化工流程模拟软件集成的技术趋势.doc

精品论文化工流程模拟软件集成的技术趋势许正宇中国化工信息中心, 北京(100029)e-mail：摘 要： 本文回顾了三十年来化工过程的模拟技术的发展过程，介绍了最近 honeywell 推出 的基于 hysys 动态和稳态模拟软件 unisim design 设计组件的一些技术特点。提供产品的 整个生命周期全方位的模拟计算服务：包括生产规划、产品的概念设计、工艺设计、控制设 计、操作培训、生产控制、过程检测、动态预测、事故的报警和过程的数据分析, 是目前国 际上著名的过程流程模拟软件公司软件集成的趋势。关键词:仿真；过程模拟;unisim;hysys中图分类号:tq015.91化工模拟技术历史的回顾化工过程的模拟技术随着计算机技术的飞速发展，应用的范围越来越广。上世纪七十年 代末期的兴起的流程模拟技术，主要是用于化工过程的设计。aspen公司的aspen plus、simsci 公司的的proii,hyprotech 公司的hysim等一些优秀的过程稳态模拟软件在化工过程设计中 得以应用。由于当时的pc 机速度很慢，设计计算并不要求实时。采用的机器都是小型机以 上的机型。随着集散控制系统 dcs 在化工生产中的广泛的应用，现代化的石油化工工厂都采用集散 控制系统（distributed control system,简称 dcs）进行生产操作。这种系统就是将用于 工厂生产的控制变量、显示变量、分析变量和开关量等，从生产现场采集出来，并将其变换 到适合于计算机系统要求的数字通信信号格式，统一传递到工厂中央控制室的计算机上。工 厂的生产操作人员即可通过计算机对生产进行操作，操作的指令经过计算机的处理，返回到 生产现场。采用 dcs 系统后，工厂的生产操作人员能够了解整个生产的全局，可全面综合地 操作控制生产过程。由于现代工业工厂的 dcs 操作系统使生产大规模、高效率和连续化，而 操作人员又减少，就要求提高生产操作人员的素质。因此对 dcs 生产操作人员进行培训成为 企业的迫切需要。上世纪 90 年代 dcs 的出现，对化工过程的模拟软件提出了新的市场要求ots（operator training system）的需求，大大地促进了化工过程动态模拟软件的发展。由于 ots的需求量比提供设计的稳态模拟软件 大的多，当时国内几乎所有的化工院校参与了 ots 的开发。典型的ots功能如图 1 所示。上方 所示是实际工厂的生产控制简图。dcs系统安装在中央控制室，dcs屏幕显示的温度、压力和流量等参数都是通过 变送器从实际生产装置上采集的。生 产操作人员通过dcs对生产进行操作，1保证生产装置长期、稳定地运行。由于仿真模拟培训系统是用数学 模型代替实际工厂，因而数学模型的- 8 -好坏是仿真模拟培训系统质量的关键。仿真模拟培训系统的模型是动态模型。90 年代 abb simcon 公司的 gepurs 软件、hyprotech 公司的动态模拟软件在培训器市场得到广泛的应用。由于动态仿真要求实时，动态模拟技术 限于当时计算机速度的限制，仍然采用都是小型机。模型技术尽量简化,物性采用简化模型。 但是随着计算机的速度越来越快，给模型的实时计算留下越来越多的空间。硬盘也越来越大， dcs 可记录的数据越来越多。成千上万的操作点的数据包括了大量的生产过程的信息。dcs 的广泛使用给模拟技术提出的许多新的课题。dcs 用户迫切地希望了解：如何利用这些信息资源，指导生产操作。生产产品如何安排 以获取最大的利润？生产如何控制使过程更加稳定和最优？改变过程的操作点，生产装置会 如何变化？能不能通过异常数据的分析，提前告诉 dcs 操作工：是测量仪表出了问题？还 是事故将发生？用户已经不仅仅满足于设计过程的稳态模拟计算和 ots 培训，要求更加准确的过程模型来 指导生产操作。预测过程的动态行为。这就是过程予测系统。由于计算机的速度越来越快，化工过程的动态模拟技术的发展，dcs数据的开放性，使 化工过程的预测成为了可能。通常预测过程的结构如图 2 所示2。由 dcs 收集的工厂过程数据(x)，经过数据 识别后传到过程模拟器。记录下过程的当前状态。作为模型的初始态。如果需要的话，工程师 或操作人员对模型给以不同方案的扰动(w*)，以研究过程模型不同的响应(y)。如果发现了下一步好的运行方案。可以在线(w2)或离线(w1)执行。过程模拟器通常包括稳态和动态的过程模 型，并带有优化算法，判断不同方案的目标函数值，以寻求最优方案。 过程预测系统是工厂管理者一直十分感兴趣的一个课题。因为用户迫切地希望了解：如何操作实际装置能获取更大的效益？我国在这方面也走了不少弯路。80 年代末期，当时的化工部科技局组织的工厂控制操作优化的课题。