CN113343480B - 一种含水空气混合物物性仿真计算方法和系统 - Google Patents
一种含水空气混合物物性仿真计算方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种含水空气混合物物性仿真计算方法，包括如下步骤：对混合物进行气液平衡计算，并分别基于第一仿真算法和第二仿真算法计算水的热力学属性；分别将第一仿真算法和第二仿真算法计算得到的参数与实际参数进行比较，选取与实际参数接近的结果作为仿真结果输出。本发明的含水空气混合物物性仿真计算方法，基于IAPWS‑IF97的区间与混合物的状态建立了一种对应关系使得仿真计算结果与实际更接近，并使用外推法补充了IAPWS‑IF97计算区间外未定义的计算，有效提高了水蒸气混合物物性仿真计算结果的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及仿真计算技术领域，具体涉及一种含水空气混合物物性仿真计算方法和系统。
背景技术
蒸汽动力工程相关技术领域的设备和系统的设计制造、生产运行以及性能分析和实验研究过程中均离不开水和蒸汽性质的计算。国际水和水蒸气热力性质学会(IAPWS)于1997年通过并于1998年发表了新的工业用水和水蒸气热力性质计算公式IAPWS-IF97。与原来的IFC67公式比较，该公式具有很多优点，已成为新的国际标准。
现有的基于IAPWS-IF97的物性仿真计算，能用于计算水蒸气的热力学属性，如焓，熵，密度等属性。而实际生产工艺中水都是与空气并存在一个系统中，当水蒸气与空气混合计算时会出现一定偏差，一方面由于IF97计算水的焓熵的基准跟普通物质不一样，另一方面纯水跟混合物的饱和点温度压力存在差异。另外IF97还存在有效的温度和压力区间，超过该区间则无法进行有效仿真计算。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含水空气混合物物性仿真计算方法和系统，以解决现有的仿真计算在水蒸气与空气混合计算时会出现偏差的问题。具体采用了如下技术方案：
本发明的第一个方面为一种含水空气混合物物性仿真计算方法，用于气液平衡点严重偏离IAPWS-IF97计算区间的含空气的水的混合物体系的物性仿真计算，包括如下步骤：
对混合物进行气液平衡计算，并分别基于第一仿真算法和第二仿真算法计算水的热力学属性；
分别将第一仿真算法和第二仿真算法计算得到的参数与实际参数进行比较，选取与实际参数接近的结果作为仿真结果输出；
其中，所述第一仿真算法用于混合物的其中一种相态在IAPWS-IF97区间之内的热力学计算，具体包括：
先根据如下饱和蒸汽压公式计算混合物体系的相态与各相态的组成：
其中，计算时使用的水的参数为A＝73.649，B＝-7258.2，C＝-7.3037，D＝4.1653E-06，E＝2，空气的参数为A＝21.662，B＝-692.39，C＝-0.39208， D＝0.0047574，E＝1，T为体系的温度，单位是K，Y为体系的饱和蒸汽压，单位是Pa；
当混合物为气液两相时，按照IAPWS-IF97的4号区间计算水气液热力学属性；当混合物为单相时，水的气相属性计算为温度高于1073.15K时按照 IAPWS-IF97的5号区间计算，否则按2号区间计算；水的液相属性计算为温度高于647.096K时按照IAPWS-IF97的3号区间计算，否则按照1号区间计算；
所述第二仿真算法用于混合物的其中一种相态在IAPWS-IF97区间之外的热力学计算，具体包括：
按照IAPWS-IF97计算出指定压力下水的饱和温度，按如下公式计算饱和温度下水焓，以及IAPWS-IF97下水的热力学属性Hl；
Y＝AlnT+B[(C/T)coth(C/T)-lnsinh(C/T)]
