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1、第14卷第4期1990年12月南京林业大学学报, JOURNAL OF NANJING FORESTRY UNIVERSITY 制浆造纸过程静态仿真袁志润杨匡生赵觉声(林产化工系)VoJ.l4 No.4 Dec. 1990 j高要本文论述了制浆造纸过程计算机仿真的定义、过程仿真包的结构原理、算法和应用范围，回顾了仿真的发展历支，并对仿真的未来发展趋势作了讨论.关键词过程静态仿真;过程仿真包;数学模型;单元模块制浆造纸过程计算机仿真是制浆造纸工程学和计算机科学相结合的产物.20多年来，国外一些造纸工业发达的国家，如美国、加拿大、瑞典、芬兰等先后开发了专门用于制浆造纸工业的仿真程序包，并已形成了商
2、业化软件，广泛应用于制浆造纸工业的科研、设计、生产和教学中，取得了十分明显的效益.美国制浆造纸协会(TAPPI)还成立了专门的过程仿真委员会，定期交流研究成果和应用经验.1 计算机仿真的定义和应用范围任何一种过程均有其自身运动的客观规律，过程各参数之间存在着一定的数量关系.我们可以用数学形式把这些关系表达出来，即建立一个能在允许精度范围内代表原过程的数学模型，利用计算机对模型进行计算，其计算结果将反映原过程的特性和行为.此外还能对各种假想的工艺和设备条件进行多次计算，达到分析、研究过程的日的，这就是对原过程的计算机仿真或模拟.用于过程仿真的计算机软件，称之为“过程仿真包“实践表明，采用计算机对
3、过程进行仿真研究，不仅节省了大量的人力、物力和时间，而且可以进行各种操作条件和范围的试验，有些在实际系统中是难以进行的，甚至是不允许的.目前，计算机仿真广泛应用于过程的各个领域(1)对各种工艺流程方案的物料及能量平衡进行试算和比较，达到设计的最优化(2)揭示生产过程中的“瓶颈“问题，提出 改造方桌，并对改造后的新工艺、新技术作出评价(3)实现工厂决策和管理的最优化;但)加速新工艺、新技术的研究和开发.实验室的研究成果，往往可以通过仿真研究后直接应用，而无须进行中试(6);(5)工程技术人员的培训和教育.静态仿真指通过物料和能量衡算来模仿工艺过程的静态性质，主要用于工艺过程的分析和设计，是目前制
4、浆造纸工业中应用最普遍的仿真形式.收稿日期1990-03-29.-90一静态仿真包的结构原理和算法2.1 结构原理任何一个工艺过程，我们均可将其分解为一系列基本单元，并根据物料和能量守恒定律以及物理和化学关系等导出这些单元的数学模型.通常这些模型是一组线性或非线性的代数方程.为了便于计算，人们预先将这些单元的数学模型编制成计算机程序，称之为单.元模块.这样，我们就可用相应的单元模块所构成的模块流程图来代表某一工艺过程.目前，几乎所有的静态仿真包均含有图1所示的六个基本程序块(1)各部分在仿真包中所起的作用及功能如下:2 仿真纺织M数据一一汇i“HA曲因l静态仿真包的基本结构Thc basic
5、structurc of a stcady-state proccsssimu)ator Fig. I 2.1.1 执行程序它是仿真包的主程序.控制整个仿真计算过程，包括数据输入、词用各单元模块及所需的各种物性参数、控制采用何种算法来完成整个平衡计算和输出结果.2.1.2数据输入供用户输人数据的子程序，用户通过键盘或磁盘等外部设备输人数据，包括各流股的组成、所用单元模块的名称、设备参数或约束条件，以及收敛标准等.2.1.3 单元模块通常分为两类(1)通用单元模块.这是构成任何过穗均需用到的模块，如模拟几个组分不同的流股相提合的混合模抉.(2)专用单元模块.这是一些模拟特殊工艺过程的模块，如模拟
