Худович И.М. Современные системы автоматизированного моделирован. Уо Полоцкий государственный университет современные системы автоматизированного моделирования химикотехнологических процессов
 Скачать 1.72 Mb.
|
|
Aspen Plus и HYSYS продукты американской компании Aspen Technologies Inc. Aspen Plus – интегрированный комплекс технологических расчетов, преимущественно используется в расчете химических, нефтехимических и тонких химических производств. В состав его могут входить: Aspen Dynamics – системадинамических технологических расчетов, применяемая для создания тренажеров, систем расширенного управления в области 11 сложных химических производств и тонкой химии; Aspen FCC – расчет реакторов каталитического крекинга; Aspen CatRef – расчет реакторов ка- талитического риформинга; Aspen Hydrocracker&Hydrotreater – расчет гид- рокрекинга и гидроочистки; Aspen Plus Optimizer – система оптимизации. Эти системы широко известны в США, в том числе среди студентов хими- ко-технологических специальностей. Однако вследствие того, что система Aspen Plus изначально была разработана для Unix-платформ она не полу- чила должного распространения в Республике Беларусь и странах СНГ. С появлением в последние годы версий для платформ PC/Windows, а также представительства в России с русскоязычной службой технической под- держки, следует ожидать ее интенсивного внедрения на рынки СНГ. Система Aspen Plus дает возможность термодинамического модели- рования работы разнообразных установок, от нефтеперерабатывающих ус- тановок до неидеальных химических систем и процессов с участием элек- тролитов и твердой фазы. Она позволяет рассчитать следующие рабочие элементы и процессы: смеситель, разделитель потока, разделитель частей потока и разделители компонентов; сепараторы и емкости – две, три и че- тыре фазы; нагреватель, простой теплообменник, теплообменник труба-в- трубе и кожухотрубчатый, а также многопоточный теплообменник; жид- костно-жидкостный однофазовый отстойник; реакторы конверсии, сте- хиометрические и реакторы равновесия; проточный реактор с мешалкой, реактор идеального вытеснения, реактор периодического действия и реак- торы с вентиляцией содержимого для стандартных химически веществ; одно- и многоступенчатые компрессоры и турбины; умножитель потока, дубликатор, селектор и блоки передачи; расчеты сброса давления; модели ректификации (ускоренная дистилляция, многофазное разделение, много- колонная модель, модель атмосферной колонны). Для систем с твердой фа- зой решения Aspen Plus включают следующее: скруббер Вентури, электро- статический осадитель, цедилка с тканевым фильтром, экран, циклон, гид- роциклон, фильтрующая центрифуга и барабанный вращающийся фильтр, противотоковый фильтр, кристаллизатор непрерывного действия и др. Система имеет развитый графический интерфейс (рис. 2.2), развитые методы расчета парожидкостного равновесия, большую базу соединений, специализированные пакеты расчета термодинамики (амины, электроли- ты). Предусмотрено создание графиков и таблиц физических свойств, оценка физических свойств по структуре. Имеется возможность выполнять расчеты основных конструктивных характеристик и оценку стоимости оборудования. 12 Рис. 2.2. Интерфейс пользователя программы AspenPlus HYSYS представляет собой пакет программ, предназначенный для рас- чета стационарных и динамических режимов работы химико-технологиче- ских схем, содержащих массообменную и теплообменную аппаратуру, трубопроводы, реакторы и т.д., проведения оптимизационных расчетов, разработки схем регулирования, контроля за работой систем управления, обучения операторов технологических установок, а также расчетов про- цессов на основе данных, непосредственно поступающих с КИА. HYSYS написан на объектно-ориентированном языке С++ для 32-разрядных опе- рационных систем, таких как Windows 95/98/Me или Windows NT/2000/XP (рис. 2.3). Поддерживает стандарты OLE и XML, позволяет осуществлять связь с другими программами, поддерживающими эти стандарты. Система HYSYS может состоять из следующих основных и дополни- тельных модулей: HYSYS – расчет стационарных режимов; HYSYS.Dynamics – расчет динамических режимов, расчет схем совместно с системами управ- ления; HYSYS.Upstream – специализированные расчетные модули для ис- пользования в нефтегазодобывающей отрасли; HYSYS.Concept – синтез схем гетероазеотропной ректификации; HYSYS.Optimizer – модуль, реали- зующий различные алгоритмы для оптимизации схем. 13 Рис. 2.3. Интерфейс пользователя программы HYSYS Ключевыми особенностями