UniSim--化工流程模拟动态仿真与优化软件

  霍尼韦尔基于流程行业上述这些需求，经过三十年来的开发与应用，特别是在2004年成功收购ASPEN公司的仿真业务后，公司将原有的动态仿真系统SHADOW PLANT， OTISS 与HISYS整合，形成了集流程设计、静态模拟、动态仿真、过程优化于一体综合解决方案和产品架构-UniSimTM，在技术平台的先进性，模拟应用经验的广泛性，成功实施案例和工程实施队伍的规模，技术支持能力等各个方面都得到空前的加强，在国际OTS业务中由原来的领跑者变成了占有绝对优势的主导者。

  UniSim工艺过程设计与动态仿真工具，致力于帮助用户全面地熟悉自己的生产装置和工艺，掌握动态工艺特性，积累操作经验，提高处理异常事故的能力，保证生产装置的顺利投产，维护正常的生产操作。 UniSimTM 不是一般意义上的稳态过程模拟，它是全面的动态过程仿真。 UniSimTM 基于精确的热动力学方程和传质动力学模型，因此它成为了一套公认的可以帮助工程师研究探索工艺过程、进行工况研究、发现工艺瓶颈、寻找最佳操作程序、进行故障分析和控制策略研究的工具，也成为了帮助工厂操作人员积累操作经验、熟悉工艺、提高操作技能的培训工具。

  UniSim是一套关系到过程设计、工艺瓶颈分析、动态仿真、工况研究、操作方案论证、控制策略确认与调试、生产优化、装置改造等完整贯穿整个工厂装置生命周期的综合解决方案。

 

图1 、霍尼韦尔流程模拟业务发展历程

 

UniSim Design Suite工艺设计套件

UniSim Design Suite工艺设计套件基 于成熟的技术，已经具有三十年的开 发应用经验，主要应用效益体现在：

● 改进工艺设计—工程师可迅速地对工艺设计做出评估，包括利润是不是最大、可靠性如何、安全性如何等

  据估计，在项目投产中由于工艺临时更改产生的费用占到总项目投资的7%。UniSim使工程师能早期评估他们的工艺设计对整个项目的影响。在设计新的工艺时，UniSim可让用户对 各种现场情况快速建模。交互式的环境有利于用户作“what-if"的研究和敏感性分析。利用Unisim可对工艺进行高精度地建模，模型中包含有设备和工艺的详细信息。

● 监控设备的性能—保证设备性能最优化

  Unisim能让用户迅速确定设备 运行性能是否达到标称值。例如，故障维修或改善设备操作性能的工程师可利用Unisim估计设备是否出现问题（如热交换器结垢，塔板溢流，压缩机和分离器效率低等），参与技改项目的工程师可迅速对用不于同场合的 设备性能进行评估，并可预测由于设计基准变化可能会带来的影响。

● 降低工程成本—减少手工操作、避免 重复输入容易出错的数据

  利于Unisim创建在整个工厂的生 命周期都可调整的工艺模型，可以减 少工程设计的费用。Unisim从概念设 计到详细设计、设计评估、培训及优 化过程，提供了非常好的环境，保证工程师能快速高效地完成工作。它可 节省时间，并尽可能避免容易出错的 手工操作，如数据传送、格式编排及产品与工艺数据的分析等，而这通常要占到整个工程项目30%的工时数。

 

UniSim Design Suite工艺设计套件包括以下几类产品： 

工艺设计和模拟产品

● UniSim® Design (steady-state) (稳态应用)

● UniSim® Design DynamicsOptions (动态应用)

● UniSim® Flare(火炬系统)

● UniSim® Design 3rd Party Options (与其他国际领先专业技术接轨)

概念设计产品

● UniSim® ExchangerNet (换热器网 络优化设计)

设备设计和模拟产品

UniSim® Heat Exchangers

● UniSim® Shell-Tube Exchanger Modeler (管壳式换热器)

●UniSim® Crossflflow Exchanger Modeler (空冷换热器)

● UniSim® Plate-Fin Exchanger Modeler (板翅式换热器)

● UniSim® Fired Process Heater Modeler (燃烧式换热器)

● UniSim® Plate Exchanger Modeler (板式换热器)

● UniSim® FeedWater Heater Modeler (给水加热器)

● UniSim® Process Pipeline Modeler (工艺管道换热计算)

物性及热力学研究产品

● UniSim® ThermoWorkbench（用户可根据实验数据创建热/动力包）

 

