一种基于数字孪生的冷箱设备数学建模方法、装置、存储介质及设备

摘要

本发明涉及一种基于数字孪生的冷箱设备数学建模方法、装置、存储介质及设备。本发明适用于化工设备仿真领域。本发明的技术方案为一种基于数字孪生的冷箱设备数学建模方法，其特征在于获取用户配置的冷箱壳程结构参数及壳程进料物流的初始参数，该初始参数包括壳程内填充物质信息；获取用户配置的冷箱管程结构参数及管程内进料物流的初始参数，该初始参数包括管程物流股数和管程内填充物质信息；获取用户配置的区域数；基于区域数将冷箱沿壳程内物流流向切割成多段区域；基于壳程的结构参数和壳程进料物流的初始参数，以及管程的结构参数和管程进料物流的初始参数迭代计算管、壳程在各段区域出口的出口物流信息。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于数字孪生的冷箱设备数学建模方法、装置、存储介质及设备。适用于化工设备仿真领域。

背景技术

冷箱是用来实现冷、热流体之间热量交换的设备，在冷箱内可以使多股管程物流与壳程分区域进行热交换。冷箱分为管壳程，管壳程可以进行并流或逆流换热，壳程为1股进料，管程可以是多股进料，各物料间只进行热交换，不进行物质传递。现有的用于动态仿真系统的换热器建模计算模型参数计算存在计算量大或者仿真准确性不高的问题。

目前冷箱算法的研究主要集中在稳态模拟阶段，对冷箱设备进行动态数学建模的相对较少且基本都是用冷却曲线法实现的，但利用冷却曲线法计算误差较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于数字孪生的冷箱设备数学建模方法、装置、存储介质及设备。

本发明所采用的技术方案是：一种基于数字孪生的冷箱设备数学建模方法，其特征在于：

获取用户配置的冷箱壳程结构参数及壳程进料物流的初始参数，该初始参数包括壳程内填充物质信息；

获取用户配置的冷箱管程结构参数及管程内进料物流的初始参数，该初始参数包括管程物流股数和管程内填充物质信息；

获取用户配置的区域数；

基于区域数将冷箱沿壳程内物流流向切割成多段区域；

基于壳程的结构参数和壳程进料物流的初始参数，以及管程的结构参数和管程进料物流的初始参数迭代计算管、壳程在各段区域出口的出口物流信息。

所述初始参数信息包括温度、压力、质量流量、摩尔流量、组分摩尔或质量浓度；

所述出口物流信息包括温度、压力、质量流量、摩尔流量、组分摩尔、质量浓度、焓值、熵值、吉布斯自由能、内能。

所述基于壳程的结构参数和壳程进料物流的初始参数，以及管程的结构参数和管程进料物流的初始参数迭代计算各区域内管、壳程的出口物流信息，包括：

获取用户选择的冷箱管壳程换热方式，并流或逆流；

当选择并流时，壳程进料物流与壳程第一段区域内的物质混合、各管程进料物流分别与各管程第一段区域内的物质混合，调用多股流换热闪蒸计算，闪蒸结束后，超出第一段壳程的物流往第二段区域内流动，再与壳程第二段区域内的物质混合，管程也用相同方式处理，再次调用多股流闪蒸，计算得到管、壳程各段区域的温度；

当选择逆流时，各管程进料物流分别与各管程第一段区域内的物质混合，壳程物料与壳程最后一段区域内的物质混合混合，调用多股流换热闪蒸计算，闪蒸结束后超出第一段管程的物流往第二段区域内流动，超出第一段壳程的物流作为出口的物流，壳程的第二段物流与前一时刻第三段出口物流混合，再次调用多股流闪蒸，计算得到管、壳程各段区域的温度。

