計(jì)算機(jī)在化工領(lǐng)域的運(yùn)用

1、計(jì)算機(jī)在化工領(lǐng)域的運(yùn)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)手段也發(fā)生了巨大的變化，人們將計(jì)算機(jī)技術(shù) 引入化工領(lǐng)域以達(dá)到縮短開發(fā)時(shí)間、節(jié)省開發(fā)費(fèi)用、方便控制與管理、加快問(wèn)題 解決步伐、確保工程可行性等廿的，這使得計(jì)算機(jī)技術(shù)與化工領(lǐng)域的關(guān)系f1益密 切、相輔相成、共同發(fā)展。從宏觀的數(shù)據(jù)處理、過(guò)程模擬到微觀層次的結(jié)構(gòu)計(jì)算， 從儀器的實(shí)吋控制到信息檢索，計(jì)算機(jī)都發(fā)揮著極其重要的作用。但就口前看，我國(guó)的化學(xué)工業(yè)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在較大的差距。究其 原因，除了化工基礎(chǔ)、起步時(shí)間和開發(fā)資金等客觀因素外，制約化學(xué)工業(yè)發(fā)展的 一個(gè)瓶頸主要在于化工過(guò)程計(jì)算、模型、控制和優(yōu)化的技術(shù)水平。尤其在近 兒十年來(lái)，計(jì)算機(jī)在化學(xué)化

2、工領(lǐng)域中的應(yīng)用、發(fā)展突飛猛進(jìn)，其效率、成果取得 了令人矚目的成績(jī)。本文主要從以下兒個(gè)方面進(jìn)行了闡述：化工流程模擬、過(guò)程規(guī)劃與控制、工 藝?yán)L圖、獨(dú)立式換熱器設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理等。簡(jiǎn)單介紹在該化學(xué)領(lǐng)域中，一些計(jì)算 機(jī)軟件的運(yùn)用情況，為初學(xué)者提供一些參考。1. 計(jì)算機(jī)在化工流程模擬方面的運(yùn)用化工流程模擬（亦稱過(guò)程模擬）技術(shù)是以工藝過(guò)程的機(jī)理模型為基礎(chǔ)，采用數(shù) 學(xué)方法來(lái)描述化工過(guò)程，通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算手段，進(jìn)行過(guò)程物料衡算、熱 量衡算、設(shè)備尺寸估算和能量分析，作出環(huán)境和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。它是化學(xué)工程、化工 熱力學(xué)、系統(tǒng)工程、計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，是近兒十年發(fā)展 起來(lái)的一門新技術(shù)。本節(jié)主要介紹a

3、spen plus> pro /il hysys和chemcad在化工模擬方而 的運(yùn)用。1.1 aspen plusaspen plus是大型通用流程模擬系統(tǒng)，源于美國(guó)能源部七十年代后期在麻省 理工學(xué)院（mit）組織的會(huì)戰(zhàn)，開發(fā)新型第三代流程模擬軟件。該項(xiàng)fi稱為“過(guò) 程工程的先進(jìn)系統(tǒng)”（advanced system for process engineering, fit）稱 aspen）, 并于1981年底完成。1982年為了將其商品化，成立了 aspen tech公司，并稱之 為 aspen plusoaspen plus擁有嚴(yán)格和最新的計(jì)算方法、最完備的物性系統(tǒng)、完整的單元操

4、作模型庫(kù)、電解質(zhì)模擬系統(tǒng)、快速可靠的流程模擬功能、先進(jìn)的流程收斂方法, 可以進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算等。aspen plus進(jìn)行單元和全過(guò)程的計(jì)算，為企業(yè)提供準(zhǔn)確的 單元操作模型，還可以評(píng)估已有裝置的優(yōu)化操作或新建，改建裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng) 用于化工、煉油、石油化工、氣體加工、煤炭、醫(yī)藥、冶金、環(huán)境保護(hù)、動(dòng)力、 節(jié)能、食品等許多工業(yè)領(lǐng)域。該軟件經(jīng)過(guò)20多年來(lái)不斷地改進(jìn)、擴(kuò)充和提高，已先后推出了十多個(gè)版本， 成為舉世公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)人型流程模擬軟件，應(yīng)用案例數(shù)以百萬(wàn)計(jì)。全球各大化工、 右化、煉油等過(guò)程工業(yè)制造企業(yè)及著名的工程公司都是aspen plus的用戶。1.2 pro/iipro/ii是美國(guó)simsci-ess

5、cor公司開發(fā)的化丄流程模擬軟件，已廣泛應(yīng)用于 油/氣加工、煉油、化工、化學(xué)、工程和建筑、聚合物、精細(xì)化工/制商等行業(yè)。proii軟件自80年代進(jìn)入中國(guó)后，已得到廣大用戶的好評(píng)，發(fā)揮出良好的 效益。特別是一些大的石化和化工設(shè)計(jì)院的應(yīng)用，更能說(shuō)明它的獨(dú)具功能和特點(diǎn)。 這些單位有：北京煉油設(shè)計(jì)院bdl石化北京工程公司bpec、寰球院、天辰院 (2000年購(gòu)買)、吉化院(2000年購(gòu)買)、撫順院、烏石化院、大慶油田院、大 慶天然氣公司等數(shù)十家單位(近年購(gòu)買)。pro/ii軟件功能特點(diǎn)：適用的行業(yè)：油/氣加工、煉油、化工、化學(xué)、工程和建筑、聚合物、精細(xì) 化工/制藥;模擬應(yīng)用：設(shè)計(jì)新工藝、評(píng)估改變的裝置

