CN115469542B - 一种应用于数字孪生的塔求解方法及系统 - Google Patents

一种应用于数字孪生的塔求解方法及系统 Download PDF

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CN115469542B CN202211047325.6A CN202211047325A CN115469542B CN 115469542 B CN115469542 B CN 115469542B CN 202211047325 A CN202211047325 A CN 202211047325A CN 115469542 B CN115469542 B CN 115469542B
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Abstract

本发明公开一种应用于数字孪生的塔求解方法及系统，包括：获取初值；根据严格模型和初值获取简化模型；根据简化的相平衡模型得到组分平衡方程；根据简化的相平衡模型得到泡点关系；利用简化的焓模型得到简化的焓平衡方程；确定设计规定方程，联立求解组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程；将解代入严格模型，得到更新后的简化模型；计算更新后的简化模型的参数和简化模型的参数的差值；判断差值是否小于预设值，若是，将解作为塔的解；否则，使用严格模型更新简化模型。本发明通过对所述方程进行直接联立求解，避免了使用数值梯度进行求解或降维迭代求解，有利于提高求解速度，提高数字孪生系统中的塔模型的可用性。

Description

一种应用于数字孪生的塔求解方法及系统
技术领域
本发明涉及塔设备求解技术领域，具体而言，涉及一种应用于数字孪生的塔求解方法及系统。
背景技术
塔设备是石油、化工、医药、轻工等生产中的重要设备之一，在塔设备内可进行气液或液液两相间的充分接触，实施相间传质，因此在生产过程中常用塔设备进行精馏、吸收、解吸、气体的增湿及冷却等单元操作过程。
传统塔设备算法包括：流量加合法(Sum Rate)，泡点法(Bubble Point)等，其本质均为双层法。双层法，首先假定未知变量值，然后通过严格计算产生其简化模型，将这些简化模型求解，得出未知变量的计算值，若与假定值不一致，则采用某种迭代方法生成新的假定值，并重复这一过程，直到计算值与假定值满足收敛判据，从而得出模拟计算结果。现有的塔设备算法中，为避免求解大规模非线性方程组，内层均嵌套有非线性方程组求解，因此耦合度高，求解时需要使用数值梯度，最终导致求解速度缓慢，适用体系狭窄，算法鲁棒性低。从而进一步限制了塔模型在数字孪生系统中的可用性。
发明内容
本发明提供一种应用于数字孪生的塔求解方法及系统，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。
第一方面，本发明实施例提供一种应用于数字孪生的塔求解方法，包括：
获取初值；
根据严格模型和所述初值获取简化模型，所述简化模型包括简化的焓模型和简化的相平衡模型；
根据质量平衡方程、相平衡方程和简化的相平衡模型，得到组分平衡方程；
根据摩尔分率归一化方程和所述简化的相平衡模型，得到泡点关系；
利用所述简化的焓模型简化焓平衡方程，得到简化的焓平衡方程；
确定设计规定方程，联立求解所述组分平衡方程、所述泡点关系、所述简化的焓平衡方程和所述设计规定方程，得到解；
将所述解代入所述严格模型，得到更新后的简化模型；
计算所述更新后的简化模型的参数和所述简化模型的参数的差值；
判断所述差值是否小于预设值，若是，将所述解作为塔的解；否则，使用所述严格模型更新所述简化模型。
可选地，所述简化的相平衡模型为
Figure BDA0003820277480000021
kij＝αijkbj；
所述简化的焓模型为
Figure BDA0003820277480000022
其中，j表示塔板编号，Aj、Bj、Cj、Dj、Ej、Fj表示简化模型参数，kij表示各组分的相平衡常数，αij表示组分i的相对挥发度，kbj表示整体相对挥发度，Tj表示温度值，
Figure BDA0003820277480000023
表示参考温度，