某段区域内调用多股流换热闪蒸计算，包括：

S1、假设壳程物流在该某段区域出口的初始温度为TnB0，且TnB1＝ TnB0+Tstep；

S2、假设第i股管程物流在该某段区域出口的初始温度为TnA0[i]，且 TnA1[i]＝TnA0[i]+Tstep；

S3、用割线法计算第i股管程物流在该某段区域出口的温度TnA2[i]；

TnA2[i]＝TnA1[i]-(TnA1[i]-TnA0[i])/(fnA1[i]-fnA0[i])*fnA1[i]；

fnA0[i]＝molarA[i]*(H

+△HA

同理计算fnA1[i]和fnA2[i]；

若fnA[i]<＝ζ，则输出第i股管程物流在该某段区域相应的出口温度TnA[i]，此时TnA[i]＝TnA2[i]；

其中：molarA[i]为第i股管程物流在该段区域的进口摩尔数；H

S4、计算第i股管程物流的换热量heatQ[i]＝(TnA2[i]-TnB)*KA[i]，将各管程换热量累加得到总换热量totalHeatQ；

其中，heatQ[i]表示第i股管程物流在该某段区域的换热量；totalHeatQ表示壳程物流在该某段区域的换热量；

S5、用割线法计算壳程物流在某段区域出口的温度TnB2；

TnB2＝TnB1-(TnB1-TnB0)/(fnB1-fnB0)*fnB1；

fnB＝molarB*(H

若fnB<＝ζ，则输出壳程物流在该某段区域的出口温度TnB，此时TnB＝TnB2；

其中，molorB表示壳程物流在该某段区域进口摩尔数；H

一种基于数字孪生的冷箱设备数学建模装置，其特征在于：

壳程配置模块，用于获取用户配置的冷箱壳程结构参数及壳程内物质的初始参数，该初始参数包括壳程内物质的初始信息；

管程配置模块，用于获取用户配置的冷箱管程结构参数及管程内物质的初始参数，该初始参数包括管程物流股数和管程内物质的初始信息；

区域配置模块，用于获取用户配置的区域数；

区域切割模块，用于基于区域数将冷箱沿壳程内物流流向切割成多段区域；

分区迭代计算模块，用于基于壳程的结构参数和壳程内物流的初始参数，以及管程的结构参数和管程内物流的初始参数迭代计算管、壳程在各段区域出口的出口物流信息。

所述初始物流信息包括温度、压力、质量流量、摩尔流量、组分摩尔或质量浓度；

所述出口物流信息包括温度、压力、质量流量、摩尔流量、组分摩尔、质量浓度、焓值、熵值、吉布斯自由能、内能。

所述基于壳程的结构参数和壳程内物流的初始参数，以及管程的结构参数和管程内物流的初始参数迭代计算各区域内管、壳程的出口物流信息，包括：

获取用户选择的冷箱管壳程换热方式，并流或逆流；

当选择并流时，壳程进料物流与壳程第一段区域内的物质混合、各管程进料物流分别与各管程第一段区域内的物质混合，调用多股流换热闪蒸计算，闪蒸结束后，超出第一段壳程的物流往第二段区域内流动，再与壳程第二段区域内的物质混合，管程也用相同方式处理，再次调用多股流闪蒸，计算得到管、壳程各段区域的温度；

当选择逆流时，各管程进料物流分别与各管程第一段区域内的物质混合，壳程物料与最后一段区域内的物质混合，调用多股流换热闪蒸计算，闪蒸结束后超出第一段管程的物流往第二段区域内流动，超出第一段壳程的物流作为出口的物流，壳程的第二段物流与前一时刻第三段出口物流混合，再次调用多股流闪蒸，计算得到管、壳程各段区域的温度。

