Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Технология автоматизированного проектирования компрессорных, холодильных и технологических установок

Методические указания по проведению лабораторных работ

Омск – 2007

Составители И.А. Январев, канд. техн. наук, доцент

Ю.А. Пиляева

Предназначены для студентов, обучающихся по специальностям 150801 «Вакуумная и компрессорная техника физических установок», 140401 «Техника и физика низких температур», 240100 - “Химическая технология и биотехнология”, 240801 «Машины и аппараты химических производств»

Печатаются по решению редакционно-издательского совета ОмГТУ.

Введение

HYSYS предназначен для проведения различных расчетов на аппаратном и системном уровнях путем построения стационарных и динамичных математических моделей объектов различных технологических установок газо-нефтеперерабатывающих производств. Использование HYSYS предполагает: 1) разработку концептуальной модели и определение основных требований к оборудованию; 2) построение стационарной расчетной модели с возможностью определения оптимальных технологических параметров (системный уровень); 3) расчет размеров оборудования и определение его стоимости, выбор оптимальных параметров для конкретного вида оборудования (аппаратный уровень); 4) проведение динамических расчетов и определение стратегии управления, а так же расчет реальных режимов эксплуатации.

Лабораторная работа № 1 Ознакомление с программным комплексом hysys на примере построения стационарной модели теплообменника

Цель работы:

1. Знакомство с интерфейсом HYSYS.

2. Освоение этапов построения математической модели объекта технологической установки.

3. Обеспечение сходимости итерационных расчетов отдельного элемента технологической схемы.

Интерфейс HYSYS организован аналогично программам Windows, то есть на базе многочисленных окон, где управляющими элементами являются: клавиатура, мышь – активные элементы, а также пассивные элементы (списки, скруленги, флажки, выбор и т.д.) При этом управление реализуется через генерацию событий (Например, нажатие клавиши на клавиатуре, кнопки мыши). В HYSYS выделяют четыре вида интерфейса:

Графическая среда (РFD) экран – содержит графическое представление рассчитываемой схемы с указанием топологических объектов и связи между ними. При необходимости пользователь может в любой момент вызвать окно со значениями параметров технологических потоков, а также активизировать нужный объект, вызвав экран с его входными, текущими и результирующими параметрами.

Рабочая тетрадь (Work book) – окно, в котором информация, описывающая технологические объекты, представлена в виде таблицы.

Специализированное окно (Property View) – окно, содержащее набор страниц, описывающих данный объект (оператор – аппарат или поток).

Сводка (Summary) – выводятся все установленные операторы и потоки.

Кроме того, используют еще регистратор данных, диаграммные ленты, расчетные исследования и т.д.

При построении математической модели средствами HYSYS используют следующие основные структурные термины:

Схема-подсхема – совокупность схемных элементов, которые используют один пакет свойств, рабочую тетрадь и графический экран.

Пакет свойств – включает термодинамический пакет (формулы и методы расчета термодинамических свойств), а также набор компонентов (библиотечных, гипотетических, псевдокомпонентов,), набор реакций и пользовательских свойств, необходимых для расчета схемы.

Расчетная задача – это совокупность пакетов, свойств, схем, подсхем и отдельных элементов – аппаратов, из которых строится модель реального объекта, расчетная задача сохраняется в виде файла с расширением *.hsc

Сеанс – включает множество расчетных задач, которые на текущий момент созданы или открыты в процессе непрерывной работы, начиная с момента запуска HYSYS.

Для обеспечения сходимости расчетов отдельного элемента технологической схемы выделяют следующие способы:

Уменьшение заданной погрешности расчетов

Обычно расчет идет итерационно, т.е. повторяется одна и та же последовательность операций для разных значений входных параметров с выходом из нее по условию обеспечения заданной погрешности, если погрешность задана 0.0001, то обеспечить ее труднее чем 0.01, т.е. увеличив заданную погрешность от 0.0001 до 0.01 мы сможем смягчить задачу и повысить вероятность сходимости расчета. Например при моделировании теплообменника погрешность можно изменять в окне Параметры расчета (строка Точность).

Спецификации

Любой аппарат химико-технологической системы (в том числе и теплообмениик) математически описывается как система уравнений. Чтобы система имела решение она должна быть ЗАМКНУТА, т.е. количество уравнений должно совпадать с количеством неизвестных, например, система (1) замкнута (имеет единственное решение) т.к. 3 уравнения и 3 неизвестных х1, х2, х3.

2,74x₁ -1,18 x₂ +3,17 x₃ =2,18,

0,18x₁ +1,27x₂ +0,76x₃ =3,23, (1)

1,12x₁ + 0,83x₂ -2,16 x₃ =-1,15.

Если система имеет 2 уравнения и 3 неизвестных система недоопределена (степень свободы >0 и равна =1) (если 2 уравнения и 4 неизвестных, то степень свободы = 2 и т.д.)