6、配置、改進(jìn)現(xiàn)有裝置、依拯環(huán)境規(guī) 則進(jìn)行評(píng)估和證明、消除裝置工藝瓶頸、優(yōu)化和改進(jìn)裝置產(chǎn)量和效益；pro/ii典型的化學(xué)工藝模型：合成氨、共沸精憾和萃取精館、結(jié)晶、脫水 工藝、無(wú)機(jī)工藝、液液抽提、苯酚精憎、固體處理。proii軟件除基本包以外，還捉供給用戶冇如下模塊：界面模塊(1) htfs、pro/ii-htfs interface 口動(dòng)從pro/ii數(shù)據(jù)庫(kù)檢索物流物性數(shù)據(jù), 并用該數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)htfs輸入文件。htfs然后能輸出該文件，以訪問(wèn)各種 物流物性數(shù)據(jù)。(2) htri、pro/ii-htri interface從pro/ii數(shù)拯庫(kù)檢索數(shù)拯，并創(chuàng)建一個(gè) 用于各種htri程序的htri輸

7、入文件。來(lái)自pro/ii熱物理性質(zhì)計(jì)算的物流性 質(zhì)分配表捉供給htri的嚴(yán)格換熱器設(shè)計(jì)程序。這減少在兩個(gè)程序z間輸入數(shù)據(jù) 的重復(fù)。(3) linnhoff march,來(lái)自pro/ii的嚴(yán)格質(zhì)量和能量平衡結(jié)果能傳送給 supertarget(tm)塔模塊，以分析整個(gè)分離過(guò)程的能量效率。所建議的改進(jìn)方案然 后就能在隨后的pro/ii運(yùn)行中求出值來(lái)。應(yīng)用模塊(1) batch,攪拌釜反應(yīng)器和間歇蒸憾模型能夠獨(dú)立運(yùn)行或作為常規(guī)pro/ii 流程的一部分運(yùn)行。操作可通過(guò)一系列的操作方案來(lái)說(shuō)明，具有無(wú)比的靈活性。(2) electrolytes,該模塊嚴(yán)密結(jié)合了出oli systems, inc開發(fā)的嚴(yán)

8、格屯解質(zhì) 熱力學(xué)算法。電解質(zhì)應(yīng)用包作為該模塊的一部分，進(jìn)一步擴(kuò)展了一些功能，如生 成用戶電解質(zhì)模型和創(chuàng)建、維護(hù)私有類數(shù)據(jù)庫(kù)。(3) polymers,能模擬和分析從單休提純和聚合反應(yīng)到分離和后處理范圍內(nèi) 的工業(yè)聚合工藝。對(duì)于pro/ii的獨(dú)到之處是通過(guò)一系列平均分子重量分率來(lái)描 述聚合物組成，可以準(zhǔn)確模擬聚合物的混合和分傭。(4) profimatics, kbc profimatics重整器和加氫器模型被添加到pro/ii單 元操作。對(duì)于pro/ii的獨(dú)到z處是，由這些反應(yīng)修改的基礎(chǔ)組分和熱力學(xué)性質(zhì) 數(shù)據(jù)被口動(dòng)錄。1.3 hysyshysys原是加拿大hyprotech公司產(chǎn)品，hyprot

9、ech公司創(chuàng)建于1976年， 是世界上最早開拓石油、化工方面的工業(yè)模擬、仿真技術(shù)的跨國(guó)公司。其技術(shù)廣 泛應(yīng)用于右油開采、儲(chǔ)運(yùn)、天然氣加工、石油化工、精細(xì)化工、制藥、煉制等領(lǐng) 域。它在世界范圍內(nèi)石油化工模擬、仿真技術(shù)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。hyprotech已 有17000多家用戶，遍布80多個(gè)國(guó)家，其注冊(cè)用戶數(shù)口超過(guò)世界上任何一家 過(guò)程模擬軟件公司。目前世界各大主要石油化工公司都在使用hyprotech的產(chǎn) 品，包括世界上名列前茅的前15家石油和天然氣公司，前15家石油煉制公司 中的14家和前15家化學(xué)制品公司中的13家。2002年美國(guó) aspentech公司將 hyprotech公司收購(gòu)，hysys

10、就該是 aspentech公司旗下產(chǎn)品了，2004年美國(guó)honeywell公司從aspentech公司買下 hysys 軟件的產(chǎn)權(quán)。hysys2004 為 aspenone 的一部分，是 aspen 買了 hysys 后推岀的第一個(gè)版本。hysys以具有十幾年世界各地石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用歷史的hysim為其堅(jiān) 實(shí)的基礎(chǔ)。hysys包含更多、更復(fù)雜的物性計(jì)算包及單元操作，為了能更快速、 準(zhǔn)確得到計(jì)算結(jié)果，增加了強(qiáng)大的初始化及快速迭代計(jì)算工具。同時(shí)還增加了系 統(tǒng)優(yōu)化、反應(yīng)蒸1：留、先進(jìn)的變量計(jì)算表、用于控制研究的控制器和傳遞函數(shù)發(fā)生 器。hysys主要冇以下特點(diǎn)：(1) 最先進(jìn)的集成式工程環(huán)境。由于