某段区域内调用多股流换热闪蒸计算，包括：

S1、假设壳程物流在该某段区域出口的初始温度为TnB0，且TnB1＝ TnB0+Tstep；

S2、假设第i股管程物流在该某段区域出口的初始温度为TnA0[i]，且 TnA1[i]＝TnA0[i]+Tstep；

S3、用割线法计算第i股管程物流在该某段区域出口的温度TnA2[i]；

TnA2[i]＝TnA1[i]-(TnA1[i]-TnA0[i])/(fnA1[i]-fnA0[i])*fnA1[i]；

fnA0[i]＝molarA[i]*(H

+△HA

同理计算fnA1[i]和fnA2[i]；

若fnA[i]<＝ζ，则输出第i股管程物流在该某段区域相应的出口温度TnA[i]，此时TnA[i]＝TnA2[i]；

其中：molarA[i]为第i股管程物流在该段区域的进口摩尔数；H

S4、计算第i股管程物流的换热量heatQ[i]＝(TnA2[i]-TnB)*KA[i]，将各管程的换热量累加得到总换热量totalHeatQ；

其中，heatQ[i]表示第i股管程物流在该某段区域的换热量；totalHeatQ表示壳程物流在该某段区域的换热量；

S5、用割线法计算壳程物流在该某段区域出口的温度TnB2；

TnB2＝TnB1-(TnB1-TnB0)/(fnB1-fnB0)*fnB1；

fnB＝molarB*(H

若fnB<＝ζ，则输出壳程物流在该某段区域的出口温度TnB，此时TnB＝TnB2；

其中，molorB表示壳程物流在该某段区域进口摩尔数；H

一种存储介质，其上存储有能被处理器执行的计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被执行时实现所述基于数字孪生的冷箱设备数学建模方法的步骤。

一种计算机设备，具有存储器和处理器，存储器上存储有能被处理器执行的计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被执行时实现所述基于数字孪生的冷箱设备数学建模方法的步骤。

本发明的有益效果是：本发明相较于现有的冷却曲线法，对冷箱设备进行划区域，在各个区域内进行严格的闪蒸计算，以确保计算结果与实际装置运行情况更贴合。

附图说明

图1为实施例的流程图。

图2为实施例中分区计算示意图。

图3为实施例中装置的结构示意图。

1、壳程配置模块；2、管程配置模块；3、区域配置模块；4、区域切割模块；5、分区迭代计算模块。

具体实施方式

本实施例为一种基于数字孪生的冷箱设备数学建模方法，其特征在于：

A、获取用户配置的冷箱壳程结构参数及壳程内物质的初始参数，该初始参数包括壳程内物质的初始信息。

在冷箱使用过程中，用户可根据实际情况选择壳程的结构参数，包括形状及方向，并填写壳程所需的直径、高度和壁厚等，同时判断壳程底部出口是否包含液柱静压力。

在冷箱使用过程中，用户可根据工程状况确定初始物流信息，包括温度、压力、质量流量、摩尔流量、组分摩尔或质量浓度等。

B、获取用户配置的冷箱管程结构参数及管程内物质的初始参数，该初始参数包括管程物流股数n和管程内物质的初始信息。

用户可根据工程实际状况填写管程的结构参数，包括直径、尺寸及壁厚等，同时可根据实际情况选择管程方向，在实际应用过程中，用户可根据所需要管程数量填写管程尺寸。

用户可根据实际工程状况标定管程的初始物流信息，包括温度、压力、质量流量、摩尔流量、组分摩尔或质量浓度等。

C、获取用户配置的区域数。为了实现多股流换热器的精准模拟，将多股流换热器切割多个区域，用户可自由配置区域数，区域数越多模拟越精准，但是同时计算量大，比较消耗计算机的算力，用户可同时考虑两者情况，酌情选择区域数。

D、基于区域数将冷箱沿壳程内物流流向切割成多段区域。

E、基于壳程的结构参数和壳程内物质的初始参数，以及管程的结构参数和管程内物质的初始参数迭代计算管、壳程在各段区域出口的出口物流信息，出口物流信息包括温度、压力、质量流量、摩尔流量、组分摩尔、质量浓度、焓值、熵值、吉布斯自由能、内能等。

本实施例中步骤E包括：

获取选择的冷箱管壳程换热方式，并流或逆流；

当选择并流时，壳程进料物流与壳程第一段区域内的物质混合、各管程进料物流分别与各管程第一段区域内的物质混合，调用多股流换热闪蒸计算，闪蒸结束后，超出第一段壳程的物流往第二段区域内流动，再与壳程第二段区域内的物质混合，管程也用相同方式处理，再次调用多股流闪蒸，以此类推，计算得到管、壳程各段的温度；

