50. Структура и состав универсальных моделирующих систем процессов химической технологии.

51. Последовательность операций при моделировании хтп в умп.

52. Типовые задачи, решаемые умп хтп.

Обзор универсальных моделирующих программ

В последние годы в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей промышленности внедряются универсальные моделирующие программы (УМП), которые находят применение на всех стадиях жизненного цикла производства, включая решение задач исследования и оптимального управления стационарными режимами. По экспертным оценкам экономия материальных и энергетических ресурсов от применения УМП в управлении производством достигает 1,5-3%. Данная экономия достигается за счет оптимального управления технологическим процессом по единому технико-экономическому критерию, рассчитываемому с применением УМП. При управлении с применением УМП учитывается как внутреннее взаимодействие отдельных технологических процессов производства, так и внешняя конъюнктура рынка.

Из всего множества предлагаемых на рынке программных средств моделирования ХТП и ХТС лидирующие места занимают следующие УМП: ASPEN PLUS, HYSYS (фирма AspenTechnology, Inc., USA, www.aspentech.ru), CHEMCAD (фирма Chemstations Inc., USA, Texas, www.chemstation.net), PRO/II (фирма Simulation Sciences, Inc., USA, www.simsci.com), WinSim (фирма WinSim, Inc., www.winsim.com), PROSIM (фирма Bryan Research & Engineering, Inc., www.bre.com), GIBBS (ООО "Топэнергобизнес" http://www.technoil.ru/index.php).

Универсальные моделирующие программы имеют высокую точность описания параметров технологических процессов, позволяют производить исследования процессов без значительных материальных и временных затрат. Они позволяют учесть влияние внешних факторов (изменение состава сырья, изменение требований к конечным и промежуточным продуктам и т.д.) на показатели действующих производств.

В основу всех систем моделирования заложены общие принципы расчетов материально-тепловых балансов химических производств. Как правило, любое производство состоит из стадий (элементов), на каждой из которых производится определенное воздействие на материальные потоки и превращение энергии. Последовательность стадий обычно описывается с помощью технологической схемы, каждый элемент которой соответствует определенному технологическому процессу (или группе совместно протекающих процессов). Соединения между элементами технологической схемы соответствуют материальным и энергетическим потокам, протекающим в системе. В целом моделирование технологической схемы основано на применении общих принципов термодинамики к отдельным элементам схемы и к системе в целом.

Любая система моделирования включает рассмотренный ниже набор основных подсистем, обеспечивающих решение задачи моделирования химико-технологических процессов.

Банк термодинамических данных по чистым компонентам

Эти данные необходимы для расчета термодинамических свойств, таких как коэффициента фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивности паров. Они включают: критические параметры и фактор ацентричности; молекулярную массу; плотность в коэффициенты для расчета идеально-газовой теплоемкости или идеально-газовой энтальпии, энергии Гиббса, теплоты образования и сгорания; температуру кипения при атмосферном давлении; константы теплоты образования и сгорания, вязкости, поверхностного натяжения, и т.п.

Большинство моделирующих программ имеют средства пополнения стандартного банка данных сведениями о новых веществах. Лидирующие программы включают в себя интерфейсы с банками данных веществ, разработанными зарекомендовавшими себя исследовательскими организациями. Это банки данных DETHERM, TSWEET, банк коэффициентов бинарного взаимодействия DECHEMA, банк DIPPR с информацией о более чем 1800 чистых компонентов, интерактивная библиотека TRDC и аналогичные им.

