制漿造紙工業(yè)過程仿真平臺的研究

劉金星 劉煥彬 高英蓮

（1.曲阜師范大學(xué)信息技術(shù)與傳播學(xué)院，山東日照，276826；2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640；3.曲阜師范大學(xué)，山東日照，276826）

很多與造紙工業(yè)有關(guān)的研究內(nèi)容都涉及到系統(tǒng)仿真技術(shù)，如物流平衡分析、工業(yè)代謝、生產(chǎn)過程和產(chǎn)品的生命周期分析等。由于造紙過程自身的特點(diǎn)和復(fù)雜性，給系統(tǒng)的建模、仿真與優(yōu)化帶來諸多困難，但同時也存在著巨大的研究與應(yīng)用空間。

國際上關(guān)于造紙過程計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代末。經(jīng)過長期努力，一些造紙工業(yè)發(fā)達(dá)國家已開發(fā)出多套專用于造紙過程的仿真軟件。這些軟件雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但引入我國使用時，都不可避免地存在缺陷。首先，漢化問題亟待解決，其次，這些軟件都是根據(jù)國外造紙行業(yè)的相應(yīng)情況開發(fā)的，無法完全適應(yīng)中國造紙工業(yè)的實(shí)際情況。

我國造紙過程計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)還處于起步階段，相關(guān)研究比較少。主要研究涉及造紙工業(yè)過程的某個單元模塊或某些特性的仿真［1-5］。這些軟件都不是很系統(tǒng)且實(shí)用性較差，很難滿足實(shí)際需要。劉煥彬教授在此方面做了開拓性的研究［6-12］，以他為核心的團(tuán)隊(duì)于20世紀(jì)80年代末期開始著手相關(guān)研究，并開發(fā)出造紙過程計(jì)算機(jī)仿真平臺PAMS。歷經(jīng)諸多研究者的繼續(xù)努力，PAMS系統(tǒng)已經(jīng)在造紙過程的靜態(tài)仿真方面取得了較為滿意的效果。隨著Windows的流行，該系統(tǒng)亟待重新開發(fā)，使PAMS系統(tǒng)在使用和維護(hù)各個方面都變得更加方便，更容易被用戶接受。

本研究主要對造紙工業(yè)過程仿真平臺WinPAMS（Paper Making System for Windows）的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和與漿水衡算、能量衡算有關(guān)的模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 WinPAMS仿真平臺的總體結(jié)構(gòu)

WinPAMS仿真平臺采用序貫?zāi)K法和面向?qū)ο蠹夹g(shù)相結(jié)合的開發(fā)方法。在分析過程中根據(jù)造紙過程的特點(diǎn)，得到仿真平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

WinPAMS仿真平臺主要由屏幕顯示、文件處理、單元模塊處理、管道處理、仿真計(jì)算處理、文件打印、在線幫助以及單元功能模塊等8個部分組成，每部分完成一項(xiàng)特定的功能。

圖1 仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

屏幕顯示模塊的主要功能是完成模塊、管道等在屏幕上的顯示以及由于窗口位置的移動或窗口大小的改變所引起的窗口重繪功能。文件處理模塊的主要功能是完成仿真文件的存盤、打開及建立新文件等功能。

單元模塊處理的主要功能是用戶在編輯仿真文件時，如何實(shí)現(xiàn)在流程圖中增加或刪除模塊，以及在流程圖中如何查看模塊的相關(guān)信息和輸入各個模塊的設(shè)備參數(shù)等。

管道處理模塊的主要功能是用戶在編輯仿真文件時，完成構(gòu)造新的管道，把各個模塊通過管道來聯(lián)系起來，并且可查看管道中的主要參數(shù)等。

計(jì)算處理模塊的主要功能是完成對用戶構(gòu)成的仿真文件進(jìn)行計(jì)算順序的確定，然后按照計(jì)算順序，逐個調(diào)用各個模塊的數(shù)學(xué)模型來完成靜態(tài)和動態(tài)的仿真計(jì)算，并報(bào)告最終計(jì)算結(jié)果。還可以按照用戶的意圖在靜態(tài)計(jì)算達(dá)到平衡后指定某條特定流線的參數(shù)來計(jì)算其余各條流線的參數(shù)值，以便用戶確定諸如：生產(chǎn)每噸紙所需要漿料數(shù)量之類的指標(biāo)計(jì)算。