11、使用了面向目標(biāo)的新一代編程工具，使集成式的工程模擬軟件成為現(xiàn)實(shí)。 在這種集成系統(tǒng)屮，流程、單元操作是互相獨(dú)立的。流程只是齊種單兀操作這種 口標(biāo)的集合，單元操作之間靠流程屮的物流發(fā)生聯(lián)系。在工程設(shè)計(jì)屮穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài) 使用的是同一個(gè)目標(biāo)，然后共享目標(biāo)的數(shù)據(jù)，不須進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。因此在這種先 進(jìn)且易于使用的系統(tǒng)中用戶能夠得到最大的效益，對(duì)復(fù)雜的工藝流程往往要分成 幾個(gè)部分模擬。這主要基于：小流程分析方便，速度快；對(duì)不同體系采用不 同的熱力學(xué)方法以取得更精確的結(jié)果，以往的軟件基本采用的方法是先單獨(dú)對(duì)小 流程模擬，然后人工或軟件通過(guò)文件將數(shù)據(jù)從一個(gè)流程傳遞到另一個(gè)流程。這種 數(shù)據(jù)的強(qiáng)制性傳遞必然引起流程內(nèi)部數(shù)

12、據(jù)的矛厲，其結(jié)果是流程必須重新計(jì)算。 集成式的工程環(huán)境則不同，它使人們能在一個(gè)模擬環(huán)境中將流程分為若干個(gè)子流 程，可大可小。這種集成環(huán)境的獨(dú)到之處是子流程、主流程之間的數(shù)據(jù)是相互共 享的，不須傳遞。它們之間還可以采用不同的物性計(jì)算包。從一個(gè)流程到另一個(gè) 流程就彖翻書一樣容易。（2）強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)模擬功能。動(dòng)態(tài)模擬的方法及過(guò)程是流程穩(wěn)態(tài)模擬收斂后，首先定義單元操作的動(dòng)態(tài)數(shù) 據(jù)（如分離器的兒何尺寸、液位高度等），安裝控制儀表，然后就可以進(jìn)入動(dòng)態(tài), 開始動(dòng)態(tài)模擬。動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中，可以隨時(shí)調(diào)整溫度、壓力等各種工藝變量（這 就是windows的多任務(wù)），觀察它們對(duì)產(chǎn)品的影響以及變化規(guī)律。還可以隨時(shí)停 下來(lái)，

13、轉(zhuǎn)回靜態(tài)。由于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)是相同對(duì)象的共享，所以動(dòng)靜之間的轉(zhuǎn)換非常 容易。hysys捉供了 pid控制器、傳遞函數(shù)發(fā)生器、數(shù)控開關(guān)、變量計(jì)算表等 進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬的控制單元。pid控制器可完成對(duì)任何變量的控制。傳遞函數(shù)發(fā) 生器可產(chǎn)生任何形式的過(guò)程傳遞函數(shù)，如一階環(huán)節(jié)、二階環(huán)節(jié)、微分和積分環(huán)節(jié)。 用它們可以模擬任何被控制對(duì)象及干擾源。數(shù)控開關(guān)在動(dòng)態(tài)過(guò)程屮，可通過(guò)檢 杳某操作條件而控制另一變量的開或關(guān)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)整體裝置的控制。4每個(gè) 變量計(jì)算表存儲(chǔ)26 * 50,即130個(gè)變量。這個(gè)表彖一臺(tái)在線掛在實(shí)際裝置上的 控制機(jī)，可以引入流程中的任何變量，然后在表中處理（該表叮以進(jìn)行各種函數(shù) 及邏輯運(yùn)算），將其

14、結(jié)果再送回流程，指定給某些變量，從而達(dá)到控制某些變量 的目的。（3）dcs接口。hysys通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)dll與dcs控制系統(tǒng)鏈接。裝置的 dcs數(shù)據(jù)可以進(jìn)入hysys,而hysys的工藝參數(shù)也可以傳冋裝置。通過(guò)這種 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn);在線優(yōu)化控制;生產(chǎn)指導(dǎo);生產(chǎn)培訓(xùn);儀表設(shè)計(jì)系統(tǒng)的離線 調(diào)試。 工藝參數(shù)優(yōu)化器。軟件中增加了功能強(qiáng)大的優(yōu)化器，它有五種算法供您 選擇，可解決無(wú)約束、有約束、等式約束及不等式約束的問(wèn)題。其中序列二次型 是比較先進(jìn)的一種方法，可進(jìn)行多變量的線性、非線性優(yōu)化，配合使用變量計(jì)算 表，可將更加復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)計(jì)算模型加入優(yōu)化器屮，以得到可獲最大經(jīng)濟(jì)效益的操 作條件。除了上述的特點(diǎn)外,

15、hysys屮還包括了事件驅(qū)動(dòng)加物性計(jì)算包、干板開車、 內(nèi)置人工智能、數(shù)據(jù)回歸包、物性計(jì)算包、物性預(yù)測(cè)系統(tǒng)、事件驅(qū)動(dòng)、窄點(diǎn)分析 工具、方案分析工具、齊種塔板的水力學(xué)計(jì)算、任意塔的計(jì)算、非序貫?zāi)M技術(shù) 等。hysys軟件是世界著名油氣加工模擬軟件工程公司開發(fā)的大型專家系統(tǒng) 軟件。該軟件分動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩大部分。其動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)主要用于油出地面工程建設(shè) 設(shè)計(jì)和石油石化煉油工程設(shè)計(jì)計(jì)算分析。其動(dòng)態(tài)部分可用于指揮原油生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn) 系統(tǒng)的運(yùn)行。對(duì)于油田地而建設(shè)該軟件可以解決以下問(wèn)題：(1) 在油出地面工程建設(shè)中的應(yīng)用各種集輸流程的設(shè)計(jì)、評(píng)估及方案優(yōu)化站內(nèi)管網(wǎng)、長(zhǎng)輸管線及泵站管道停輸?shù)臏亟凳瞻l(fā)清管球及段塞流的預(yù)測(cè)油氣