Средства представления свойств веществ по данным лабораторного анализа

Указанные средства необходимы, чтобы, например, на основе данных лабораторных исследований свойств нефтей, газоконденсатов и нефтепродуктов получить необходимые данные для адекватного представления этих смесей в моделирующей системе. Потоки углеводородов могут быть определены с помощью лабораторных данных разгонки. Обычно эти данные состоят из собственно данных разгонки (ИТК, ASTM D86, ASTM D1160 или ASTM D2887), данных по удельному весу (средний удельный вес и, возможно, кривая удельного веса) и, может быть, данных по молекулярному весу, содержанию легких компонентов, а также данных по специальным товарным свойствам, таким как температура застывания и содержание серы. Эта информация используется для генерации набора дискретных псевдокомпонентов, которые потом применяются для представления состава каждого потока, характеризуемого кривой разгонки.

Банк моделей расчета свойств электролитов

Для расчета свойств электролитов различные программы предлагают базы данных свойств органических и неорганических электролитов, лио возможность подключения внешних банков данных для расчета свойств электролитов.

УМП ASPEN PLUS и HYSYS имеют возможность подключения Microsoft EXCEL с целью графического анализа полученных зависимостей для представления свойств смесей по данным лабораторного анализа. Встроен пакет ASPEN OLI для расчета свойств 3000 электролитов.

В УМП PRO/II модуль ELECTROLYTES осуществляет интеграцию с пакетом расчета термодинамики электролитов фирмы OLI SYSTEMS, Inc. Пакет ELECTROLYTES UTILITY PACKAGE, являющийся частью этого модуля, расширяет возможности, позволяя пользователю генерировать собственные термодинамические модели электролитов, создавать собственные банки данных и работать с ними.

Моделирующая программа CHEMCAD имеет встроенную экспертную систему для задания свойств системы электролитов. Включает банк параметров бинарного и тренарного взаимодействия. Имеется возможность занесения пользователем информации о новых веществах.

УМП PROSIM включает 3 модели расчета свойств электролитов.

Методы расчета термодинамических свойств

Моделирующие программы включают различные методы расчета термодинамических свойств таких как коэффициенты фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивности паров. В число этих методов входят:

обобщенные корреляции, такие как метод расчета коэффициентов фазового равновесия Чао-Сидера и метод расчета плотности жидкости API,

уравнения состояния для расчета коэффициента фазового равновесия, энтальпий, энтропий и плотностей, такие как методы Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong, Grayson-Streed, Maxwell-Bonnell, Regular Solution, Benedict-Webb-Rubin-Sterling и их модификации;

методы расчета коэффициентов активности жидкости, такие как метод NRTL (Non-Random Two-Liquid - Неслучайное двужидкостное), UNIFAC, UNIQUAC, Wilson, PSRK, GMAC, van Laar, Margules и их модификации;

методы расчета фугитивности паров, такие как метод Хайдена-О’Коннела для димеризующихся веществ,

специальные методы расчета свойств специфических систем компонентов, таких как спирты, амины, гликоли и системы кислой воды.

Большинство из этих методов подробно описаны в монографии [251]. Наиболее часто для моделирования процессов обработки природного газа и нефти используются уравнения состояния Пенга-Робинсона [253] и Соава-Редлиха-Квонга [254] и их модификации. Вопросы применения этих уравнений состояния при моделировании термодинамических свойств газоконденсатных флюидов подробно описаны в монографии [252]. Эти методы позволяют решить большую часть технологических проблем, возникающих при моделировании задач газопереработки.

Для облегчения выбора подходящей модели расчета термодинамических свойств в моделирующие программы ASPEN PLUS и HYSYS, WINSIM, CHEMCAD, PRO II, PROSIM включены экспертные системы, которые на основе имеющейся у пользователя информации о моделируемом процессе предлагают подходящую модель расчета термодинамических свойств веществ.

В моделирующие программы ASPEN PLUS и HYSYS встроен пакет Aspen Properties расчета фазового равновесия и свойств многофазных сред, включающий обширную базу данных свойств веществ и параметров бинарного взаимодействия. Пакет COMTHERMO имеет дополнительные средства расчета термодинамических свойств веществ, включает банк термодинамических данных из NIST THERMODYNAMICS RESEARCH CENTER (данные по парожидкостному равновесию бинарных смесей – более 14000 наборов, теплоты смешения бинарных и тренарных смесей – более 2500 данных, равновесие для бинарных смесей несмешивающихся жидкостей – более 8000 данных).

