Dynsim介绍

Dynsim™ 介绍及其在过程动态分析中的应用
Dynsim是一个功能全面的、基于严格计算的、成熟的动态过程模拟系统，运用基于机理的技术和严格的热力学数据，提供准确可靠的计算结果，用于解决从工程分析、控制系统校核到操作员培训系统等工作中遇到的最棘手的动态模拟问题。

Dynsim是PRO/II的动态版本，基于新一代用户环境－SIM4ME构建。

Dynsim以模型数据的集成作为主要概念而设计，全面促进您的工程工作流，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等，以减少投资、提高产率、增强决策管理。

Dynsim的效益：
减少满足动态需求的设备成本
能在最小危险的条件下进行高级控制策略的验证和修改
评价工厂的开停车工序
防止生产中断
提高工厂操作效率
通过对火炬和泄压系统的评价提高工厂操作安全性
Dynsim在过程动态分析中的应用：
（1）稳态设计的校核
传统的工程设计中人们往往都只是用PRO/II等稳态模拟软件，但很多设计的决策需要知道工艺过程的瞬态响应和耦合关系。

通过应用Dynsim校核稳态模拟的结果，
人们能有信心确保工厂在实际操作过程中不会发生意外。

通过Dynsim最新设计的公用数据模块的方式，PRO/II的稳态模型能自动转换为
Dynsim的动态模型，这将节省设计人员大量的时间和精力。

【案例】PRO/II到Dynsim的转换
（2）控制策略分析
尽管很多控制策略都是通过经验开发的，但如今的工厂装置的集成度已经越来越高，要求产品质量、产量的不断提高以及环保等因素使装置的操作越来越复杂和难易控
制，因而传统的经验方法已经逐渐不能满足这样的需要。

应用Dynsim能帮助控制
工程师快速开发、评估、测试和调整控制策略，既可用于新建装置，也可针对现有
装置。

而且应用Dynsim建立模型也是说服工厂技术人员和操作人员接受控制方案
的关键技术。

下列是Dynsim在控制方面的典型应用：
分馏和精馏控制 Dynsim能应用于精馏和分馏系统复杂控制系统的研究。

Dynsim计算的动态气液相剖面能用于帮助确认塔盘尺寸设计。

对于产品规定特别严格或进料经常变化的情况，Dynsim尤其有用。

【案例】脱乙烷塔动态模型
脱乙烷塔动态模型可以帮助用户更深入地了解塔的操作以及影响产品分离精度的因
素。

用户可以考察一些干扰（如进料量、进料组成、进料温度和压力、下游压力等
变化）发生时对塔操作的影响。

图2显示的是当进料量发生变化时对操作的影响。

图1：脱乙烷塔动态模型
S9.W：回流量S6.W：塔顶产品流量S13.W：塔釜蒸汽流S17.W：塔釜产品产量S1.W：进料量
图2：脱乙烷塔进料量减少时的动态响应
压缩机防喘控制 Dynsim能用于对大型离心式压缩机的防喘控制系统进行测
试和校核，防止发生喘振，尤其是在启动和停机状态下。

Dynsim能模拟工业压缩机
在启动工况下的动态行为，用以确定阀位和最大出口压力。

【案例】压缩机防喘控制
本案例的目的是研究压缩机在突然停机时其防喘系统能否正确工作以避免发生喘振。

图3是动态模型，图4显示当压缩机由于马达断电而停机时的压头的变化轨迹图，该图表明在此过程中没有发生喘振。

图3－压缩机防喘控制
图4－压缩机停机时的压头变化曲线
蒸汽发电和分布工业蒸汽系统如联合发电、炼厂蒸汽系统、整体气化联合循环装置IGCC等通常都是大型化的、高度集成的并有多个压力等级蒸汽分布管网，而这些蒸汽又往往都是通过加热锅炉、热回收蒸汽发生器和废热锅炉等产生的。

由
于这些系统的稳定和可靠对维持正常的工厂操作极为关键，使得这些装置的操作约束非常严格。

对它们进行完整的分析除了稳态模拟外，还需要对诸如蒸汽发生器的产量、响应时间、控制系统、蒸汽系统管网水力学、泄压阀水力学的动态行为等进行详细分析。

Dynsim能用于对炼厂蒸汽系统、废能发电、整体气化联合循环系统（IGCC）等过程及其控制系统进行分析和评估。

蒸汽系统的可靠性对炼厂非常重要，因为蒸汽的中断将造成停车从而带来巨大的经济损失。

对于最新兴起的IGCC技术，Dynsim能用于校核控制系统、控制阀的尺寸和响应时间并提供初始控制参数等，Dynsim能用于研究但一个轮机或汽包停机时，备用系统如辅助燃烧等能产生蒸汽从而快速恢复蒸汽供应量。

