Худович И.М. Современные системы автоматизированного моделирован. Уо Полоцкий государственный университет современные системы автоматизированного моделирования химикотехнологических процессов
 Скачать 1.72 Mb.
|
|
Министерство образования Республики Беларусь УО «Полоцкий государственный университет» СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ И НЕФТЕХИМИИ Составитель И.М. Худович Новополоцк 2008 УДК 519.242: 665.03.046 Одобрены и рекомендованы к изданию Методической комиссией технологического факультета Кафедра химической технологии топлива и углеродных материалов Составитель: И.М. Худович, ст. преподаватель Рецензенты: С.М. Ткачёв, канд. техн. наук, доцент А.А. Ермак, канд. техн. наук, доцент © Составление и общая редакция, И.М. Худович, 2008 ©Оформление, УО «Полоцкий государственный университет», 2008 ВВЕДЕНИЕ Проектные и технологические расчеты, проводимые в области нефтепе- реработки и нефтехимии, отличаются нелинейностью и часто итерационно- стью, т.е. по окончании части расчета возникает необходимость многократно повторить его заново с уточненными начальными данными, что трудно осу- ществимо без применения компьютерной техники. В силу этого, в настоящее время все крупнейшие мировые компании, работающие в химической, нефтя- ной и газовой промышленности, широко используют различные программные продукты, позволяющие существенно сократить сроки проектирования и строительства новых технологических мощностей, повысить прибыльность эксплуатации установок, улучшить качество продуктов, а также строго соблю- дать требования безопасности производства и защиты окружающей среды. Разработка современных технологических процессов переработки при- родного углеводородного сырья и оптимальная эксплуатация действующих производств невозможна без применения моделирующих программ, имею- щих высокую точность описания параметров технологических процессов и позволяющих без значительных материальных и временных затрат произво- дить исследования этих процессов. Такие модельные исследования имеют огромное значение не только для проектирования, но и для функционирова- ния существующих производств, так как позволяют учесть влияние внешних факторов (изменение состава сырья, изменение требований к конечным и промежуточным продуктам и т.д.) на показатели действующих производств. Таким образом, эффективная организация и функционирование про- ектных служб и, как следствие, технологических производств возможно лишь при условии владения инженерами специализированными комплекс- ными программно-техническими системами, умением выбора оптималь- ных условий их использования для решения тех либо иных задач. К сожалению, большинство программных продуктов используемых в химической технологии не имеют русскоязычной локализации. Недоста- точное количество, либо в ряде случаев полное отсутствие, специализиро- ванной литературы затрудняет самостоятельное изучение универсальных моделирующих программ, не говоря уже об их сравнительном анализе. Данные методические указания предназначены для приобретения практи- ческих навыков в области использования ЭВМ для решения задач оптими- зации технологических процессов, разработке их математических моделей, интенсификации проектных работ, а также способствуют пониманию ос- новных принципов работы с современными системами автоматизирован- ного проектирования (САПР) в целом. В методических указаниях раскрываются общие подходы к расчету и проектированию технологических процессов при помощи современных САПР и методы их применения для моделирования конкретных процессов и ситуаций. 2 1. ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В НЕФТЕХИМИИ И НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ Компьютерное моделирование химико-технологических процессов в нефтехимии и нефтепереработке к настоящему времени полностью дока- зало свою актуальность и перспективность. Разработка современных тех- нологических процессов переработки природного углеводородного сырья и оптимальная эксплуатация действующих производств невозможна без применения моделирующих программ, имеющих высокую точность опи- сания параметров технологических процессов и позволяющих без значи- тельных материальных и временных затрат производить исследования этих процессов. Такие модельные исследования имеют огромное значение не только для проектирования, но для функционирования существующих производств, так как позволяет учесть влияние внешних факторов (изме- нение состава сырья, изменение требований к конечным и промежуточным продуктам и т.