適用於過程系統動態模擬的流體網絡求解方法與流程
2023-07-10 01:45:31 1
本發明涉及一種適用於過程系統動態模擬的流體網絡求解方法。適用於化工過程動態模擬領域。
背景技術：
化工過程動態模擬軟體已廣泛用於培訓工人的模擬培訓器中，其中一個重要部分是流量壓力求解器，流量壓力求解器的目的是求解化工流程中流體網的流量和壓力的分布。
清華大學開發的流體網計算軟體flownet採用方程組法求解，但是，該解法的計算量還是較大，而且很難徹底解決迭代收斂的問題，也常會出現「死網」的問題。
近年也有學者提出將流體網分為氣相網和液相網來求解，這種解法計算穩定且高效，廣泛應用於很多流程模擬器中。該解法將流體網拆分為氣相網和液相網，導致建模工作量較大，不能直接處理氣液混相的流動類型。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是：針對上述存在的問題，提供一種穩定、高效，且能直接處理化工過程中各種流動類型的適用於過程系統動態模擬的流體網絡求解方法。
本發明所採用的技術方案是：一種適用於過程系統動態模擬的流體網絡求解方法，流體網由若干設備模塊組成，其特徵在於：
獲取流體網中各設備模塊對應的方程組，所述設備模塊分為流動設備和壓力節點設備，流動設備對應流動設備方程組和各壓力節點設備對應壓力節點設備方程組；聯立從流體網中的各設備模塊獲取的方程組，解出所有變量的值；
所述流動設備方程組由流動方程、壓力平衡方程和流量平衡方程組成，其中流動方程為flow為質量流量，k為導通係數，δp為設備前後壓差；
所述壓力節點設備方程組由體積平衡方程、壓力平衡方程及流量平衡方程組成，其中體積平衡方程為v＝f(flow,h,p,t)，其中v為壓力節點設備的容積，flow為質量流量，h為持液量，p為壓力節點設備內部壓力，t為壓力節點設備內部溫度。
在動態模擬中每一輪都聯立從流體網中的各設備模塊獲取的方程組求解，求解完成後採用序貫模塊法對設備模塊進行質量衡算和能量衡算。
所述流動設備包括閥門、換熱器、泵、壓縮機、過濾器；所述壓力節點設備包括塔罐、反應器、混合器。
本發明的有益效果是：本發明不用區分氣相網和液相網，計算穩定、高效，能直接處理化工過程中的各種流動類型。流體網中設備分為流動設備和壓力節點設備，流體網中的方程由流體網中相應的流動設備和壓力節點設備提供，求解思路清晰。
附圖說明
圖1為實施例的工藝流程圖。
具體實施方式
流體網由若干設備模塊組成，每個設備模塊都需要向流動網註冊與其自身對應的方程組，設備模塊分為兩種類型：一種是流動設備(閥門、換熱器、泵、壓縮機、過濾器等)、一種是壓力節點設備(各種塔罐、反應器、混合器等)。
流動設備對應流動設備方程組，流動設備方程組包括流動方程、壓力平衡方程和流量平衡方程，其中流動方程為
其中flow為質量流量，k為導通係數，δp為設備前後壓差。
壓力節點設備對應壓力節點設備方程組，壓力節點設備方程組包括體積平衡方程、壓力平衡方程及流量平衡方程，其中體積平衡方程為
v＝f(flow,h,p,t)
其中v為壓力節點設備的容積，flow為質量流量，h為持液量，p為壓力節點設備內部壓力，t為壓力節點設備內部溫度。
如圖1所示，本實施例中流體網具有分離塔v100、混合器mix-100和閥vlv-100、vlv-101、vlv-102。
其中分離塔v100對應的方程組包括體積平衡方程和壓力平衡方程，分離塔v100的體積平衡方程為
v＝f(flow,h,ph,t)
為了方便計算將分離塔v100的體積平衡方程變成如下形式：
其中ph為分離塔v100內部的壓力，t為分離塔v100內部的溫度，h為分離塔v100中物料量，flows為進出分離塔v100的流股流量(f2，f3和f5)。
分離塔v100的壓力平衡方程為
ph＝p2＝p3＝p5
閥vlv-100、vlv-101和vlv-102對應的方程組包括流動方程和流量平衡方程，閥vlv-100、vlv-101和vlv-102對應流動方程分別為
閥vlv-100、vlv-101和vlv-102對應流量平衡方程分別為
f1＝f2
f3＝f4
f7＝f8。
本實施例中混合器mix-100對應的方程組包括壓力平衡方程和流量平衡方程，其中混合器mix-100對應的壓力平衡方程為
p5＝p6＝p7。
混合器mix-100對應的流量平衡方程為
f7＝f5+f6。
本例中p1＝600kpa，p4＝101.325kpa，p8＝101.325kpa。
本實施例中fn(n＝1，2，3…)以及pn(n＝1，2，3…)分別表示與圖1中相應數字對應部位的質量流量和壓力，如p1對應閥vlv-100進口壓力。
本實施例的求解方法如下：
獲取該流體網中分離塔v100、混合器mix-100和閥vlv-100、vlv-101、vlv-102對應的方程和流量壓力變量，聯立方程求解所有變量的值：
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。
在動態模擬中每一輪都需要聯立求解流量壓力網，網絡求解完成後採用序貫模塊法對單元操作模塊進行質量衡算和能量衡算。