Figure BDA0003820277480000024
表示气相焓，
Figure BDA0003820277480000025
表示液相焓。
可选地，根据质量平衡方程、相平衡方程和简化的相平衡模型，得到组分平衡方程之前，还包括：
计算提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj；
其中，
Figure BDA0003820277480000026
Vj表示塔板气相流量，Lj表示塔板液相流量，LSSj表示塔板液相抽出量，VSSj表示塔板气相抽出量。
可选地，所述质量平衡方程为Fj+Lj-1+Vj+1＝LSSj+VSSj+Vj+Lj；
所述相平衡方程为yij＝kijxij；
摩尔分率归一化方程为∑jyij＝1，∑jxij＝1；
焓平衡方程为
Figure BDA0003820277480000031
Figure BDA0003820277480000032
其中，j、j-1、j+1表示塔板编号，i表示组分编号，Fj表示塔板进料量，Vj表示塔板气相流量，Lj表示塔板液相流量，LSSj表示塔板液相抽出量，VSSj表示塔板气相抽出量，yij表示气相各组分的摩尔分率，xij表示液相各组分的摩尔分率，kij表示各组分的相平衡常数，
Figure BDA0003820277480000033
表示进料焓，
Figure BDA0003820277480000034
表示气相焓，
Figure BDA0003820277480000035
表示液相焓，Qj表示外供热量。
可选地，所述组分平衡方程为-li，j-1+(RLj+αi，jSjRVj)li，j-(αi，j+1Sj+1)li，j+1＝fi，j，其中，li，j表示组分i在j块塔板的流量，αij表示组分i的相对挥发度，fi，j表示组分i在j块塔板的进料量组分。
可选地，所述泡点关系为
Figure BDA0003820277480000036
第二方面，本发明实施例提供一种应用于数字孪生的塔求解系统，包括：
获取模块，用于获取初值；还用于根据严格模型和所述初值获取简化模型，所述简化模型包括简化的焓模型和简化的相平衡模型；
计算模块，用于根据质量平衡方程、相平衡方程和简化的相平衡模型，得到组分平衡方程；还用于根据摩尔分率归一化方程和所述简化的相平衡模型，得到泡点关系；还用于利用所述简化的焓模型简化焓平衡方程，得到简化的焓平衡方程；
求解模块，用于确定设计规定方程，联立求解所述组分平衡方程、所述泡点关系、所述简化的焓平衡方程和所述设计规定方程，得到解；
更新模块，用于将所述解代入所述严格模型，得到更新后的简化模型；
所述计算模块还用于计算所述更新后的简化模型的参数和所述简化模型的参数的差值；
判断模块，用于判断所述差值是否小于预设值，若是，将所述解作为塔的解；否则，使用所述严格模型更新所述简化模型。
可选地，所述计算模块还用于计算提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj；
其中，
Figure BDA0003820277480000041
Vj表示塔板气相流量，Lj表示塔板液相流量，LSSj表示塔板液相抽出量，VSSj表示塔板气相抽出量。
本发明实施例的创新点包括：
1、本实施例中，通过对组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程进行直接联立求解，无需进行多次迭代计算，从而避免使用数值梯度进行求解或降维迭代求解，有利于提高求解速度，且适用于所有塔设备，增加了塔设备求解方法的通用性，是本发明实施例的创新点之一。
2、本实施例中，通过对组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程进行直接联立求解，由于简化模型的存在，各个方程的耦合度较低，比较容易获得方程组残差对自变量的梯度信息，因此，可以使用梯度信息对方程组进行高效求解，是本发明实施例的创新点之一。
3、本实施例中，利用组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程之间非线性度不强、变量间耦合度不高的特点，直接进行联立求解，无需进行多次迭代计算，使得算法鲁棒性较高，是本发明实施例的创新点之一。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的应用于数字孪生的塔求解方法的一种流程图；
