化工仿真软件发展的技术趋向

1、摘 UniSim 化工仿真技术历史的回顾根据国际准化组织(ISO)的定义，目前实际上已将“模拟”与“仿真”两者所含的内容统归于“仿真”的范畴，而且英文都用 Simulation 一词来代替。数字仿真是 20 世纪 40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真（ Simulation）就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程。最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门。化工过程的模拟（Simulation）技术随着计算机技术的

2、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，开始主要是用于化工过程的设计。ASPEN 公司的 Aspen一些优秀的过程稳态模拟软件在化工过程设计中得以广上世纪90 年代DCS的出现，对化工过程的模拟软件提出1了新的市场要求OTS（OperatorTraining 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。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，保证生产装置长期、稳定地运行1。由于仿真模拟培训系统是用数学

3、模型代替实际工厂，因而数学模型的好坏是仿真模拟培训系统质量的关键。90年代ABBSimcon 公司的Gepurs软件和Hyprotech公司的动态模拟软件在培训器市场得到广泛的应用。随着计算机的速度越来越快， DCS可记录的数据越来越多。成千上万的操作点的用户迫切地希望了解：如何利用这些信息资源来指导生产操作。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

4、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，化工过程的动态程的预测成为了可能。通常预测过程的结构如由DCS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2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

5、术落后等原因，数据采用离线分析，过7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 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如表一所示。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

6、整合这些软件，国际上几个著名的化工模拟公司都推出自己的一揽子解决方案 ,给客户提供全方位的服务，使过程和模型的信息在产品发展的各个阶段可以共享。表一 国内某个乙烯装置使用的软件控制过程动 先进控制提 OTS 软件提供 乙烯裂解HoneywellHyprotech炉数学模型模拟公司的并购风潮2.1 技术上独出一格的HYSYSHYSYS 是Hyprotech 1976工系的教授组建的。原来的软件叫HYSIM，主要用于稳态模拟。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 (HyprotechSystem for engineers)

7、。一个主要的目的是开发化工培训仿真业务。是第一家由稳态模拟转向动态模拟的公司。390 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培训器业务 70%市场分额。在操作系决策不同，为各自的兴衰埋下了伏笔8。HYSYS 的技术特点是：基于 Window Object ）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。由于起家是稳态模拟模拟公司，物性采用的是严格的热

8、力学方程。模型采用严格的机理模型。2.2 争夺 HYSYS之战HYSYS 的这些技术特点受到国际上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 公司有自己的基于联立方程的建模技术的 ASPEN DYNAMICS 动态过程模拟软件。可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 ）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

9、知识产权和操作训仿真 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。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。但核心技术还是HYSYS。ASPEN 公司整合了自己原来的 ASPEN DY

10、NAMICS-动态过程模拟软件 和 Hyprotech公司的 HYSYS2004 技术的基础上推出了 ASPEN HYSYS。DCS 产家纷纷进入 OTS 领域也是模拟公司的并购风潮的特点，横河（YOKOGAWA）也发展了自己的 OTS OTS DCS 产家具有他们自己的DCS Link得多。4另一家稳态模拟公司 Simsci公司的 ProII也被 Invensys公司收购。Invensys公司并购了DCSFoxboro Invensys Simsci Dynsim 如设计、操作分析、动态模拟、操作员培训、性能监测以及实时优化等，以降低投资费用，提高产率，以及强化决策管理。ABB Simcon

11、 的技术也被法国 RSI公司购买，成为 RSI-Simcon company. ,主要为石油上下游流程提供动态模拟的服务。这些公司在中国都有技术服务队伍或合作伙伴。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。ASPEN 公司也提出了一揽子解决方案 ：ASPEN 工程套件(Aspen Engineering Suite)53

12、 新一代仿真模拟软件发展和集成的方向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，题。新一代模拟软件软件发展和集成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。包括：稳态和动态模拟，参数估计和数据校正。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。(OTS)生产操作过程的改进，安全研究和过程优化，如图 4 所示。由于 DCS OTS）提出需求，大大促进了动态模拟技术的发展。90 年代末期由于计算机速度的限制，OTS 培训器的计算机大都采用小型机。例如我国 80 O

13、TS 计算机的运行速度提高了几十倍，现在的一台PC 机都比当年值数万美元的X机要快的多。这就给动态模拟采用更加严格的化工过程的机理模型留下了许多发展的空间。动态模拟技术对于图 4 的过程模型都采用遵循能量平衡、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，物性库可以采用稳态模拟的数据库，包含 3000 多个组成。6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，PlugFlow 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。这也是几个传统的稳态模拟公司(ASPEN，Simsci 和 Hyprotech) 转向动态模拟

14、后比单纯的 OTS 型技术用于动态模拟中来。3.3 采用了多层流程结构ASPEN HYSYS 和 UnisimMain Flowsheet都采用了多层流程结构, 如图 5 所示。建立物性集后，SubflowsheetAF用户可以输入主流程, 在主流程内建立任何的子流程。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Subflowsheet(Column) BSubflowsheetE图 5多层流程结构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, , 因而可以简化流程的收敛。3.4 模拟数据的信息共享软件集成设计考虑模

15、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。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。73.5 动态模拟和稳态模拟的结合 6态的流程模拟采用模块算法过程模块表示一个算法：。11 12t=t0 q修改稳态模型：1.加上必要压力组件：如阀或泵等。单元操作压力作为状态变量计算；图 6

16、 模块的计算 uxq 为图 7 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。稳态

17、模拟和动态模拟的转换如图 7 所示。稳态模拟和动态模拟采用同样的物性集。转换提供了一些方便的辅助工具, 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13（PF Solver）来计算，是动态模拟计算中最重要的部分 。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( F= f p) PF Solver 8 所示。8Heat BalanceMaterial BalnceMomentumBalanceP, F8 图 9 模块和 P-F Solver的顺序动态模拟平

18、台计算顺序由如图 9 所示, 稳态模拟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。3.7 开放式的环境化工过程系统中常用的建模方法是向对象方法较好地克服了结构化方动态模拟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图 10 UniSim Design Unitop Cape-Open Socket 1.0,一个模拟器可以看作有个不同的组件组成1415单元操作库(unit operation),数值解题器(number solvers):数值解

19、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。热力学和物性包(thermodynamics and physical property):热力学和物性包能够计算物料的热力学和物性。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。由于每一个化工模拟软件都使用各自的数据库，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。9Cape-Open(computer-aided process engineering open

20、simulation enviroment)下一代过程工程,它发起于 1999 年 6 发、测试、描述,以及公布一个过件接口的标准化,使得模拟器的自ASPEN 、RSI 和 UniSim Design 都在开发自己软件的 Cape-Open 的接口。UniSim Design Cape-Open Socket 1.0 如图 10 所示。采用了 Cape-Open 的软件接口后， 11 Cape-Open 的软件接口可以方便的连接 G2,ASPEN 和 UniSim Design等软件。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。流程模拟软件采用工艺设计、操作培训、生产控制、过程检测、动态预测、事故的报警和过程的数据分析，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。1 ,化工过程的模拟培训器，化工进展. 1996, 356-602 ,我国仿真培训器的发展历史和展望， 化工进展, 2001,381-863. 郭彦,邱彤,何小荣, 陈丙珍, 体分馏装置软测量模型在线修正策略的研究, 2004, .21(3): .407-4104 ,邱彤,陈丙珍,用于化工过程的SDG故障分析方法,化工进展,2006, 25(012):.1484-14885 ,钱宇，温艳芹,化工过程实时状态监测与模糊诊断系统研究与实现,计算机与应用化