Поэтому систему нужно дополнить нужным количеством уравнений (для степени свободы 1 нужно добавить одно уравнение, чтобы было 3 уравнения и 3 неизвестных). В качестве таких дополнительных уравнений выступают спецификации.

Если система имеет 3 уравнения и 2 неизвестных, то система переопределена (степень свободы <0 и равна =-1) (если 4 уравнения и 2 неизвестных, степень свободы = -2 и т.д.)

В этом случае необходимо убрать уравнения (спецификации)

Если система имеет 3 уравнения и 3 неизвестных, то степень свободы =0 система ЗАМКНУТА и имеет единственное решение.

Работа со спецификациями идет в окне Спецификации при помощи кнопок Просмотр Добавить Удалить

СПЕЦИФИКАЦИИ имеют три состояния:

Активная	Алгоритм решения стремится получить заданное значение такой спецификации. Значение активной спецификации всегда используется в качестве начального приближения (при выборе кнопки Активная HYSYS автоматически выбирает и кнопку Оценка) Активная спецификация расходует одну степень свободы
Оценка	Оценка рассматривается как неактивная спецификация, и алгоритм решения не обязан получать соответствующее значение. Если спецификация не активна она не забирает на себя дополнительную степень свободы
Полностью неактивна	Если дезактивировать обе кнопки Активная и Оценка, соответствующая величина вообще не будет использоваться алгоритмом решения. Эффект будет таким же, как будто спецификация удалена. Но в любой момент времени ее можно активировать

Виды СПЕЦИФИКАЦИЙ приводятся для каждого вида оборудования, например, для теплообменника имеется следующий набор спецификаций:

№	Спецификация	Описание
1	Temperature (Температура)	Можно указать температуру любого потока, соединенного с теплообменником
2	Delta Temp Разность температур	Задается разность температур между любыми двумя из четырех потоков, соединенных с многопоточным тепло-обменником
3	Minimum Approach (Минимальное сбли- жение температур)	Задается минимальное сближение температур (температурных кривых), горячих и холодных потоков, не обязательно между входной и выходной температурами
4	UA (k*F)	Произведение общего коэффициента теплопередачи на поверхность теплообмена
5	LMTD (Среднелогарифми- ческая разность Т)	Среднелогарифмическая разность температур
6	Duty (Нагрузка)	Варианты: Общая нагрузка, невязка баланса, тепловые потери потоков, обычная невязка

В данном разделе приведен пример расчета теплообменного оборудования (операция Теплообменник) средствами программы HYSYS. При создании конкретной модели ХТУ можно выделить следующие основные этапы:

1. Создание нового набора единиц измерения.

2. Выбор пакета свойств, включающий выбор термодинамического пакета и выбор всей совокупности компонент, используемых в потоках исследуемой технологической схемы.

3. Создание и параметризация потоков сырья.

4. Создание схемы установки при помощи графического экрана или рабочей тетради.

5. Обеспечение сходимости расчетов для отдельных объектов схемы и для всей схемы в целом, например при помощи спецификаций.

Рассмотрим проведение поверочного расчета теплообменника в стационарном режиме. Известны начальные параметры отдающей и воспринимающей сред (в нашем случае – это сжатый воздух и вода соответственно) и геометрические параметры теплообменного аппарата. Необходимо найти конечные параметры отдающей и воспринимающей сред. Расчет будем проводить при помощи операции Теплообменник (HEAT EXCHANGER), которая рассчитывает материальный и энергетический баланс для теплообменного аппарата, в котором происходит теплообмен между двумя потоками.

Новая задача Файл  Новый  Задача (появится окно Диспетчер базиса).

Первый этап (создание нового набора единиц измерения)

1.1. Выберите пункт Настройки… в меню Инструменты. Появится окно Настройки расчета. Перейдите на закладку Переменные, а затем выберите страницу Единицы. Создадим новый набор единиц измерения на базе европейской системы EuroSI и внесем в нее изменения. Выберите мышкой строчку EuroSI из списка Имеющихся наборов единиц, чтобы сделать ее активной. В нашем примере удобнее всего измерять массовый расход сжатого воздуха и воды в килограммах в секунду (kg\s), температуру в Кельвинах (K), а давление в килопаскалях (KPa). Нажмите кнопку Скопир. Появится и станет активным новый набор единиц измерения, названный NewUser в списке Имеющихся наборов единиц. Если хотите, Вы можете ввести новое название для этого набора в поле Имя набора. Теперь вы можете изменять единицы измерения для любой переменной из созданного Вами набора.

1.2. Измените единицы для переменной Массовый расход: откройте падающий список возможных единиц (кнопка ) и выберите нужный вариант (kg\s).

Вы имеете возможность сохранить настройки программы в специальный файл под любым именем, нажав на кнопку Сохранить настройки, и позже загрузить их, нажав на кнопку Загрузить настройки. Закрыв окно Настройки расчета, Вы вернетесь в окно Диспетчер базиса.

Второй этап (выбор пакета свойств)

2.1. Для создания списка компонент активизируйте Закладку Компоненты в окне Диспетчера базиса. Нажмите кнопку Добавить. Появится окно Список компонент.