图2为本发明实施例提供的应用于数字孪生的塔求解方法的另一种流程图；
图3为本发明实施例提供的塔板模型；
图4为本发明提供的应用于数字孪生的塔求解系统的一种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例公开了一种应用于数字孪生的塔求解方法。以下分别进行详细说明。
图1为本发明实施例提供的应用于数字孪生的塔求解方法的一种流程图，请参考图1，本发明实施例提供的应用于数字孪生的塔求解方法，包括：
步骤1：获取初值；
步骤2：根据严格模型和初值获取简化模型，简化模型包括简化的焓模型和简化的相平衡模型；
步骤3：根据质量平衡方程、相平衡方程和简化的相平衡模型，得到组分平衡方程；
步骤4：根据摩尔分率归一化方程和简化的相平衡模型，得到泡点关系；
步骤5：利用简化的焓模型简化焓平衡方程，得到简化的焓平衡方程；
步骤6：确定设计规定方程，联立求解组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程，得到解；
步骤7：将解代入严格模型，得到更新后的简化模型；
步骤8：计算更新后的简化模型的参数和简化模型的参数的差值；
步骤9：判断差值是否小于预设值，若是，将解作为塔的解；否则，使用严格模型更新简化模型。
具体地，请参考图1，本实施例提供的应用于数字孪生的塔求解方法，首先通过步骤1获取初值，初值包括压力初值、流量初值、温度初值和组成初值。其中，压力初值是指根据指定的压力，通过内插或外推计算主塔、汽提塔的压力分布，当不指定汽提塔塔板压力时，以回料板压力作为侧线汽提塔压力。流量初值是指根据恒摩尔流假设和进料条件，确定主塔的汽液相流量分布，以主塔采出量或汽提塔产品量作为汽提塔液相流量初值，以汽提蒸汽量作为侧线汽提塔气相流量初值。温度初值是指将所有进料流股混合，在塔顶压力条件下求得露点温度作为塔顶温度，在塔底压力条件下求得泡点温度作为塔底温度，通过内插计算整塔温度分布，以采出板的温度作为侧线汽提塔温度初值。组成初值是指将所有进料流股混合，在平均塔压、平均温度下进行闪蒸计算，所得到的组成作为全塔的气液相组成初值。
由于严格模型计算复杂，通常使用简化模型替代。因此，本实施例得到初值后，在步骤2中根据严格模型和初值获取简化模型，其中，简化模型包括简化的焓模型和简化的相平衡模型。需要说明的是，本申请中每一个塔板都可以理解为一个闪蒸罐，因此，每个塔板都有一个简化模型。
得到简化模型后，利用简化模型和MESH方程，获取求解塔需要用到的方程组，例如，组分平衡方程、泡点关系和简化的焓平衡方程。MESH方程包括质量平衡方程、相平衡方程、摩尔分率归一化方程、和焓平衡方程。具体地，步骤3中，根据质量平衡方程、相平衡方程和简化的相平衡模型，可以得到组分平衡方程。步骤4中，根据摩尔分率归一化方程和简化的相平衡模型，可以得到泡点关系。步骤5中，利用简化的焓模型对焓平衡方程进行简化，得到简化的焓平衡方程。
需要说明的是，图1中只是为了说明该求解方法包含步骤3至步骤5，并不代表步骤3至步骤5的执行顺序，在实际应用中，步骤3、步骤4和步骤5的执行顺序可以互换，本申请对此不进行具体限定。
得到上述方程后，在步骤6中，确定设计规定方程，联立求解组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程，即可得到一个解。由于简化模型的存在，组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程的耦合度较低，比较容易获得方程组残差对自变量的梯度信息，因此，可以使用梯度信息对方程组进行高效求解。需要说明的是，针对不同的塔设备，设计规定方程不同，因此，在本申请中，不明确规定设计规定方程的具体形式，以Specs＝0进行表示。
在步骤7中，将步骤6中联立求解得到的解代入严格模型，即可得到更新后的简化模型。简化模型具有参数，此处更新后的简化模型，指的是简化模型的参数改变后的简化模型。然后利用步骤8计算更新后的简化模型的参数和简化模型的参数的差值，由于简化模型具有多个参数，例如，组分相对挥发度、整体相对挥发度等等，因此，此处的差值为更新后的简化模型和简化模型的对应参数的差值，例如，更新后的简化模型的组分相对挥发度和上一次得到的简化模型的组分相对挥发度之间的差值，或者更新后的简化模型的整体相对挥发度和上一次得到的简化模型的整体相对挥发度之间的差值。