【案例】炼厂蒸汽系统动态模型
该炼厂蒸汽系统包括两台燃气透平、两台热回收蒸汽发生器和三个级别的蒸汽分布系统。

模拟的目标是研究当一个燃气透平停机时控制系统是否能维持炼厂高、中、低压蒸汽总管的压力。

图5－燃气透平和热回收蒸汽发生器动态模型
图6－炼厂三个级别的蒸汽系统
图7－高压蒸汽总管压力（蓝色）和补燃系统响应（绿色）的动态变化图（3）瞬态条件下的设备设计
一般情况下，人们往往通过PRO/II的计算来确定设备的设计参数如设计温度、电机功率、金属材质选择等，但如果站在动态分析的角度来看，这些设计通常都有严重
的过度设计问题。

Dynsim能用于对这些参数进行更为准确的计算，能大幅度节省设
备投资。

下面列出几个应用案例如：
压缩机启动对高速电机的压缩机，并非在所有工况下启动功率都是足够的。

如：压缩机输出压力需降到一定值时其热重启才是可能的，这将延迟压缩机的重新启动以便泄放下游设备压力，从而增加的火炬管网泄放量，如果电机启动失败还需要额外的电机冷却时间。

Dynsim将帮助工程师分析并选择合适的电机功率而又避免过度设计。

【案例】大型工业压缩机在排放压力很低时的启动都不会有任何问题。

但当压缩机在正常操作时停机从而必须在较高排放压力的情况下重新启动，其所需的功率和扭距都可能超出电机的设计极限。

电机可能无法达到最高的转速并由于过高的绕组温度而重新停机，此时必须等到电机完全冷却才能再尝试启动，从而又将造成额外损失。

Dynsim能用于评估压缩机的启动过程包括热启动过程。

图8显示一个两级压缩机组的动态模型，包括分离罐、吸入段、中间级、出口管线和中间冷却器以及后冷却器。

图9显示，电机在最初的17秒速度增加很快（蓝色），但由于循环阀是打开的，压缩机出口压力并没有明显提高（粉红色）。

当电机达到最高速度后，其功率和扭距迅速下降（红色和绿色）。

图10表示的是压缩机的热启动过程，电机断电后，其转速在45秒内降到约100RPM（蓝色），压缩机出口压力约200PSIA（粉红色）。

在如此高的排放压力下，压缩机不能重新启动，电机最高也仅能达到500RPM的转速，而且会造成绕组过热，应开启泄压阀进行泄放。

图8－两级压缩机动态模型
图9－压缩机在停机工况下的启动
图10－压缩机热启动时的动态变化图
加氢装置泄压在高压加氢裂化或其它加氢装置中，用于进料和反应产物的换热器设计中必须考虑反应器泄压以确定其设计温度。

在泄压过程中原料被切断，而没有介质用于反应产物的冷却。

PRO/II稳态模拟的方法是假设换热器温度将立即升高到和反应产物出口温度相同，从而整个换热器序列都依此而设计。

而如果用Dynsim
进行分析，则可以考虑管线和换热器管子的热容，从而准确计算换热器的管壁温度，避免过度设计。

【案例】加氢裂化装置泄压工况动态模型
动态模型如图11所示，包括反应器、反应产物换热器E1～E5、热高压分离罐、冷高压分离罐等，还包括空冷器前的注水流程以及进料阀XV1、到循环压缩机的阀门XV2、泄压阀XV3等。

根据实际情况对装置做一定程度的并且是保守的假设：反应器不作严格模拟而用罐（Drum）描述，通过一个PID控制器调整气液相的比例以正确模拟泄压前反应器的存液量；用Pipe模型（带管侧金属热容值和重量）模拟换热器的管侧部分，壳侧部分用一股加载在Pipe上的热物流来描述。

