引     言
蒸汽作为生产过程中的主要携能工质和辅助工艺物流，被广泛用于炼油、化工、钢铁、轻工、热电、区域集中供热等各个领域。随着生产规模的渐进发展，蒸汽管网系统变得庞大复杂，不仅难以管理调度，而且浪费惊人。

为此，国内外学界和工程界都在研究蒸汽系统，实施技术改造方案。管网本身诸如管线老化、阀门和疏水器失效、仪表不灵、保温破损等问题，比较容易发现和解决。而操作工况，特别是管网内未安装测量仪表的重要部位，其温度、压力、热损失等参数难以及时掌握，导致调度管理不力、造成蒸汽严重浪费，甚至出现重大运行事故。这类问题必须有先进的模拟和监测技术才能解决。近年来，国内学者在理论上已经解决了籍基尔霍夫定律建立蒸汽管网水力学模型的问题[1]、[2]、[3]、[4]，以及有关网络计算的方法，但因工程化不力，故一直未见成功实用；国外已有专用的商品软件，多用于管网设计计算，在实时智能监测方面也鲜见报导。

笔者近年来专门研究蒸汽管网系统的数学模拟和智能监测方法，承接了前人的研究经验，完善了模拟策略，采取了工程化措施后，形成了一套实用的严格在线模拟与智能监测技术。

严格在线模拟与智能监测技术的策略与结构

图1  PROSS的结构
 
20世纪90年代初，有学者研究将流程模拟和DCS技术结合，开发一套在线模拟化工工艺过程的方法，以便及时掌握工况，辅助科学分析和优化操作。美国科学模拟公司（Science Simulation Inc.）总裁汪誉龙博士率先提出，对炼油化工装置实施严格在线模拟（Rigorous On-Line Modelling），即以流程模拟软件PRO/II 在线模拟其工艺过程。AspenTech公司总裁Lawrence.B. Evans则提倡在线动态模拟的策略。他们期望把模拟技术推行到生产装置上，帮助工程师及时调整操作条件，获取更好的经济效益。但是在常减压、合成氨等装置上试验的效果不理想，主要原因是装置流程和物料太复杂。时过境迁，IT技术的快速发展，促使我们重温他们那很有见地的思想。特别是对于蒸汽管网那样物料单一的系统，在线模拟获得成功的希望很大。

 蒸汽管网严格在线模拟与智能监测技术（Pipenetwork Rigorous Online Simulation System，以下简称PROSS）由数据采集系统（Data Acquisition System）、管网模拟系统（Modeling System）、实时监测系统（Real-Time Monitoring）和实时数据库（Real-Time Database）组成，逻辑结构如图1所示。与传统的实时监测系统相比，PROSS最大的特点就是嵌入了管网模拟系统作为管网管理和分析的核心。蒸汽管网的操作参数通过数据采集系统存入实时数据库中，并经数据接口定时输入到管网模拟系统中；蒸汽管网的结构参数以人工输入的方式输入到管网模拟系统中；管网模拟系统定时模拟管网工况，生成大量模拟信息，再通过数据接口传回实时数据库；实时监测系统组织和显示蒸汽管网的所有测量参数和模拟计算参数，供调度工程师监测与分析。模拟计算功能亦可以离线应用，辅助对管网进行流程改造、优化操作等。

模  拟   原   理
图1中的模拟系统即对蒸汽管网水力和传热工况进行模拟计算的软件。该软件集成了基尔霍夫关于电网络的定律[5]、流体力学、化学工程、拓扑学和计算数学[6]、[7]等基础理论和知识（如图2所示），蒸汽管网管理人员可以借助该软件，提高蒸汽管网的运行管理水平。