-D[(E/T)tanh(E/T)-lncosh(E/T)]+SCON
其中A＝33363，B＝26790，C＝2610.5，D＝8896，E＝1169，T为体系的温度，单位是K，Y为体系的焓，单位是J/kmol；
水的气相属性计算为：当当前温度高于或等于饱和温度时气相属性按照 IF97计算，液相属性计算公式为：当前温度下理想液相焓-Hi+Hl；当当前温度低于饱和温度点时水的液相属性按照IAPWS-IF97计算，气相属性计算公式为：当前温度下理想气相焓-Hi+Hl。
进一步的，所述第一仿真算法和第二仿真算法还包括：
当混合物中水的温度压力在IAPWS-IF97之外时，按照对应区间1，3，2， 5区间进行外推计算。
进一步的，该方法还包括数据处理步骤：
获取仿真计算所需要的混合物参数数据，并根据时间轴对批量的数据进行整合；
基于工艺特征，提取待计算混合物同一时刻所有的关联数据。
进一步的，所述混合物参数数据包括物性数据，流股温度、流股压力及总组成数据。
进一步的，所述混合物参数的来源包括：外部数据、物性数据库数据以及计算过程中的计算数据；所述外部数据包括通过外部传感器、DCS的控制器或 IO卡件获取的数据。
本发明的第二个方面为一种含水空气混合物物性仿真计算系统，包括：
数据获取单元，用于获取仿真计算所需要的混合物参数数据；
数据处理单元，用于根据时间轴对数据获取模块获取的批量数据进行整合，并基于工艺特征，提取待计算混合物同一时刻所有的关联数据；
第一计算单元，用于基于第一仿真算法计算混合物中水的热力学属性；
第二计算单元，用于基于第二仿真算法计算混合物中水的热力学属性；
参数比较单元，用于比较第一仿真算法和第二仿真算法计算得到的参数与获取的实际参数值；
结果输出单元，用于选取与实际参数值接近的结果作为仿真结果输出；
其中，其中，所述第一仿真算法用于混合物的其中一种相态在IAPWS-IF97 区间之内的热力学计算，具体包括：
先根据如下饱和蒸汽压公式计算混合物体系的相态与各相态的组成：
其中，计算时使用的水的参数为A＝73.649，B＝-7258.2，C＝-7.3037， D＝4.1653E-06，E＝2，空气的参数为A＝21.662，B＝-692.39，C＝-0.39208， D＝0.0047574，E＝1，T为体系的温度，单位是K，Y为体系的饱和蒸汽压，单位是Pa；
当混合物为气液两相时，按照IAPWS-IF97的4号区间计算水气液热力学属性；当混合物为单相时，水的气相属性计算为温度高于1073.15K时按照 IAPWS-IF97的5号区间计算，否则按2号区间计算；水的液相属性计算为温度高于647.096K时按照IAPWS-IF97的3号区间计算，否则按照1号区间计算；
所述第二仿真算法用于混合物的其中一种相态在IAPWS-IF97区间之外的热力学计算，具体包括：
按照IAPWS-IF97计算出指定压力下水的饱和温度，按如下公式计算饱和温度下水焓，以及IAPWS-IF97下水的热力学属性Hl；
Y＝AlnT+B[(C/T)coth(C/T)-lnsinh(C/T)]
-D[(E/T)tanh(E/T)-lncosh(E/T)]+SCON
其中A＝33363，B＝26790，C＝2610.5，D＝8896，E＝1169，T为体系的温度，单位是K，Y为体系的焓，单位是J/kmol；
水的气相属性计算为：当当前温度高于或等于饱和温度时气相属性按照 IF97计算，液相属性计算公式为：当前温度下理想液相焓-Hi+Hl；当当前温度低于饱和温度点时水的液相属性按照IAPWS-IF97计算，气相属性计算公式为：当前温度下理想气相焓-Hi+Hl。
进一步的，该系统还包括第四计算单元，用于当混合物中水的温度压力在 IAPWS-IF97之外时，按照对应区间1，3，2，5区间进行外推计算水的热力学属性。