д.) на показатели действующих производств. С его помо- щью удается повысить качество управления процессами и эффективность работы технологической системы. Но особенно большое значение компь- ютерное моделирование имеет для оптимизации существующих и проек- тируемых технологических схем. Исторически можно выделить два этапа развития компьютерного моделирования химико-технологических систем (ХТС) и наметить третий. Первый этап компьютерного моделирования был связан с перево- дом расчета материальных и тепловых балансов ХТС с ручного на компь- ютерный. Этот этап начался в 1958 г. с появлением первой моделирующей системы Flexible Flowsheet, и бурное развитие его шло на протяжении 60 – 70-х гг. Тогда была выработана общая концепция универсальной мо- делирующей программы (УМП) для моделирования ХТС, состоящей из 4 частей: 1) организующей программы; 2) библиотеки модулей для расчета химико-технологических аппаратов; 3) банка физико-химических свойств; 4) библиотеки математических модулей. В этот же период времени создано несколько десятков УМП: Flexible Flowsheet, Cheops, Chevron, Sreed Up, Macsim, Network67, Chess, Pacer 245, Flowtran, Flowpack, Process и др. 3 Ряд моделирующих программ был создан и в Советском Союзе: РСС и РОСС (НИФХИ им. Л. Я. Карпова), АСТР и БАСТР (ГИАП), НЕФТЕХИМ (ВНИ ПИНЕФТЬ), САМХТС (НИУИФ), SYNSYS-78 (МХТИ им. Д. И. Мен- делеева) и др. Расчет термодинамических параметров нефтепродуктов, расчеты мас- сообмена и теплообмена, ректификации, подбор теплообменных аппаратов – все это значительно упростило проектирование установок. Однако тогда машинное время стоило очень дорого и его постоянно не хватало. К тому же изготовление программ требовало узкой специализации – общедоступ- ного языка программирования еще не было. В результате сложилась ситуа- ция, когда специалисты нефтепереработчики, не разбираясь в программиро- вании (и не имея времени на его изучение) сотрудничали с программистами, которые, в свою очередь, не всегда до конца понимали особенностей расче- тов процессов и аппаратов нефтехимии и нефтепереработки. Но на определенном этапе совершенствования УМП было осознано, что наибольшие возможности компьютерного моделирования химико- технологических систем связаны не с передачей компьютеру традицион- ных для проектировщиков функций по расчету материальных и тепловых балансов, а с реализацией с помощью компьютера новых функций, прежде всего – функции оптимизации. Под оптимизацией понимается достижение наилучших показателей (например, прибыли или приведенных затрат) при выполнении всех тре- буемых ограничений. Последние могут быть технологическими, экономи- ческими, экологическими и регламентными. Например, ограничения по производительности ХТС, по качеству продукта, по выбросам в атмосферу и др. Оптимизация возможна как на этапе эксплуатации ХТС, так и на эта- пе проектирования. Особенно большой эффект дает оптимизация, рассчи- танная на этапе проектирования. Настоящий расцвет компьютерного моделирования начался с появ- лением персональных компьютеров и общепонятных языков программи- рования высокого уровня. К этому времени в результате длительного про- цесса из общего числа выделились четыре УМП, которые заняли лиди- рующее положение в мире: Aspen Plus, Hysys, ChemСad и Pro/II. Начало второго этапа в развитии компьютерного моделирования можно условно отнести ко второй половине 80-х годов, когда в течение короткого времени произошел переход к персональным компьютерам, и появились первые прототипы четырех вышеназванных УМП. В эти УМП были введены оптимизационные процедуры, и они стали применяться не 4 только для расчета отдельных вариантов, но и для оптимизации ХТС в ста- тике. Но все же, вплоть до настоящего времени, УМП гораздо чаще при- меняются в своей первой функции – для расчета материальных и тепловых балансов с использованием наиболее полных и совершенных модулей для расчета аппаратов и банка физико-химических свойств, снабженного дан- ными, отвечающими последним достижениям. Причина здесь – и в значи- тельно большей математической трудности оптимизационного расчета по сравнению с балансовым, и в непривычности функции оптимизации для проектировщиков. Но главное и принципиальное затруднение связано с частичной неопределенностью информации, которой мы располагаем, ко- гда должны решать задачу оптимизации (см. п. 5). Химико-технологические системы, без которых не существует со- временного химического производства, стоят в начале третьего этапа. Реализация этого этапа развития (на котором широкое распространение получит решение оптимизационных задач) выведет компьютерное моде- лирование ХТС на тот уровень, когда с его помощью можно будет проек- тировать значительно более экономичные и надежные химико-техноло- гические системы и более эффективно управлять работой действующих. Одновременно с этим изменятся наше понимание ХТС – как систе- мы, в которой множество компонент находятся во взаимной связи и влия- ют на работу друг друга, а также общая культура труда проектировщика. Но для перехода на этот этап, сулящий очередной скачок производитель- ности труда, необходимо проведение большой исследовательской работы и совместные усилия теории и практики. 5 2. ОБЗОР ПАКЕТОВ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Функциональные возможности той либо иной моделирующей систе- мы зависят от состава средств моделирования отдельных процессов. Как правило, все моделирующие системы включают средства для моделирова- ния следующего набора процессов: − сепарация газа и жидкости (2-х несмешивающихся жидкостей); − однократное испарение и конденсация; − дросселирование; − адиабатическое сжатие и расширение в компрессорах и детандерах; − теплообмен двух потоков; − нагрев или охлаждение потока; − ветвление и смешение потоков; − процессы в дистилляционных колоннах с возможностью подачи и отбора боковых материальных и тепловых потоков: а) абсорберы; б) конденсационные (укрепляющие) колонны; в) отпарные (исчерпывающие) колонны; г) дистилляционные колонны; Программы позволяют моделировать сложные дистилляционные системы со стриппингами, боковыми орошениями, подогревателями и т.