得到差值后，为了判断上述求得的解是否可以作为塔设备的解，通过步骤9比较差值和预设值的大小，若差值小于预设值，说明上述求得的解满足要求，直接将上述求得的解作为塔的解；否则，说明上述求得的解不满足要求，需要重新进行塔求解计算，也即，使用严格模型更新简化模型，然后用更新后的简化模型重新执行上述步骤3至步骤8，直至求得的解满足要求。
本发明提供的应用于数字孪生的塔求解方法，利用组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程之间非线性度不强、变量间耦合度不高的特点，直接进行联立求解，无需进行多次迭代计算，使得算法鲁棒性较高。此外，通过对组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程进行联立求解，无需进行多次迭代计算，不仅能够避免使用数值梯度进行求解或降维迭代求解，有利于提高求解速度，而且适用于所有塔设备，增加了塔设备求解方法的通用性，提高数字孪生系统中的塔模型的可用性。
可选地，简化的相平衡模型为
Figure BDA0003820277480000081
kij＝αijkbj；简化的焓模型为
Figure BDA0003820277480000082
其中，j表示塔板编号，Aj、Bj、Cj、Dj、Ej、Fj表示简化模型参数，kij表示各组分的相平衡常数，αij表示组分i的相对挥发度，kbj表示整体相对挥发度，Tj表示温度值，
Figure BDA0003820277480000083
表示参考温度，
Figure BDA0003820277480000084
表示气相焓，
Figure BDA0003820277480000085
表示液相焓。
具体地，简化模型包括简化的相平衡模型和简化的焓模型，其中，简化的相平衡模型包括
Figure BDA0003820277480000086
kij＝αijkbj；简化的焓模型为
Figure BDA0003820277480000087
Figure BDA0003820277480000088
每个塔设备包括多个塔板，每个塔板都有一个简化模型，因此，在简化模型中，用j表示塔板编号，下述各参数中的下标j即表示第j块塔板的各项参数。Aj、Bj、Cj、Dj、Ej、Fj表示简化模型参数，为常数，通过严格模型近似得到。αij表示组分i的相对挥发度，为常数，通过严格模型近似得到。kbj表示整体相对挥发度，是温度的函数。Tj表示温度值，
Figure BDA0003820277480000089
表示参考温度，为常数。kij表示组分i的相平衡常数，
Figure BDA00038202774800000810
表示气相焓，
Figure BDA00038202774800000811
表示液相焓，根据上述简化的相平衡模型和简化的焓模型可知，相平衡常数kij、气相焓
Figure BDA00038202774800000812
和液相焓
Figure BDA00038202774800000813
均简化为温度的单一函数，因此，有利于简化后续的求解过程，提高求解速度。
可选地，图2为本发明实施例提供的应用于数字孪生的塔求解方法的另一种流程图，图3为本发明实施例提供的塔板模型，请参考图2和图3，根据质量平衡方程、相平衡方程和简化的相平衡模型，得到组分平衡方程之前，还包括：步骤21，计算提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj；其中，
Figure BDA0003820277480000091
Figure BDA0003820277480000092
Vj表示塔板气相流量，Lj表示塔板液相流量，LSSj表示塔板液相抽出量，VSSj表示塔板气相抽出量。
具体地，请参考图2和图3，本实施例在步骤3之前，通过步骤21引入了提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj，
Figure BDA0003820277480000093