базовой программы HYSYS являются: 1) наличие более 20 различных методов расчета термодинамических и физических свойств; более 2000 библиотечных компонентов, более 16000 пар бинарных коэффициентов; 2) возможность проводить оптимизационные расчеты и «расчетные исследования» с автоматическим перебором параметров; 3) встроенные электронные таблицы (аналог MS Excel), позволяю- щие проводить дополнительные расчеты с использованием переменных технологической схемы; 4) используя встроенный язык программирования (аналог Visual Basic), а также возможности подключения и использования совместно с системой HYSYS собственных программ пользователя, что позволяет рас- ширить стандартные возможности системы и создавать интегрированные системы технологических расчетов; 5) система экранной помощи, входные и выходные формы, меню, подсказки и предупреждения, документация – все русифицировано (т.о. инженеры и студенты, не имеющие специальной «компьютерной» подго- товки и не знающие английского языка, легко осваивают русифицирован- ные версии программ). 14 Для получения расширенных и более настраиваемых моделей допол- нительно могут быть приобретены различные встраиваемые (plug-in) мо- дули. Эти модули могут быть одновременно использованы не только в этой программе, но и в других программных продуктах пакета HYSYS (например, в HYSYS.Dynamics). Одним из таких модулей является нефтя- ной пакет (Crude module). Он позволяет использовать при расчетах в HYSYS нефтяные потоки и фракции, а также производные нефти. Эти по- токи могут быть заданы в виде различных разгонок (ИТК, вакуумная и др.), а нефтяной пакет самостоятельно интерполирует и экстраполирует свойства и вычислит недостающую информацию по образцу нефти, разо- бьет его на псевдокомпоненты и инсталлирует в схему. Затем с таким по- током можно работать как с обычным материальным потоком. С использованием УМП HYSYS фирмы Aspen Technologies можно проводить расчеты: − ректификационных колонн произвольной конфигурации, включая колонны с расслаивающимися на тарелках жидкостями и с химическими реакциями на тарелках; нефтяных колонн, гидравлики ректификационных колонн с ситчатыми, клапанными и колпачковыми тарелками, и насадоч- ных колонн; − теплообменных аппаратов различных типов: нагревателей, холо- дильников, ребойлеров с паровым пространством, конденсаторов, воздуш- ных холодильников; − трубопроводов различных конфигураций, от горизонтальных до вертикальных, с использованием совершенных методов расчета гидравли- ческих сопротивлений двухфазных потоков; − реакторов: идеального вытеснения и идеального смешения, равно- весных, стехиометрических, причем реакции могут протекать в трубе, в произвольной емкости, на тарелке ректификационной колонны. С помощью набора встроенных утилит возможен расчет: − условий гидратообразования и его ингибирования, образования твердой углекислоты; − точки росы по воде и углеводородам; − кривых разгонок (ИТК, ГОСТ, вакуумная разгонка и т.д.); − товарных свойств нефтепродуктов; − размеров емкостей; − нестационарного процесса сброса давления из емкости или систе- мы емкостей в аварийном режиме. 15 В заключение необходимо отметить, что расчет схем с участием нефтяных смесей и детальный расчет теплообменных аппаратов различ- ных типов возможен только при использовании дополнительных модулей, не включенных в состав базовой программы, а количество поддерживае- мых расчетов товарных свойств нефтепродуктов несколько уступает имеющимся, например в УМП PRO/II. CHEMCAD Suite пакет программ компании ChemStations, Inc. Он состоит как из непосредственно базовой универсальной программы CHEMCAD, предназначенной для статического моделирования основных процессов, основанных на фазовых и химических превращениях (имеющая средства расчета геометрических размеров и конструктивных характери- стик основных аппаратов, и оценки стоимости оборудования), так и до- полнительных модулей: СС-DYNAMICS – расчет динамических режимов, СС-THERM – расчет теплообменников (типа труба в трубе, пластинчатых, кожухотрубных, аппаратов воздушного охлаждения), CC-BATCH – моде- лирование процессов периодической ректификации и ряда других. Универсальная моделирующая программа CHEMCAD, как и ряд описанных выше программных продуктов, имеет графический интерфейс для платформ PC/Windows (рис. 2.4), базу данных индивидуальных компо- нентов (более 1900 веществ), позволяет задавать нефтяные потоки в виде псевдокомпонентов или генерировать их на основании данных разгонки, поддерживает большинство методов расчета термодинамических свойств (в том числе содержит специальные методы для расчета амин, полимерсо- держащих смесей и т.