16、分離油、氣、水三相分離油氣分離器的設(shè)計(jì)計(jì)算天然氣水化物的預(yù)測(cè)油氣的相圖繪制及預(yù)測(cè)油氣的反析點(diǎn)原油脫水原油穩(wěn)定裝置設(shè)計(jì)、優(yōu)化天然氣脫水(甘醇或分子篩)、脫硫裝置設(shè)計(jì)、優(yōu)化天然氣輕姪回收裝置設(shè)計(jì)、優(yōu)化泵、壓縮機(jī)的選型和計(jì)算(2) 在石油石化煉油方面的應(yīng)用常減壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化； fcc主分憾塔設(shè)計(jì)、優(yōu)化；氣體裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化；汽油穩(wěn)定、石腦油分離和氣提、反應(yīng)精憾、變換和甲烷化反應(yīng)器、酸 水分離器、硫和hf酸烷基化、脫異丁烷塔等設(shè)計(jì)與優(yōu)化；在氣體處理方而：可完成：胺脫硫、多級(jí)冷凍、壓縮機(jī)組、脫乙烷 塔和脫甲烷 塔、膨脹裝置、氣體脫氫、水合物生成/抑制、多級(jí)、 平臺(tái)操作、冷凍回路、透平膨脹機(jī)優(yōu)化。1.4

17、chemcadchemcad系列軟件是美國(guó)chemstations公司開發(fā)的化工流程模擬軟件。使 用它，可以在計(jì)算機(jī)上建立與現(xiàn)場(chǎng)裝置吻合的數(shù)據(jù)模型，并通過(guò)運(yùn)算模擬裝置的 穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)運(yùn)行，為工藝開發(fā)、工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作和技術(shù)改造提供理論指導(dǎo)。chemcad是一個(gè)用于對(duì)化學(xué)和石油工業(yè)、煉油、油氣加工等領(lǐng)域屮的工藝 過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的應(yīng)用軟件，是工程技術(shù)人員用來(lái)對(duì)連續(xù)操作單元進(jìn)行物 料平衡和能量平衡核算的有力工具。使用它，可以在計(jì)算機(jī)上建立與現(xiàn)場(chǎng)裝置吻 合的數(shù)據(jù)模型，并通過(guò)運(yùn)算模擬裝置的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)運(yùn)行，為工藝開發(fā)、工程設(shè)計(jì) 以及優(yōu)化操作提供理論指導(dǎo)。chemcad主要有以下功能特點(diǎn)：(1) 工程設(shè)

18、計(jì)：在工程設(shè)計(jì)中，無(wú)論是建立一個(gè)新廠或是對(duì)老廠進(jìn)行改造，chemcad都可以用來(lái)選擇方案，研究非設(shè)計(jì)工況的操作及工廠處理原料 范圍的靈活性。工藝設(shè)計(jì)模擬研究不僅可以避免工廠設(shè)備交付前的費(fèi)用估算錯(cuò)誤, 還可用模擬模型來(lái)優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)進(jìn)行一系列的工況研究，來(lái)確保工 廠能在較大范圍的操作條件內(nèi)良好運(yùn)行。即使是在工程設(shè)計(jì)的最初階段，也可 用這個(gè)模型來(lái)估計(jì)工藝條件變化對(duì)整個(gè)裝置性能的影響。(2) 優(yōu)化操作：對(duì)于老廠，由chemcad建立的模型可作為工程技術(shù)人員用 來(lái)改進(jìn)工廠操作、捉高產(chǎn)量的產(chǎn)率以及減少能量消耗的冇力工具?？捎媚M的 方法來(lái)確定操作條件的變化以適應(yīng)原料、產(chǎn)品要求和環(huán)境條件的變化。該

19、模型可 指導(dǎo)工廠的操作以降低費(fèi)用、提高產(chǎn)率。這樣的例了在一些流程模擬軟件應(yīng)用較 好的化工裝置可以舉出很多。(3) 技術(shù)改造：chemcad也可用模擬研究工廠合理化方案以消除爭(zhēng)ot問(wèn) 題，或采用先進(jìn)技術(shù)改善工廠狀況的可行性，如采用改進(jìn)的催化劑、新溶劑或 新的工藝過(guò)程操作單元。chemcad還具有容易使用、高度集成、界而友好等特點(diǎn)。chemcad擁冇 最短的學(xué)習(xí)曲線。1.5四款軟件的比較簡(jiǎn)單總結(jié)以下兒點(diǎn)：6.2 一般認(rèn)為，proi1在煉油工業(yè)應(yīng)用更為準(zhǔn)確些，因其數(shù)據(jù)庫(kù)中有不少經(jīng) 驗(yàn)數(shù)據(jù)；而aspen plus在化工領(lǐng)域表現(xiàn)更好，aspen plus與之比較有其它軟件不 可比擬的優(yōu)點(diǎn)它基本上覆蓋了以

20、上各軟件的所有優(yōu)點(diǎn)。有人比喻：proii是經(jīng)驗(yàn) 派，aspen plus是學(xué)院派;6.3 hysys主要用于煉汕，動(dòng)態(tài)模擬是它的優(yōu)勢(shì)，spen是智能型的，用于 化工領(lǐng)域流程模擬，比較大或長(zhǎng)的流程，而且數(shù)據(jù)庫(kù)比較全，開方式的，它和 hysys同屬一家公司；pro/ii可以用于設(shè)備核算，流程短，或精綢核算； chemcad由于物性較少，使用不方面，相對(duì)較差，網(wǎng)上到處都可以下載，設(shè)計(jì) 院不太使用，高校中有一定市場(chǎng)；6.4 我覺(jué)得aspen plus的計(jì)算是最精確的，數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)也是最完善的。由 于它考慮的方面非常全面，所以學(xué)起來(lái)比較費(fèi)勁。chemcad的界面操作讓人感 覺(jué)非常簡(jiǎn)單，使用起來(lái)比較順手。