鉴于计算机速度的限制和数据校正的软件的 开发技术落后等原因，数据采用离线分析，过程模型采用数据回归等非机理的数学的模型或采用稳态模拟软件分析3。尽管经过鉴定，都没有实际使用价值。由于数据离线分析，即使算出了优化的工艺操作条件，实际工厂的操作条件已经变了。数学的模型由于缺乏机理，外 延性的误差很大。当时的南京化工研究院、化工部计算中心都参加了这个课题，也有不少的 经验教训。但是用户的这方面的需求也给模拟技术提供了更加广泛的应用前景。仅仅提供设计和培 训满足不了用户的需要。需要在产品的整个生命周期提供服务：包括生产规划、产品的概念 设计、工艺设计、控制设计、操作培训、生产控制、过程检测、动态预测、事故的报警、过 程的数据分析提供全方位的服务，才能满足用户的需要。另外一个问题是各个软件公司提供的过程模拟优化软件采用不同的开发平台，互不兼容 和重复开发的问题。例如国内某个乙烯装置使用的软件：表一国内某个乙烯装置使用的软件过程模拟 项目dcs 设备pfd 设计控制过程动 态模拟软件先进控制提 供商ots 软件提供 商乙烯裂解 优化提供商honeywellaspenhyprotechhoneywellsimcon/hkdabb lummus软件/设备tdc3000aspen plushysysrmpctsimconx乙烯裂解 炉数学模型这些软件的核心都是化工过程的数学模型，都要遵循：能量平衡、质量平衡和动量平衡。如何整合这些软件，避免重复开发，提供化工过程的全方位的服务。也是化工过程模 拟软件开发的一个方向。honeywell 推出的 unisim solution 就是这种背景下的一个产品。2unisim solutionhoneywell 公司是 dcs 供应商。也提供 shadow plant 影子工厂仿真解决方案的操作工培 训业务。近来收购了 aspen 的 hysys 建模软件知识产权和操作员培训仿真业务。hysys 是 hyprotech 公司的软件产品。公司成立于 1976 年。是由加拿大卡尔加里大学化 工系的教授组建的。原来的软件叫 hysim。1980 年，推出了小型机的系统。1984 年推出了基于 ibm pc 的版本。1995 年推出了 hysys 第一版。(hyprotech system for engineers)。当时一个主要的目的是开发化工培训仿真业务。90 年代初期，hyprotech 公司和美国的abb simcon 公司一起成为世界上当时最有名的 ots供应商。两个公司几乎瓜分了世界上仿真业务 70%市场分额。在操作系统、运行机器 环境和编程语言方面，两公司发展采用了完全不同的技术路线。技术上的决策不同，为各 自的兴衰埋下了伏笔4。hysys 的技术特点是：基于 window 操作系统；采用了“面向对象”（object oriented）的 设计思想及最新的 ole(object linking and enbedddding)软件的设计技术，充分地利用了 windows 所设计好的数据交换通道。采用稳态和动态模拟结合技术路线。hysys 的这些技 术特点受到著名的模拟软件公司的青睐。首先伸出橄榄枝的是 aspen 公司，2002 年 aspen 收购了 hyprotech 公司全部股权。 尽管 aspen 公司有自己的 aspen dynamics 动态过程模拟软件 基于联立方程的建模 技术。国内也有用户。但是算法的稳定性和界面比 hysys 逊色不少。但 aspen 的收购，2004 被美国联邦商务委员会（federal trade commission）判决为垄断 经营。honeywell 和 aspen 达成最终协议，由 honeywell 收购 aspen 的 hysys 建模软件知识产权和操作员培训仿真 ots 业务。 其它条款包括：(1)apsen 公司将保留 hyprotech 产品许可，以继续实施推广、销售和开发 hyprotech 的权利；(2)aspen 公司在三年内不参与操作员培训服务竞争；(3) 两年支持协议，对转让的 hyprotech 产品，aspen 公司将继续为霍尼韦尔提供新版产品 的源代码。伴随着 honeywell 的收购行动，在加拿大卡尔加里的原 hyprotech 研发人员和产品技术支 持人员和在欧洲的原产品技术支持人员也陆续加入了 honeywell。honeywell 公司整合了自己原来的 shadow plant(影子工厂) 和 hyprotech 公司的 hysys2004 技术的基础上推出了新技术: unisim solution。unisim solution 模拟软件包括：unisim 设计套件，基于 hysys 的动态和稳态模拟软件。