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实验室开发的虚拟仿真软件

  • 描述:实验室依据理论研究成果,开发了50余种化工虚拟仿真软件(此处仅列出主要软件),涵盖单元操作、工艺流程、实验装置等内容,可用于化工企业员工培训、高校学生实习,增强用户的虚拟现实体验感。

化工仿真软件DSAS介绍

一、什么是化工仿真软件?

所谓仿真,是指设计一个实际系统的模型,对它进行实验,以便理解和评价系统的各种运行策略。根据仿真所遵循的相似原则基本含义,大致可将仿真分为三大类:物理仿真、数字仿真、半物理仿真。对于某些系统,完全数字仿真的代价昂贵,精度也难以保证,半实物仿真是必需的。例如,飞行驾驶员训练器,为了使飞行器有真实感,座舱往往是以实物的方式介入系统的。数字仿真的前提是系统的数学模型,通常将计算机称为仿真的硬件工具,而将仿真计算方法和仿真程序称为仿真软件。20世纪80年代,国内化工企业广泛使用DCS,使得采用数字仿真技术开发化工仿真软件成为可能。1987年北京化工学院仿真中心研制成功我国第一套通用型石油化工仿真培训系统,在北京燕山石化公司应用成功。此后,仿真培训在我国的过程工业中,尤其是石油化工和炼油工业中蓬勃发展起来。

二、为什么要开发化工仿真软件?

化工仿真软件模拟动态的化工装置参数变化过程,对于了解装置参数发展趋势和分析设备间相互影响关系十分有利。由于化工稳态过程只是相对和暂时的,实际过程中总是存在各种各样的波动、干扰以及条件的变化,因而化工过程的动态变化是必然和经常发生的。归纳引起波动的因素主要有以下几类:

1)计划内的变更,如原料批次变化,计划内的高负荷生产或减负荷操作,设备的定期切换等。

2)过程本身就是不稳定的,例如,新型周期性脉冲式反应器;事故状态时向火炬排放设备中气体的过程;批处理操作过程,等等。

3)意外事故,设备故障、人为的误操作等。

4)装置的开停车。

以上的种种波动和干扰,都会引起原有的稳态过程和平衡发生破坏,而使系统向着新的平衡发展。这一过程的分析,必须由化工仿真软件来回答。由于化工仿真软件考虑到了物料和热量的累计量,所以可以获得更多更详细的化工过程动态信息。

三、化工仿真软件有哪些用途?

化工仿真软件采用过程系统的动态模拟技术,主要研究系统动态特性,其数学模型一般由线性或非线性微分方程组表达。仿真结果描述当系统受到扰动后,各变量随时间变化的响应过程。化工仿真软件在工程设计与操作中的主要用途有:

1)建立员工仿真培训系统。动态仿真系统用来模拟装置的实际生产,它不仅能得到稳态的操作情况,更重要的是当有波动或干扰出现时,系统会产生何种变化,通过动态仿真即可一目了然。因而动态仿真系统可以广泛用于教学和培训。以往新装置开车前,操作人员事先在同类装置上进行培训、实习,以便取得第一手的实际经验。这样做不但费时,费用高昂,更重要的是难以在实际装置上进行事故状态及异常情况的操作培训,也难以保证能够进行开、停车的训练。而这一切在动态仿真系统上都是轻而易举的“常规”训练,操作人员可以反复应用计算机系统进行实践、练习,直至完全掌握。因而动态仿真系统的出现已使计算机培训逐渐取代了传统的实际装置培训。

2)开停车指导。化工生产中,开停车是极其重要的环节。任何疏忽或处理不当都极易产生各种事故,从而导致严重的经济损失或人员伤亡。对于大型的石化装置,每一次非计划开停车,即使是完全正常,也会造成数十万、甚至数百万的经济损失。因此我国历来无不对开停车过程给予高度的重视。然而在没有化工仿真软件的情况下,开停车过程主要是根据经验进行操作,不可能也不允许直接在装置上做任何试验。因而,对于操作者来说,开停车主要依靠经验,很少能从理论上予以验证。自从有了化工仿真软件以来,它已广泛应用于开停车过程的动态研究。从理论上探讨、分析开停车过程的特性,从而指导开停车过程的实施,其主要作用有:缩短开停车时间,尽快达到稳定操作状态或安全停车;降低物耗、能耗,减少开停车损耗;避免可能产生的误操作或事故;减少不合格产品;保证开停车过程顺利进行等。

3)复杂控制系统方案论证。复杂的控制系统通常应当在新厂开工一段时期之后再实施。因为新开工装置的安全与稳定操作是主要矛盾,往往采用简单控制回路。另外,由于人们对过程系统的动态特性了解不足,尚未积累丰富的经验,所以不易实现复杂控制。当装置开工一段时期之后,如果工程技术人员和企业管理人员十分重视了解该装置的静态和动态特性,又积累了较多的经验和现场运行数据,在这种条件下,比较理想的做法是:在现场技术人员的密切配合下,由仿真技术人员依据长期积累的现场数据,全面细致地核对、校验开工时(开工前)所建立的过程系统动态模型,尽可能修正出较为精确的适合于不同工况的数学模型。然后应用仿真技术,依据数学模型分析,试验多种先进的自动控制方案,改造不合理的联锁保护系统。经仿真验证有了把握之后可逐步转入现场实施。

4)事故预案和紧急救灾方案试验。人工事故预案主要采用穷举法,罗列出各种预先设想的事故状态以及不同事故状态的抢救方案。以这种常规方法编制预案的工作量很大,方案说明冗长,使用时翻阅查询费时费力。过程仿真模型具有预测性,可以仿真各种事故状态以及事故源扩散影响所造成的损失。若辅以人工智能技术,计算机软件能根据事故状态立即输出紧急救灾方案,为及时准确地指挥抢险提供科学依据。

四、青岛科技大学开发化工仿真软件有哪些优势?