д.). Позволяет моделировать технологические схемы из элементов схожих с описанными выше элементами других програм- мных продуктов и ряд специфических (биореактор, электроосадитель, фильтр и т.п.), с одновременной оценкой экономической эффективности модели. И в целом, несмотря на некоторые недостатки (например, не до конца продуманный интерфейс, трудности с изменением технических раз- мерностей некоторых параметров, недостаточная гибкость при выборе спецификаций и алгоритмов расчета колонного оборудования), успешно конкурирует на рынке УМП. 16 Рис. 2.4. Интерфейс пользователя программы CemCad Таким образом, все рассмотренные программные комплексы осна- щены богатыми библиотеками для расчета технологического оборудова- ния и физико-химических свойств. Но, как известно, «наши недостатки есть продолжение наших достоинств». Эти УМП дороги и громоздки, в большей или меньшей степени трудны в освоении и жестки. Часто пользо- вателю просто не нужны многие из тех средств, которыми они обладают, но зато нужны те, которыми они не обладают. При этом узким местом в библиотеке модулей для расчета аппаратов являются реакторы, а ведь ре- актор – «сердце» ХТС. При этом пользователям приходится иметь свои программы расчета реакторов (иногда и других аппаратов), которые дают лучшие результаты, чем стандартные модули. Это же относится и к банкам физико-химических свойств. Хотя упомянутые УМП считаются открыты- ми, любое добавление собственных процедур в них не просто и, конечно, речь может идти лишь о сравнительно небольших и структурно простых добавлениях – пополнении библиотеки технологических модулей, напри- мер, но не о вмешательстве в организующую программу. 17 3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОМОЩИ УНИВЕРСАЛЬНЫХ МОДЕЛИРУЮЩИХ ПРОГРАММ 3.1. Стандарт Cape-Open. Взаимодействие моделирующих программ различных разработчиков В настоящее время большинство сложных программных продуктов, в том числе и УМП, разрабатываемые для химической технологии, состоят из большого числа модулей объединенных единой организующей программой, которая, в свою очередь, может рассматриваться как отдельный модуль, т.е. реализуется модульный принцип построения программного обеспечения (ПО). Этот факт позволил создать единый унифицированный стандарт соз- дания моделирующих программ химической технологии CAPE-OPEN (Open Computer Aided Process Engineering) – открытый (свободно распро- страняемый) стандарт в системе компьютеризированного моделирования технологического производства. Проект CAPE-OPEN начал свое развитие в 1997 году, а в 1999 году вышла первая версия стандарта. Основная цель, преследуемая его разра- ботчиками, заключалась в обеспечении взаимодействия моделирующих программ разных производителей и, возможно в дальнейшем, распреде- ленных на различных ЭВМ. Упрощенная, типичная схема универсальной моделирующей программы, компоненты которой созданы в соответствии со стандартом CAPE-OPEN, приведена на рисунке 3.1.1 Рис. 3.1.1. Схема типичной универсальной моделирующей программы (с позиций стандарта CAPE-OPEN) Разработчик A Организующая программа с графическим интерфейсом Разработчик Б Библиотека модулей расчёта процессов и аппаратов Разработчик Д База данных физических свойств Собственные мо- дули расчёта процессов и ап- паратов Новые методы расчёта свойств Разраб. Г Уравнение состояния Разработчик В Система управле- ния термодинами- ческими расчётами Разработчик Е Различные расчётные алгоритмы 18 Как видно из рисунка, все основные компоненты могут быть созданы различными разработчиками и дополнены собственными пользователь- скими модулями, т.е. конечный пользователь может скомпоновать моде- лирующую систему наиболее эффективно, как с точки зрения затрат на приобретение, так и с позиций рассматриваемой задачи моделирования. Как и любой стандарт, CAPE-OPEN должен что-то стандартизиро- вать, то есть являться шаблоном применения чего-то. Так и есть, CAPE- OPEN описывает правила использования известных в программировании технологий COM и CORBA при разработке моделирующих программ хи- мической технологии. Обе этих технологии концептуально схожи и даль- ше кратко остановимся непосредственно на технологии COM, тем более что большинство производителей специализированного ПО для химиче- ской технологии, используют именно ее (ориентирована на программные продукты, создаваемые на платформах фирмы Microsoft). Аббревиатура COM