單元功能模塊是整個WinPAMS仿真平臺的核心部分。每個單元模塊由2個文件（*.cpp和*.h）組成，如混合模塊由Mixer.cpp和Mixer.h 2個文件組成。*.h文件定義該模塊所屬的設(shè)備類，以及該模塊所具有的一些特有參數(shù)；*.cpp文件負(fù)責(zé)對過程用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，并按照仿真平臺中的標(biāo)準(zhǔn)在程序中表達(dá)出該數(shù)學(xué)模型，完成對某一特定過程的仿真。仿真平臺中的各個單元模塊之間是相互獨(dú)立互不影響的，只接受主程序?qū)λ目刂啤?/p>

2 造紙過程仿真平臺主要單元功能模塊的建立

將要用到的有關(guān)符號的說明如表1所示。下面根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒定律，建立造紙過程的主要單元功能模塊的數(shù)學(xué)模型。

表1 符號說明

2.1 混合模塊

混合模塊能夠完成2～6股物料的混合計(jì)算，抽象的混合模塊示意圖如圖2所示。

圖2 混合模塊示意圖

圖2中I1，…，In代表物料入口，入口數(shù)目至少為2，最多為6；O代表物料出口。該模塊有2個功能選擇：①簡單的混合；②混合并稀釋到一定的濃度。

2.1.1 簡單混合

該功能選擇把所有輸入的n股物料經(jīng)過混合后送到輸出流線，把所有帶入的熱量也送到輸出流線。

入口流量：

固形物含量：

入口的能量總和為：

由質(zhì)量守恒定律可計(jì)算出口的有關(guān)參數(shù)，具體如下。

出口流量：

出口固形物含量：

出口濃度：

出口比熱容：由能量守恒定律得出口的熱量：

出口溫度：

2.1.2 混合并稀釋

對于該功能選擇，模塊可以加入適當(dāng)?shù)南♂屢菏钩隹诘臐舛冗_(dá)到要求值。該功能的約定是最后一條入口流線為稀釋液的流線，其作用是把前面的幾股流線混合之后再加入稀釋液調(diào)節(jié)出口的濃度達(dá)到要求值。計(jì)算步驟如下：

（1）從用戶輸入對話框中的參數(shù)，獲得該模塊的入口管道數(shù)n，出口物料的濃度Cout，以及稀釋液的濃度C0。

（2）計(jì)算前n-1股物料混合后的各個參數(shù)

流量：

固形物：

比熱容：

熱量：

（3）推導(dǎo)可得需要稀釋液的流量：

（4）計(jì)算出口其余各個參數(shù)

流量：

濃度：

比熱容：

熱量：

出口溫度：

2.2 分離模塊

分離模塊的功能是把進(jìn)入該模塊的物料按照仿真的需要，分成相應(yīng)的幾股，抽象的混合模塊圖如圖3所示。

圖3 分離模塊示意圖

圖3中，I代表物料入口；O1，…，On代表物料出口，出口數(shù)目至少為2，最多為6。該模塊有3個功能選擇，下面分別論述它們的數(shù)學(xué)模型的建立方法。

