制浆造纸工业过程仿真平台的研究

刘金星 刘焕彬 高英莲

（1.曲阜师范大学信息技术与传播学院，山东日照，276826；2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640；3.曲阜师范大学，山东日照，276826）

很多与造纸工业有关的研究内容都涉及到系统仿真技术，如物流平衡分析、工业代谢、生产过程和产品的生命周期分析等。由于造纸过程自身的特点和复杂性，给系统的建模、仿真与优化带来诸多困难，但同时也存在着巨大的研究与应用空间。

国际上关于造纸过程计算机仿真技术的研究始于20世纪60年代末。经过长期努力，一些造纸工业发达国家已开发出多套专用于造纸过程的仿真软件。这些软件虽然具有很多优点，但引入我国使用时，都不可避免地存在缺陷。首先，汉化问题亟待解决，其次，这些软件都是根据国外造纸行业的相应情况开发的，无法完全适应中国造纸工业的实际情况。

我国造纸过程计算机仿真技术还处于起步阶段，相关研究比较少。主要研究涉及造纸工业过程的某个单元模块或某些特性的仿真［1-5］。这些软件都不是很系统且实用性较差，很难满足实际需要。刘焕彬教授在此方面做了开拓性的研究［6-12］，以他为核心的团队于20世纪80年代末期开始着手相关研究，并开发出造纸过程计算机仿真平台PAMS。历经诸多研究者的继续努力，PAMS系统已经在造纸过程的静态仿真方面取得了较为满意的效果。随着Windows的流行，该系统亟待重新开发，使PAMS系统在使用和维护各个方面都变得更加方便，更容易被用户接受。

本研究主要对造纸工业过程仿真平台WinPAMS（Paper Making System for Windows）的总体结构设计和与浆水衡算、能量衡算有关的模块设计进行研究。

1 WinPAMS仿真平台的总体结构

WinPAMS仿真平台采用序贯模块法和面向对象技术相结合的开发方法。在分析过程中根据造纸过程的特点，得到仿真平台的总体结构如图1所示。

WinPAMS仿真平台主要由屏幕显示、文件处理、单元模块处理、管道处理、仿真计算处理、文件打印、在线帮助以及单元功能模块等8个部分组成，每部分完成一项特定的功能。

图1 仿真系统的总体结构

屏幕显示模块的主要功能是完成模块、管道等在屏幕上的显示以及由于窗口位置的移动或窗口大小的改变所引起的窗口重绘功能。文件处理模块的主要功能是完成仿真文件的存盘、打开及建立新文件等功能。

单元模块处理的主要功能是用户在编辑仿真文件时，如何实现在流程图中增加或删除模块，以及在流程图中如何查看模块的相关信息和输入各个模块的设备参数等。

管道处理模块的主要功能是用户在编辑仿真文件时，完成构造新的管道，把各个模块通过管道来联系起来，并且可查看管道中的主要参数等。

计算处理模块的主要功能是完成对用户构成的仿真文件进行计算顺序的确定，然后按照计算顺序，逐个调用各个模块的数学模型来完成静态和动态的仿真计算，并报告最终计算结果。还可以按照用户的意图在静态计算达到平衡后指定某条特定流线的参数来计算其余各条流线的参数值，以便用户确定诸如：生产每吨纸所需要浆料数量之类的指标计算。

单元功能模块是整个WinPAMS仿真平台的核心部分。每个单元模块由2个文件（*.cpp和*.h）组成，如混合模块由Mixer.cpp和Mixer.h 2个文件组成。*.h文件定义该模块所属的设备类，以及该模块所具有的一些特有参数；*.cpp文件负责对过程用数学模型进行描述，并按照仿真平台中的标准在程序中表达出该数学模型，完成对某一特定过程的仿真。仿真平台中的各个单元模块之间是相互独立互不影响的，只接受主程序对它的控制。

2 造纸过程仿真平台主要单元功能模块的建立

将要用到的有关符号的说明如表1所示。下面根据质量守恒和能量守恒定律，建立造纸过程的主要单元功能模块的数学模型。

表1 符号说明

2.1 混合模块

混合模块能够完成2～6股物料的混合计算，抽象的混合模块示意图如图2所示。

图2 混合模块示意图

图2中I1，…，In代表物料入口，入口数目至少为2，最多为6；O代表物料出口。该模块有2个功能选择：①简单的混合；②混合并稀释到一定的浓度。

2.1.1 简单混合

该功能选择把所有输入的n股物料经过混合后送到输出流线，把所有带入的热量也送到输出流线。

入口流量：

固形物含量：

入口的能量总和为：

由质量守恒定律可计算出口的有关参数，具体如下。

出口流量：

出口固形物含量：

出口浓度：

出口比热容：由能量守恒定律得出口的热量：

出口温度：

2.1.2 混合并稀释

对于该功能选择，模块可以加入适当的稀释液使出口的浓度达到要求值。该功能的约定是最后一条入口流线为稀释液的流线，其作用是把前面的几股流线混合之后再加入稀释液调节出口的浓度达到要求值。计算步骤如下：