进一步的，所述数据获取单元包括外部数据获取模块、数据库读取模块以及计算数据提取模块；所述外部数据获取模块用于通过外部传感器、DCS的控制器或IO卡件获取数据，所述数据库读取模块用于读取物性数据库中的数据，所述计算数据提取模块用于提取计算过程中的计算数据
本发明的有益效果如下：
本发明的含水空气混合物物性仿真计算方法，基于IAPWS-IF97的区间与混合物的状态建立了一种对应关系使得仿真计算结果与实际更接近，并使用外推法补充了IAPWS-IF97计算区间外未定义的计算，有效提高了水蒸气混合物物性仿真计算结果的准确度。本发明的系统，可应用于类似VxOTS(仿真)的乙烯项目中，与直接用IF97计算相比，可获得更符合实际的仿真结果和更稳定的控制效果。
附图说明
图1为IAPWS-IF97公式的分区及公式。
图2为本发明方法实施例的流程示意简图。
图3为本发明实施例中第一仿真算法的流程示意图。
图4为本发明实施例中第二仿真算法的流程示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
1997年9月，国际水和水蒸汽性质协会在德国的Erlangen召开会议，会上公布了“水和水蒸汽热力性质1997年工业用公式”，简称IAPWS-IF97公式。
IAPWS-IF97工业用公式包含了用于不同分区的一系列公式，涵盖了以下有效范围：
273.15K≤71≤1073.15K p≤100MPa
1073.15K≤T≤2273.15K P≤10MPa
如图1所示，IAPWS-IF97公式将上述有效范围被分成了5个分区(事实上合并了IFC67年公式的3区和4区以及5区和6区，并新增一个高温区)。除了2 区和3区的边界外，其它分区的边界均可由图1直接得到。2区和3区的边界线则由公式给出。具体算法公式等资料现有技术中已有较多资料公开，在此不作详细说明。
本发明基于上述IAPWS-IF97公式提供了一种含水空气混合物物性仿真计算方法和系统及其应用实例。
本发明第一个实施例为含水空气混合物物性仿真计算方法，以解决 IAPWS-IF97在水蒸气与其他组分混合时出现的计算偏差。参考附图2，其包括：
S1、对混合物进行气液平衡计算，并分别基于第一仿真算法和第二仿真算法计算水的热力学属性；
S2、分别将第一仿真算法和第二仿真算法计算得到的参数与实际参数进行比较，选取与实际参数接近的结果作为仿真结果输出。
在进行计算之前，首先需要获取计算所需要的各种参数数据，比如物性数据、流股的温度、流股的压力、总组成等。数据的来源有多种，其中部分数据来自与外部数据(通过数据通讯协议对接外部传感器、DCS的控制器、IO卡件等数据，比如某设备的温度等)，部分数据来物性的数据库，部分数据利用计算过程中的计算数据等。计算程序根据时间轴对批量的数据进行整合，依据工艺的特征梳理同一时刻所有的关联数据，然后进行混合物的物性计算。
对混合物进行气液平衡计算，除水以外的属性计算按照热力学属性方法计算。对混合物中水的热力学属性计算采用如下两种仿真算法：
所述第一仿真算法用于混合物的其中一种相态在IAPWS-IF97区间之内的热力学计算，具体包括：
先根据如下饱和蒸汽压公式计算混合物体系的相态与各相态的组成：
其中，计算时使用的水的参数为A＝73.649，B＝-7258.2，C＝-7.3037， D＝4.1653E-06，E＝2，空气的参数为A＝21.662，B＝-692.39，C＝-0.39208， D＝0.0047574，E＝1，T为体系的温度，单位是K，Y为体系的饱和蒸汽压，单位是Pa；
当混合物为气液两相时，按照IAPWS-IF97的4号区间计算水气液热力学属性；当混合物为单相时，水的气相属性计算为温度高于1073.15K时按照 IAPWS-IF97的5号区间计算，否则按2号区间计算；水的液相属性计算为温度高于647.096K时按照IAPWS-IF97的3号区间计算，否则按照1号区间计算。具体计算过程参考附图3。