青岛科技大学化工过程计算中心,经过二十多年的努力,独立研发出了动态模拟分析系统DSASDSAS继承了经典稳态流程模拟系统的数据结构和重要算法,并采用“跟踪逼近法”开发机理模型,取得了动态模拟快速精确的效果。该系统采用Visual C++面向对象开发,可模拟各种化工过程常规和事故状态的动态行为,并可对人员的操作情况进行自动评分。DSAS已成功应用于20余套化工装置的动态仿真系统开发,涉及合成氨、聚甲醛、醋酸、己内酰胺、氯乙烯、甲醇等工艺。

DSAS采用统一的严格机理模型来实现不同工艺状况的动态。目前,许多化工仿真软件由自控专业的人员开发,在不同层次上为了不同的目的往往采用不同的数学模型。这种做法是不合理的,这使整个工艺计算信息难以相互衔接,形成一些“孤岛”,用户使用也不方便,维护则更加困难。与之不同,DSAS采用统一模拟仿真系统,具体的功能如下:

1)采用相同的物性计算方法,使之可适应整个操作范围;

2)采用统一化工设备数学模型来模拟、优化、培训、校正数据;

3)统一模型包括了设备正常和异常变化方程,可以在模拟正常操作过程时,随时进行异常工况模拟;

4)统一的关系数据库,避免“数出多源”,保持数据的一致性,具有状态记忆、时标设定等功能。

五、DSAS软件介绍

1、技术指标:

1)软件由电石法生产乙炔工艺、合成氨合成工艺、乙烯直接氧化法生产乙醛工艺等动态模拟子系统构成,采用仿工业集散控制系统CS3000操作界面,可以真实地模拟这些化工生产过程的开停车和正常操作过程。

2)软件采用化工机理模型编制而成,具有时标设定、状态记忆与调用、故障设置、自动评分等功能,可用于化工及相近专业的认识实习和生产实习,加深学生对生产工艺的理解。

3)软件由后台计算模块和前台仿CS3000界面组成,二者通过TCP/IP通讯协议连接,可以通过局域网实现多操作站对同一工艺模块的联合操作,训练学生的协同配合能力。

4)软件具有教师机功能,通过网络遥控学员操作台,设置故障,查看学员操作情况和操作成绩。

2软件授权点数

网络版50个用户;网络版120个用户

3、售后服务

1)乙方免费为甲方提供1年的技术支持服务。在此期间,甲方在产品使用过程中,若有问题,如通过电话、传真、因特网无法解决时,乙方应能尽快安排时间到现场解决问题。一年试运行期结束后,乙方继续通过电话、传真、因特网为用户提供技术支持服务,甲方如需乙方现场技术支持服务,乙方应能尽快安排时间到现场解决问题,甲方支付给乙方技术服务的服务费用。

2)对甲方的运行维护人员的培训,是系统成功起动和运行的基础。乙方将派遣有经验的技术人员安排培训课程,培训后使运行维护人员能正确使用化工过程实习动态模拟系统,并能处理一般性日常维护问题。

4、仿真软件列表

序号

仿真软件名称

工艺规模

软件著作权登记号

1

电石法生产乙炔工艺仿真软件DSAM V1.0

2013SR078079

2

合成氨合成工序仿真软件DSASL V1.0

2013SR142497

3

乙烯直接氧化法生产乙醛工艺仿真软件DSDOA V1.0

2014SR028174

4

合成氨变换工序仿真软件DSCPA V1.0

5

己内酰胺合成工序仿真软件

6

己内酰胺萃取工序仿真软件

7

甲醇合成工序仿真软件

8

脱丙烷精馏塔仿真软件

9

聚甲醛聚合工序仿真软件

10

离心泵仿真软件

11

电石法氯乙烯工艺仿真软件

12

吸收塔仿真软件

13

聚氯乙烯干燥工序仿真软件

14

乙醛氧化生产醋酸工艺仿真软件

15

氯乙烯回收工序仿真软件

16

丁苯橡胶聚合工序仿真软件

17

催化裂化反再系统仿真软件

18

苯加氢制环己烯工艺仿真软件

19

合成氨变换工序仿真软件

20

制气工艺仿真软件

21

管式加热炉仿真软件

22

甲苯氧化反应器仿真软件

23

蒸汽锅炉仿真软件

六、结束语

化工仿真是建立在强大的化工、数学、计算机、自动化理论基础上的实用性化工模拟技术,在化工企业员工培训和高校学生实习中发挥了重要的作用。目前,化工仿真技术正朝着虚拟化、网络化、安全化的方向发展,需要所有从事化工生产、研发、教学的技术人员协同开发,使之不断完善。欢迎广大企业同行对我们的工作批评指正,更欢迎与我们合作开发更多、更新的化工仿真系统,为我国的化工事业多做贡献!

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