Figure BDA0003820277480000094
提馏因子Sbj表明塔板的汽液关系情况，液相侧线采出因子RLj表明塔板的侧线液相抽出情况，气相侧线采出因子RVj表明塔板的侧线气相抽出情况。其中，Vj表示塔板气相流量，Lj表示塔板液相流量，LSSj表示塔板液相抽出量，VSSj表示塔板气相抽出量。本实施例通过提馏因子Sbj作为变量描述塔板上的流量分布，避免了将塔板温度和流量视为独立的变量，通过侧线采出因子RLj和RVj描述塔板的抽出量，如此，在获取组分平衡方程时，可以利用提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj进行描述，从而在后续的方程组求解过程中，可以利用提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj进行联立求解。
可选地，质量平衡方程为Fj+Lj-1+Vj+1＝LSSj+VSSj+Vj+Lj；相平衡方程为yij＝kijxij；摩尔分率归一化方程为∑jyij＝1，∑jxij＝1；焓平衡方程为
Figure BDA0003820277480000095
其中，j、j-1、j+1表示塔板编号，i表示组分编号，Fj表示塔板进料量，Vj表示塔板气相流量，Lj表示塔板液相流量，LSSj表示塔板液相抽出量，VSSj表示塔板气相抽出量，yij表示气相各组分的摩尔分率，xij表示液相各组分的摩尔分率，kij表示各组分的相平衡常数，
Figure BDA0003820277480000101
表示进料焓，
Figure BDA0003820277480000102
表示气相焓，
Figure BDA0003820277480000103
表示液相焓，Qj表示外供热量。
具体地，MESH方程包括质量平衡方程、相平衡方程、摩尔分率归一化方程、和焓平衡方程。本实施例提供了MESH方程的具体形式，如，参考图3可得，质量平衡方程为Fj+Lj-1+Vj+1＝LSSj+VSSj+Vj+Lj。其中，j、j-1、j+1表示塔板编号，i表示组分编号，Fj表示塔板进料量，单位为摩尔，Vj表示塔板气相流量，单位为摩尔，Lj表示塔板液相流量，单位为摩尔，LSSj表示塔板液相抽出量，单位为摩尔，VSSj表示塔板气相抽出量，单位为摩尔。
相平衡方程为yij＝kijxij，摩尔分率归一化方程为Σjyij＝1，Σjxij＝1。yij表示气相各组分的摩尔分率，xij表示液相各组分的摩尔分率，kij表示各组分的相平衡常数。焓平衡方程为
Figure BDA0003820277480000104
Figure BDA0003820277480000105
Figure BDA0003820277480000106
表示进料焓，单位为kJ或其它热量单位，
Figure BDA0003820277480000107
表示气相焓，单位为kJ或其它热量单位，
Figure BDA0003820277480000108
表示液相焓，单位为kJ或其它热量单位，Qj表示外供热量，单位为kJ或其它热量单位。
可选地，组分平衡方程为-li，j-1+(RLj+αi，jSjRVj)li，j-(αi，j+1Sj+1)li，j+1＝fi，j，其中，li，j表示组分i在j块塔板的流量，αij表示组分i的相对挥发度，fi，j表示组分i在j块塔板的进料量组分。
具体地，步骤3中，根据质量平衡方程、相平衡方程和简化的相平衡模型，可以得到组分平衡方程为-li，j-1+(RLj+αi，jSjRVj)li，j-(αi，j+1Sj+1)li，j+1＝fi，j，其中，li，j表示组分i在j块塔板的流量，αij表示组分i的相对挥发度，fi，j表示组分i在j块塔板的进料量组分。通过塔板流量li，j、提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj描述组分平衡方程。
可选地，泡点关系为
Figure BDA0003820277480000109
具体地，步骤4中，根据摩尔分率归一化方程和简化的相平衡模型，可以得到泡点关系为
Figure BDA00038202774800001010
Figure BDA0003820277480000111