对于焓熵计算，上述第一仿真算法在极端条件下也会有几率算偏，在这种情况下采用第二仿真算法。第二仿真算法用于混合物的其中一种相态在 IAPWS-IF97区间之外的热力学计算，具体包括：
按照IAPWS-IF97计算出指定压力下水的饱和温度，按如下公式计算饱和温度下水焓，以及IAPWS-IF97下水的热力学属性Hl；
Y＝AlnT+B[(C/T)coth(C/T)-lnsinh（C/T)]
-D[(E/T)tanh(E/T)-lncosh(E/T)]+SCON
其中A＝33363，B＝26790，C＝2610.5，D＝8896，E＝1169，T为体系的温度，单位是K，Y为体系的焓，单位是J/kmol；
水的气相属性计算为：当当前温度高于或等于饱和温度时气相属性按照 IF97计算，液相属性计算公式为：当前温度下理想液相焓-Hi+Hl；当当前温度低于饱和温度点时水的液相属性按照IAPWS-IF97计算，气相属性计算公式为：当前温度下理想气相焓-Hi+Hl。具体计算过程参考附图4。
上述两种仿真算法中，当混合物中水的温度压力在IAPWS-IF97之外时，按照对应区间1，3，2，5区间进行外推计算。
仿真和控制过程中，分别将第一仿真算法和第二仿真算法计算得到的参数与实际参数进行比较，选取与实际参数接近的结果作为仿真结果输出。
本发明第二个实施例为含水空气混合物物性仿真计算系统，其包括：
数据获取单元，用于获取仿真计算所需要的混合物参数数据。具体包括外部数据获取模块、数据库读取模块以及计算数据提取模块。其中外部数据获取模块用于通过外部传感器、DCS的控制器或IO卡件获取数据，数据库读取模块用于读取物性数据库中的数据，计算数据提取模块用于提取计算过程中的计算数据。
数据处理单元，用于根据时间轴对数据获取模块获取的批量数据进行整合，并基于工艺特征，提取待计算混合物同一时刻所有的关联数据；
第一计算单元，用于基于第一仿真算法计算混合物中水的热力学属性；
第二计算单元，用于基于第二仿真算法计算混合物中水的热力学属性；
参数比较单元，用于比较第一仿真算法和第二仿真算法计算得到的参数与获取的实际参数值；
结果输出单元，用于选取与实际参数值接近的结果作为仿真结果输出到面板、关联设备内部(部分数据通过数据通讯协议传回给传感器、控制器等)。
其中，第一仿真算法用于混合物的其中一种相态在IAPWS-IF97区间之内的热力学计算，具体包括：
先根据如下饱和蒸汽压公式计算混合物体系的相态与各相态的组成：
其中，计算时使用的水的参数为A＝73.649，B＝-7258.2，C＝-7.3037， D＝4.1653E-06，E＝2，空气的参数为A＝21.662，B＝-692.39，C＝-0.39208， D＝0.0047574，E＝1，T为体系的温度，单位是K，Y为体系的饱和蒸汽压，单位是Pa；
当混合物为气液两相时，按照IAPWS-IF97的4号区间计算水气液热力学属性；当混合物为单相时，水的气相属性计算为温度高于1073.15K时按照IAPWS-IF97的5号区间计算，否则按2号区间计算；水的液相属性计算为温度高于647.096K时按照IAPWS-IF97的3号区间计算，否则按照1号区间计算；
第二仿真算法用于混合物的其中一种相态在IAPWS-IF97区间之外的热力学计算，具体包括：
按照IAPWS-IF97计算出指定压力下水的饱和温度，按如下公式计算饱和温度下水焓，以及IAPWS-IF97下水的热力学属性H1；
Y＝AlnT+B[(C/T)coth(C/T)-lnsinh(C/T)]
-D[(E/T)tanh(E/T)-lncosh(E/T)]+SCON
其中A＝33363，B＝26790，C＝2610.5，D＝8896，E＝1169，T为体系的温度，单位是K，Y为体系的焓，单位是J/kmol；
