Honeywell霍尼韦尔

UniSim流程设计与动态仿真

1 流程行业过程设计与动态仿真的重要性与挑战

现代化的炼油和石化工装置对自动化控制系统的要求越来越高。随着DCS、先进控制技术、优化技术、计划与调度等先进技术的广泛应用，工厂生产自动化程度越来越高。要对装置和工艺过程进行有效的操作和控制，在选用控制策略和制定操作规程时必须全面考虑到工艺原理、过程动态特性以及各个控制对象之间约束等诸多关系。这对于装置工程师、控制工程师、生产操作人员来说是一个巨大的挑战，因为他们必须在较短时间内掌握这些先进的控制技术，熟悉调节控制的方法，全面掌握工艺过程原理及动态特性等一系列与生产操作相关的知识。如果能在正式开车之前给他们提供适当的培训，让他们充分熟悉工艺和操作规程，积累操作经验，这将非常有利于生产装置顺利投运，有利于稳定安全的生产，有利于发挥装置的最大能力，真正给工厂带来效益。

但是，装置工程师、控制工程师、生产操作员如何能在系统投运前尽快地熟悉工艺过程、获得全面的操作体验和提高处理异常事故的能力呢？传统方式主要有三种：开工前DCS短训、学习操作规程和外出实习。无论采用何种方式，所获得的知识和经验都是十分有限的。在装置开工前，DCS短训时间有限，工艺本身又未投运，所以只能做到熟悉操作界面和基本操作而已，对于复杂的控制策略、先进控制器的投用、操作程序等，操作员都无法真正体验；学习操作规程全无感性认识，就如同我们只是拿着书本学习电脑，而却没有电脑可用，效果自然不会好；外出实习，首先所学的不是用户自己的工艺，其次，在实习装置上，操作人员不可能实际操作和经历各种工况，三是操作人员不可能接触到那些核心工艺，况且还要必须支付大量的实习费用。

此外，虽然目前针对流程行业流程设计与动态仿真的应用已经非常普遍，但从专业机构的调查统计来看，仍然存在一些问题和挑战。例如，市场上有不少产品系统平台的物性库不够丰富并缺少权威性、稳态设计达不到应用精度、动态仿真特性偏离性大、不能对DCS/ESD等系统进行完全识别和兼容、对大过程模型无法实现全流程动态模拟等等。

2 Honeywell综合解决方案-UniSim

霍尼韦尔基于流程行业上述这些需求，经过三十年来的开发与应用，特别是在2004年成功收购ASPEN公司的仿真业务后，公司将原有的动态仿真系统SHADOW PLANT，OTISS 与HYSYS整合，形成了集流程设计、静态模拟、动态仿真、过程优化于一体综合解决方案和产品架构-UniSimTM，在技术平台的先进性，模拟应用经验的广泛性，成功实施案例和工程实施队伍的规模，技术支持能力等各个方面都得到空前的加强，在国际OTS业务中由原来的领跑者变成了占有绝对优势的主导者。

UniSimTM工艺过程设计与动态仿真工具，致力于帮助用户全面地熟悉自己的生产装置和工艺，掌握动态工艺特性，积累操作经验，提高处理异常事故的能力，保证生产装置的顺利投产，维护正常的生产操作。UniSimTM 不是一般意义上的稳态过程模拟，它是全面的动态过程仿真。UniSimTM 基于精确的热动力学方程和传质动力学模型，因此它成为了一套公认的可以帮助工程师研究探索工

艺过程、进行工况研究、发现工艺瓶颈、寻找最佳操作程序、进行故障分析和控制策略研究的工具，也成为了帮助工厂操作人员积累操作经验、熟悉工艺、提高操作技能的培训工具。

UniSimTM是一套关系到过程设计、工艺瓶颈分析、动态仿真、工况研究、操作方案论证、控制策略确认与调试、生产优化、装置改造等完整贯穿整个工厂装置生命周期的综合解决方案。