УМП CHEMCAD включает 37 моделей расчета констант парожидкостного равновесия, 15 моделей расчета энтальпии, модели транспортных свойств. В программу включены специальные методы для расчета свойств аминов, гликолевой дегидратации, кислых растворов, полимеров, методы Флори-Хаггинса, PPAQ.

Программа моделирования PRO/II предлагает 50 моделей расчета термодинамических свойств, модели расчета энтальпии, транспортных свойств веществ.

В УМП WINSIM включено 14 моделей расчета парожидкостного равновесия по имеющимся параметрам бинарного взаимодействия. Более 20 моделей расчета энтальпии, 8 моделей расчета вязкости, 16 моделей расчета плотности, модели расчета коэффициентов теплопроводности, поверхностного натяжения, расчета свойств аминов.

Моделирующая программа GIBBS располагает методами расчета термодинамического состояния, включая равновесие фаз, при заданных постоянных значениях температуры и давления, доли жидкости и давления, энтальпии и давления, энтропии и давления, температуры и энтальпии, температуры и энтропии. Для получения основных теплофизических характеристик углеводородных смесей используются кубические уравнения состояния: Пенга-Робинсона; Редлиха-Квонга в модификации Соава и Грабоски-Дауберта; Пенга-Робинсона в модификации Стрижека-Веры. Кроме того, используется специальное уравнение COSTALD для расчета плотностей насыщенных и сжатых жидкостей, разработанное Ханкинсоном и Томсоном, с одной стороны, и специальный метод расчета свойств углеводородных фракций, разработанный А.И. Брусиловским, позволяющий повысить точность расчета плотности жидкой углеводородной фазы. Для водонефтяных эмульсий (если жидкая фаза представляет собой поток несмешивающихся водной и углеводородной фазы) вязкость и плотность смеси рассчитывается по специальным правилам смешения.

В УМП PROSIM включены наиболее известные модели расчета термодинамических характеристик, порядка 20.

Набор моделей для расчета отдельных элементов технологических схем

От состава средств моделирования отдельных процессов значительно зависят функциональные возможности всей моделирующей системы. Как правило, все моделирующие системы включают средства для моделирования следующего набора процессов:

сепарация газа и жидкости (2-х несмешивающихся жидкостей);

однократное испарение и конденсация;

дросселирование;

адиабатическое сжатие и расширение в компрессорах и детандерах;

теплообмен двух потоков;

теплообмен в многопоточных теплообменниках;

нагрев или охлаждение потока;

разделение в ректификационных колоннах (с возможностью подачи и отбора боковых материальных и тепловых потоков, абсорберы, стрипперы, включая боковые);

разделение в экстракторах жидкость-жидкость;

химическое превращение в реакторах (в том числе стехиометрический, кинетический, с минимизацией энергии Гиббса, равновесный, полного вытеснения и смешения);

с твердой фазой (кристаллизаторы, центрифуги, фильтры, сушилки, дробилки, грохоты и т.д.);

ветвление и смешение потоков;

динамические режимы (регулирующий клапан, ПИД-регулятор, блок временной задержки, временной переключатель, периодический реактор, периодическая ректификация и др.).

Кроме перечисленных, УМП содержат специальные модули, которые при необходимости могут быть включены в расчетную технологическую схему (калькулятор, регистратор потока, ссылка на поток, контроллер).