（1）从用户输入对话框中的参数，获得该模块的入口管道数n，出口物料的浓度Cout，以及稀释液的浓度C0。

（2）计算前n-1股物料混合后的各个参数

流量：

固形物：

比热容：

热量：

（3）推导可得需要稀释液的流量：

（4）计算出口其余各个参数

流量：

浓度：

比热容：

热量：

出口温度：

2.2 分离模块

分离模块的功能是把进入该模块的物料按照仿真的需要，分成相应的几股，抽象的混合模块图如图3所示。

图3 分离模块示意图

图3中，I代表物料入口；O1，…，On代表物料出口，出口数目至少为2，最多为6。该模块有3个功能选择，下面分别论述它们的数学模型的建立方法。

2.2.1 按照给定的比例分成浓度相同的n股

把进入该模块的物料按照用户给定的比例Pn（由用户选择）分成浓度相同的2～6股输出。此处是简单的物料和能量衡算，浓度、各组分含量均保持不变。

各股的出口流量：

如果有热交换，出口的热量和温度会有变化，具体计算如下：

入口的热量：

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

进而求出各股的热量：

2.2.2 按照给定的出口流量分成浓度相同的n股

把进入该模块的物料按照用户给定的出口数，以及给定各个出口流线的流量，分离成浓度相同的2～6股输出。

其中最后一股流线的流量根据物料衡算求出，在此不再具体列出。

2.2.3 分成浓度不同的2股

该功能把入口物料分为浓度不同的2股，进入该模块的物料按照用户给定的第一个出口的固形物占入口固形物总量的比例P，以及第一个出口需要达到的浓度把入口物料分为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浓度Cout，1，由质量守恒定律求得第一股的流量：

第二股的固形物浓度为：

第一股物料的比热容为：

第二股物料的比热容为：

相应地可以求出其他参数，在此不再详述。

由于浓度不同，各个出口物料的比热容是不同的。在做能量衡算时，简单的处理原则是所有出口的物料的温度是相同的。当用户选择输入交换热时，可以先求出物料温度，然后再求出口物料的热量。

物料带入的热量：

由能量守恒定律，得出口物料的温度：

由此，可求得出口物料的热量。第一股的热量：

第二股的热量：

2.3 除渣器模块

除渣器模块和旋翼筛模块功能相似，数学模型实现起来也类似，下面仅以除渣器模块为例。除渣器模块是针对造纸过程中除渣装置的特点，以及浆水衡算和能量衡算的特点，由用户给定该除渣器的排渣率x和排渣浓度C3，计算出口的各个参数值。除渣器模块的示意图如图4所示。

图4 除渣器模块示意图

该模块有1个入口2个出口，图4中，I代表物料入口；O1代表良浆出口，O2为渣浆出口。

渣浆流量：由质量守恒定律得良浆流量：

良浆的浓度：

3 WinPAMS过程仿真示例

图5为某造纸过程三段除渣器的工艺流程，表2为该流程的工艺参数。

图5 造纸过程三段除渣系统工艺流程图

表2 三段除渣器工艺参数

在WinPAMS中可以根据图5所示的操作流程，构成如图6的仿真流程图。

图6 WinPAMS中三段除渣系统的对应流程图

编辑好图6的流程后，通过各个功能模块的对话框输入表2中的各个工艺参数。做完这些以后，使用者的主要工作就已完成，下一步是WinPAMS按自动排列出的计算顺序（图6中各个模块上的序号即为该流程的计算顺序），对该过程逐块进行计算，所有的模块都计算一遍后，WinPAMS检查是否所有的模块都已经收敛，如果未收敛，则把上一次计算结果作为下一次计算的起点，重复计算直到收敛或达到最大迭代次数，计算结束后，软件报告仿真的结果和迭代的次数，并自动把仿真结果保存到一个文本文件中，用户可以通过各种方法查看该仿真结果，并通过对仿真结果的分析解决实际问题。

4 结语

本研究首先采用序贯模块法和面向对象技术相结合的方法，设计了WinPAMS仿真平台的总体结构，实现了与浆水衡算有关的功能模块，主要包括混合、分离、除渣器和旋翼筛等模块，并通过典型的三段除渣系统实例验证了该仿真平台的有效性。

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