21、但是數(shù)據(jù)庫(kù)不是太大，我用的5.0版本，就 只冇2000中常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)。pro/ii在這兩方而都在屮間。6.5 從易收斂性上看，chemcad > hysys > pro/ii6.6 從貼近工業(yè)實(shí)際看，pro/ii > hysys > chemcad四個(gè)都是工程模擬仿 真軟件，其中aspen plus、pro/il hysys為國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)設(shè)計(jì)院所使用。感 覺(jué)aspen plus適應(yīng)范圍最廣，電解質(zhì)、固體、燃燒等模塊是其它軟件難以比擬的； pro/ii在石化上應(yīng)用較多，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)；hysys則在油氣工程領(lǐng)域就有 著極高的精度和準(zhǔn)確性。2. 計(jì)算機(jī)在化工規(guī)劃和控

22、制方面的應(yīng)用過(guò)程工業(yè)模型化系統(tǒng)(pims,即 processes industry modeling system)是美 國(guó)aspen tech公司的產(chǎn)品，廣泛使用于美洲6 0%的煉油廠、全世界170多個(gè) 煉汕廠。aspen pims通過(guò)提供一個(gè)能運(yùn)行于個(gè)人電腦且功能強(qiáng)犬易于使用的線 性規(guī)劃軟件工具，在世界范圍內(nèi)引起了一場(chǎng)煉油廠計(jì)劃安排的革命。簡(jiǎn)單-控制系統(tǒng)和常用復(fù)雜控制系統(tǒng)都以經(jīng)典控制理論為理論基礎(chǔ)，是在廣泛 采用常規(guī)儀表的年代發(fā)展起來(lái)的。隨著現(xiàn)代控制理論與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程 自動(dòng)化的迫切要求，特別是對(duì)于特性復(fù)雜的過(guò)程，如具有不確定性(如壞境結(jié)構(gòu) 和參數(shù)的未知性

23、、時(shí)變性、隨機(jī)性、突變性)、非線性、變量間的關(guān)聯(lián)性、信息 的不完全性和大純滯后性等的過(guò)程，采用pid控制往往達(dá)不到滿意的控制效果， 需耍冇新的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制算法，因此，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外大 力致力于先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)。2.1 aspen pimspims是一個(gè)功能強(qiáng)大且易于使用的流程工業(yè)經(jīng)濟(jì)計(jì)劃的線性規(guī)劃模型系統(tǒng), 既可用來(lái)優(yōu)化石油化工以及其他流程工業(yè)的運(yùn)行和設(shè)計(jì)，又廣泛應(yīng)用于原油采購(gòu)、 生產(chǎn)計(jì)劃制定、成品油出廠質(zhì)量調(diào)合、技改技措項(xiàng)目的投資評(píng)估、短期計(jì)劃或長(zhǎng) 期戰(zhàn)略的規(guī)劃。pims擴(kuò)展的綜合診斷信息告訴用戶模型中什么地方可能或已存 在錯(cuò)誤。運(yùn)行結(jié)果被報(bào)告成一個(gè)可供裝置

24、和工廠工程師閱讀的文檔。也就是說(shuō)， 用戶花很少的時(shí)間就能完成大量的工作，進(jìn)而作出快速準(zhǔn)確的經(jīng)濟(jì)決策，特別是 全面復(fù)雜的優(yōu)化。aspen pims是軟件1是基于線性優(yōu)化等算法實(shí)現(xiàn)的煉油和化工企業(yè)的工 廠計(jì)劃優(yōu)化軟件，目前被全球煉化企業(yè)廣泛采用，在長(zhǎng)期實(shí)踐中得到行業(yè)認(rèn)可。 操作系統(tǒng)采用windows或windows nt0它具有功能強(qiáng)大、菜單操作、技術(shù)先 進(jìn)的特點(diǎn)。利用aspen pims軟件建立數(shù)學(xué)模型是一個(gè)系統(tǒng)工程，該模型能貫穿采購(gòu)、 生產(chǎn)、銷售等企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)全過(guò)程，并根據(jù)企業(yè)需要靈活地建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模 型，與其他流程優(yōu)化軟件相比，aspen pims模型具冇以下特點(diǎn):aspen pims系列

25、軟件功能強(qiáng)大，能根據(jù)企業(yè)實(shí)際需要靈活地建立數(shù)學(xué) 模型，在一定程度上，它能促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)管理水平的提高；實(shí)現(xiàn)物流性質(zhì)口動(dòng)傳遞；能將非線性問(wèn)題進(jìn)行線性化處理，更加貼近實(shí)際；利用5 -base技術(shù)，可使裝置進(jìn)料性質(zhì)與產(chǎn)品收率及性質(zhì)關(guān)聯(lián)起來(lái)；將裝置的輔助材料及公用工程放入模型中，完善裝置生產(chǎn)的優(yōu)化；能提供庫(kù)存管理指導(dǎo)；具有案例分析手段，包扌舌多案例分析，可減輕應(yīng)用人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。aspen pims軟件在石化行業(yè)的應(yīng)用冇以下幾方面：構(gòu)建原油優(yōu)化的集總模 型；編制年度計(jì)劃和季度計(jì)劃選擇優(yōu)化的供應(yīng)、生產(chǎn)和銷售方案；編制月度計(jì)劃 和調(diào)度計(jì)劃；建立多周期模型，確定工廠合理的庫(kù)存；根據(jù)需要編制專門模型, 比如分析