Модуль PRO/II POLYMERS, позволяет моделировать промышленные процессы с участием полимеров. Он дает возможность описать любой компонент полимера как набор фракций с некоторым средним молекулярным весом, что позволяет провести точное моделирование смешения и разделения полимеров. В программу PRO/II включены как технологические аппараты модули реакторов фирмы KBC (REFSIM, HTRSIM, FCCSIM). Для строгого моделирования процессов очистки кислых газов аминовыми растворами в PRO/II полностью интегрирован пакет AMSIM фирмы DB ROBINSON, доступ в графический интерфейс которого осуществляется непосредственно из среды моделирования PRO/II. Материальные и энергетические балансы из PRO/II могут быть переданы в модуль COLUMN пакета программ SUPERTARGET для анализа энергетической эффективности процесса разделения.

Средства для формирования технологических схем из отдельных элементов

В настоящее время УМП – это системы с визуальным интерфейсом, которые позволяют формировать схемы непосредственно на экране компьютера, выбирая пиктограммы математических моделей аппаратов из списка существующих и соединяя их потоками в порядке, соответствующем технологической схеме. Имеются средства создания собственных пиктограмм и включения их в стандартную библиотеку.

Моделирующая программа WINSIM, предлагая для формирования информации о процессе графический интерфейс, на этапе формирования задач расчета, анализа чувствительности, оптимизации требует описания задачи на встроенном языке команд, либо языках программирования C, FORTRAN.

Средства для расчета, анализа чувствительности и оптимизации стационарного режима технологических схем

Как правило, для расчета технологических схем используется последовательный модульный подход. Последовательность расчета аппаратов определяется автоматически в результате проведения структурного анализа схемы (или может быть задана пользователем). В случае замкнутых схем (схемы с рециклами) или при проектной постановке задачи расчета (когда на некоторые выходные переменные схемы наложены ограничения-равенства) схема приводится к условно-разомкнутому виду. Для решения полученной системы нелинейных уравнений используются метод простой итерации, Вегстейна, доминирующего собственного значения, Бройдена.

Все моделирующие программы использую потоки одинаковой параметричности. Параметры потоков включают температуру, энтальпию потока, давление, соотношение фаз, суммарный расход потока, количества или концентрации компонентов. Количества компонентов могут задаваться в виде объемных или массовых расходов, либо массовых или мольных долей от общего расхода потока.

Моделирующие программы имеют возможности анализа параметрической чувствительности по одному или двум параметрам. Результаты вычислений могут быть представлены как в текстовом, так и в графическом виде.

В настоящее время во все перечисленные моделирующие программы включена возможность поиска оптимальных стационарных режимов технологических систем.

В УМП ASPEN PLUS и HYSYS условная оптимизация решается методом последовательного квадратичного программирования. Для безусловной оптимизации используются кваиньютоновские методы. Реализованы разные подходы при расчете производных в процессе вычисления направления поиска. Для целевой функции представлены средства формирования сложной функциональной зависимости. С целью расширения набора математических методов, используемых для анализа стационарного состояния технологической системы, в УМП ASPEN PLUS и HYSYS реализован интерфейс с пакетом HSL (HARWELL SUBROUTINE LIBRARY) разработанный NUMERICAL ANALYSIS GROUP, RUTHERFORD APPLETON LABORATORY.

Для автоматизации процесса проектирования технологических систем в УМП ASPEN PLUS и HYSYS встроен модуль DISTIL синтеза систем ректификации многокомпонентных систем, в том числе азеотропов.

УМП CHEMCAD при формировании задачи оптимизации в качестве функции цели может использовать параметр либо потока, либо аппарата. При формировании ограничений имеется возможность накладывать ограничения типа равенства константе и простых «ящичных» неравенств на зависимые и независимые переменные. Возможно решение задач размерностью до 10 поисковых переменных.

Для УМП PRO II разработан интерфейс PROVISION с пакетом оптимизации ROMEO, SIMULATION SCIENCES, Inc., в котором заложен метод последовательного квадратичного программирования.

