v100、混合器mix-100和阀vlv-100、vlv-101、vlv-102。

其中分离塔v100对应的方程组包括体积平衡方程和压力平衡方程，分离塔v100的体积平衡方程为

v＝f(flow,h,ph,t)

为了方便计算将分离塔v100的体积平衡方程变成如下形式：

其中ph为分离塔v100内部的压力，t为分离塔v100内部的温度，h为分离塔v100中物料量，flows为进出分离塔v100的流股流量(f2，f3和f5)。

分离塔v100的压力平衡方程为

ph＝p2＝p3＝p5

阀vlv-100、vlv-101和vlv-102对应的方程组包括流动方程和流量平衡方程，阀vlv-100、vlv-101和vlv-102对应流动方程分别为

阀vlv-100、vlv-101和vlv-102对应流量平衡方程分别为

f1＝f2

f3＝f4

f7＝f8。

本实施例中混合器mix-100对应的方程组包括压力平衡方程和流量平衡方程，其中混合器mix-100对应的压力平衡方程为

p5＝p6＝p7。

混合器mix-100对应的流量平衡方程为

f7＝f5+f6。

本例中p1＝600kpa，p4＝101.325kpa，p8＝101.325kpa。

本实施例中fn(n＝1，2，3…)以及pn(n＝1，2，3…)分别表示与图1中相应数字对应部位的质量流量和压力，如p1对应阀vlv-100进口压力。

本实施例的求解方法如下：

获取该流体网中分离塔v100、混合器mix-100和阀vlv-100、vlv-101、vlv-102对应的方程和流量压力变量，联立方程求解所有变量的值：

f(2)＝ph-p2

f(3)＝ph-p3

f(4)＝ph-p5

f(8)＝f1-f2

f(9)＝f3-f4

f(10)＝f7-f8

f(11)＝p5-p6

f(12)＝p5-p7

f(13)＝f7-f5-f6

f(14)＝p1-600

f(15)＝p4-101.325

f(16)＝p8-101.325。

在动态模拟中每一轮都需要联立求解流量压力网，网络求解完成后采用序贯模块法对单元操作模块进行质量衡算和能量衡算。