在泄压工况下，没有进料的冷却，此时每个热物流的热负荷设为零，流体和金属管间的传热系数来自稳态计算的结果。

造成泄压的典型事故工况包括反应器温度过高、部分（全部）断电或设备故障等。

反应器进料泵和循环压缩机将会停机并开始泄压，一般泄压时间将持续15分钟左右。

在没有进料冷却的情况下，反应产物换热器温度将升高。

另一个没有如此严重的工况是进料的中断且没有泄压，如果进料泵停机，则由于循环气还在继续供给，反应器存液将会耗尽。

由于有泄压发生，前一个工况的反应产物流量将比进料中断工况可能要高。

但在泄放工况下换热器将能承受更高的温度，原因是换热器的机械应力将随压力的降低而下降。

通过Dynsim的情景分析（Scenario），我们可以模拟泄压事故工况，即同时地，进料阀、循环压缩机阀关闭，泄压阀打开，反应产物空冷器的电机停止，换热器E1～E4的热负荷设为零。

计算的反应器压力和所有换热器管侧壁温的动态如图12所示。

反应器压力在15分钟左右从2000PSIA降到400PSIA（蓝色）。

其它的线分别表示E1～E4管壁温度的动态变化曲线。

根据ASME规则，容器和管线的设计是基于平均金属温度而不是与之接触的物料温度。

相比传统的方法，Dynsim由于考虑了管束金属热容和反应器的实际存液量，从而降低了换热器的设计温度。

图11－加氢裂化装置泄压工况动态模型
图12－反应器压力和反应产物换热器管壁温度的动态图
低温泄放在气体加工和LNG等工业装置的泄放系统中，泄放容器和管线通常会冷到非常低的温度。

根据ASME规定，容器和管线的设计应基于金属平均温度而不是物流温度。

极高或极低的物流温度将迫使人们选择昂贵的管材。

Dynsim能帮助工程师准确计算管线不同部分随时间变化的金属平均温度剖面。

在很多情况下，平均金属温度都比流体温度高很多，从而避免使用昂贵的金属管材。

【案例】低温泄放
本案例中，两个容器通过一系列管线进行泄压，由于泄放物料温度非常低（低于-50 C），人们会关心管线的平均温度是否会低于-29 C从而使得普通碳钢不适合做管材。

图13是该例的动态模型，包括两个泄放容器V1和V2，通过安全阀XV2泄放，接着是一段长625m、管径12寸（Schedule40）的泄放管线。

在Dynsim模拟中等熵膨胀效率为1.0，这将使得容器泄放过程沿着等熵的路径进行，从而计算的温度将比其它软件沿等焓路径计算的温度要低。

Dynsim和PROII泄压模型计算结果一致，但Dynsim还能计算多个设备同时泄压。

图14显示容器压力在20分钟左右从6500KPa降到1000KPa（红色和绿色）最大泄放量约为120,000Kg/hr（蓝色）。

图15显示泄放物料温度开始急速降低到-50C以下（红色），但很快又由于泄放背压的形成而反弹升高。

管线的温度随之降低，离安全阀最近的管段温度首先下降（蓝色）。

可以看出第一个管段的温度降到了-29C 以下从而可能需要不锈钢管材，而后续的管段温度在整个泄放过程中都保持在-29C以上，使用碳钢管材即可，因此可
以节省大量的投资费用。

图13－容器泄压动态模型
图14－泄放容器压力和泄放量的动态图
图15－泄放物料温度和管线管壁温度
（4）紧急泄放系统的设计和分析
紧急泄放系统对于工厂的安全十分关键，正确的设计对保障操作人员安全和保护设
备的投资十分重要。

Dynsim能用于对这些系统的性能进行详细的评估、测试和量化计算。

下面列举其中一些应用：
塔的泄放量计算常规的方法对塔泄放量的计算十分保守因而通常造成泄放管网
的过度设计，而且有时火炬系统的设计也会由于受火炬辐射或政府管理的约束。

Dynsim能提供更为准确的计算结果，例如：相比常规方法，对于一个沸点范围较宽的分馏塔，Dynsim通过准确计算轻组分的存量和热负荷等使计算的泄放量减少50
％。