это – Component Object Model – компонентная объектная модель. Важным здесь является понятие объекта. Любой объект реального мира характеризуется состоянием и поведением, в компьютер- ных программах состояние описывается данными, а поведение процедура- ми, которые в совокупности и формируют объект. Сутью технологии COM является то, что она обеспечивает взаимодействие этих объектов. Рассмот- рим данное взаимодействие на конкретном примере. Допустим, на компьютере имеется два отдельных модуля (компо- нента), которые совокупно могут формировать единый программный ком- плекс, наладив взаимодействие между собой (рис. 3.1.2). Рис. 3.1.2. Конфигурация разделенных модулей Однако, модуль MC ничего не знает о модуле MS, но объекту С из- вестно, что объект S может существовать и быть определенным образом использован. В соответствии с рассматриваемой технологией, объект С обращается к операционной системе с запросом ссылки на объект S. Сис- тема просматривает свои списки «имя объекта – имя модуля». Отыскав по имени объекта модуль, к которому он принадлежит, система, загрузив его, запрашивает ссылку на объект S. В свою очередь модуль MS создает объ- 19 ект S в памяти, получает его адрес и возвращает этот адрес системе. Сис- тема же, зная, от кого поступил запрос, возвращает адрес объекту C, моду- ля MS. Таким образом, устанавливается взаимодействие между модулями. Одним из ключевых моментов в данном взаимодействии является определение системой по имени объекта имени модуля. Для идентифика- ции имен COM-объектов используются так называемые CLSID – иденти- фикаторы классов, 128-битные численные значения, уникальные для дан- ного объекта и ProgID мнемонически значимые имена. На стадии разработки стандарта CAPE-OPEN были определены главные классы (категории) компонентов (модулей) универсальных моде- лирующих программ и формально определены их основные интерфейсы (спецификации способа взаимодействия двух объектов), созданы и протес- тированы первые опытные образцы программ и программных модулей, началась работа по его распространению и адаптации к требованиям стан- дарта ПО основных производителей. Стандарт постоянно уточняется и до- полняется, первая версия, известная под индексом 0.9, к настоящему вре- мени уже трижды перерабатывалась и текущий, 4 вариант стандарта, имеет индекс версии 1.1. Таким образом, стандарт CAPE-OPEN – специально разработанный для химической технологии, унифицированный стандарт, предназначен- ный для согласования между собой компонентов универсальных модели- рующих программ различных разработчиков. Он основывается на обще- признанных в программировании технологиях COM и CORBA. Непосред- ственно сам стандарт CAPE-OPEN является открытым, мультиплатфор- менным, унифицированным и бесплатно распространяемым, доступ к его документации предоставляется на официальном сайте «Сети исследова- тельских учреждений CAPE-OPEN» (CAPE-OPEN Laboratories Network – Co-LaN) www.colan.org. В заключение следует отметить, что в настоящее время к проекту CAPE-OPEN присоединились и в той либо иной мере его поддерживают следующие производители программного обеспечения: ANSYS, Aspen Technology (Aspen Plus, HYSYS), Heat Transfer Research Inc. (HTRI), SimS- ci-Esscor (PRO/II), Virtual Materials Group (VMGSim. VMGThermo) и мно- гие другие. Отдельно можно выделить фирму AmsterCHEM и ее программный продукт COCO (см. рис. 3.1.3). COCO – универсальный моделирующий программный комплекс, целиком разработанный в соответствии со стан- 20 дартом CAPE-OPEN. Несмотря на то, что по возможностям она уступает основным УМП для химической технологии, круг задач которые она по- зволяет решать достаточно большой. Рис. 3.1.3. Интерфейс пользователя (СOFE) программы СOCO v.1.09 Последняя версия программы позволяет рассчитывать технологиче- ские схемы, состоящие из следующих элементов: смеситель потоков, дели- тель потока, компрессор, турбина, сепаратор, подогреватель/холодильник потока, теплообменник, насос, равновесный реактор, реактор заданной степенью конверсии, клапан (дроссель) и ряд вспомогательных элементов. Кроме того, в программный комплекс входит модуль ChemSep 6.0 LITE, дополняющий базу расчетных элементов СОСО и позволяющий рассчиты- вать абсорбционные, ректификационные и экстракционные процессы и со- ответствующие им аппараты, включенные в общую технологическую схе- му. База данных программы насчитывает около 150 индивидуальных ком- понентов. Поддерживаются основные термодинамические системы и паке- ты. И самое главное программный комплекс |