26、該廠效益瓶頸、對(duì)增建和擴(kuò)建裝置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)預(yù)估和比較、對(duì)原油的選擇、 對(duì)油品市場(chǎng)的開拓進(jìn)行經(jīng)濟(jì)預(yù)估和比較、給出原油和成品的保木點(diǎn)等。aspen pims可以用來(lái)提高生產(chǎn)計(jì)劃水平，優(yōu)化原油采購(gòu)，確定經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)規(guī) 模，選擇合理的生產(chǎn)操作條件，尋找瓶頸制約因素，提高投資效益，利用影了 價(jià)格，適應(yīng)市場(chǎng)變化。2.2 apc先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)(advanced process control,簡(jiǎn)稱apc)是指具冇比常規(guī)控 制(pid)更好控制效果的控制策略的統(tǒng)稱，是捉高過(guò)程控制質(zhì)量、解決復(fù)雜過(guò) 程控制問(wèn)題的理論和技術(shù)。將現(xiàn)代控制理論移植到過(guò)程控制領(lǐng)域，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能，世界齊國(guó)在 加強(qiáng)建模理論、辯識(shí)技術(shù)、優(yōu)化

27、控制、最優(yōu)控制、高級(jí)過(guò)程控制等方面研究。推 出了從實(shí)際工業(yè)過(guò)程特點(diǎn)出發(fā)，尋求對(duì)模型要求不高、在線計(jì)算方便、對(duì)過(guò)程和 環(huán)境的不確定性有一定適應(yīng)能力的控制策略和方法。例如預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)、推斷控 制、解耦控制、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、魯棒控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)(專家系統(tǒng)、模 糊控制)等先進(jìn)控制系統(tǒng)。先進(jìn)控制系統(tǒng)是指對(duì)工業(yè)過(guò)程木身的非線性、吋變性、耦合性和不確定性的 特點(diǎn)，而釆用的預(yù)測(cè)控制、推理控制、軟測(cè)量技術(shù)、解耦控制、自適應(yīng)控制、模 糊控制、專家控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)。概括起來(lái)，先進(jìn)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的原因主要有：計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展、現(xiàn)代 控制理論的誕生、過(guò)程工業(yè)向大型化和精細(xì)化方向發(fā)展。隨著人工智能理論

28、的突破性發(fā)展和控制理論和其它學(xué)科的交叉滲透，先進(jìn)控 制技術(shù)將會(huì)得到更深層次的發(fā)展，為企業(yè)帶來(lái)更顯著的經(jīng)濟(jì)效益。apc的主要運(yùn)行特點(diǎn)有：穩(wěn)定操作過(guò)程，卡邊操作，動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)模型，apc 運(yùn)行周期分鐘，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益(3%-5%)等。表1列舉了國(guó)外部分先進(jìn)控制商業(yè)化軟件。美國(guó)的setpoint公司的smca (setpoint multivariable control architecture)軟件包在石油化工等領(lǐng)域得到了廣 泛應(yīng)用。美國(guó)的dmc公司推出了 dmc軟件包，它以動(dòng)態(tài)炬陣控制理論為基礎(chǔ)， 性能優(yōu)越、品質(zhì)高。美國(guó)的continental controls公司研制的mvc軟件包采用多 變量

29、模型預(yù)測(cè)控制算法，在乙苯等生產(chǎn)過(guò)程中得到了良好的應(yīng)用。美國(guó)的dot products公司開發(fā)了非線性預(yù)測(cè)控制軟件包polymers nlc,己在20多家企業(yè)得 到成功應(yīng)用，取得了提高企業(yè)生產(chǎn)能力10%、壓縮開車時(shí)間50%的成績(jī)。美國(guó) 的pavillion technologies公司推岀了 process perfecter軟件包，以非線性預(yù)測(cè)控制 算法為基礎(chǔ)，在水泥、化工和石油等行業(yè)得到良好應(yīng)用。美國(guó)著名的aspen tech 公司研發(fā)了 dmcplus先進(jìn)控制包，該軟件包包含了工業(yè)過(guò)程建模、仿真、控制 器組態(tài)和自動(dòng)配置優(yōu)化等功能，運(yùn)用了多變量預(yù)測(cè)控制理論，已經(jīng)在一t多個(gè)工 程項(xiàng)目中得到成功

30、應(yīng)用。美國(guó)的honeywell公司推出了綜合先進(jìn)控制和實(shí)吋優(yōu)化 理論的tps軟件包，它包含多變量控制和最優(yōu)控制等算法，具冇而向整個(gè)工廠 的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息管理的強(qiáng)大功能。另外honeywell公司還研發(fā)了多變量約 束過(guò)程控制軟件包rmpct,在造紙、冶金和石化等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。法國(guó)的 adersa公司開發(fā)了先控軟件包idcomhiecon,它面向連續(xù)過(guò)程的多變量模 型預(yù)測(cè)控制。英國(guó)的predictive control公司的軟件包c(diǎn)onnoisseur具有過(guò)程 建模、控制器設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等功能，包含自適應(yīng)控制和基于約束的最優(yōu)控制等 算法，在水泥、化工、采礦、食品、冶金和石化等方面廣泛應(yīng)用。表

31、1國(guó)外先進(jìn)控制軟件公司軟件包名稱簡(jiǎn)介setpoint inc.smca多變量模型預(yù)測(cè)控制dmc corp.dmc動(dòng)態(tài)矩陣控制continental controlsmvc多變量模型預(yù)測(cè)控制dot products polymersnlc菲線件模型預(yù)測(cè)控制aspen techdmc plus動(dòng)態(tài)矩陣控制honeywelltps工廠一體化先進(jìn)控制adersarmpct多變量約朿過(guò)程控制idcom-hiecon多變量模型預(yù)測(cè)控制predictive control ltd.connoisseur口適應(yīng)控制、最優(yōu)控制pavillion technologiesprocess perfecter非線性模