【案例】常压塔事故工况泄压分析
某工厂对常压塔进行改造，由于改造设计设备变化，因而需要对塔的设计条件进行
重新核算并且实施了高可靠性的紧急停车系统（ESD）。

厂方要求对现有火炬系统进行核算，验证其能否满足改造后的需求。

利用Dynsim对该常压塔在非正常操作
工况下的塔压和泄放量进行严格计算。

图一是该常压塔的示意图。

除了对图示所有
的设备进行建模外，还包括了常规控制和ESD逻辑控制。

总共分析了5种事故工况，如：全部断电、回流泵停机、石脑油冷凝器风扇故障、进料泵故障、提供塔顶燃料
气以控制压力的阀门不能开启等。

以全部装置断电的工况为例，图17 表示了该工况下的主要参数的动态变化。

所有
的进料、产品、回流和中段循环的泵全部同时停机。

蒸汽供应受ESD系统控制，在持续两秒钟后ESD系统关闭了流向主塔和侧提塔的蒸汽，但加热炉的蒸汽供应照
常。

由于进料中断和加热炉的热惯性，加热炉出口温度急剧升高，而后在15分钟内又逐渐下降至蒸汽的温度（如图17暗红色）。

由于停电进入预闪蒸塔和加热炉的原
料被切断，塔顶回流冷凝器、中段回流和石脑油冷凝器的冷量中断，使得塔的热量不能被及时移除。

回流换热器的出口温度急剧升高并逐渐解决蒸汽的温度（图17绿色）。

整个塔的压力稳步升高约2分钟直到第一组安全阀PSV1/2开启，这一组安全阀仅是简单开启，在10秒钟内泄放2Kg气体后压力降至其设定压力后关闭，随后在1分半钟后压力再次升高到设定压力，导致其开启。

如此反复约40分钟，直到比较轻的基本泄放完毕后结束（图17蓝色和红色）。

此后由于足够的物料排放到了火炬系统而且设备也已经逐渐冷却，从而使塔压始终低于安全阀的设定压力。

由于塔压始终没有超过PSV3/4的设定压力，这组安全阀没有打开。

整个过程中塔压没有超过16％的允许过压值。

泄放量的峰值和安全阀PSV1/2的大小有关。

图16－常压塔示意图
图17－全部断电工况下的动态响应
火炬管网系统Dynsim能帮助计算火炬泄放管网系统的水力学，动态计算火炬管网背压的变化，并能监测管线流体是否达到临界流。

【案例】火炬泄放管网
对一个气体加工厂的火炬系统进行动态模拟分析，观察安全阀的动态行为。

动态模型如图18所示。

模型包括三个泄放源（vessel）和三个安全阀以及相关的管线组成的泄放管网，一直到火炬点为止。

为简单起见三个安全阀全部用爆破片，即安全阀打开后不能自行关闭。

图19和20分别表示泄放源的压力和安全阀的背压在泄放前后的动态变化图。

当泄放源V1的压力升高到安全阀的设定压力时安全阀开启，其背压升高，同时其余没有泄放的安全阀背压同时升高。

图21表示泄放量的动态变化图。

图18－火炬泄放管网动态模型
图19－泄放容器压力的动态
图20－安全阀背压的动态
图21－泄放量的动态
（5）危险和安全研究
Dynsim的一个最大的应用领域是危险和安全的“what-If”分析。

应用Dynsim动态模型，工程师能对诸如“如果关闭反应物的冷却水将会怎样？”、“如果该阀门打不开了将会怎样？”等问题进行分析，并能给出量化的答案，如过程如何响应、对事故进行处理的时间能有多少、该如何应对等，以及如何防止事故的发生等。

Dynsim的特点：
Dynsim是一个完美的动态模拟工具。

严格的、基于机理的设备模型确保了其准确性
Dynsim基于机理的模型，包括严格的热力学和流体力学模型，使动态过程模拟计算具有超群的鲁棒性和准确性。

Dynsim运用鲁棒的解决算法和快速的初始化功能，能严格处理即使是最复杂的工厂布局和系统。

可扩展性将节省了您在Dynsim上的投资
Dynsim的独特功能使用户能无缝地从工程设计阶段的应用扩展到如DCS系统校核、操作员培训系统（OTS）等不同阶段，而且所有的应用都在一个相同的平台上！Dynsim 的模块化结构和开放的标准确保Dynsim在整个生命周期中都能满足您的需求。

与控制系统和稳态模拟器的连接
Dynsim充分利用现代开放软件标准，实现与其它主要应用程序的接口，如稳态模拟器和控制系统模拟器等。

能保持已有PRO/II模型的统一性，还能轻松实现与控制系统模拟器（如FSIM Plus）的连接，以驱动基于严格模拟的操作员培训系统。

Dynsim的CORBA层能轻松实现与其它CORBA兼容应用程序的交互通信。

Dynsim是一个一流的动态模拟环境，模型和热力学模块基于严格的机理，应用范围广泛，可以是单个设计的研究，甚至可以是到高保真度的、分布在多个机器和平台上的操作员培训系统解决方案。

