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1、 Honeywell UniSim Suite 的技术特点的技术特点 及在煤化工方面的应用及在煤化工方面的应用 Vance Chang Honeywell 摘要：摘要： 本文介紹 Honeywell UniSim Design 设计组件的一些技术特点， 它可用于化工 过程发展的各个阶段，包括生产规划、产品的概念设计、工艺设计、控制设计、操 作培训、生产控制、过程检测、动态预测、事故的报警和过程的数据分析及在煤化 工方面的应用。 UniSim Design Suite概述概述 2002 年之前， 世界流程模拟软件绝大部分市场份额由 Aspentech 的 Aspen Plus， Hyprotec
2、h 的 Hysys 和 Simsci 的 ProII 分割， 三大流程模拟利器各有千秋， 互为竞争， 长期形成三足鼎立之势。2002 年 Aspentech 进行了对 Hyprotech 的收购，打破了三 足鼎立的格局，从而造成 Aspentech 对流程模拟软件市场的垄断行为。2004 年，根 据美国反垄断法判决，Aspentech 必须剥离其收购的 Hyprotech 全部产品业务，以形 成充分的市场竞争。最终 Honeywell 从 Aspentech 接受了其剥离播出来的 Hyprotech 全部产品与业务， 同时一起出售的还有 Aspentech 的 OTS 业务。 经过收购， Ho
3、neywell 开始拥有了一流的流程模拟软件 Hysys，同时还拥有了换热器设计软件 HTFS, 换热网络夹点分析软件 HX-NET,物性分析与集成软件 ComThermo， 跻身世界一 流流程模拟与工程设计软件供应商的行列。收购之后，霍尼韦尔投入巨资、潜心研 发，同时联合霍尼韦尔全资子公司、世界著名的炼油工艺专利商 UOP 环球油品公司 推出了新一代流程模拟软件 UniSim Suite。 UniSim Solution 模拟软件包括： UniSim Design Suite (工程设计套件)，基于 HYSYS 的动态和稳态模拟软件。 UniSim Operation Suite(操作运营套
4、件)，用于生产过程的动态分析和控制系统检 查。也可以训练操作员和工师处理事故的能力。 UniSim Optimization Suite(优化套件)， 可以进行从单个操作单元到全厂范围内的 动态优化。 UniSim 动态工程研究，评估过程变动对未来工厂业绩的影响。 UniSim 过程知识系统，收集和分析 DCS 和数据，利用原有操作经验，增强操 作能力。 UniSim 架构如图所示。 Honeywell 提供 UniSim Suite 的目的是给化工产品从开发到生产的全过程提供 模拟技术的服务。其应用周期涵盖了工艺装置从可行性研究到基础设计、详细设计、 控制策略验证、OTS 操作员培训、先进控
5、制与优化、工艺设备节能改造和脱瓶颈的 全生命周期应用，可广泛应用于专利商、设计院、工程承包商、设备制造商和最终 业主。 UniSim Design Suite 应用于工艺工程设计 UniSim Design Suite由工艺流程模拟软件UniSim Design，换热器设计与校核软 件UniSim Heat Exchanger,换热网络夹点分析软件UniSim ExchangerNet,物性分析与 集成软件Thermoworkbench组成。利用UniSim Design Suite工程师可以快速评估最有 利、最可靠并且最安全的设计。据估计，试车过程中现场设计变化所产生的费用占 整个项目资金成