32、型預(yù)測(cè)控制dmc plus是美國(guó)aspentech公司的新一代控制器。它集成了原dmc公司 dmc控制器的內(nèi)核技術(shù)。dmc plus的內(nèi)核引擎包括三個(gè)重要部分，預(yù)測(cè)模塊、 線性優(yōu)化模塊與動(dòng)態(tài)控制器模塊。dmc plus主要冇工業(yè)過(guò)程建模、仿真、控制 器組態(tài)和自動(dòng)配置優(yōu)化等功能，運(yùn)用了多變量預(yù)測(cè)控制理論，已經(jīng)在一千多個(gè)工 程項(xiàng)口中得到成功應(yīng)用。3. 計(jì)算機(jī)在化工工藝?yán)L圖方面的運(yùn)用計(jì)算機(jī)在化工中一個(gè)重要的應(yīng)用就是繪制各種化學(xué)、化工的專業(yè)圖形。在此 主要介紹兩種繪圖軟件，pdms和autocado pdms主要用于化工配管設(shè)計(jì)， autocad主要用于繪制實(shí)驗(yàn)流程圖、零件圖、設(shè)備裝配圖、工廠管線配置

33、圖， 帶控制點(diǎn)流程圖等各種圖形。3.1 pdmspdms （ plant design management system,工廠三維布置設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)）是 英國(guó)cad centre （現(xiàn)名aveva）公司的旗艦產(chǎn)品，自從1977年第一個(gè)pdms 商業(yè)版木發(fā)布以來(lái),pdms就成為大型、復(fù)雜工廠設(shè)計(jì)項(xiàng)0的首選設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。pdms為一體化多專業(yè)集成布置設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，在以解決工廠設(shè)計(jì)最難 點(diǎn)一管道詳細(xì)設(shè)計(jì)為核心的同吋，解決設(shè)備、結(jié)構(gòu)土建、暖通、電纜橋架、支吊 架各專業(yè)詳細(xì)設(shè)計(jì)，各專業(yè)間充分關(guān)聯(lián)聯(lián)動(dòng)。pdms三維模型可直接生成口動(dòng) 標(biāo)注之分專業(yè)或多專業(yè)布置圖、單管圖、配管圖（下料圖）、結(jié)構(gòu)詳圖、支吊架

34、 安裝圖等，并抽取材料等報(bào)表。pdms以數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)為核心進(jìn)行多專業(yè)任意組 合，可滿足用戶在設(shè)計(jì)各階段按工程需要投入不同專業(yè)人員的要求。據(jù)用戶反饋數(shù)據(jù)，同傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段相比，pdms可提高設(shè)計(jì)效率50%以上, 并使無(wú)差錯(cuò)設(shè)計(jì)和無(wú)碰撞施工成為可能實(shí)現(xiàn)的事實(shí)。pdms的主要內(nèi)容：結(jié)構(gòu)：以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)和圖形不統(tǒng)一的設(shè)計(jì)故障；修改三維 模型后，和應(yīng)的圖紙標(biāo)注口動(dòng)更新；設(shè)計(jì)、碰撞檢杳及易用性：易用易學(xué),培訓(xùn) 五天即可建模設(shè)計(jì)；在高效三維實(shí)體環(huán)境下進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，用戶可任意控制模型 顯示、直觀判斷物體間距、發(fā)現(xiàn)碰撞及安裝合理性，可極大地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和速 度；各專業(yè)模型間充分聯(lián)動(dòng)；具有自動(dòng)配管功能；

35、支持實(shí)時(shí)碰撞檢查；同一項(xiàng)目， 同一空間的任何專業(yè)模型均參與碰撞分析，可生成圖形或文字碰撞報(bào)告；導(dǎo)入 aveva pdms之模型（如以autocad或microstation為平臺(tái)的軟件生成的三維 模型）可命名并直接參與碰撞檢查（碰撞檢查報(bào)告中可顯示模型名稱）；平面圖生成：自動(dòng)生成配管平/立面布置圖，自動(dòng)標(biāo)注；對(duì)模型表達(dá)及標(biāo)注 規(guī)則可口由定義：管道表達(dá)可為全部雙線帶中心線，也可小管徑為單線、大管徑 管為雙線帶中心線，管道中心線可由用選擇口動(dòng)生成或消隱，不需手工添加；隱 藏線處理功能強(qiáng)大，可對(duì)模型進(jìn)行任意剖切生成平面及軸測(cè)圖，剖切面自動(dòng)生成 陰影線；并雙向集成autocad ；單管圖生成：avev

36、a engineering it擁冇isogen核心技術(shù)，高效生成唯 一經(jīng)大量實(shí)際工程驗(yàn)證z國(guó)際通用單管圖，抽取時(shí)極少失?。豢梢酝ㄟ^(guò)界而全而 控制所有isogen單管圖選項(xiàng)；可以生成配管圖（下料圖），對(duì)焊點(diǎn)、連接點(diǎn)、 管段號(hào)和管件號(hào)歷史可以有效維護(hù)；在圖形抽取和生成方面，aveva掌握了最核心的技術(shù)，所生成的圖形為同 類產(chǎn)品的最優(yōu)。特別是消隱，隱藏線處理方面不需手工，全部門動(dòng)，同類產(chǎn)品無(wú) 法做到。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù):可以在可視化條件下，任意定義復(fù)雜元件，并在單管圖中正確表達(dá)； 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)同三維模型為參考關(guān)系，始終完全統(tǒng)一。pdms以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的圖形數(shù)據(jù)一體化技術(shù)代表了全球三維工廠設(shè)計(jì)的 主流和發(fā)展方向，主要