图1 霍尼韦尔流程模拟业务发展历程

UniSimTM主要由以下三个应用模块组成：

•UniSim Design Suite 工艺设计套件

•UniSim Operations Suite 操作运营套件

•UniSim Optimization Suite 优化模拟套件

2.1 UniSim Design Suite 工艺设计套件

UniSim Design Suite工艺设计套件基于成熟的技术，已经具有三十年的开发应用经验，主要应用效益体现在：

•改进工艺设计－工程师可迅速地对工艺设计做出评估，包括利润是不是最大、可靠性如何、安全性如何等

据估计，在项目投产中由于工艺临时更改产生的费用占到总项目投资的7%。UniSim使工程师能早期评估他们的工艺设计对整个项目的影响。在设计新的工艺时，UniSim可让用户对各种现场情况快速建模。交互式的环境有利于用户作“what-if"的研究和敏感性分析。利用Unisim可对工艺进行高精度地建模，模型中包含有设备和工艺的详细信息。

•监控设备的性能－保证设备性能最优化

Unisim能让用户迅速确定设备运行性能是否达到标称值。例如，故障维修或改善设备操作性能的工程师可利用Unisim估计设备是否出现问题（如热交换器结垢，塔板溢流，压缩机和分离器效率低等），参与技改项目的工程师可迅速对用不于同场合的设备性能进行评估，并可预测由于设计基准变化可能会带来的影响。

•减少工程费用－减少手工操作、避免重复输入容易出错的数据

利于Unisim创建在整个工厂的生命周期（见图2）都可调整的工艺模型，可以减少工程设计的费用。Unisim从概念设计到详细设计、设计评估、培训及优化过程，提供了非常好的环境，保证工程师能快速高效地完成工作。它可节省时间，并尽可能避免容易出错的手工操作，如数据传送、格式编排及产品与工艺数据的分析等，而这通常要占到整个工程项目30%的工时数。

图2 UniSim平台全生命周期应用

UniSim Design Suite主要软件包包括：

NeoteNeotec的PIPESYS 用于管道中单相和多相流的综合模拟，同时Neotec的黑油选项（Black Oil ），还可以用于计算那种很难确定组分的石油流体的相态行为。包括严格单相流或多相流模拟；压力正推或反算；模拟各种管路设备的影响，包括压缩机、泵、换热器、冷凝器、调节阀、弯管等；进行一些特殊分析，如Slug流预测、管路腐蚀速度预测、严重Slug流态检查；模拟单管或管网；灵敏度分析。

Schlumberger的AMSIM 斯伦贝谢公司的胺包被集成到UniSim平台用于胺处理模块模拟和优化气相和液相胺处理过程，包括单相、混合相或活性胺。严格模拟氢化硫和二氧化碳的吸收，和在各种工业溶剂中的反应。一个高级的热力学电解模型得到的结果比经验模型的结果更可靠，尤其是混合胺的处理。

Scandpower的OLGAS 两相和三相流选项，可用于管道中多相流特性的计算，另外，还可以通过已有接口，与Scandpower的OLGA2000连接，管中多相流的瞬态模拟，以及井上管线和管网模拟。

InfoChem的多相闪蒸（MultiFlash）用于复杂混合物的相行为计算。

OLI的电解质包（Electrolyte Package）利用OLI公司的专业的电解质组分和OLI引擎，UniSim平台可以严格模拟电解质系统。包括以下功能：

•OLI模型预测和考虑溶液中所有的组分、离子；

•基于Helgeson状态方程，OLI模型可在最广的水溶液条件下提供精确的平衡常数和状态性质；•结合Bromley、Zemaitis、Meissner、Pitzer，及OLI特有技术，该模型的活度系数方法可准确模拟强电解系统；

•提供包括79个无机元素及其组分，和超过3000种有机组分的综合电解质数据库；