unisim 运营套件，用于生产过程的动态分析和控制系统检查。也可以训练操作员和工程 师处理事故的能力。unisim 优化套件，可以进行从单个操作单元到全厂范围内的动态优化。unisim 动态工程研究，评估过程变动对未来工厂业绩的影响。unisim 过程知识系统，收集和分析 dcs 和数据，利用原有操作经验，增强操作能力。unisim 架构如图 3 所示。 一个化工产品从实验室试验、中间实验工厂、设计到大生产装置投运是一个漫长的过程。honeywell 提供 unisim 组合套件的目的是给化工产品从开发到生产的全过程提供模拟技术 的服务。如图 4 所示。3 unisim designunisim solution 核心套件是 unisim设计套件，是hysys过程 的稳态和动态模型5。提供过程的 数学模型。基本的特点如下：3.1 一个模型的原则在表一中我们已经列出了国内某 个乙烯装置在设计、培训、装置投 运使用的软件。但 各个软件公司 提供的提供软件采用不同的开发 平台，互不兼容和重复开发的问题。unisim design 的设计思想是让用户建立一个模型可以用于化工过程发展的各个阶段。 在设计阶段，模型可以用于概念设计、实际工厂的详细的工程设计。最后，还可用于可操作 性研究。一旦这种模型知识库建立起来，同样的模型还可以用于操作培训(ots)，开停车的 研究和生产操作过程的改进，安全研究和过程优化，如图 5 所示。 其优点是：整合这些软件，避免重复开发。节约各个阶段的人力投入成本。由于采用统一的过程模型化的平台，便于用户维护和掌握。3.2采用严格的化工过程的机理模型图 5 的过程模型采用遵循：能量平衡、质量平衡和动量平衡的严格的化工过程的机理模型。 物性采用严格的热力学模型，物性库包含 3000 多个组成。单元操作模型包括： 流动输送系统：管道，法门，混合器；热交换系统：加热器，空冷器, lng 等；容器：两相或三相闪蒸，罐；反应器：转化反应器，反应动力学反应器，plug flow 反应器,cstr 反应器等； 转动设备：泵，压缩机，膨胀机等；塔：精馏塔，吸收塔等。3.3unisim 设计套件采用了多层流程结构unisim 设计套件是基于 hysys 过程的稳态 和动态模型。hysys 是把化工过程的动态计 算和稳态计算融为一体的软件。并采用了多层 流程结构。如图 6 所示。建立物性集后， 用户可以输入主流程。可以 在主流程内建立任何的子流程，通常塔是一个子流程。多层流程结构有点类似于 aspen 流程分块。 但是子流程概念的引入可以使主流程看起来 更清晰。由于子流程的功能仅在主流程中相当 一个黑箱模块。子流程从主流程中的到输入物流的信息，交互式求解和收敛后。再返回到主流程中。流程收敛比整个流程一起收敛容易一 些。因而可以简化流程的收敛。3.4模拟数据的信息共享unisim design 模拟的数据和模型可用于产品的整个发展过程：设计、操作和过程优化。如 图 7 所示。应该特别指出的是：在设计阶段，不仅可用于工厂的pfd工程设计，还可用于产 品的概念设计，又称为“预设计”过程。预设计是根据开发 基础研究成果、文献的数据、 现有类似的操作数据和工作 经验，按照所开发的新技术工 业化规模而作出的设计，用以 指导过程研究及提出对开发 性的基础研究进一步的要求， 所以它是实验研究和过程研究的指南，是开发研究过程中十分关键的一个步骤。概念设计不同于工程设计，因而不能作 为施工的依据，但是成功的概念设计不但可以节省大量的人力和物力，而且又可以加快新技 术的开发速度，提高开发的水平和实用价值。即使一个很普通的单一产品的生产过程，也可能有 104109个方案可供选择。如何从技术、经济的角度把最有希望的方案设计出来，是作 为强化研究开发工作的方向，这是一种系统化的分级决策过程，也正是概念设计的真谛。概念设计是设计者综合开发初期收集的技术经济信息，通过分析研究之后。对开发项目作出一种设想的方案，其主要内容包括： 原料和成品的规格，生产规模的估 计，工艺流程图简要说明，物料衡 算和热量衡算，主要设备的规模， 型号和材质的要求，检测方法，主 要技术和经济指标，投资和成本的 估算，投资回收预测，三废治理的 初步方案以及对中试研究的建议。 unisim desing 用于过程的不同阶 段如图 8 所示。3.5动态模拟和稳态模拟的结合稳态模拟向动态模拟的转换是 unisim design 的一个独有的特点。 如图 9，动态和稳态的流程模拟采用模块算法67。 过程模块表示一个算法：其中： u 为输入变量，x 为状态变量，q 为输出变量。v 为模块的参数。 动态模拟方程一般为：dx/dt = f( x,u,q，v)和稳态模拟不同，状态向量 x 除温度，组成等变量外，还包括模块所处的压力 p。