化工單元仿真及化工過程仿真系統

史文濤沈陽化工大學，遼寧沈陽　110142

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化工單元仿真及化工過程仿真系統

史文濤
沈陽化工大學，遼寧沈陽110142

摘要化工過程仿真系統解決了化工生產過程中存在著的高度復雜性和危險性問題，通過模擬實際化工生產的工況提高了操作人員的操作水平和處理突發狀況的能力。系統設計了不同的化工單元仿真，提供了儀表計算、趨勢記錄、報警提示、故障模擬、考核評價和獨特流程控制過程等圖形化功能，提高了可操作性和交互性，使操作人員能夠更直觀的認識和掌握操作過程。在化工過程仿真系統中建立換熱器單元的傳熱實例驗證化工單元仿真及化工過程仿真系統的高效性。

關鍵詞化工過程仿真；仿真軟件；化工生產

化工過程仿真系統從實際使用來看，主要有兩大類，一類用于工業上化工過程的開發和設計、具體工藝的研究和選擇、以及用來測試過程控制儀表的復雜控制系統的精細化仿真，另一類是用于培訓各類操作人員，提高他們各自技能的教學仿真開發[1]。本文重點討論后者，包括化工單元仿真和化工過程仿真系統的設計和開發。化工過程仿真系統的優點在經濟上，使用計算機進行化工仿真，只要具備知識和能力，就能開發出來，不用耗費大量的資本，進行化工實驗；在環境保護上，避免了化工過程中有毒物質對環境的污染和對人體的損害；在人力上，減少了工人或學生搭建化工過程模型，只需相應專家使用電腦開發化工過程仿真系統，就可以很好的培訓和指導工人或學生[2]。

1　化工單元仿真

1.1化工單元設備仿真模型

化工單元是化學工藝流程仿真模擬的最小單元，將其抽象封裝成一個基本化工模塊。在化工生產工藝流程中，物料流流經的單元設備時，將設備當做一個過程模型，其中涉及到設備屬性，物性數據，輸入流變量，輸出流變量。設備屬性是設備的基本特征屬性，物性數據是流的表達，輸入流變量和輸出流變量是物料流在流動過程引起的實時變化數據。

1.2化工單元設備仿真的特性

1）通信特性：物料經過某個單元設備或者儀表的時候，產生了電子信號，通過通信通道這些信號傳遞給端子，形成輸出輸入信號。在信號傳遞過程中有3種傳遞方式：緩沖，同步，異步。

2）屬性特性：每個單元設備、儀表或者物料流都有自己的屬性。

3）物化特性：物料經過單元設備會發生物理或者化學的變化，這些變化使單元設備、儀表或物料流的某些屬性發生了變化，同時通過相應計算模塊計算出變化的屬性的值。

4）功能特性：單元設備的功能以及相關屬性的表示的意義。每一個單元設備都有不同的功能特性，使用條件等等。

2　化工過程仿真系統

在化工過程研究分析的基礎上，結合多個化工過程的實踐，設計開發了一套化工過程仿真系統SolSimul。

2.1系統結構

SolSimul系統主要分為現場站和操作站。現場站主要是用來采集設備數據。操作站是用來顯示和操作對應的現場設備，見圖1。物理層主要是設備的底層驅動，通道層有IO設備接口和端子，用來傳遞信號，儀表層主要是儀表和處理模塊，在這里顯示端子從底層獲取的信號數據，界面層主要有流程圖畫面，控制組畫面，趨勢圖畫面，總貌畫面，報警畫面。

2.2物理設備

SolSimul系統的物理層包括化工仿真單元設備（IO驅動）、各類通信驅動、用于可以鏈接實際現場設備的驅動，以及OPC設備驅動。化工仿真單元設備是由系統根據化工生產中實際的設備、裝置等進行仿真，這些單元設備又被稱為軟設備。主要包括各類閥，泵，管道，罐，換熱器，蒸發器，分離器，精餾塔等。