可见，泡点关系为关于温度的函数。由于组分平衡方程是关于塔板流量li，j、提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj的函数，泡点关系是关于温度的函数，简化的焓平衡方程是通过简化的焓模型简化焓平衡方程得到的，由于简化的焓模型是关于温度的函数，因此，简化的焓平衡方程也为温度的函数。如此，在求解组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程时，通过塔板流量li，j、提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj以及温度Tj对上述方程进行联立求解，即可得到塔设备的解。在联立求解方程组的过程中，由于简化模型的存在，各个方程的耦合度较低，比较容易获得方程组残差对自变量的梯度信息，因此，可以使用梯度信息对方程组进行高效求解。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种应用于数字孪生的塔求解系统，图4为本发明提供的应用于数字孪生的塔求解系统的一种结构示意图，请参考图4，本发明实施例提供的应用于数字孪生的塔求解系统100包括：
获取模块10，用于获取初值；还用于根据严格模型和初值获取简化模型，简化模型包括简化的焓模型和简化的相平衡模型；
计算模块20，用于根据质量平衡方程、相平衡方程和简化的相平衡模型，得到组分平衡方程；还用于根据摩尔分率归一化方程和简化的相平衡模型，得到泡点关系；还用于利用简化的焓模型简化焓平衡方程，得到简化的焓平衡方程；
求解模块30，用于确定设计规定方程，联立求解组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程，得到解；
更新模块40，用于将解代入严格模型，得到更新后的简化模型；
计算模块20还用于计算更新后的简化模型的参数和简化模型的参数的差值；
判断模块50，用于判断差值是否小于预设值，若是，将解作为塔的解；否则，使用严格模型更新简化模型。
具体地，请参考图4，本实施例提供的应用于数字孪生的塔求解系统100，包括获取模块10，通过获取模块10获取初值，初值包括压力初值、流量初值、温度初值和组成初值。其中，压力初值是指根据指定的压力，通过内插或外推计算主塔、汽提塔的压力分布，当不指定汽提塔塔板压力时，以回料板压力作为侧线汽提塔压力。流量初值是指根据恒摩尔流假设和进料条件，确定主塔的汽液相流量分布，以主塔采出量或汽提塔产品量作为汽提塔液相流量初值，以汽提蒸汽量作为侧线汽提塔气相流量初值。温度初值是指将所有进料流股混合，在塔顶压力条件下求得露点温度作为塔顶温度，在塔底压力条件下求得泡点温度作为塔底温度，通过内插计算整塔温度分布，以采出板的温度作为侧线汽提塔温度初值。组成初值是指将所有进料流股混合，在平均塔压、平均温度下进行闪蒸计算，所得到的组成作为全塔的气液相组成初值。
由于严格模型计算复杂，通常使用简化模型替代。因此，本实施例得到初值后，获取模块10根据严格模型和初值获取简化模型，其中，简化模型包括简化的焓模型和简化的相平衡模型。需要说明的是，本申请中每一个塔板都可以理解为一个闪蒸罐，因此，每个塔板都有一个简化模型。
应用于数字孪生的塔求解系统100还包括计算模块20，得到简化模型后，计算模块20利用简化模型和MESH方程，获取求解塔需要用到的方程组，例如，组分平衡方程、泡点关系和简化的焓平衡方程。MESH方程包括质量平衡方程、相平衡方程、摩尔分率归一化方程、和焓平衡方程。计算模块20根据质量平衡方程、相平衡方程和简化的相平衡模型，可以得到组分平衡方程。计算模块20根据摩尔分率归一化方程和简化的相平衡模型，可以得到泡点关系。计算模块20利用简化的焓模型对焓平衡方程进行简化，得到简化的焓平衡方程。
得到上述方程后，利用求解模块30确定设计规定方程，联立求解组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程，即可得到一个解。需要说明的是，针对不同的塔设备，设计规定方程不同，因此，在本实施例中，不明确规定设计规定方程的具体形式，仅以Specs＝0进行表示。更新模块40将联立求解得到的解代入严格模型，即可得到更新后的简化模型。简化模型具有参数，此处更新后的简化模型，指的是简化模型的参数改变后的简化模型。然后利用计算模块20计算更新后的简化模型的参数和简化模型的参数的差值，由于简化模型具有多个参数，例如，组分相对挥发度、整体相对挥发度等等，因此，此处的差值为更新后的简化模型和简化模型的对应参数的差值，例如，更新后的简化模型的组分相对挥发度和上一次得到的简化模型的组分相对挥发度之间的差值，或者更新后的简化模型的整体相对挥发度和上一次得到的简化模型的整体相对挥发度之间的差值。