д., т.е. решать наиболее сложные задачи первичной переработки нефти. Большинство задач дистилляции, имеющихся на действующих производ- ствах, с помощью современных пакетов решаются успешно и с высокой скоростью. Системы моделирования могут содержать также средства для моде- лирования процессов, расширяющих сферу их использования на химиче- скую и нефтехимическую промышленность: − теплообмен в многопоточных теплообменниках; − химические процессы в реакторах (в т.ч. стехиометрический, с ми- нимизацией энергии Гиббса, равновесный, полного вытеснения и смешения); − процессы в экстракторах жидкость – жидкость; − процессы с твердой фазой (кристаллизаторы, центрифуги, фильт- ры, сушилки и т.д.). − процессы с полимерами (реактора полимеризации, сепараторы, пленочные испарители и т.д.) 6 Часто в моделирующих системах имеются средства для написания несложных программ для моделей пользователями. При этом используется достаточно простой язык, например, Fortran или Basic. По способу построения технологических схем из отдельных элемен- тов моделирующие программы можно разделить на системы с визуальным интерфейсом и системы с табличным кодированием. Первые позволяют формировать схемы непосредственно на экране компьютера, выбирая эле- менты из списка и соединяя их в определенном порядке. Табличное коди- рование предусматривает последовательный выбор элементов и назначе- ние входным и выходным потокам адресов из общего списка потоков мо- делируемой схемы. Естественно, первый способ наиболее удобен. И в пер- вом, и во втором случае интерфейс пользователя во всех пакетах позволяет работать с графом потоков и агрегатов посредством обращения и редакти- рования специальной таблицы, содержащей заданные пользователем алфа- витно-цифровые идентификаторы потоков и их характеристики. По изменению параметров модели по времени моделирующие про- граммы можно разделить на системы, поддерживающие статическое и динамическое моделирование. При статическом моделировании соотно- шение параметров происходит до определенного момента времени. В слу- чае динамического моделирования параметры модели претерпевают не- прерывные изменения во времени. Возможность проводить расчеты в ди- намическом режиме позволяет гораздо лучше понять сущность модели- руемых процессов. Можно собрать и испытать схему регулирования, ис- следовать пусковые режимы, получить представление о реально работаю- щем процессе и поведении объекта в нештатных ситуациях, о влиянии из- менения рабочих параметров на качество продуктов. Многие моделирующие программы позволяют, после выполнения стадии расчета технологической схемы или отдельного аппарата, выпол- нять расчеты гидравлических и основных конструктивных характеристик сепарационного оборудования, емкостей, теплообменной аппаратуры, та- рельчатых и насадочных ректификационных колонн, а также выполнять оценку стоимости изготовления каждого аппарата. Это очень важно для выполнения стадии как для проектных работ, так и предпроектных иссле- дований, так как позволяет оптимизировать капиталоемкость разрабаты- ваемой технологии. При расчете системы взаимосвязанных аппаратов последователь- ность расчета элементов определяется автоматически (или может быть за- 7 дана пользователем). При наличии рециклов создается итерационная схе- ма, в которой рецикловые потоки разрываются, и создается последова- тельность сходящихся оценочных значений. Эти значения получаются за- мещением величин, рассчитанных при предыдущем просчете схемы (Ме- тод Простого Замещения) или путем применения специальных методов ус- корения расчета рециклов – Вегштейна (Wegstein) и Бройдена (Broyden). К настоящему времени лидирующие позиции на рынке программных продуктов занимают продукты трех компаний – Invensys Process Systems (в состав которой входит SimSci – Esscor владелец торговой марки PRO/II), Aspen Technologies (с вошедшей в ее состав компанией Hyprotech владель- ца торговой марки HYSIM, HYSYS) и ChemStations (владеющая торговой маркой CHEMCAD). Рассмотрим основные программные продукты данных фирм более подробно. Process Engineering Suite (PES) – пакет программ инженера-техно- лога компании SIMSCI – Esscor представляет собой комплекс взаимосвя- занных инструментов для инженерного проектирования и проведения рас- четных исследований. Комплекс программ работает в самой распростра- ненной в отрасли среде – Windows NT, – и легко может взаимодействовать с другими прикладными программами, которые обычно используют инже- неры-технологи, способствуя увеличению эффективности технологических процессов в течение всего рабочего цикла. Пакет PES, объединяющий программы PRO/II, HEXTRAN, DATACON, INPLANT и VISUAL FLOW, может использоваться для моде- лирования технологических установок при добыче нефти и газа, в перера- ботке нефти, в нефтехимическом и химическом производстве, в фармацев- тической промышленности и в производстве полимерных материалов. Ос- новой данного комплекса является программа PRO/II в свою очередь яв- ляющаяся универсальным пакетом программ для моделирования и опти- мизации технологических процессов. Pro/II с графическим интерфейсом пользователя ProVision (см. рис. 2.1) является одной из наиболее широко известных УМП. Система Pro II была первоначально создана на платформе DOS/PC. В этой реализации она не имела удобного пользовательского интерфейса. В 1995 году фирма анон- сировала новый графический интерфейс для платформ PC/Windows и вы- пустила пакет ProVision. Одновременно разрабатывалась реализация и для Unix-платформ. 