2.3數據通道

SolSimul系統的數據通信主要通過IO設備接口和端子。IO設備接口是從物理層設備定期收集數據或實時響應物理事件并將數據傳遞通過端子提交給上層儀表，或通過端子接收上層儀表輸出數據傳遞給相關的物理設備。端子主要起到信號轉化和隔離作用，也便于系統組態，其的讀寫方式有緩沖，同步，異步。

2.4儀表計算

SolSimul系統的儀表層包括各類由系統軟件實現的常用指示、控制儀表和完成各種計算功能的模塊，這些儀表和模塊又稱軟儀表。在軟設備組成的化工過程仿真流程基礎上，SolSimul系統通過軟儀表的檢測、計算和控制輸出，實現化工過程仿真。軟儀表包括各類模擬量指示、PID控制、開關量、邏輯計算、算術計算、流量計數器、脈沖以及用戶自定義儀表等。

2.5用戶界面

SolSimul系統中總貌畫面主要是用來顯示和操作流程項目中包含的項目名稱，控制組，趨勢圖，需要操作的儀表和開關等，便于整體工況監控及快速頁面切換。控制組畫面主要是用來監視、控制一組相關工位儀表的運行狀態等。趨勢圖畫面是用來顯示各化工過程參數數據隨時間變化的曲線，生動形象的向用戶直觀展示。流程圖畫面顯示了實驗中化工工藝流程圖包括現場圖和DCS圖，主要操作有設置設備屬性值，改變屬性參數。報警畫面主要是對錯誤操作或者不按正確步驟操作的報警提示。

2.6報警提示

SolSimul系統中根據對設備進行操作造成儀表值超限引起的報警。報警級別分為普通報警和緊急報警。儀表值設有高報值，高高報值，低報值，低低報值。在儀表值處于報警高報或低報時就會觸發普通報警，當儀表值處于高高報或者低低報時就屬于緊急情況，設備已經處于高危情況，十分緊急。

2.7故障設置

SolSimul系統中化工故障主要分為兩種：臨時故障設定和通用故障設定。通用故障的設定是對所有仿真裝置的任意操作和顯示進行故障設定，如設定儀表的高報值、高高報值，低報值和低低報值。臨時故障設定是對設備進行突然變化導致的故障，訓練用戶的緊急情況的處理能力。

2.8考核評價

SolSimul系統中考核評價是系統可以自動評價用戶仿真實驗成績，主要有步驟分，操作質量分，報警分。步驟分是根據操作指導設定，是否根據步驟的順序進行操作的。操作質量分是操作指導的參數值是否與用戶操作一致，相差多少。報警分是由于操作失誤引起參數值超限，則扣除分數。

3　結論

化工過程仿真系統解決了化工生產過程中的復雜性，讓操作員安全的操作和了解到各種工況下的正確操作，提高了操作員的操作水平和處理特殊狀況的能力，具體的實驗說明和考核成績可以指導操作員進行操作，了解操作的正確性。SolSimul系統提供了多種通用單元設備模型，用來組態工藝流程圖，也可以自主開發特殊的設備模型，簡單的操作界面和多方面的顯示界面，提高了操作性和交互性。

參考文獻

[1]楊霞，呂瑋，王朋輝，等.基于Aspen Dynamics氯乙烯精餾過程的動態模擬及應用[J].計算機與應用化學，2015 （9）.

[2]王雙劍.化工系統圖形化建模仿真平臺的設計與開發[D].北京：北京化工大學，2012.

[3]Tan Minggao，Yuan Shouqi，Liu Houlin， et al. Numerical Research on Performance Prediction for Centrifugal Pumps[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010，23（1）：21-26.

[4]Zhang Zheming，Zhou Ling，Agarwal Ramesh. Transient Simulations of Spouted Fluidized Bed for Coal-direct Chemical Looping Combustion[J]. Energy&fuels， 2014，28：1548-1560.

中圖分類號TP399

文獻標識碼A

文章編號1674-6708（2016）155-0099-02