（1）模型库
Dynsim拥有完整的模型库、传递函数库和工具库。

除了常见的工艺流程单元如精馏塔、换热器和压缩机等外，模拟器还可以建立电力和机械单元模型如断路器和马达等。

其特点如下：
a) 可压缩和不可压缩网络的压力驱动流
b) 多个组分/热力学方法组
c) 增强的本地热力学性质模型
d) 换热器的区域分析和金属热容分析
e) 允许逆向流动
f) 蒸馏塔塔板漏液
g) 机械轴的转动惯量
h) 容器和总管等熵泄压
i) 容器管嘴高程
j) 管线临界速率
k) 阀的临界流
l) 反应动力学
（2）压力流程解算器
Dynsim有一个鲁棒的压力驱动流动算法，适用于可压缩和不可压缩系统。

换句话说，该模拟器可以基于对压力和流动速率的严格解算，模拟逆向流。

（3）控制库
相比而言，Dynsim有很多控制模块和几乎所有的控制逻辑都能在Dynsim中描述，并且可以用Dynsim对这些逻辑进行优化。

Dynsim带有自己的通用控制块的库，工程师可以将其用于创建复杂的控制方案。

控制库中的模块可用于两个目的。

既可以联合起来提供传递函数，或集成到一个模型中提供一个功能控制系统。

a) PID控制器
b) 防喘控制器
c) 主均衡器
d) 双输入开关
e) 多输入选择n – 提供任意数量点的最高、最低、中间或平均值
f) 速率限制
g) Lead
Lag控制
h) 自定义逻辑
i) 脉冲定位器
j) Latch控制
k) 逻辑和
l) 逻辑或
m) 函数生成器
n) 计算器
o) 加和
p) 计时器
（4）可在运行中配置
在Dynsim的用户环境中，如果您要对模型的参数或结构进行改变时，无需停止和重新启动引擎。

在模拟模型正在运行过程中，您也可以添加新的单元操作和物流。

这些更改要直到上载和保存时才生效。

这是Dynsim的特色之一，在模型创建或需要经常更改的情况下十分有用
（5）方程编辑器
Dynsim允许用户将一个自己的方程添加到几乎所有的模型参数中。

如换热器单元对传热系数有一个放大系数，该系数可以连接到一个方程中，可以根据容器液面高度而调整传热系数。

在解算引擎中，Dynsim有先进的数学算法，即众所熟知的基于点的筛选法（Point-based-sorting），不像传统的序惯法求解引擎，用户无需担心要考虑解算次序而使其收敛。

用户添加方程可成为整个模拟方程组的一个完全整合的部分，这对同时求解计算引擎是一个非常重要的特点。

（6）用户添加模型
用户可以用C++开发自己的模型。

用户添加程序作为一个独立的DLL和Dynsim连接，它可以只通过一个简单的调令而进行闪蒸计算，其中可定义闪蒸类型如：温度－压力、压力－焓、焓－密度或内能－密度等。

（7）快照（Snap Shot）
快照功能使用户可以返回到当前模拟的早期时间点，复位到那时记录的所有数据和状态并重新开始模拟计算。

有两种类型：backtracks和初始条件IC，其主要区别在于Backtrack在用户定义的时间间隔点自动拍照，而IC则只是在用户做出动作时才
拍照。

（8）故障干扰（Malfunction）
故障干扰是一个不希望发生的、非正常的事件。

如阀门不按照给定命令动作等。

故障干扰的引入是培训的最重要的内容，它能测试一个学员对工厂发生问题的分析和正确反应的能力。

在Dynsim中，您可以创建任意数量的故障干扰，可以有选择性地保存下列以便重新调用。

每个故障干扰直接影响一个模型对象（如泵、阀门、开关等等），用户选择了某个对象进行故障干扰，Dynsim则能显示一个自定义的窗口，反映与该对象类型相关的故障特征。

（9）情景（Scenarios）
该功能使用户能自动记录或手动编写一系列在模拟过程中发生的事件。

用户能使程序连续运行多个工程研究的工况，Dynsim将对每个不同的工况分别存储结果，并在每个工况开始时重新装载初始条件。

用户能修改模型的参数如阀位、PID设定点或电机的启停状态等。

（10）支持关键词导入导出
除了可以存储模拟文件以外，用户还能以XML文件或关键词Text文件的格式保存文件。

这些文件还能再次重新装载或导入Dynsim中创建最初的模型。