Моделирующая программа WINSIM, предлагая для формирования информации о процессе графический интерфейс, на этапе формирования задач расчета, анализа чувствительности, оптимизации требует описания задачи на встроенном языке команд, либо языках программирования C, FORTRAN. В WINSIM встроена оптимизационная процедура, в которой для расчета стационарного состояния схемы используется метод Вегстейна. При формировании задачи оптимизации на зависимые и независимые переменные технологической системы могут быть наложены ограничения равенства и неравенства, которые могут включать сложные функциональные зависимости.

УМП PROSIM формирование задачи оптимизации проводит внутри своего интерфейса, а для выполнения условной оптимизации использует процедуру оптимизации Microsoft EXCEL, в которой заложены квазиньютоновский метод оптимизации и метод сопряженных градиентов.

Средства моделирования динамических режимов отдельных аппаратов технологических схем

Средства моделирования динамических режимов отдельных аппаратов позволяют собрать и испытать схему регулирования, исследовать пусковые режимы, получить представление о реально работающем процессе и поведении объекта в нештатных ситуациях, о влиянии изменения во времени рабочих параметров на качество продуктов.

Все моделирующие программы имеют в составе библиотеки моделей аппаратов модели расчета динамических режимов ректификационных колонн, реакторов, емкостей.

В моделирующих программах CHEMCAD, ASPEN PLUS, PRO II, PROSIM реализована динамическая оптимизация.

Получение отчета о результатах вычислений

Для представления результатов вычислений моделирующие программы предлагают инструменты представления отчета в текстовом виде. Также реализована возможность графического представления результатов вычислений. Все моделирующие программы представляют дополнительные средства анализа свойств потоков, работы теплообменников, ректификационных колонн.

УМП ASPEN PLUS, HYSYS, CHEMCAD, PROSIM предлагают текстовую и графическую формы представления отчета о проведенных вычислениях.

УМП PRO/II поддерживает встроенный стандарты Microsoft OLE AUTOMATION, который позволяет передавать графические и иные данные в другие приложения WINDOWS.

WINSIM для представления отчета организует передачу данных в Microsoft EXCEL.

УМП GIBBS создает отчеты в формате электронных таблиц Excel.

Открытая программная структура

В настоящее время большинство моделирующих программ имеют открытую структуру, которая позволяет встраивать их в вертикаль управления предприятием на базе предоставляемых разработчиками, либо стандартных интерфейсов. Эта возможность позволяет использовать в процессе моделирования данные, получаемые непосредственно с производства.

В моделирующих системах часто имеются средства для подключения моделей пользователей. При этом большинство моделирующих программ, такие как PROSIM, CHEMCAD, PRO/II, ASPEN PLUS, HYSYS привлекают для этих целей средства COM-интерфейса табличного процессора EXCEL офисного пакета Microsoft Office. Моделирующие программы ASPEN PLUS, HYSYS, WINSIM, PRO II, PROSIM также имеют возможность подключения математических моделей аппаратов пользователя, написанных на языке программирования FORTRAN. WINSIM допускает подключение пользовательских моделей термодинамики, PRO II допускает написание пользовательских моделей на языке программирования C.

Часть моделирующих программ позволяют использовать COM-интерфейсы программ сторонних производителей для организации взаимодействия УМП с внешней сторонней программой по принципу клиент-сервер, где в качестве сервера выступает сторонняя программа, которой УМП передает свою объектную модель. В большинстве случаев такой интерфейс организован с Microsoft EXCEL.

УМП ASPEN PLUS и HYSYS встроены в систему OSE. Технологическая концепция OSE опирается на идею моделирования на всем протяжении жизненного цикла благодаря обеспечению следующих ключевых функций:

Единая среда, где модели ASPENTECH можно соединять с моделями сторонних поставщиков и собственными моделями пользователя. Для построения моделей можно использовать продукты ASPENTECH, приложения сторонних поставщиков (включая Microsoft EXCEL) или язык ASPEN CUSTOM MODELER (ACM).

ASPEN SIMULATION INTERFACE (ASI) – стандартный интерфейс интеграции средств моделирования.

