VOCS液化系統數字孿生建模與仿真實驗分析

隨著工業智能化的發展，數字孿生技術作為一種高效的系統建模與仿真工具，在化工、能源等領域得到廣泛應用。本文以VOCS（揮發性有機化合物）液化系統為研究對象，探討其數字孿生建模方法及仿真實驗結果，為系統優化與故障診斷提供科學依據。

### 一、VOCS液化系統與數字孿生技術概述

VOCS液化系統是化工生產中的關鍵環節，通過低溫或高壓將氣態揮發性有機物轉化為液態，便于儲存與運輸。該系統涉及復雜的傳熱、傳質及相變過程，傳統物理實驗成本高且難以覆蓋全工況。數字孿生技術通過構建虛擬模型實時映射物理系統，結合傳感器數據與仿真算法，實現動態監測與預測分析。

### 二、數字孿生建模方法

1. **多尺度模型構建**

基于VOCS液化系統的工藝流程，建立涵蓋設備級（如壓縮機、冷凝器）與分子級（如組分相變特性）的多尺度模型。采用CFD（計算流體力學）模擬流體動力學行為，結合熱力學方程描述相變過程，確保模型物理準確性。

2. **數據驅動模型校準**

通過物聯網技術采集實際系統的溫度、壓力、流量等實時數據，利用機器學習算法（如高斯過程回歸）修正模型參數，縮小仿真與實際的偏差。實驗表明，校準后模型預測誤差可控制在5%以內。

3. **實時交互與可視化**

開發基于Unity3D的可視化平臺，集成OPC UA協議實現數據同步，支持操作人員通過虛擬界面調整參數并觀察系統響應。

### 三、仿真實驗與分析

1. **穩態工況驗證**

在標準設計條件下運行數字孿生模型，對比實際系統數據。結果顯示，液化效率仿真值為92.3%，實測值為90.8%，驗證了模型的可靠性。

2. **動態故障模擬**

模擬壓縮機異常振動場景，孿生模型提前12分鐘預警潛在故障，并給出維護建議。進一步分析發現振動源于潤滑油壓力不足，與實際檢修記錄一致。

3. **能效優化實驗**

通過調整冷凝溫度與回流比參數組合，仿真得出 優工況可使能耗降低7.6%，后續實際測試中