Honeywell霍尼韦尔

UniSim流程设计与动态仿真1 流程行业过程设计与动态仿真的重要性与挑战现代化的炼油和石化工装置对自动化控制系统的要求越来越高。

随着DCS、先进控制技术、优化技术、计划与调度等先进技术的广泛应用，工厂生产自动化程度越来越高。

要对装置和工艺过程进行有效的操作和控制，在选用控制策略和制定操作规程时必须全面考虑到工艺原理、过程动态特性以及各个控制对象之间约束等诸多关系。

这对于装置工程师、控制工程师、生产操作人员来说是一个巨大的挑战，因为他们必须在较短时间内掌握这些先进的控制技术，熟悉调节控制的方法，全面掌握工艺过程原理及动态特性等一系列与生产操作相关的知识。

如果能在正式开车之前给他们提供适当的培训，让他们充分熟悉工艺和操作规程，积累操作经验，这将非常有利于生产装置顺利投运，有利于稳定安全的生产，有利于发挥装置的最大能力，真正给工厂带来效益。

但是，装置工程师、控制工程师、生产操作员如何能在系统投运前尽快地熟悉工艺过程、获得全面的操作体验和提高处理异常事故的能力呢？传统方式主要有三种：开工前DCS短训、学习操作规程和外出实习。

无论采用何种方式，所获得的知识和经验都是十分有限的。

在装置开工前，DCS短训时间有限，工艺本身又未投运，所以只能做到熟悉操作界面和基本操作而已，对于复杂的控制策略、先进控制器的投用、操作程序等，操作员都无法真正体验；学习操作规程全无感性认识，就如同我们只是拿着书本学习电脑，而却没有电脑可用，效果自然不会好；外出实习，首先所学的不是用户自己的工艺，其次，在实习装置上，操作人员不可能实际操作和经历各种工况，三是操作人员不可能接触到那些核心工艺，况且还要必须支付大量的实习费用。

此外，虽然目前针对流程行业流程设计与动态仿真的应用已经非常普遍，但从专业机构的调查统计来看，仍然存在一些问题和挑战。

例如，市场上有不少产品系统平台的物性库不够丰富并缺少权威性、稳态设计达不到应用精度、动态仿真特性偏离性大、不能对DCS/ESD等系统进行完全识别和兼容、对大过程模型无法实现全流程动态模拟等等。

2 Honeywell综合解决方案-UniSim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HYSYS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。

UniSimTM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。

UniSimTM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UniSimTM主要由以下三个应用模块组成：•UniSim Design Suite 工艺设计套件•UniSim Operations Suite 操作运营套件•UniSim Optimization Suite 优化模拟套件2.1 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。

•减少工程费用－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（见图2）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。

图2 UniSim平台全生命周期应用UniSim Design Suite主要软件包包括：NeoteNeotec的PIPESYS 用于管道中单相和多相流的综合模拟，同时Neotec的黑油选项（Black Oil ），还可以用于计算那种很难确定组分的石油流体的相态行为。

包括严格单相流或多相流模拟；压力正推或反算；模拟各种管路设备的影响，包括压缩机、泵、换热器、冷凝器、调节阀、弯管等；进行一些特殊分析，如Slug流预测、管路腐蚀速度预测、严重Slug流态检查；模拟单管或管网；灵敏度分析。

Schlumberger的AMSIM 斯伦贝谢公司的胺包被集成到UniSim平台用于胺处理模块模拟和优化气相和液相胺处理过程，包括单相、混合相或活性胺。

严格模拟氢化硫和二氧化碳的吸收，和在各种工业溶剂中的反应。

一个高级的热力学电解模型得到的结果比经验模型的结果更可靠，尤其是混合胺的处理。

Scandpower的OLGAS 两相和三相流选项，可用于管道中多相流特性的计算，另外，还可以通过已有接口，与Scandpower的OLGA2000连接，管中多相流的瞬态模拟，以及井上管线和管网模拟。

InfoChem的多相闪蒸（MultiFlash）用于复杂混合物的相行为计算。

OLI的电解质包（Electrolyte Package）利用OLI公司的专业的电解质组分和OLI引擎，UniSim平台可以严格模拟电解质系统。

包括以下功能：•OLI模型预测和考虑溶液中所有的组分、离子；•基于Helgeson状态方程，OLI模型可在最广的水溶液条件下提供精确的平衡常数和状态性质；•结合Bromley、Zemaitis、Meissner、Pitzer，及OLI特有技术，该模型的活度系数方法可准确模拟强电解系统；•提供包括79个无机元素及其组分，和超过3000种有机组分的综合电解质数据库；•通过OLI特有的热力学物性包，可计算复杂水溶液系统的热力学性质和传递性质。

UniSim的换热器设计换热器设计软件包是霍尼韦尔自主拥有的产品，做为UniSim平台的扩展构成部分，各种换热设备的设计也列入了UniSim的产品系列中。

UniSim Shell-Tube ExchangerModeler(STE)管壳式换热器模块是世界上非常优秀的管壳式换热器软件，用户遍及化工及石化行业。

以计算准确性和工程实用性而闻名。

新一代的STEM 将所有管壳式换热器集为一体，将传热和机械强度计算融为一体。

可用于多组分，多相流冷凝器，罐式重沸器、降液膜蒸发器，多台换热器组等，并提供管束排列图。

UniSim Crossflow ExchangerModeler(CFE)横流换热器主要用于空冷器及其它类似换热装置，可以模拟光管或翅片管束，管外界质可以是空气或其他气体。

可以模拟计算以下系统：空冷，烟气余热回收系统、空调系统、空气除湿系统、制冷系统等。

UniSim Fired Process HeaterModeler(FPH) 加热炉对于给定炉型及其结构尺寸、燃料消耗量、过剩空气系数、被加热介质等，软件能进行以下计算：通过燃烧室和对流室的传热计算及多相流流体计算，可得到被加热流体和烟气的温度分布和压力分布。

其中烟气的压力分布是沿燃烧室经对流段至烟囱的非常详细的数据。

UniSim Plate-Fin ExchangerModeler(PFE)板翅式换热器根据各流股的工艺条件，计算出换热器的几何尺寸及通道层数，核算给定进出口状态，核算换热器。

模拟给定板翅式换热器的几何尺寸、通道层数及进口状态，计算出口状态UniSim Plate Heat ExchangerModeler(PHE) 板式换热器可设计热负荷和压力降，模拟给定板式换热器的在给定物流和入口条件下热负荷、压力降和出口物流变化；验查给定的形状的换热器是否满足需要的负荷或出口物流条件要求。

换热器的中平板类型、数量和通过的顺序等均可进行调整。

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。

•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。