2.2.1 按照給定的比例分成濃度相同的n股

把進(jìn)入該模塊的物料按照用戶給定的比例Pn（由用戶選擇）分成濃度相同的2～6股輸出。此處是簡單的物料和能量衡算，濃度、各組分含量均保持不變。

各股的出口流量：

如果有熱交換，出口的熱量和溫度會有變化，具體計(jì)算如下：

入口的熱量：

由于出口各股物料的溫度相同，因此可以先求出出口物料的溫度。由能量守恒定律，得出口物料的溫度：

進(jìn)而求出各股的熱量：

2.2.2 按照給定的出口流量分成濃度相同的n股

把進(jìn)入該模塊的物料按照用戶給定的出口數(shù)，以及給定各個出口流線的流量，分離成濃度相同的2～6股輸出。

其中最后一股流線的流量根據(jù)物料衡算求出，在此不再具體列出。

2.2.3 分成濃度不同的2股

該功能把入口物料分為濃度不同的2股，進(jìn)入該模塊的物料按照用戶給定的第一個出口的固形物占入口固形物總量的比例P，以及第一個出口需要達(dá)到的濃度把入口物料分為2股。

入口的固形物含量：

出口第一股的固形物含量是：

已知第一股的固形物濃度Cout，1，由質(zhì)量守恒定律求得第一股的流量：

第二股的固形物濃度為：

第一股物料的比熱容為：

第二股物料的比熱容為：

相應(yīng)地可以求出其他參數(shù)，在此不再詳述。

由于濃度不同，各個出口物料的比熱容是不同的。在做能量衡算時，簡單的處理原則是所有出口的物料的溫度是相同的。當(dāng)用戶選擇輸入交換熱時，可以先求出物料溫度，然后再求出口物料的熱量。

物料帶入的熱量：

由能量守恒定律，得出口物料的溫度：

由此，可求得出口物料的熱量。第一股的熱量：

第二股的熱量：

2.3 除渣器模塊

除渣器模塊和旋翼篩模塊功能相似，數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)起來也類似，下面僅以除渣器模塊為例。除渣器模塊是針對造紙過程中除渣裝置的特點(diǎn)，以及漿水衡算和能量衡算的特點(diǎn)，由用戶給定該除渣器的排渣率x和排渣濃度C3，計(jì)算出口的各個參數(shù)值。除渣器模塊的示意圖如圖4所示。

圖4 除渣器模塊示意圖

該模塊有1個入口2個出口，圖4中，I代表物料入口；O1代表良漿出口，O2為渣漿出口。

渣漿流量：由質(zhì)量守恒定律得良漿流量：

良漿的濃度：

3 WinPAMS過程仿真示例

圖5為某造紙過程三段除渣器的工藝流程，表2為該流程的工藝參數(shù)。

圖5 造紙過程三段除渣系統(tǒng)工藝流程圖

表2 三段除渣器工藝參數(shù)

在WinPAMS中可以根據(jù)圖5所示的操作流程，構(gòu)成如圖6的仿真流程圖。

圖6 WinPAMS中三段除渣系統(tǒng)的對應(yīng)流程圖

編輯好圖6的流程后，通過各個功能模塊的對話框輸入表2中的各個工藝參數(shù)。做完這些以后，使用者的主要工作就已完成，下一步是WinPAMS按自動排列出的計(jì)算順序（圖6中各個模塊上的序號即為該流程的計(jì)算順序），對該過程逐塊進(jìn)行計(jì)算，所有的模塊都計(jì)算一遍后，WinPAMS檢查是否所有的模塊都已經(jīng)收斂，如果未收斂，則把上一次計(jì)算結(jié)果作為下一次計(jì)算的起點(diǎn)，重復(fù)計(jì)算直到收斂或達(dá)到最大迭代次數(shù)，計(jì)算結(jié)束后，軟件報(bào)告仿真的結(jié)果和迭代的次數(shù)，并自動把仿真結(jié)果保存到一個文本文件中，用戶可以通過各種方法查看該仿真結(jié)果，并通過對仿真結(jié)果的分析解決實(shí)際問題。

4 結(jié)語

本研究首先采用序貫?zāi)K法和面向?qū)ο蠹夹g(shù)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了WinPAMS仿真平臺的總體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了與漿水衡算有關(guān)的功能模塊，主要包括混合、分離、除渣器和旋翼篩等模塊，并通過典型的三段除渣系統(tǒng)實(shí)例驗(yàn)證了該仿真平臺的有效性。

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