Худович И.М. Современные системы автоматизированного моделирован

зовыми моделями, поддерживает расчет спецификаций – автоматического вычисления условий работы или параметров работы оборудования в целях достижения специальных задач в отношении производительности, качества, режима и т.д., поддерживается наличие на тарелках нескольких жидких фаз и др.), экстракционная колонна жидкость – жидкость, боковая колонна, делитель потока, смеситель, простой теплообменник, строгий теплообменник, аппарат воздушного охлаждения, многопоточный теплообменник (LNG, сжиженного природного газа), компрессор, турбина, насос, трубопровод, клапан (расчеты сброса давления), предохранительный клапан сосуда работающего под давлением, реактор с заданной степенью конверсии, равновесный реактор, реактор идеального вытеснения, реактор идеального смешения/постоянного объема, реактор Гиббса, реактор полимеризации, циклон, кристаллизатор и др.

В состав программы входят следующие средства оптимизации: контроллер с обратной связью, контроллер с поддержкой многих переменных, оптимизатор технологической схемы (минимизирует или максимизирует выбранные пользователем показатели, варьируя управляющими переменными), калькулятор потока, средства вывода фазовых кривых и кривых нагревания/охлаждения, таблицы свойств потоков, товарных свойств нефтепродуктов и т.д.

Программа PRO II может использоваться для:

1)проектирования новых процессов;

2)оценки альтернативных конфигураций установок;

3)модернизации и реконструкции действующих установок;

4)оценки воздействия на окружающую среду и согласования технологии с требованиями экологии;

5)оптимизации, повышения выходов и увеличения прибыльности установки в целом.

Банк данных программы содержит сведения о более 1800 компонентах, свойства твердых веществ, банк данных электролитов, предусмотрена возможность расчета свойств по структуре компонентов (можно сконструировать вещество из стандартных блоков и предсказать его основные свойства), свойства более 3000 бинарных смесей, специальные пакеты (спирты, гликоли, кислые стоки), меркаптаны и пр. Поддерживается создание и внедрение в программу дополнительных или пользовательских баз данных по компонентам. Имеется возможность создания собственных программных модулей (используя встроенный язык программирования аналог

FORTRAN).

9

Программа DATACON входящая в состав комплекса PES предназначена для согласования данных технологических установок и обнаружения грубых ошибок. Она, в соответствии с встроенным статистическим алгоритмом, преобразовывает измеренные технологические данные (расходы, температуры, состав и т.д.), в согласованную и достоверную информацию, обеспечивающую точный расчет материального и энергетического баланса заводских установок. Также обнаруживает грубые ошибки измерений, точно определяет местонахождение ошибок, наличие или отсутствие избыточных измерений. DATACON может автоматически собирать оперативные усредненные данные процессов и точно их согласовывать, передавая в программу PRO//II. PRO/II использует согласованные данные процессов и текущие экономические данные для оптимизации работы производства без нарушений границ безопасной работы оборудования. Пользователь определяет экономические цели (обычно максимальную прибыль процессов), и PRO/II с DATACON рассчитывают параметры технологического процесса, обеспечивающие требуемый экономический результат.

Другие модули пакета PES предназначены для решения дополнительных узких задач: HEXTRAN – моделирование и оптимизация систем теплообмена и Пинч-анализ, INPLANT – моделирование потоков многофазных жидкостей в технологических трубопроводах, VISUAL FLOW – проектирование и моделирование факельных систем и систем аварийного сброса.

Фирма имеет в своем арсенале также пакет динамического моделирования – Protiss, который сейчас также доступен через интерфейс

ProVision.

В заключение можно отметить, что благодаря значительной гибкости при моделировании задач ректификации и теплообмена, большому числу алгоритмов сведения ректификационных колонн, удобному и интуитивно понятному интерфейсу, развитым средствам задания нефтяных компонентов УМП PRO/II, включенных в состав базового пакета, к настоящему времени получила наибольшее распространение именно в нефтеперерабатывающей отрасли.

Aspen Plus и HYSYS продукты американской компании Aspen Technologies Inc.

Aspen Plus – интегрированный комплекс технологических расчетов, преимущественно используется в расчете химических, нефтехимических и тонких химических производств. В состав его могут входить: Aspen Dynamics – системадинамических технологических расчетов, применяемая для создания тренажеров, систем расширенного управления в области

10

сложных химических производств и тонкой химии; Aspen FCC – расчет реакторов каталитического крекинга; Aspen CatRef – расчет реакторов ка-

талитического риформинга; Aspen Hydrocracker&Hydrotreater – расчет гид-

рокрекинга и гидроочистки; Aspen Plus Optimizer – система оптимизации. Эти системы широко известны в США, в том числе среди студентов хими- ко-технологических специальностей. Однако вследствие того, что система Aspen Plus изначально была разработана для Unix-платформ она не получила должного распространения в Республике Беларусь и странах СНГ. С появлением в последние годы версий для платформ PC/Windows, а также представительства в России с русскоязычной службой технической поддержки, следует ожидать ее интенсивного внедрения на рынки СНГ.