В данной задаче нам необходимо выбрать следующие компоненты: N2 (Nitrogen), O2 (Oxygen), Ar (Argon), CO2, H2O. Закройте окно Список компонентов.

2.2. Для выбора термодинамического пакета в окне Диспетчер базиса перейдите на закладку Пакеты свойств. Нажмите кнопку Добавить…, откроется специализированное окно Пакет свойств, которое состоит из нескольких закладок. В нашей задаче будет использоваться только одна из этих закладок – Термодинамический пакет.

Прокрутите список вниз и выберите строку Peng Robinson. Закрыв окно Пакет свойств Вы вернетесь в Диспетчера базиса.

В списке Текущие пакеты свойств теперь присутствует определенный нами пакет свойств Базис-1. Теперь Вы можете начать задавать потоки и операции в расчетной среде HYSYS.

Третий этап (создание и параметризация потоков сырья)

Для того чтобы войти в расчетную среду нажмите кнопку Вход (Возврат) в расчетную среду… в окне диспетчера базиса. Начальным интерфейсом расчетной среды является PFD – графический экран.

В правом верхнем углу главного окна параметр Среда поменял свое значение с Базис на значение Задача (Главн.). Стало доступным множество кнопок. Перед нами находятся графический экран и так называемая “касса объектов”.

Графический экран – PFD является графическим отображением тополо-гии технологической схемы. Касса объектов – это “всплывающая” панель с кнопками, которая может быть использована для выбора потоков и операций. Возможно включать и выключать режим отображения на экране Кассы объектов, нажимая клавишу <F4>.

3.1. Запомните Вашу задачу нажав кнопку Сохранить задачу на панели инструментов, и наберите в поле Имя файла имя Вашей задачи.

3.2. Для создания сырьевого потока Вы можете использовать один из следующих способов: нажатие <F11>, или меню Схема  Добавить поток, или дважды щелкните мышкой по синей стрелке, обозначающей материальный поток, в Кассе объектов, или один раз по синей стрелке, а затем по зеленому плюсу, который добавит выбранный Вами объект (материальный поток). Во всех случаях на экране появится специализированное окно вновь созданного потока.

На странице Условия в закладке Рабочая таблица в ячейке Имя потока можно задать любое имя потока. На страницах Условия и Состав Вы должны ввести параметры, которые даны в условии задачи. Для поверочного расчета это необходимо сделать только для двух входящих материальных потоков. Потоки, исходящие из теплообменника, рассчитываются программой ХАЙСИС.

Зададим для потока Сж. воздух (вх. в корп.) температуру – 418 К, давление – 300 кПа, массовый расход – 1,92 кг/с, где компонентный состав:

а для потока Вода (вх. в тр.) температуру – 293 К, давление – 709,3 кПа, массовый расход – 6,25 кг/с, где на странице Состав закладки Рабочая таблица необходимо определить конкретный покомпонентный состав:

Четвертый этап (создание схемы установки)

4.1. Чтобы установить теплообменник, нажмите клавишу <F12> (выберите операцию Теплообменник) или соответствующую кнопку в кассе объектов.

На странице Соединения закладки Данные специализированного окна Т-100 задаются имена входного и выходного технологических потоков. В поле Имя можно изменить название аппарата, которое программа присваивает по умолчанию. Но если Вы задали имена технологических потоков заранее, чтобы присоединить потоки к теплообменнику, необходимо открыть падающий список поля названия потока и выбрать соответствующий поток, щелкнув по нему левой кнопкой мышки.

На странице Параметры можно выбрать Модель расчета теплообменника и задать физические параметры. Страница Параметры выглядит по-разному в зависимости от выбранной модели расчета. В нашей задаче используется модель Steady State Rating – поверочный расчет в стационарном режиме. Чтобы выбрать эту модель, в поле Модель теплообменника откройте падающий список и выберите данную модель.

На странице Размеры закладки Расчет задается информация о размерах теплообменника. На основе этой информации ХАЙСИС может рассчитать гидравлическое сопротивление и коэффициенты теплоотдачи по каждому потоку. Прежде чем задавать информацию о размерах теплообменника, следует выбрать одну из трех селективных кнопок: Общие, Корпус, Трубки.

Зададим необходимые параметры:

Пятый этап (обеспечение сходимости расчетов)

На странице Спецификации закладки Данные специализированного окна Т-100 для снижения числа степеней свободы добавляем (при помощи кнопки Добавить) спецификацию Т-100 UA и ее значение в столбце Задано.

Если спецификация Т-100 UA активна, число степеней свободы становится равным нулю, поэтому теплообменник может быть рассчитан (зеленое поле со словом ОК).

На страницах (Подробности и Графики) закладки Результаты выводятся результаты расчета теплообменника в виде таблиц и графиков.

На странице Таблицы в табличной форме выводятся температура, давление, количество тепла, энтальпия, KF и доля пара.