UniSim Design Suite有以下杰出的技术特点：

稳态和动态集成的建模环境UniSim提供了稳态（Steady State）和动态（Dynamic State）两种模拟环境，稳态和动态共享相同的物性数据和热力学方法，共享单元模型。用于工艺设计的稳态模型在提供了相关的设备数据后就可能转为动态模型，使用户方便地扩展多方面的工程应用。“模拟”可以理解为“模仿”与“拟 合”，是用软件作为工具，去模仿一 个过程（反应、吸收、换热、流动 等），根据所给过程条件（温度、压力、流量、设备尺寸），对这个过程进行物料平衡、能量平衡、相平衡、化学平衡的计算，预计过程可能发生的现象，指导科研、设计、生产部门的工作。过程可以是实际生产过程、实验过程、假象过程。稳态和动态的模拟具有不同的目的，并且能够形成有益的补充：

●化工工艺的设计和优化包括稳态和动态行为的研究，稳态模型可以进行稳态能量和物料的平衡计算以及评价装置的细节，化工工程师使用稳态模拟去优化工艺。

●借助动态模拟，可以确定在安全 和容易操作的情况下装置是否可 以生产需要的产品，通过定义详细的设备条件来确认装置是否与实际的情形一致，离线的动态模拟可以优化控制器从而改善装置产量和安全性。

●借助动态模拟，可以确定在安全和容易操作的情况下装置是否可以生产需要的产品，通过定义详细的设备条件来确认装置是否与实际的情形一致，离线的动态模拟可以优化控制器从而改善装置产量和安全性。

●动态模拟能够帮助更好的设计、优化和操作化工工艺和装置，动态模拟工具对于更好的研究过程行为、稳定操作是非常重要的。根据不同的需求可以设计和测试不同的控制策略，可以检验系统扰动的动态响应和优化控制器，动态分析提供反馈和改善稳态模型。

 

 轻松地建模环境—图形化的流程 搭建是在称之为“工艺流程图PFD” 的建模环境上实现。各种单元设备和物流的连接均以图形化的形式体现，过程调试辅助工具为流程的正确模拟提供了保证。此外还提供如剪切、拷贝、粘贴、子流程图等方式提高流程结构化和建模效率。

 丰富的单元操作模型—做为石油、化工流程的基本过程“三传一反”，即动量传递、质量传递、热量传递和反应单元相关的单元设备均包括在UniSim模拟平台上，如泵、压缩机、精馏塔、闪蒸罐、换热器、加热炉、平推流/全混流等多种反应器。并能真实地模拟各种工况，如空罐、溢流、倒流、气蚀等。

 综合的严格物性数据库—UniSim提供了一组功能强大的物性计算包，对石油天然气和冶炼行业中的物性、传输特性、物相特性进行精确的计算。它的基础数据是来源于世界富有盛名的物性数据系统，并经过本公司的严格校验。这些数据包括 160,000 个交互作用参数和1,800多个纯物质数据。最新UniSim平台允许用户根据需 要增加新的组份。

 原油环境—UniSim平台的油环境 可以对石油流股进行分析，利用原油评价的基础数据，通过分析和调合可以产生准确的原油虚拟组份，并进一步用于如常减压装置的模拟。硫及重金属的分布可以得到准确的模拟。

 内置人工智能—在系统中设有人工智能系统，它在所有过程中都能发挥非常重要的作用。当输入的数据能满足系统计算要求时，人工智能系统会驱动系统自动计算。当数据输入发生错误时，该系统会告诉你哪里出了问题。

 数据回归包—数据回归包提供了强有力的回归工具。用实验数据或库中的标准数据通过该工具用户可得到焓、气液平衡常数K的数学回归方程(方程的形式可自定)。用回归公式可以提高运算速度，在某些条件下还可使计算精度提高。

 扩展性—UniSim软件是具有高度 开放性模拟的平台，利用它用户完全可以自定义用户程序并无缝地集成到UniSim平台中。UniSim软件的集成的模拟环境及完全开放的面向对象的软件设计思路完全符合对象连接与嵌入规则(OLE)，软件允许定制客户自己的程序。它的完美的直观的用户界面，使人操作起来便捷、自然。对象的连接和嵌入(OLE)的扩展功能允许用户开发用户稳态和动态的单元模型；如规定专有的反应动力学表达式；建立特定的物性数据包。

 工艺参数优化器—软件中增加了功能强大的优化器，它有五种算法供您选择，可解决无约束、有约束、等式约束及不等式约束的问题。其中序列二次型是比较先进的一种方法，可进行多变量的线性、非线性优化，配合使用变量计算表，你可将更加复杂的经济计算模型加入优化器中，以得到最大经济效益的操作条件。

图3、UniSim工艺参数优化

丰富的控制算法—除化工单元操作算法外，UniSim同时有丰富的控制算法支持过程控制和过程监视功能。此外，UniSim还内置了霍尼韦尔公司的Profit Controller先进过程控制软件离线模型辨识工具，可以为客户的今后先进控制的开发和应用提供统一的应用平台。