6、浆料洗涤过程的洗桨机模块.2.1.4 物性数据库它是提供模块计算时所需的各种热力学或物性参数的数据库，并具有数据检索、数据平滑和插值等数据处理功能(10)2.1.5 算法它是仿真计算时所采用的一组求解程序.2.1.6数据输出这部分程序可根据用户要求输出仿真计算的中间数据或最终结果.2.2算法 静态仿真的单元数学模型通常是一组线性或非线性的代数方程，有关的算法在很多文献中已作了详细介绍【2，3，4，11)然而，过程静态仿真所处理的对象是模块流程图(参见图3) .通常含有若干循环回路，因此，往往需采用以下两种专门的方法.2.2.1 顺序模块法顺序模块法的基本思路就是首先将一个复杂的大系统分解为若干
7、个较小的飞便于独立处理的子系统，称为系统的“分隔飞接着找出这些子系统的计算顺序，称为“排序“第三步则是对子系统中的一个或多个循环流股按一定准则切断，并赋以粗略的猜值.仿真计算按一定的顺序，利用己知流股值和切断流股猜值逐个模块进行，反复迭-91一鑫，警代直到收敛为止.由于整个仿真计算要对所有切断流股进行迭代，因此必须寻找合理的加速收敛的数学方法，以提高计算效率.目前，已有许多学者对上述方法作了较系统的研究E日，S，9，12)顺序模块法计算所占的计算机内存较小.计算方法与手算比较接近，易学习，易调试，因此使用最普遍.其主要缺点是迭代次数较多，在解算大型仿真问题时计算时间较长.2.2.2联立模块法联
8、立模块法的基本点是既保留顺序模块法中的单元模型(称为严格模型).同时又建立一组由物料、能量平衡关系所得的代表各设备输入、输出流股的线性或非线性代数式f称为简单模型).由于同时存在这两种层次的模型，故称为联立模块法或双层法.计算时，首先利用严格模型算出简单模型中的有关系数，这样，简单模型就比较容易联立求解，所求得的各流股变量值再用于严格模型的计算，如此反复，直到收敛.联立模块法收敛快，但是需较大的计算机内存.同化学工业中通用的仿真包相比，制浆造纸过程仿真包应具有以下特点(1)仿真计算必须能够处理含固(纤维)、液(水)、汽(蒸汽)三相的混合流股(2)物性数据库既有水、蒸汽等简单物质的物性数据，也有
9、制浆造纸工业所特有的纤维、浆料、化工原料以及过程副产品等复杂物质的物性数据(3)仿真包不仅包括一些通用的简单模块，还应包括本行业所特有的如蒸煮锅、洗浆机等专用模块.3 计算机仿真的发展历史和现状如前所述，制浆造纸过程仿真是制浆造纸工程学和计算机科学相结合的产物.它起步于六十年代末，与石油二化工行业相比，晚了约5-10年.开始主要是针对单个设备或某个操作单元进行仿真，以后逐步发展为工段、车间、乃至全厂的过程仿真.七十年代以来，国外造纸行业已逐步开发出许多仿真包，其功能也日趋完善.表1列出了目前国外造纸工业中最具有代表性、最常用的几个大型商业化仿真包(1)表E通用的制浆造纸过程仿真包Table 1
10、 General pulp an paper procs simuiat缸. 发表口期仿真包开发机构1972 GEMS U.ldcho (美国爱德荷州立大学)1983 FlowCalc Simulation Software of U .S.A(美国仿真软件公司)1984 MAPPS IPC, U.S.A(美国纸化学研究所)1985 MASS8ALMKn SACDA，Canada(加拿大西屋太雷尔大学系统分析和恒制实验室)在这些仿真包中，GEMS是第一个，也是日前造纸工业中用得最广泛的仿真包.它具有较完整的制浆造纸过程模块，即可进行某个车间的局部仿真，又能进行详细的全厂仿真.其主要缺点是物性数
11、据库不够全. MASSBAL MKll是日前造纸工业中唯一使用联立模块算法的仿真包.它具有较全的专用模块和物秩数据库，运算速度也较快，因此在造纸工业中也获得了广泛的应用.其主要缺点是应用起来不如GEMS方便，而且所需的计算机内存较大.MAPPS是在引用GEMS的执行程序和算法的基础上，加上自己的模块编制而成的.它具有完善的浆厂和电力系统模块，以及制浆造纸组分的物性数据.过程仿真是一门新兴的边缘学科.我国石油化工等行业从七十年代开始从不同角度来研究过程仿真的技术及其应用，在控制系统数字仿真、化工单元操作数学模型的研究、过程仿真的解算方法等方面已有不少的论文和专著，编制出了一些实用的仿真包软件【7