6、本的百分之七。 UniSim 可支持工程师更早地评估项目设计决策。 如果是新的设计方案， UniSim 可支持用户快速创建模型，以便于对多种情景进行评估。交互式环境便于进行假设 性研究和敏感度分析。研究结果可用于创建高保真模型，包括更多的设备和过程细 节。 UniSim Design提供的动态模拟能力能够与UniSim 设计环境完全集成。稳态模 型能够很容易转换成动态模型，通过采用精确的设备和性能信息提供精准和高保真 的模拟效果。动态模型的特性包括：压力&流动动态特性、全面的控制功能模块支 持过程的动态控制和详细的过程监视、因果矩阵显示和事件安排。 UniSim Design 采用严格的化工机
7、理模型，模块化的基本操作单元，国际知名的 DIPPR 数据库，经工业验证的物性方程和二元交互参数，能够最大程度的再现实际 装置的气液相相行为；其求解引擎更是采用联立方程法，区别于传统的序贯模型方 法，收敛速度更快；平台具有良好的扩展性，模块化的模型使用户可以方便地开发 自定义的算法并增加至 UniSim 平台中。此外，其图型化的组态界面，使基于深厚的 专业知识构建起来的平台易学易用。设计院和工程公司利用 UniSim Design Suite 可 完成物性数据集成、反应网络合成、分离序列合成、换热网络合成，输出 PFD 和物 料平衡。基于物料平衡，下由的换热器专业、炉子专业应用 Heat Ex
8、changer 软件完 成换热器和炉子的设计与校核，塔器专业可用 UniSim Design 内置的塔器设计软件 或者借助 UniSim Design FRI 软件接口和 FRI 软件完成塔板水力学计算和塔内件选 型，从而完成关键设备的选型、设计与校核。把由专业设备设计软件设计出来的设 备尺寸再一次导入 UniSim Design 模型，再加上相关控制回路，就形成了工艺设备 的动态模型，同时也完成了工艺包的雏形。借助动态模型，可进行主要控制回路的 测试，PID 参数的整定，以及顺控、ESD、APC 的策略验证。同一个动态模型还可 以与仿真用虚拟控制器和 DCS 连接形成 OTS,培训操作工；与
9、先进控制器连接作为 先进控制虚拟对象，供 APC 阶跃测试使用；采集工厂数据，实时检测设备状况，用 于优化换热网络操作和换热器清洗周期 UniSim Operation Suite应用于操作员培训应用于操作员培训 正常情况下，工厂装置的运行处于比较平稳的状态，操作员很少有机会实践和 经历各种操作情况，因此，久而久之，随着对工艺的淡视将会导致操作员操作经验 技能降低。对于操作员的技术水平来说，关键是看他在工艺发生扰动和变动时，在 紧急情况发生时，在开停车操作过程中，操作员是否能够快速、准确地判断出工艺 过程的状态，并采取相应的恰当的操作。这对于复杂的、危险的炼化装置来说尤为 重要。一次不成功的开
10、车，一次非常低效的开车，或者一次错误的操作，一次迟钝 的工艺操作回应，这对企业意味着大量的放空、排放、大量的中间不合格品、大量 的能动消耗、可能的设备损伤，以致酿成工艺事故，甚至是生产安全事故，这在炼 化，化肥企业的实际生产中例子比比皆是。由此而来对企业造成的损失可谓触目惊 心，更不要说企业还要在时间和市场上的损失。 人是企业最有价值的资产，在当今生产过程中，在企业的生产班组及班员中保 持和增进知识累积可以说是一个企业持续发展的关键，另外，不断的岗位变动也对 操作员的工作范围和相应的知识提出了培训的需求。 操作员仿真培训系统是高技能操作员的培训摇篮，从而确保了生产装置： 完全的装置安全； 减少
11、意外事故，减少低效的工艺操作，从而增加生产，减少时间、物料和能 量的浪费； 控制生产合格的产品，避免质量过剩； 加快开工过程，减少开工时的不合格中间品数量，维持装置在设计条件下运 转，获取最大生产利润； 增进班组合作，加强员工间的技术交流和团队精神。 煤化工企业由于其高复杂性、高危险性，政府和企业都会对上岗员工的技能和知识 进行考核认证。只有那些合格的员工才能被允许上岗操作。所以，企业需要建立一 套程式或制度来对操作员进行技能评估和认证。 UniSim Operation Suite 的教员台提供了一套系统的、一致性的员工评估认证工 具集，比如：场景启动，学员回应，评估学员操作的效能和记录学员
