化工单元仿真及化工过程仿真系统

史文涛沈阳化工大学，辽宁沈阳　110142



化工单元仿真及化工过程仿真系统

史文涛
沈阳化工大学，辽宁沈阳110142

摘要化工过程仿真系统解决了化工生产过程中存在着的高度复杂性和危险性问题，通过模拟实际化工生产的工况提高了操作人员的操作水平和处理突发状况的能力。系统设计了不同的化工单元仿真，提供了仪表计算、趋势记录、报警提示、故障模拟、考核评价和独特流程控制过程等图形化功能，提高了可操作性和交互性，使操作人员能够更直观的认识和掌握操作过程。在化工过程仿真系统中建立换热器单元的传热实例验证化工单元仿真及化工过程仿真系统的高效性。

关键词化工过程仿真；仿真软件；化工生产

化工过程仿真系统从实际使用来看，主要有两大类，一类用于工业上化工过程的开发和设计、具体工艺的研究和选择、以及用来测试过程控制仪表的复杂控制系统的精细化仿真，另一类是用于培训各类操作人员，提高他们各自技能的教学仿真开发[1]。本文重点讨论后者，包括化工单元仿真和化工过程仿真系统的设计和开发。化工过程仿真系统的优点在经济上，使用计算机进行化工仿真，只要具备知识和能力，就能开发出来，不用耗费大量的资本，进行化工实验；在环境保护上，避免了化工过程中有毒物质对环境的污染和对人体的损害；在人力上，减少了工人或学生搭建化工过程模型，只需相应专家使用电脑开发化工过程仿真系统，就可以很好的培训和指导工人或学生[2]。

1　化工单元仿真

1.1化工单元设备仿真模型

化工单元是化学工艺流程仿真模拟的最小单元，将其抽象封装成一个基本化工模块。在化工生产工艺流程中，物料流流经的单元设备时，将设备当做一个过程模型，其中涉及到设备属性，物性数据，输入流变量，输出流变量。设备属性是设备的基本特征属性，物性数据是流的表达，输入流变量和输出流变量是物料流在流动过程引起的实时变化数据。

1.2化工单元设备仿真的特性

1）通信特性：物料经过某个单元设备或者仪表的时候，产生了电子信号，通过通信通道这些信号传递给端子，形成输出输入信号。在信号传递过程中有3种传递方式：缓冲，同步，异步。

2）属性特性：每个单元设备、仪表或者物料流都有自己的属性。

3）物化特性：物料经过单元设备会发生物理或者化学的变化，这些变化使单元设备、仪表或物料流的某些属性发生了变化，同时通过相应计算模块计算出变化的属性的值。

4）功能特性：单元设备的功能以及相关属性的表示的意义。每一个单元设备都有不同的功能特性，使用条件等等。

2　化工过程仿真系统

在化工过程研究分析的基础上，结合多个化工过程的实践，设计开发了一套化工过程仿真系统SolSimul。

2.1系统结构

SolSimul系统主要分为现场站和操作站。现场站主要是用来采集设备数据。操作站是用来显示和操作对应的现场设备，见图1。物理层主要是设备的底层驱动，通道层有IO设备接口和端子，用来传递信号，仪表层主要是仪表和处理模块，在这里显示端子从底层获取的信号数据，界面层主要有流程图画面，控制组画面，趋势图画面，总貌画面，报警画面。

2.2物理设备

SolSimul系统的物理层包括化工仿真单元设备（IO驱动）、各类通信驱动、用于可以链接实际现场设备的驱动，以及OPC设备驱动。化工仿真单元设备是由系统根据化工生产中实际的设备、装置等进行仿真，这些单元设备又被称为软设备。主要包括各类阀，泵，管道，罐，换热器，蒸发器，分离器，精馏塔等。

2.3数据通道

SolSimul系统的数据通信主要通过IO设备接口和端子。IO设备接口是从物理层设备定期收集数据或实时响应物理事件并将数据传递通过端子提交给上层仪表，或通过端子接收上层仪表输出数据传递给相关的物理设备。端子主要起到信号转化和隔离作用，也便于系统组态，其的读写方式有缓冲，同步，异步。

2.4仪表计算

SolSimul系统的仪表层包括各类由系统软件实现的常用指示、控制仪表和完成各种计算功能的模块，这些仪表和模块又称软仪表。在软设备组成的化工过程仿真流程基础上，SolSimul系统通过软仪表的检测、计算和控制输出，实现化工过程仿真。软仪表包括各类模拟量指示、PID控制、开关量、逻辑计算、算术计算、流量计数器、脉冲以及用户自定义仪表等。

2.5用户界面

SolSimul系统中总貌画面主要是用来显示和操作流程项目中包含的项目名称，控制组，趋势图，需要操作的仪表和开关等，便于整体工况监控及快速页面切换。控制组画面主要是用来监视、控制一组相关工位仪表的运行状态等。趋势图画面是用来显示各化工过程参数数据随时间变化的曲线，生动形象的向用户直观展示。流程图画面显示了实验中化工工艺流程图包括现场图和DCS图，主要操作有设置设备属性值，改变属性参数。报警画面主要是对错误操作或者不按正确步骤操作的报警提示。

2.6报警提示

SolSimul系统中根据对设备进行操作造成仪表值超限引起的报警。报警级别分为普通报警和紧急报警。仪表值设有高报值，高高报值，低报值，低低报值。在仪表值处于报警高报或低报时就会触发普通报警，当仪表值处于高高报或者低低报时就属于紧急情况，设备已经处于高危情况，十分紧急。

2.7故障设置

SolSimul系统中化工故障主要分为两种：临时故障设定和通用故障设定。通用故障的设定是对所有仿真装置的任意操作和显示进行故障设定，如设定仪表的高报值、高高报值，低报值和低低报值。临时故障设定是对设备进行突然变化导致的故障，训练用户的紧急情况的处理能力。

2.8考核评价

SolSimul系统中考核评价是系统可以自动评价用户仿真实验成绩，主要有步骤分，操作质量分，报警分。步骤分是根据操作指导设定，是否根据步骤的顺序进行操作的。操作质量分是操作指导的参数值是否与用户操作一致，相差多少。报警分是由于操作失误引起参数值超限，则扣除分数。

3　结论

化工过程仿真系统解决了化工生产过程中的复杂性，让操作员安全的操作和了解到各种工况下的正确操作，提高了操作员的操作水平和处理特殊状况的能力，具体的实验说明和考核成绩可以指导操作员进行操作，了解操作的正确性。SolSimul系统提供了多种通用单元设备模型，用来组态工艺流程图，也可以自主开发特殊的设备模型，简单的操作界面和多方面的显示界面，提高了操作性和交互性。

参考文献

[1]杨霞，吕玮，王朋辉，等.基于Aspen Dynamics氯乙烯精馏过程的动态模拟及应用[J].计算机与应用化学，2015 （9）.

[2]王双剑.化工系统图形化建模仿真平台的设计与开发[D].北京：北京化工大学，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.

中图分类号TP399

文献标识码A

文章编号1674-6708（2016）155-0099-02