水的气相属性计算为：当当前温度高于或等于饱和温度时气相属性按照 IF97计算，液相属性计算公式为：当前温度下理想液相焓-Hi+H1；当当前温度低于饱和温度点时水的液相属性按照IAPWS-IF97计算，气相属性计算公式为：当前温度下理想气相焓-Hi+H1。
作为优选实施方案，本实施例中的系统还包括第四计算单元，用于当混合物中水的温度压力在IAPWS-IF97之外时，按照对应区间1，3，2，5区间进行外推计算水的热力学属性。
本发明第三个实施例为上述的含水空气混合物物性仿真计算系统方法或系统在在VxOTS(仿真)的乙烯项目中的运用。
某化肥厂11MPa的高压蒸汽，锅炉用煤量80吨/h，产蒸量466吨/t，用理想状态公式仿真模拟80顿煤产气为394吨，用本发明的方法或系统仿真模拟产气467吨，已与实际结果比较接近。而理想状态公式仿真模拟偏差达到20％。
5MPa的中压蒸汽，用I理想状态公式仿真模拟产气为412吨，用本发明的方法或系统仿真模拟产气447吨，理想状态公式仿真模拟偏差8％左右。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种含水空气混合物物性仿真计算方法，用于气液平衡点严重偏离IAPWS-IF97计算区间的含空气的水的混合物体系的物性仿真计算，其特征在于，包括如下步骤：
对混合物进行气液平衡计算，并分别基于第一仿真算法和第二仿真算法计算水的热力学属性；
分别将第一仿真算法和第二仿真算法计算得到的参数与实际参数进行比较，选取与实际参数接近的结果作为仿真结果输出；
其中，所述第一仿真算法用于混合物的其中一种相态在IAPWS-IF97区间之内的热力学计算，具体包括：
先根据如下饱和蒸汽压公式计算混合物体系的相态与各相态的组成：
其中，计算时使用的水的参数为A＝73.649，B＝-7258.2，C＝-7.3037，D＝4.1653E-06，E＝2，空气的参数为A＝21.662，B＝-692.39，C＝-0.39208，D＝0.0047574，E＝1，T为体系的温度，单位是K，Y为体系的饱和蒸汽压，单位是Pa；
当混合物为气液两相时，按照IAPWS-IF97的4号区间计算水气液热力学属性；当混合物为单相时，水的气相属性计算为温度高于1073.15K时按照IAPWS-IF97的5号区间计算，否则按2号区间计算；水的液相属性计算为温度高于647.096K时按照IAPWS-IF97的3号区间计算，否则按照1号区间计算；
所述第二仿真算法用于混合物的其中一种相态在IAPWS-IF97区间之外的热力学计算，具体包括：
按照IAPWS-IF97计算出指定压力下水的饱和温度，按如下公式计算饱和温度下水焓，以及IAPWS-IF97下水的热力学属性Hl；
Y＝AlnT+B[(C/T)coth(C/T)-lnsinh(C/T)]-D[(E/T)tanh(E/T)-lncosh(E/T)]+SCON
其中A＝33363，B＝26790，C＝2610.5，D＝8896，E＝1169，T为体系的温度，单位是K，Y为体系的焓，单位是J/kmol；
水的气相属性计算为：当当前温度高于或等于饱和温度时气相属性按照IF97计算，液相属性计算公式为：当前温度下理想液相焓-Hi+Hl；当当前温度低于饱和温度点时水的液相属性按照IAPWS-IF97计算，气相属性计算公式为：当前温度下理想气相焓-Hi+Hl。
2.如权利要求1所述的含水空气 混合物物性仿真计算方法，其特征在于，所述第一仿真算法和第二仿真算法还包括：
当混合物中水的温度压力在IAPWS-IF97之外时，按照对应区间1，3，2，5区间进行外推计算。
3.如权利要求1或2所述的含水空气混合物物性仿真计算方法，其特征在于，还包括数据处理步骤：
获取仿真计算所需要的混合物参数数据，并根据时间轴对批量的数据进行整合；