Система Aspen Plus дает возможность термодинамического моделирования работы разнообразных установок, от нефтеперерабатывающих установок до неидеальных химических систем и процессов с участием электролитов и твердой фазы. Она позволяет рассчитать следующие рабочие элементы и процессы: смеситель, разделитель потока, разделитель частей потока и разделители компонентов; сепараторы и емкости – две, три и четыре фазы; нагреватель, простой теплообменник, теплообменник труба-в- трубе и кожухотрубчатый, а также многопоточный теплообменник; жид- костно-жидкостный однофазовый отстойник; реакторы конверсии, стехиометрические и реакторы равновесия; проточный реактор с мешалкой, реактор идеального вытеснения, реактор периодического действия и реакторы с вентиляцией содержимого для стандартных химически веществ; одно- и многоступенчатые компрессоры и турбины; умножитель потока, дубликатор, селектор и блоки передачи; расчеты сброса давления; модели ректификации (ускоренная дистилляция, многофазное разделение, многоколонная модель, модель атмосферной колонны). Для систем с твердой фазой решения Aspen Plus включают следующее: скруббер Вентури, электростатический осадитель, цедилка с тканевым фильтром, экран, циклон, гидроциклон, фильтрующая центрифуга и барабанный вращающийся фильтр, противотоковый фильтр, кристаллизатор непрерывного действия и др.

Система имеет развитый графический интерфейс (рис. 2.2), развитые методы расчета парожидкостного равновесия, большую базу соединений, специализированные пакеты расчета термодинамики (амины, электролиты). Предусмотрено создание графиков и таблиц физических свойств, оценка физических свойств по структуре. Имеется возможность выполнять расчеты основных конструктивных характеристик и оценку стоимости оборудования.

11

Для получения расширенных и более настраиваемых моделей дополнительно могут быть приобретены различные встраиваемые (plug-in) модули. Эти модули могут быть одновременно использованы не только в этой программе, но и в других программных продуктах пакета HYSYS (например, в HYSYS.Dynamics). Одним из таких модулей является нефтяной пакет (Crude module). Он позволяет использовать при расчетах в HYSYS нефтяные потоки и фракции, а также производные нефти. Эти потоки могут быть заданы в виде различных разгонок (ИТК, вакуумная и др.), а нефтяной пакет самостоятельно интерполирует и экстраполирует свойства и вычислит недостающую информацию по образцу нефти, разобьет его на псевдокомпоненты и инсталлирует в схему. Затем с таким потоком можно работать как с обычным материальным потоком.

С использованием УМП HYSYS фирмы Aspen Technologies можно проводить расчеты:

−ректификационных колонн произвольной конфигурации, включая колонны с расслаивающимися на тарелках жидкостями и с химическими реакциями на тарелках; нефтяных колонн, гидравлики ректификационных колонн с ситчатыми, клапанными и колпачковыми тарелками, и насадочных колонн;

−теплообменных аппаратов различных типов: нагревателей, холодильников, ребойлеров с паровым пространством, конденсаторов, воздушных холодильников;

−трубопроводов различных конфигураций, от горизонтальных до вертикальных, с использованием совершенных методов расчета гидравлических сопротивлений двухфазных потоков;

−реакторов: идеального вытеснения и идеального смешения, равновесных, стехиометрических, причем реакции могут протекать в трубе, в произвольной емкости, на тарелке ректификационной колонны.

С помощью набора встроенных утилит возможен расчет:

−условий гидратообразования и его ингибирования, образования твердой углекислоты;

−точки росы по воде и углеводородам;

−кривых разгонок (ИТК, ГОСТ, вакуумная разгонка и т.д.);

−товарных свойств нефтепродуктов;

−размеров емкостей;

−нестационарного процесса сброса давления из емкости или системы емкостей в аварийном режиме.

14

В заключение необходимо отметить, что расчет схем с участием нефтяных смесей и детальный расчет теплообменных аппаратов различных типов возможен только при использовании дополнительных модулей, не включенных в состав базовой программы, а количество поддерживаемых расчетов товарных свойств нефтепродуктов несколько уступает имеющимся, например в УМП PRO/II.