8 Рис. 2.1. Интерфейс пользователя программы PRO II / ProVision Практически, в Pro II / ProVision заложены возможности моделиро- вания почти всех химических и нефтехимических производств. Также имеются возможности для работы с растворами электролитов и полимер- содержащими системами. Программа используется в широком диапазоне процессов: от определения характеристик сырья, расчетов блоков предва- рительного подогрева до сложных реакционных и разделительных процес- сов. С помощью программы PRO II можно провести моделирование бло- ков предварительной подготовки сырья, атмосферных и вакуумных ко- лонн, колонн установок коксования, каталитического крекинга, гидрокре- кинга и газофракционирующих установок, аминовой очистки, алкилирова- ния, установок каскадного охлаждения, получения МТБЭ, выделения наф- талина, производства олефинов, хлорирование пропилена, синтеза аммиа- ка, азеотропной и экстрактивной ректификации и многого другого. Имеет- ся возможность проведения гидравлических расчетов сепарационного обо- рудования, теплообменного оборудования, реакторов, насадочных и та- рельчатых ректификационных колонн, трубопроводов. Позволяет рассчи- тывать следующие рабочие элементы и состоящие из них технологические схемы: сепаратор, строгая ректификационная колонна (моделирование ко- лонн любой сложности и конфигурации, не ограничивая пользователя ба- 9 зовыми моделями, поддерживает расчет спецификаций – автоматического вычисления условий работы или параметров работы оборудования в целях достижения специальных задач в отношении производительности, качест- ва, 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 теплообмен- ник, аппарат воздушного охлаждения, многопоточный теплообменник (LNG, сжиженного природного газа), компрессор, турбина, насос, трубо- провод, клапан (расчеты сброса давления), предохранительный клапан со- суда 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: кон- троллер с обратной связью, контроллер с поддержкой многих переменных, оптимизатор технологической схемы (минимизирует или максимизирует выбранные пользователем показатели, варьируя управляющими перемен- ными), калькулятор потока, средства вывода фазовых кривых и кривых на- гревания/охлаждения, таблицы свойств потоков, товарных свойств нефте- продуктов 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 техно- логии с требованиями экологии; 5) оптимизации, повышения выходов и увеличения прибыльности установки в целом. Банк данных программы содержит сведения о более 1800 компонен- тах, свойства твердых веществ, банк данных электролитов, предусмотрена возможность расчета свойств по структуре компонентов (можно сконст- руировать вещество из стандартных блоков и предсказать его основные свойства), свойства более 3000 бинарных смесей, специальные пакеты (спирты, гликоли, кислые стоки), меркаптаны и пр. Поддерживается созда- ние и внедрение в программу дополнительных или пользовательских баз данных по компонентам. Имеется возможность создания собственных про- граммных модулей (используя встроенный язык программирования аналог FORTRAN). 10 Программа DATACON входящая в состав комплекса PES предназна- чена для согласования данных технологических установок и обнаружения грубых ошибок. Она, в соответствии с встроенным статистическим алго- ритмом, 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 из- быточных измерений. DATACON может автоматически собирать опера- тивные усредненные данные процессов и точно их согласовывать, переда- вая в программу PRO//II. PRO/II использует согласованные данные про- цессов и текущие экономические данные для оптимизации работы произ- водства без нарушений границ безопасной работы оборудования. Пользо- ватель определяет экономические цели (обычно максимальную прибыль процессов), и PRO/II с DATACON рассчитывают параметры технологиче- ского процесса, обеспечивающие требуемый экономический результат. Другие модули пакета PES предназначены для решения дополнитель- ных узких задач: HEXTRAN – моделирование и оптимизация систем тепло- обмена и Пинч-анализ, INPLANT – моделирование потоков многофазных жидкостей в технологических трубопроводах, VISUAL FLOW – проектиро- вание и моделирование факельных систем и систем аварийного сброса. Фирма имеет в своем арсенале также пакет динамического модели- рования – 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 компонен- тов УМП PRO/II, включенных в состав базового пакета, к настоящему времени получила наибольшее распространение именно в нефтеперераба- тывающей отрасли. |