OPERATIONS DOMAIN MODEL – компонент, обеспечивающий подключение моделей. Унифицирует модель данных для корпоративных операций, позволяя различным приложениям совместно использовать общую информацию и модели.

Поддержка CAPE-OPEN и других отраслевых стандартов интерфейса.

В среде OSE модели могут запускаться на распределенных компьютерах в сети.

Использование инструментов моделирования как интегрированного элемента экономической оценки и финансового анализа. Обеспечивает согласованное моделирование на уровне предприятия, объекта и группы объектов, а также использование этих моделей при принятии решений по всему спектру бизнес-процессов.

Доступ к информационным системам по технологическим процессам и системам автоматизации технологических процессов и методов проверки данных.

Интеграция с информационными системами и системами автоматизации предприятия с помощью стандартных интерфейсов (с поддержкой OPC) как для офлайновых, так и для онлайновых приложений.

Добавочные утилиты ASPENONE OPERATIONS DATA MANAGEMENT для проверки данных, обнаружения устойчивых состояний и согласования данных.

Настраиваемые интерфейсы конечного пользователя на базе EXCEL или средств визуализации на основе ролей в ASPEN OPERATIONS MANAGER.

Для УМП CHEMCAD реализованы двусторонние интерфейсы с DCS- и SCADA-системами через созданные специально для CHEMCAD интерфейсы PLANT2CC, PLANT 2CCD, SCADA2CCP. Интерфейсы соответствуют стандарту OPC DA 2.05a and 3.0.

В программе PRO/II представлена система PROCESS ENGINEERING SUITE (PES), в которую включена моделирующая программа PRO/II, представляет собой комплекс взаимосвязанных инструментов для инженерного проектирования и проведения расчетных исследований. Имеется связь с DCS и SCADA системами на базе интерфейсов системы управления “I/A Series”, разработанных фирмой Foxboro. Реализован интерфейс с системами управления предприятием посредством программных пакетов, предлагаемых третьими разработчиками, например ICARUS IPE, ASPEN ZYQAD WORKBENCH.

В УМП GIBBS имеется подсистема, позволяющая пользователю создавать, отлаживать и использовать программы собственной разработки, написанные на любом языке программирования высокого уровня с использованием внешних компиляторов.

В УМП PROSIM при помощи пакета PROMAX организован двусторонний интерфейс с EXCEL, т.е. возможна передача данных из PROSIM через PROMAX в EXCEL, а также вызов PROSIM из EXCEL.

Подсистемы гидравлических и конструктивных характеристик аппаратов

В программах ASPEN PLUS и HYSYS разработан пакет HTFS для расчета любого теплообменного оборудования в химической и нефтегазовой отраслях: кожухотрубчатых теплообменников, печей, ректификационные колонны. Дополнительно реализован интерфейс с программой расчета теплообменников TEXAS. Встроен пакет российской разработки TRAY для подбора размеров тарелок колонн. Для расчета трубопроводов представлен пакет OLGAS.

Моделирующая программа CHEMCAD имеет средства проектного расчета теплообменников, ректификационных колонн, емкостей, трубопроводов.

Программа PRO/II-HTRI УМП PRO/II включает возможность полной интеграции программы проектирования и расчета кожухотрубных теплообменников XIST, разработанную HTRI. Графический интерфейс пользователя программы HTRI доступен из среды PRO/II; при этом осуществляется связь по потокам из/в PRO/II. Встроен модуль HEXTRAN для моделирования и расчета размеров теплообменников. Расширены возможности за счет интерфейса с пакетом HTFS фирмы Aspen Tech.

УМП WINSIM предоставляет возможность проектирования теплообменников, в УМП GIBBS включена подсистема расчета габаритов теплообменников и сепараторов. Программа PROSIM позволяет провести проектные расчеты сепараторов, емкостей, теплообменников, ректификационных колонн.