UniSim Design化工流程模拟软件集成的技术趋势

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：
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

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：xuzhengyuu@
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: TQ015.9
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
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表一 国内某个乙烯装置使用的软件
过 程 模 拟 DCS 设备
PFD 设计 控制过程动
项目
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
Honeywell
软件/设备 TDC3000
ASPEN
Hyprotech
Aspen Plus HYSYS
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
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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。
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。
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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。
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， 保证生产装置长期、稳定地运行[1]。
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 Design
UniSim Solution 核心套件是 UniSim设计套件，是程 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：
Honeywell RMPCT
Simcon/HKD SimconX
ABB Lummus 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。
1．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。
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。
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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。
2．UniSim Solution
Honeywell 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。