图2  管网模拟系统理论基础

1.基尔霍夫定律的应用

把管网中的每一根管段看作是具有一定的物理特性的线段，各线段之间有一定的物理和逻辑关系，然后可以将实际的蒸汽管网模型化为图3所示的管网拓扑图。

为了对不同的管段以示区别，分类如下：

l         外支管：管段的一端与其它管段连接，另一端与汽源或用户连接。如图3中的线段AB、CF、DG、EH。

l         内管：管段的两端均与其它管段连接。如图3中的线段BC、BD等。

l         节点（j）：管段之间的连接处，不包括二通连接，即每个节点至少与三根管段连接。如图3中的点B、C、D、E，点A、F、G、H则不属于节点。

l         回路（B）：由若干根管段组成的封闭环路。如图3中的ΔBCD、ΔBDE、ΔBCE。

l         通路（R）：从某一根外支管沿相连的管段到另一根外支管，其间经过的管段组成一个通路。如图3中的折线ABCF、ABDG、ABEH等。

蒸汽网络与电网络相似，可以将描述电网络的基尔霍夫I、II定律应用到蒸汽网络中，形成如下问题和解：

设：网络W有m根外支管，n根内管，j个节点。m根外支管外端的压力值分别为P₁、P₂、……、P_m；

求：每根管段的两个未知数，即压降ΔP和流量G。

（1）按物料平衡原则：对于任意节点j，都有

式中：E表示与该节点直接连接的管段数；r表示管段内流体流向，流向指向该节点，则r＝1；流向指出该节点，则r＝2；

（2）按能量平衡原则：

a．对于任意一个回路（如图3中的BCD回路），都有

式中：F表示组成该回路的管段数；r表示管段内流体流向，流向与回路方向相反，则r＝1；流向与回路方向相同，则r＝2；

b．对于任意一个通路（如图3中的ABCF回路），都有

式中：D表示组成该通路的管段数；r表示管段内流体流向，流向与通路方向相反，则r＝1；流向与通路方向相同，则r＝2；

（3）小结：

在一个管网拓扑逻辑图中，未知数个数、方程数之间的关系如下：

2. 水力学模型

对上述能量平衡方程，用流体力学的知识，确定管网物理特性与操作参数的关系，例如，管段长度、粗糙度等与管段压降和流量的关系，形成管网水力学模型。

3. 传热模型

蒸汽管道通常都有保温处理，但不可完全避免热能向周围环境散失。在模拟系统中有散热模拟功能，计算管段温降和凝结水情况等。

（1）蒸汽主要热力学物性的计算方法

国际公式化委员会（IFC）制定的水蒸气热力学性质^[9]，被广泛应用于科学研究、工程设计等领域，其可靠性得到了公认。PROSS以IFC提供的公式为主，结合AIchE（美国化学工程师协会）推荐的方法，计算水蒸气的密度和粘度等性质。

（2）管网热损失计算^[10]

一段有保温层的蒸汽圆管的传热过程，包括管内蒸汽到管内侧壁面、管内侧壁面到管外侧壁面、管外侧壁面到保温层内侧壁面、保温层内侧壁面到保温层外侧壁面、保温层外侧壁面到环境大气等五个环节。

总传热系数采用以保温层外侧表面积为基准的传热系数k的计算公式：

4.方程组求解

（1）方程自由度分析

系统自由度可以用下式表示：

f＝m－n

式中，f为系统自由度，m为系统变量数，n为方程数。

系统模型中的变量由两部分组成：决策变量（独立变量）和状态变量（因变量）。对于不同的对象，决策变量又可称为设计变量、操作变量和控制变量。在m个系统变量和n个决策变量的情况下，选择决策变量的方案组合数为：

PROSS采用牛顿—拉夫森法解上述非线性方程组^[12]。在实际计算中，针对蒸汽等流体网络的具体情况，采用了一些加速收敛的技巧和必要的边界条件，使得方程解算有稳定的收敛性。

工  程  化  方  法

 

上述管网系统的建模理论虽然已经很成熟了，但是，只有采取了必要的工程化措施，这些理论才能应用于实际。以下即为所采用的工程化措施。

1. 大型蒸汽管网系统的识别

PROSS引入了自动建模策略，以拓朴学原理识别蒸汽管网结构，确定独立方程数，自动建立联立方程组。

（1）关联矩阵

整个网络系统的逻辑关系可以用完全关联矩阵I_p×q来描述。完全关联矩阵定义如下：

设该网络系统W有p个顶点，q根管段，令

      1，  若管段j与顶点i关联，且j的方向流出i；

w_ij＝  -1， 若管段j与顶点i关联，且j的方向流入i；

      0，  若管段j与顶点i不关联，

如图3所示的管网，可以用如图4所示的矩阵来描述。

       （2）圈矩阵

设该网络系统W有p个顶点，q根管段，令

      1，  若管段j在第i个环路中，且管段的方向与环路i的方向一致；

b_ij＝  -1，  若管段j在第i个环路中，且管段的方向与环路i的方向相反；

      0，  若管段j不在第i个环路中，

（3）割矩阵

设该网络系统W有p个顶点，q根管段，令

      1，  若管段j在断集i中，且管段的方向与断集i的方向一致；

q_ij＝  -1，  若管段j在断集i中，且管段的方向与断集i的方向相反；

      0，  若管段j不在断集i中，

（4）各矩阵间的关系

关联矩阵通过选主元初等行变换即可得到割阵。再根据圈矩阵和割矩阵的关系QB^T＝0，得到圈矩阵。然后用圈矩阵列出环路方程。

（5）自动建立联立方程

描述整个系统物料平衡和能量平衡的是一组联立方程。由（1）、（2）、（3）和（4）所述方法可以得到这两类方程所涉及到的管线和顶点等要素的关系，再结合水力学模型，即可建立描述管网的联立方程。此过程由计算机自动完成。

2.软仪表技术

PROSS以联立方程描述蒸汽管网，于是可以用添加虚拟节点的办法，计算得到管网中任何位置的蒸汽参数，这是软仪表技术。使用该项技术，不须在汽源、用户等关键点外再安装仪表，工程师就可以得到管网中任何管段、任何位置的蒸汽参数，其中包括流速、散热损失、蒸汽凝结等难以测量的参数。软仪表技术已被证明是可靠的，对及时、详细掌握蒸汽管网工况起到了关键作用。

3.在线温压校正

蒸汽流量计量不准是一个很棘手的问题。除了流量计本身因操作时间长、保养不好而失准外，多数情况与工况多变，引起蒸汽温度、压力波动，继而使其密度、粘度变化有很大的关系。PROSS采用温压在线校正方法，使得模拟计算出来的流量值比较准确，有利于管理人员校验流量计，把蒸汽平衡做准。

4.开放式的工程数据库