当选择逆流时，各管程进料物流分别与各管程第一段区域内的物质混合，壳程物料与壳程最后一段区域内的物质混合，调用多股流换热闪蒸计算，闪蒸结束后超出第一段管程的物流往第二段区域内流动，超出第一段壳程的物流作为出口的物流，壳程的第二段物流与前一时刻第三段出口物流混合，再次调用多股流闪蒸，以此类推，计算得到管壳程各段的温度。

本实施例中在某段区域内调用多股流换热闪蒸计算，包括：

某段区域内调用多股流换热闪蒸计算，包括：

S1、假设壳程物流在该某段区域出口的初始温度为TnB0，且TnB1＝ TnB0+Tstep；

S2、假设第i股管程物流在该某段区域出口的初始温度为TnA0[i]，且 TnA1[i]＝TnA0[i]+Tstep；

S3、用割线法计算第i股管程物流在该某段区域出口的温度TnA2[i]；

TnA2[i]＝TnA1[i]-(TnA1[i]-TnA0[i])/(fnA1[i]-fnA0[i])*fnA1[i]；

fnA0[i]＝molarA[i]*(H

+△HA

fnA1[i]＝molarA[i]*(H

+△HA

fnA2[i]＝molarA[i]*(H

+△HA

若fnA[i]<＝ζ，则输出第i股管程物流在该某段区域相应的出口温度TnA[i]，此时TnA[i]＝TnA2[i]；

其中：molarA[i]为第i股管程物流在该段区域的进口摩尔数；H

S4、计算第i股管程物流的换热量heatQ[i]＝(TnA2[i]-TnB)*KA[i]，累积起来得到总换热量totalHeatQ＝heatQ[1]+…+heatQ[n]；

其中，heatQ[i]表示第i股管程物流在该某段区域的换热量；totalHeatQ表示壳程物流在该某段区域的换热量；

S5、用割线法计算壳程物流在该某段区域出口的温度TnB2；

TnB2＝TnB1-(TnB1-TnB0)/(fnB1-fnB0)*fnB1；

fnB＝molarB*(H

若fnB<＝ζ，则输出壳程物流在该某段区域的出口温度TnB，此时TnB＝TnB2；

其中，molorB表示壳程物流在该某段区域进口摩尔数；H

本实施例中在每次更新TnB的时候，需要重新计算TnA[i]，以便得到相对应的换热量totalHeatQ。

本实施例中根据流量与压力关系计算管、壳程流程摩尔流量等，包括：

1)管程：

流量－压力关系：

式中，F

F

k＝流量系数

P

P

ρ

ρ

本实施例中用户输入质量流量、质量密度和压降，采用公式(1)进行计算，计算出流量系数k；在模型计算时则采用公式(2)，即摩尔流量和摩尔密度。

2)壳程：

壳程具有一股进料及一股出料，其中，进口压力与壳程气相出料的压力相同：

P

其中P

P

壳程液相出口压力等于气相出口压力加上液柱的静压力。

基于壳程的体积平衡得到的壳程进出口压力及流量之间的关系

其中，F

本实施例还提供一种基于数字孪生的冷箱设备数学建模装置，包括壳程配置模块、管程配置模块、区域配置模块、区域切割模块和分区迭代计算模块。

本例中壳程配置模块用于获取用户配置的冷箱壳程结构参数及壳程内物质的初始参数，该初始参数包括壳程内物质的初始信息；管程配置模块用于获取用户配置的冷箱管程结构参数及管程内物质的初始参数，该初始参数包括管程物流股数和管程内物质的初始信息；区域配置模块用于获取用户配置的区域数；区域切割模块用于基于区域数将冷箱沿壳程内物流流向切割成多段区域；分区迭代计算模块用于基于壳程的结构参数和壳程内物质的初始参数，以及管程的结构参数和管程内物质的初始参数迭代计算管、壳程在各段区域出口的出口物流信息。

本实施例还提供一种存储介质，其上存储有能被处理器执行的计算机程序，该计算机程序被执行时实现本例中基于数字孪生的冷箱设备数学建模方法的步骤。

本实施例还提供一种计算机设备，具有存储器和处理器，存储器上存储有能被处理器执行的计算机程序，该计算机程序被执行时实现本例中基于数字孪生的冷箱设备数学建模方法的步骤。