化工仿真软件发展的技术趋向(2)

3． 新一代仿真模拟软件发展和集成的方向

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。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。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4所示。

3.2 采用更加严格的化工过程的机理模型

由于DCS的出现，对于化工过程的操作工培训（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年代后期，四川泸天化和濮阳化肥厂引进的合成氨和尿素的培训器用的都是VAX小型机，由于OTS必须确保计算实时，所以数学模型大大的简化。但是近二十年来，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VAX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。

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；

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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) 转向动态模拟后比单纯的OTS公司具有技术上的优势：将原有的稳态模拟中完整的物性库和的严格的数学模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Unisim都采用了多层流程结构, 如图5所示。建立物性集后， 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

图 5 多层流程结构SubflowsheetASubflowsheet(Column) BSubflowsheetCSubflowsheetDSubflowsheetESubflowsheetFMain Flowsheet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

软件集成设计考虑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。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。

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3.5 动态模拟和稳态模拟的结合

稳态模拟和动态模拟的结合是新一代化工模拟软件发展和集成的方向。如图6，动态和稳态的流程模拟采用模块算法[11] [12]。 过程模块表示一个算法：

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；2.加上设备尺寸；3.加上控制模块]

稳态模拟，提供 t=t0 的初始态模块v,x图 6 模块的计算

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。

动态模拟图 7 稳态模拟和动态模拟的转换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, 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

[13]

。

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 (Δp))，但流量和压力是通过整个PF Solver的解法得到，如图8所示。

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单元模型P- F SolverInitial First SecondLastHeat Balance Material BalnceMomentumBalanceP, FP-V Solver图8 P-F Solver图 9 模块和 P-F Solver 的顺序 动态模拟平台计算顺序由如图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结构化分析方法和面向对象方法。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

动态模拟图8 模块的计算有很大不同,但它们都具有相同的功

图 10 UniSim Design Unitop Cape-Open Socket 1.0能。在概念上,一个模拟器可以看作有个不同的组件组成

[14][15]

单元操作库(unit operation),

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。

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。

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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。

ASPEN 、Invensys、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，过程模拟器成了一个完全开放的系统。更加开放的环境如图11 所示：利用Cape-Open 的软件接口可以方便的连接G2,ASPEN和UniSim Design等软件。

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。流程模拟软件采用更加开放式的结构和提供化工产品整个生命周期服务：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。

参考文献

1 许正宇,化工过程的模拟培训器，化工进展. 1996, 3：56-60

2 许正宇,我国仿真培训器的发展历史和展望， 化工进展, 2001,3：81-86

3. 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): .407-410 4 石宇,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):.1484-1488

5 李秀喜,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,计算机与应用化学,2004,.21,(.1):115-118 6. Michael Mansy; Gregory K. McMillian ,Virtual Plant-Dynamic Process Simulation for Control Systems Design and

Operator Training, Conference on ISA 2001 Technology Update, Sep 10-13, 2001, Houston, Texas USA, .277-285 7 程兆年，汤锋潮, 模式识别法在化工调优中的应用，化工学报，1990 , .41 (5) ：568-574

8 田双成, 许正宇，耿国其等. iGES-一个人工智能图形工程系统， 现代化工，1999, 019(006) ：21-23 9 Honeywell, UniSim Design User Guides，2006 10 . Aspen Hysys User’s Guide，2007

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11 彭秉璞, 化工系统分析与模拟 ,化学工业出版社, 1990 12 杨友麒, 项曙光, 化工过程模拟与优化, 化学工业出版社, 2006

13 谢茂清，任挺进，朱文等；热工流体网络自动建模算法，清华大学学报，1977，37（6）：17-20

14 张德志，李忠杰,等, 基于Cape-Open 标准的物性数据库的探讨,计算机与应用化学，2007,24（10）：1376-1379 15 程华农,钱宇，等, 化工过程系统集成建模的面向智能体方法, 化工学报, 2003, 54(1): 128-130

作者简介: 许正宇（1945-）。男，1981年清华大学系统工程研究生毕业，教授，曾任化工信息中心和ABB Simcon合资公司的中方经理和总工程师,长期从事化工过程的模拟研究。xuzhengyuu@gmail.com

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