得到差值后，为了判断上述求得的解是否可以作为塔设备的解，通过判断模块50比较差值和预设值的大小，若差值小于预设值，说明上述求得的解满足要求，直接将上述求得的解作为塔的解；否则，说明上述求得的解不满足要求，需要重新进行塔求解计算，也即，使用严格模型更新简化模型，然后用更新后的简化模型重新进行联立求解，直至求得的解满足要求。
本发明提供的应用于数字孪生的塔求解系统，利用组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程之间非线性度不强、变量间耦合度不高的特点，直接进行联立求解，无需进行多次迭代计算，使得算法鲁棒性较高。此外，通过对组分平衡方程、泡点关系、简化的焓平衡方程和设计规定方程进行联立求解，无需进行多次迭代计算，不仅能够避免使用数值梯度进行求解或降维迭代求解，有利于提高求解速度，而且适用于所有塔设备，增加了塔设备求解方法的通用性，提高数字孪生系统中的塔模型的可用性。
可选地，请参考图3和图4，计算模块20还用于计算提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj；其中，
Figure BDA0003820277480000141
Vj表示塔板气相流量，Lj表示塔板液相流量，LSSj表示塔板液相抽出量，VSSj表示塔板气相抽出量。
具体地，请参考图3和图4，本实施例引入了提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj，
Figure BDA0003820277480000142
其中，Vj表示塔板气相流量，Lj表示塔板液相流量，LSSj表示塔板液相抽出量，VSSj表示塔板气相抽出量。本实施例通过提馏因子Sbj作为变量描述塔板上的流量分布，避免了将塔板温度和流量视为独立的变量，通过侧线采出因子RLj和RVj描述塔板的抽出量，如此，在获取组分平衡方程时，可以利用提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj进行描述，从而在后续的方程组求解过程中，可以利用提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj进行联立求解。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种应用于数字孪生的塔求解方法，其特征在于，包括：
获取初值；
根据严格模型和所述初值获取简化模型，所述简化模型包括简化的焓模型和简化的相平衡模型；所述简化的相平衡模型为
Figure FDA0004071834530000011
kij＝αijkbj；所述简化的焓模型为
Figure FDA0004071834530000013
Figure FDA0004071834530000014
其中，j表示塔板编号，Aj、Bj、Cj、Dj、Ej、Fj表示简化模型参数，kij表示各组分的相平衡常数，αij表示组分i的相对挥发度，kbj表示整体相对挥发度，Tj表示温度值，Tj ref表示参考温度，
Figure FDA0004071834530000015
表示气相焓，
Figure FDA0004071834530000016
表示液相焓；
根据质量平衡方程、相平衡方程和简化的相平衡模型，得到组分平衡方程；所述组分平衡方程为-li,j-1+(RLj+αijSbjRVj)li,j-(αi(j+1)Sb(j+1))li,j+1＝fi,j，其中，li,j表示组分i在j块塔板的流量，fi,j表示组分i在j块塔板的进料量组分；
根据摩尔分率归一化方程和所述简化的相平衡模型，得到泡点关系；所述泡点关系为
Figure FDA0004071834530000017
xij表示液相各组分的摩尔分率；
利用所述简化的焓模型简化焓平衡方程，得到简化的焓平衡方程；