12、)我国制浆造纸工业的生产、科研、设计和教学一般仍局限于对过程进行定性分析，针对某个设备或局部过程进行简单估算，而在应用计算机仿真这一工具进行局部和全系统的定量分析、研究方面，目前尚未见报道，还有待于广大制浆造纸工作者去研究和开发.4静态仿真应用举例 以纸机白水回收系统的改造为例E的，说明仿真的具体应用及效果.为了降低水辑、减轻污染，国外某造纸厂准备对纸机臼水回收系统进行改造，如增加一台纤维过滤机，使回收后的水能用于纸机的冲网、洗毯等.工厂的决策者很想预测这一改造对白水回收系统以及纸机运行会有什么影响，其效益如何，于是采用GEMS对此系统进行了仿真.首先画出此系统的工艺流程图，然后按单元模块的规
13、定和流程顺序将其转换为GEMS模块流程阁，分别且图2和图3.图3中，模块1将纸料(流股1)与回收浆(流股2)混合均匀后送至模块2.后者利用清水(流股份将浆料稀释至一定的浓度，送人模块3.依次类推.构成整个过程的模块流程图.，且清水成纸步-浆一毗f ，lJ 百机伽-22才4卡FlJrk 等 水网 消冲- 情图2纸凯的简化工艺流程圄Fig. 2 Simplificd t10wshcct of thc papcr machinc -93一吕i1-在内，ufT攸JI时3纸机(jEMS模块流程图Fig. 3 GEMS modular flowshcct oftbc paper machinc M-一混合
14、板块D一一稀界筷块R一一反应揣摸块s-一分离板块SM一一蒸汽混合模块接着采用工厂现有系统的实际数据:i1.t行仿真.输ltl结果包括每个流股的数据刊n组成、温度、压力、浓度，)等，用以验证伪iJl能否代表工厂的实际状况.最后，引人纤维过滤机槟块(闺中J1线部分)，再次进行仿真.表2是部分仿真结果的比较.精标名称一-一- 总排放水量消水用最.1(料打F放量溶解有机物作放1l纸机产虽伏与t用蒸汽量流浆箱温度表2结果比较Table 2 The rults comparison 单位改革S前改造后一一. L/min 3988.6 1525.7 L/min 3284.17 449.66 t/d 1.18
15、10 0.4273 t/ d 4.527 2.728 t/ d 111.32 111.77 t/ d 114.52 47.11 47.932 48.518 改造后-改造前改造前 一一一 -61.8% -86.3% -63.8% -39.7% 0.40/. -58.9% 1.2% 从表中看l!J，改造后纸机的产提JJ.流浆箱温皮等工艺条件基本不变，而总排放水旦和I清水用量分别减少61.8%手186.3%;伏坑蒸汽用盘下降58.9%;填料排放量和有机物排-94一M 4 13 , 放量分别降低63.8%和39.7%.结果表明，增加-台纤维过滤机，不仅大大降低水耗和汽耗，而且明显减轻了污染，具有显著的
16、经济效益和社会效益，说明该方案完全可行.GEMS还可对此改造方案进行投资预算和效益估算，以进一步从经济上加以论证.5展望到目前为止，就国外制浆造纸过程静态仿真包而言，在结构原理上和应用上均已达到成熟阶段，成为工厂设计、管理以及新工艺开发和研究的重要工具.但从一个完善的通用程序包和实用性方面，仍有许多工作要做.我们认为，工作重点应放在以下几方面:(1)进一步完善制浆造纸单元过程模型，特别是象蒸煮锅、纸机等关键过程的精细模 型.这些模型应能把操作参数与浆、纸的最终性质(强度、白皮等联系也来，以达到进一步优化过程操作的日的。(2)改善用户接口，使仿真包能接受更为大众化的输入语句，并具备互交功能.此外，仿真的输出应更容易阅读，并采用图形和彩色显示.在错误信息反馈和自检功能方而，也应进一步加强.(3)开发更完善的算法，尽量缩短运算时间，特别是完善模块流程阁计算中的自动分隔、排序、和切断的功能，使更多的工艺人员只要在计算机的提示F即能进行仿真计算.(4)完善物性数据库，建立一个全面统-的物性数据库，并能根据仿真问题的规模和