图4、UniSim内置的先进控制离线功能

方案分析工具—某些变量按一 定趋势变化时，其它变量的变化趋势 如何呢？了解这些对方案分析非常重 要。比如，当研究塔的回流比和产品 质量的变化对热负荷、产量、温度的 影响时，在UniSim的方案分析中选择 回流比和产品质量作为自变量，给出 它们的变化范围和步长，UniSim就开始计算，最后会给出一个汇总表供工 艺人员进行分析。

 

支持AcitiveX控件

    允许集成用户创建的单元操作、专有的反应动力描述、专门的特性包。可与微软的Excel和Visual Basic方便地集成。

拓展功能 

    近年来，霍尼韦尔分别与一些在 某专业邻域有突出特长的公司签定了 联盟协议，如Infochem计算机服务有67 限公司、Neotechnology咨询有限公 司、Scandpower石油技术公司和斯 伦贝谢（Schlumberger）有限公司 和OLI公司，做为霍尼韦尔为过程控 制业提供的UniSim仿真解决方案的 组成部分。这些联盟使霍尼韦尔可在 UniSim平台上提供各专业领域独到的 专业知识

 

UniSim Operations Suite仿真操作套件

 

UniSim Operations Suite是以 UniSim Design基础模拟平台，与控制 系统相结合，用于操作培训和控制校 验的系统。

UniSim Operations Suite带来的主要 效益如下：

● 加速生产投运，增加工厂利润

●避免生产事故，维持工厂利润

●保护企业的资产和生产环境

 

 

UniSim Operations Suite技术特点如 下：

● 独特的仿真技术

      UniSimTM Operations Suite的仿 真技术是基于工厂里管道图、仪表图和设备数据表的详细信息的。仿真器是实时动态的模型，它结合了所有控制相关的详细内容。其最大的特点是仿真精度非常高。仿真模型的规模不受限制，既可用于详细的工程研究，也可作为实时应用（如操作仿真培训）。

UniSimTM Operations Suite利用工程和热力学关系的基本原理精确地描述设备的运转状态。这些功能已得到广泛的应用，并在实践中经过了无数次的验证。必要时，也可把霍尼韦尔其它的组件与仿真器结合，以帮助客户实现最大的利润。

● 精确的物性

       任何仿真模型的好坏最终决定于物性的有效性和相关的热力学计算。UniSimTM所用的是霍尼韦尔先进的物性解决方案，而这种解决方案是目前市场上公认最好的，并已广泛地应用到各种场合。

● 先进的仿真引擎

  UniSim Operations Suite是建立在综合的动态的设备仿真基础上，它是继承了过去20年的优秀成果，面向未来的解决方案。

  为保护客户在仿真方面的投资，Unisim支持以前用霍尼韦尔的shadow plant和Aspen的Virtual plant Simulator在公用接口和控制执行环境中开发的仿真模型。这样，在一个统一的环境中，用户既可得到对以前方案的支持，又可以利用我们最好的技术开发新的模型。

● 综合培训功能

  Unisim培训站提供各种性能的设备协助进行操作员培训。可以完成的主要任务有基本课程、故障排除及学员评估，这些任务是通过图形用户接口来完成的。

● 弹性的仿真架构

  Unisim可以仿真任何规模、任何复杂度的设备。这种杰出的能力来自于其专有的计算架构，这种架构允许多个仿真同时运行于一个或多个计算机上。从而，大的模型可以分布在几台计算机上；在一个监视器上可运行多个用户界面；可以很方便地集成外部的硬件系统（如DCS、PLC等）

● 与DCS的集成

在许多情况下，如果能把模型与DCS集成，Unisim仿真器将会带来更大的附加值。这在操作员培训和试运 行验证工作中特别重要。

 

UniSim Operations Suite包含以下应 用软件：

● Procedure Development & Assessment（操作过程开发和评估）

在开工几个月之前，你就可以利用Unisim仿真器对工艺反复进行仿真操作，以掌握和优化正常和异常情况下的操作程序。这样，由于操作程序都按工艺过程和控制的动态特性进行了验证。你的班组就会对操作过程更

有信心，

一旦开始设备开始运行，就可以扩展一些培训内容了，如对一些经常性的事故如何采取补救措施，防止再次发生。采用这种方式，同事们可以从其他发生过事故的同事那吸收教训。

● Control Strategy Assessment（控制方案评估）

● Comprehensive Training Programs（综合培训计划）

● Online Performance Monitoring （在线性能监控）

 

UniSim仿真操作系统的主要包括：模拟服务器，DCS操作站，现场站，教员站及控制器模拟站。