12、的成绩。 由于 UniSim Operation Suite 的模型开发是高度基于客户的工艺和控制系统而定 制，而非一般的、简约化的标准模型。所以 UniSim Operation Suite 能够真正意义地 表示客户工艺，从而针对客户自己的工艺培训操作员工，并向他们传递如下真实经 历： 加强 DCS 中控操作员与现场操作员的合作 工艺基本原理 DCS 操作和控制系统功能 装置开停车操作 理解不同操作条件对工艺的影响，以及工艺和设备的约束条件 非正常工艺状态、设备或控制故障 熟悉先进控制策略 对于复杂的工艺，一般都会有一些不同情境的工况处理操作，在 UniSim Operation Suite
13、 模拟仿真器中， 我们可以通过教员站功能在操作员手册中截获这些练 习场景，并且把他们添加到模型中，操作员可以多次重复演练一个或多个场景，直 到他们全面掌握操作技能。 采用 UniSim Operation Suite 动态仿真模拟器， 能够保护你的资产， 这包括人员、 设备和工艺，并且能够减少培训时间。同时，它也是一部最好的操作员手册，一个 完好开发的培训项目和生产支持服务。 用于探索操作规程 动态仿真模拟器可以用作试验平台，来开发和确认操作技术规程。通过在仿真 模拟器上执行各种不同假设的开停工操作和正常操作，工艺工程师就可以利用 UniSim Operation Suite 的性能评估工具，
14、发掘识别出各种适宜的操作规程，从而使 得装置能够在相应的情形下，作出最适合的操作程序选择。 在整个装置开车过程中，UniSim Operation Suite 的事志功能可以捕获和记录教 员、DCS 操作员以及现场操作员的各种的活动。当捕获记录完成后，操作技术规程 的初稿就会产生出来，再经过重复多次的一致性校验，从而确保最终操作规程的顺 序连贯性、平稳性和高效的指导性。 UniSim Operation Suite用于控制系统的设计，实施和验证用于控制系统的设计，实施和验证 动态仿真模拟器可以被用做高级控制技术和方案策略的研究试验平台，以便开 发出不同层面的调节控制系统和逻辑控制系统。霍尼韦尔
15、卓越的行业经验，使得 UniSim Operation Suite 能够详细准确地模拟控制系统的所有元部件及其功能效用， 并且进行了算法化。使控制工程师可以高效地使用 UniSim Operation Suite 来完成控 制方案的设计、验证、实施等许多方面的应用。 动态模拟在控制技术中的应用： DCS 调节控制； 逻辑控制 Boolean / ladder / sequential ； 设备控制包； 燃烧管理系统（BMS） ； 压缩机性能调节和防喘振控制； 现场液位控制； 先进调节技术应用； 优化控制算法。 控制方案和画面组态在被安装到实际装置以前，可以在模拟仿真器上进行练习 和评估。 首先
16、， 由于 DCS 组态涉及大量的组态点， 各点之间又有着复杂的逻辑关系， 尤其是那些高级的复杂回路，在 DCS 投用之前，如能对其进行全面的测校，将对工 厂开车提供可靠的保障； 另外， 由于初始的 DCS 操作员画面， 大多基于 P&ID 绘制， 而且是非操作员绘制的，所以在很多方面使得操作很不方便，因此，可以在 UniSim Operation Suite 的操作实验时，对其加以完善，以便提高生产操作效率。 对于复杂连锁和控制逻辑，动态评估更是意义显著，因为他们可以通过完整的、 集成的、全范围的操作来确认和校正。一旦得到证实，增强的控制可以从动态仿真 模拟器上直接下载到 DCS 系统中，从而保证了控制系统的全面完整性和可靠性。 控制系统的联调，控制工程师可以通过 UniSim Operation Suite，对装置上的所 有控制器的调节参数进行联合调整，在开工前预先完成初始化。这种联