CHEMCAD Suite пакет программ компании ChemStations, Inc. Он состоит как из непосредственно базовой универсальной программы CHEMCAD, предназначенной для статического моделирования основных процессов, основанных на фазовых и химических превращениях (имеющая средства расчета геометрических размеров и конструктивных характеристик основных аппаратов, и оценки стоимости оборудования), так и дополнительных модулей: СС-DYNAMICS – расчет динамических режимов, СС-THERM – расчет теплообменников (типа труба в трубе, пластинчатых, кожухотрубных, аппаратов воздушного охлаждения), CC-BATCH – моделирование процессов периодической ректификации и ряда других.

Универсальная моделирующая программа CHEMCAD, как и ряд описанных выше программных продуктов, имеет графический интерфейс для платформ PC/Windows (рис. 2.4), базу данных индивидуальных компонентов (более 1900 веществ), позволяет задавать нефтяные потоки в виде псевдокомпонентов или генерировать их на основании данных разгонки, поддерживает большинство методов расчета термодинамических свойств (в том числе содержит специальные методы для расчета амин, полимерсодержащих смесей и т.д.). Позволяет моделировать технологические схемы из элементов схожих с описанными выше элементами других программных продуктов и ряд специфических (биореактор, электроосадитель, фильтр и т.п.), с одновременной оценкой экономической эффективности модели. И в целом, несмотря на некоторые недостатки (например, не до конца продуманный интерфейс, трудности с изменением технических размерностей некоторых параметров, недостаточная гибкость при выборе спецификаций и алгоритмов расчета колонного оборудования), успешно конкурирует на рынке УМП.

15

3.ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОМОЩИ УНИВЕРСАЛЬНЫХ МОДЕЛИРУЮЩИХ ПРОГРАММ

3.1.Стандарт Cape-Open. Взаимодействие моделирующих программ различных разработчиков

Внастоящее время большинство сложных программных продуктов, в том числе и УМП, разрабатываемые для химической технологии, состоят из большого числа модулей объединенных единой организующей программой, которая, в свою очередь, может рассматриваться как отдельный модуль, т.е. реализуетсямодульныйпринциппостроенияпрограммногообеспечения(ПО).

Этот факт позволил создать единый унифицированный стандарт создания моделирующих программ химической технологии CAPE-OPEN (Open Computer Aided Process Engineering) – открытый (свободно распро-

страняемый) стандарт в системе компьютеризированного моделирования технологического производства.

Проект CAPE-OPEN начал свое развитие в 1997 году, а в 1999 году вышла первая версия стандарта. Основная цель, преследуемая его разработчиками, заключалась в обеспечении взаимодействия моделирующих программ разных производителей и, возможно в дальнейшем, распределенных на различных ЭВМ. Упрощенная, типичная схема универсальной моделирующей программы, компоненты которой созданы в соответствии со стандартом CAPE-OPEN, приведена на рисунке 3.1.1

17

Как видно из рисунка, все основные компоненты могут быть созданы различными разработчиками и дополнены собственными пользовательскими модулями, т.е. конечный пользователь может скомпоновать моделирующую систему наиболее эффективно, как с точки зрения затрат на приобретение, так и с позиций рассматриваемой задачи моделирования.

Как и любой стандарт, CAPE-OPEN должен что-то стандартизировать, то есть являться шаблоном применения чего-то. Так и есть, CAPEOPEN описывает правила использования известных в программировании технологий COM и CORBA при разработке моделирующих программ химической технологии. Обе этих технологии концептуально схожи и дальше кратко остановимся непосредственно на технологии COM, тем более что большинство производителей специализированного ПО для химической технологии, используют именно ее (ориентирована на программные продукты, создаваемые на платформах фирмы Microsoft).

Аббревиатура COM это – Component Object Model – компонентная объектная модель. Важным здесь является понятие объекта. Любой объект реального мира характеризуется состоянием и поведением, в компьютерных программах состояние описывается данными, а поведение процедурами, которые в совокупности и формируют объект. Сутью технологии COM является то, что она обеспечивает взаимодействие этих объектов. Рассмотрим данное взаимодействие на конкретном примере.

Допустим, на компьютере имеется два отдельных модуля (компонента), которые совокупно могут формировать единый программный комплекс, наладив взаимодействие между собой (рис. 3.1.2).

Рис. 3.1.2. Конфигурация разделенных модулей

Однако, модуль MC ничего не знает о модуле MS, но объекту С известно, что объект S может существовать и быть определенным образом использован. В соответствии с рассматриваемой технологией, объект С обращается к операционной системе с запросом ссылки на объект S. Система просматривает свои списки «имя объекта – имя модуля». Отыскав по имени объекта модуль, к которому он принадлежит, система, загрузив его, запрашивает ссылку на объект S. В свою очередь модуль MS создает объ-

18