参数向 量 v 还包括设备的尺寸，其不影响模拟的稳态结果，但影响过程的动态响应的快慢。过程 的控制由 pid 算法模块来完成。而稳态模拟方程一般为：dx/dt = f( x,u,q，v)=0 状态向量 x 不随时间变化。压力 p 不是状态变量， 通常作为参数输入。所以向量 v 包括模块所处的压 力 p。由于设备的尺寸不影响模拟的稳态结果，参 数向量不包括括设备的尺寸。过程的设计规定用 adjust 模块来完成。unisim design 稳态模拟和动态模拟的转换如图 10 所示。 稳态模拟和动态模拟采用同样的物性集。转换时unisim design 提供了方便的辅助工具。以便使用户尽快地获得动态模型。 由于动态模拟中任何一个化工单元操作设备都需要流量作为输入变量。流量和压力的分布由压力和流量的解法（pf solver）来计算，是动态模拟计算中最重要的部分8。单元操作的模块都是基于热平衡、质量平衡和动量平衡。通常模块的计算顺序由系统自动来决定。单元操作的模块是流体网中的一个组件，其局部的动量平衡由每个单元操作的模型 获得（( f= f (p)，但流量和压力是通过整个 pf solver 的解法得到，如图 11 所示。动态模拟平台计算顺序由如图 12 所示。稳态模拟来得到动态模拟的初始值。稳态模拟运行 之前，工程师要确定流程各点的压力值，从而确定流程各个单元的阻力系数。单元操作的模 型调用严格的物性模型，保证计算的准确性。3.6开放式的环境化工过程系统中常用的建模方 法是结构化分析方法和面向对 象方法.面。面向对象方法较好 地克服了结构化方法按功能将 系统分解的缺点。化工过程模拟软件在架构和实 现上有很大不同,但它们都具有 相同的功能。在概念上,一个模 拟器可以看作有个不同的组件 组成910(1) 单元操作库(unit operation),(2) 数值解题器(number solvers):数值解题器提供了针对线性方程、非线性方程、差分方程的 解决方案。(3) 热力学和物理属性包(thermodynamics and physical property):热力学和物理属性包能够计 算物料的热力学和物理属性。(4) 仿真器执行器(simulator executive); 它是仿真器的核心,负责安装其它组件并注册到操作 系统:管理人机界面访问和存储数据报告和分析仿真结果。每一个化工模拟软件都使用各自的数据库,并且己的化工物性数据库系统,大多数都使用不同的数据格式。因此,程序间的数据转换只天能通过手动,这样的程序不仅费力冗繁,而且还易于 出错。cape-open(computer-aided process engineering open simulation enviroment)下一代过程工程辅助计算的开放模拟环境。该工程的发起者是欧共体,它发起于 1999 年 6 月。其目的是开发、 测试、描述,以及公布一个过程模拟器中的软件组件的统一接口标准。这些接口决定了模拟 器的组件之间的通讯。cape-open 标准的目标是实现过程模拟器组件接口的标准化,使得模拟器的自身组件在最小的工作量下可以被另外的模拟器的组件无缝替换。unisim design 也发展了 cape-open 的接口。unisim design cape-open socket 1.0 如图 13所示。采用了 cape-open 的软件接口后，过程模拟器成了一个完全开放的系统，如图 14 所示。4 展望化工过程模拟技术自上世纪七十年代末 兴起，已 有三十多 年的历史 。从 honeywell 整合 unisim solution 和其技 术特点可以看出，模拟技术产品在整个 生命周期提供服务：包括生产规划、产 品的概念设计、工艺设计、操作培训、 生产控制、过程检测、动态预测、事故 的报警、过程的数据分析，提供全方位 的服务，已是大势所趋。过去单一模式 将会被这种全方位的服务所替代。参考文献1 许正宇. 化工过程的模拟培训器j. 化工进展. 1996, 3：56-602 许正宇. 我国仿真培训器的发展历史和展望j . 化工进展, 2001,3：81-863 程兆年，汤锋潮. 模式识别法在化工调优中的应用j，化工学报，1990 , l.41 (5) ：568-5744 田双成 许正宇， 耿国其等. iges-一个人工智能图形工程系统j， 现代化工，1999, 019(006) ：21-23 5 honeywell, unisim design user guides，20066 彭秉璞, 化工系统分析与模拟 ,化学工业出版社, 19907 杨友麒, 项曙光. 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