基于工艺特征，提取待计算混合物同一时刻所有的关联数据。
4.如权利要求3所述的含水空气混合物物性仿真计算方法，所述混合物参数数据包括物性数据，流股温度、流股压力及总组成数据。
5.如权利要求3所述的含水空气混合物物性仿真计算方法，所述混合物参数的来源包括：外部数据、物性数据库数据以及计算过程中的计算数据；所述外部数据包括通过外部传感器、DCS的控制器或IO卡件获取的数据。
6.一种含水空气混合物物性仿真计算系统，其特征在于，包括：
数据获取单元，用于获取仿真计算所需要的混合物参数数据；
数据处理单元，用于根据时间轴对数据获取模块获取的批量数据进行整合，并基于工艺特征，提取待计算混合物同一时刻所有的关联数据；
第一计算单元，用于基于第一仿真算法计算混合物中水的热力学属性；
第二计算单元，用于基于第二仿真算法计算混合物中水的热力学属性；
参数比较单元，用于比较第一仿真算法和第二仿真算法计算得到的参数与获取的实际参数值；
结果输出单元，用于选取与实际参数值接近的结果作为仿真结果输出；
其中，所述第一仿真算法用于混合物的其中一种相态在IAPWS-IF97区间之内的热力学计算，具体包括：
先根据如下饱和蒸汽压公式计算混合物体系的相态与各相态的组成：
其中，计算时使用的水的参数为A＝73.649，B＝-7258.2，C＝-7.3037，D＝4.1653E-06，E＝2，空气的参数为A＝21.662，B＝-692.39，C＝-0.39208，D＝0.0047574，E＝1，T为体系的温度，单位是K，Y为体系的饱和蒸汽压，单位是Pa；
当混合物为气液两相时，按照IAPWS-IF97的4号区间计算水气液热力学属性；当混合物为单相时，水的气相属性计算为温度高于1073.15K时按照IAPWS-IF97的5号区间计算，否则按2号区间计算；水的液相属性计算为温度高于647.096K时按照IAPWS-IF97的3号区间计算，否则按照1号区间计算；
所述第二仿真算法用于混合物的其中一种相态在IAPWS-IF97区间之外的热力学计算，具体包括：
按照IAPWS-IF97计算出指定压力下水的饱和温度，按如下公式计算饱和温度下水焓，以及IAPWS-IF97下水的热力学属性Hl；
Y＝AlnT+B[(C/T)coth(C/T)-lnsinh(C/T)]-D[(E/T)tanh(E/T)-lncosh(E/T)]+SCON
其中A＝33363，B＝26790，C＝2610.5，D＝8896，E＝1169，T为体系的温度，单位是K，Y为体系的焓，单位是J/kmol；
水的气相属性计算为：当当前温度高于或等于饱和温度时气相属性按照IF97计算，液相属性计算公式为：当前温度下理想液相焓-Hi+Hl；当当前温度低于饱和温度点时水的液相属性按照IAPWS-IF97计算，气相属性计算公式为：当前温度下理想气相焓-Hi+Hl。
7.如权利要求6所述的含水空气混合物物性仿真计算系统，其特征在于，还包括第四计算单元，用于当混合物中水的温度压力在IAPWS-IF97之外时，按照对应区间1，3，2，5区间进行外推计算水的热力学属性。
8.如权利要求6所述的含水空气混合物物性仿真计算系统，其特征在于，所述数据获取单元包括外部数据获取模块、数据库读取模块以及计算数据提取模块；所述外部数据获取模块用于通过外部传感器、DCS的控制器或IO卡件获取数据，所述数据库读取模块用于读取物性数据库中的数据，所述计算数据提取模块用于提取计算过程中的计算数据。
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| IAPWSIF97公式在火电厂仿真中的应用;郑林等;《热力发电》;20090815(第08期);42-46 * |
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