确定设计规定方程，联立求解所述组分平衡方程、所述泡点关系、所述简化的焓平衡方程和所述设计规定方程，得到解；
将所述解代入所述严格模型，得到更新后的简化模型；
计算所述更新后的简化模型的参数和所述简化模型的参数的差值；
判断所述差值是否小于预设值，若是，将所述解作为塔的解；否则，使用所述严格模型更新所述简化模型。
2.根据权利要求1所述的应用于数字孪生的塔求解方法，其特征在于，根据质量平衡方程、相平衡方程和简化的相平衡模型，得到组分平衡方程之前，还包括：
计算提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj；
其中，
Figure FDA0004071834530000021
Vj表示塔板气相流量，Lj表示塔板液相流量，LSSj表示塔板液相抽出量，VSSj表示塔板气相抽出量。
3.根据权利要求2所述的应用于数字孪生的塔求解方法，其特征在于，
所述质量平衡方程为Fj+Lj-1+Vj+1＝LSSj+VSSj+Vj+Lj；
所述相平衡方程为yij＝kijxij；
摩尔分率归一化方程为∑j yij＝1，∑j xij＝1；
焓平衡方程为
Figure FDA0004071834530000022
Figure FDA0004071834530000023
其中，j、j-1、j+1表示塔板编号，i表示组分编号，Fj表示塔板进料量，Vj表示塔板气相流量，Lj表示塔板液相流量，LSSj表示塔板液相抽出量，VSSj表示塔板气相抽出量，yij表示气相各组分的摩尔分率，kij表示各组分的相平衡常数，
Figure FDA0004071834530000024
表示进料焓，
Figure FDA0004071834530000025
表示气相焓，
Figure FDA0004071834530000026
表示液相焓，Qj表示外供热量。
4.一种应用于数字孪生的塔求解系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取初值；还用于根据严格模型和所述初值获取简化模型，所述简化模型包括简化的焓模型和简化的相平衡模型；所述简化的相平衡模型为
Figure FDA0004071834530000027
kij＝αijkbj；所述简化的焓模型为
Figure FDA0004071834530000028
其中，j表示塔板编号，Aj、Bj、Cj、Dj、Ej、Fj表示简化模型参数，kij表示各组分的相平衡常数，αij表示组分i的相对挥发度，kbj表示整体相对挥发度，Tj表示温度值，Tj ref表示参考温度，
Figure FDA0004071834530000031
表示气相焓，
Figure FDA0004071834530000032
表示液相焓；
计算模块，用于根据质量平衡方程、相平衡方程和简化的相平衡模型，得到组分平衡方程；所述组分平衡方程为-li,j-1+(RLj+αijSbjRVj)li,j-(αi(j+1)Sb(j+1))li,j+1＝fi,j，其中，li,j表示组分i在j块塔板的流量，fi,j表示组分i在j块塔板的进料量组分；还用于根据摩尔分率归一化方程和所述简化的相平衡模型，得到泡点关系；所述泡点关系为
Figure FDA0004071834530000033
xij表示液相各组分的摩尔分率；还用于利用所述简化的焓模型简化焓平衡方程，得到简化的焓平衡方程；
求解模块，用于确定设计规定方程，联立求解所述组分平衡方程、所述泡点关系、所述简化的焓平衡方程和所述设计规定方程，得到解；
更新模块，用于将所述解代入所述严格模型，得到更新后的简化模型；
所述计算模块还用于计算所述更新后的简化模型的参数和所述简化模型的参数的差值；
判断模块，用于判断所述差值是否小于预设值，若是，将所述解作为塔的解；否则，使用所述严格模型更新所述简化模型。
5.根据权利要求4所述的应用于数字孪生的塔求解系统，其特征在于，
所述计算模块还用于计算提馏因子Sbj和侧线采出因子RLj和RVj；
其中，
Figure FDA0004071834530000035
Vj表示塔板气相流量，Lj表示塔板液相流量，LSSj表示塔板液相抽出量，VSSj表示塔板气相抽出量。
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