37、功能特點(diǎn)：全比例三維實(shí)體建模，而且以所見(jiàn)即所得方式建模；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多專業(yè)實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)、真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，多個(gè)專業(yè)組可以 協(xié)同設(shè)計(jì)以建立一個(gè)詳細(xì)的3d數(shù)字工廠模型，每個(gè)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程屮都可以 隨吋查看其它設(shè)計(jì)者正在干什么；交互設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)時(shí)三維碰撞檢查，pdms能門動(dòng)地在元件和各專業(yè) 設(shè)計(jì)z間進(jìn)行碰撞檢查，在整體上保證設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性；擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，元件和設(shè)備信息全部可以存儲(chǔ)在參數(shù)化的元件 庫(kù)和設(shè)備庫(kù)中，不依賴笫三方數(shù)據(jù)庫(kù)；開放的開發(fā)環(huán)境，利用programmable macro language nj'編程宏語(yǔ)言，nj' 與通用數(shù)據(jù)庫(kù)連接，其包含的autodraft

38、程序?qū)dms與autocad接口連接， 可方便地將二者的圖紙互相轉(zhuǎn)換，pdms輸出的圖形符合傳統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。pdms三維軟件主要模塊有設(shè)計(jì)模塊、iso出圖模塊、平而(draft)出圖模 塊、元件庫(kù)模塊、等級(jí)庫(kù)模塊、管理模塊。在傳統(tǒng)的工廠設(shè)計(jì)中，工程師們依據(jù)工藝流程圖，利用白己的三維空間想像 力來(lái)進(jìn)行工廠配管設(shè)計(jì)研究，并通過(guò)繪制二維配管平面圖和管線圖來(lái)表達(dá)三維配 管設(shè)計(jì)。由于人的三維想像力有限，因此這種設(shè)計(jì)模式限制了設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高。 pdms軟件，不僅打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，而且提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量，加快了設(shè)計(jì) 的進(jìn)度，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：利用計(jì)算機(jī)三維造型功能進(jìn)行配管

39、設(shè)計(jì)，可以使配管設(shè)計(jì)緊湊、布局合 理。由于大量而繁重的單線圖和材料表的制作工作可以由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序來(lái)完成, 因而工程師們可有更多的精力來(lái)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)工作，從而提高了方案的科學(xué)性和 可靠性；圖紙質(zhì)量高、錯(cuò)誤少、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，由于設(shè)計(jì)的止確性，減少了施工返工 現(xiàn)象，節(jié)約了施工投資；材料統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確、快速，自動(dòng)生成各種材料報(bào)表，代替了人工統(tǒng)計(jì)材料、 填寫材料表的工序，精確性提高。從而既節(jié)省了材料，同時(shí)為材料采購(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)材 料的科學(xué)管理提供了完整、準(zhǔn)確的信息；除了能從設(shè)計(jì)模型屮捉取二維圖紙外，述能生成三維軸側(cè)圖。由于三維 圖給人一種直觀、真實(shí)的空間概念，對(duì)施工帶來(lái)了很大的方便。pdms軟件的應(yīng)用，使配管設(shè)計(jì)甩掉

40、繪圖板，繪圖更趨規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，解 決了配管設(shè)計(jì)復(fù)雜、繁瑣的問(wèn)題，避免了配管布置過(guò)程碰中撞現(xiàn)象的發(fā)生以及手 工繪圖中的錯(cuò)謀，減少大量的工程重復(fù)?？偟膩?lái)說(shuō)，pdms具有完善的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié) 構(gòu)，多層次多功能的設(shè)計(jì)模塊，因此作為配管設(shè)計(jì)軟件必將會(huì)得到更加廣泛的 應(yīng)用。3.2 autocadautocad (autocomputeraideddesign)是美國(guó) autodesk 公司首次于 1982 年生產(chǎn)的自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，是用于二維及三維設(shè)計(jì)、繪圖的系統(tǒng)工具, 用戶可以使用它來(lái)創(chuàng)建、瀏覽、管理、打印、輸出、共享設(shè)計(jì)圖形。autocad 是口前世界上應(yīng)用最廣的cad軟件，市場(chǎng)占有率位居世界第一。

41、autocad軟 件具有如下特點(diǎn)：具有完善的圖形繪制功能。有強(qiáng)大的圖形編輯功能?？梢圆捎枚喾N方式進(jìn)行二次開發(fā)或用戶定制。可以進(jìn)行多種圖形格式的轉(zhuǎn)換，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力。支持多種硬件設(shè)備。支持多種操作平臺(tái)。具有通用性、易用性，適用于各類用戶。此外,從autocad 2000開始，該系統(tǒng)又增添了許多強(qiáng)大的功能，如autocad 設(shè)計(jì)中心(adc)、多文檔設(shè)計(jì)環(huán)境(mde)、internet驅(qū)動(dòng)、新的對(duì)象捕捉功能、 增強(qiáng)的標(biāo)注功能以及局部打開和局部加載的功能，從而使autocad系統(tǒng)更加完 善。雖然autocad本身的功能集已經(jīng)足以協(xié)助用戶完成各種設(shè)計(jì)工作，但用戶 還可以通過(guò)autodesk以及

42、數(shù)千家軟件開發(fā)商開發(fā)的五千多種應(yīng)用軟件把 autocad改造成為滿足各專業(yè)領(lǐng)域的專用設(shè)計(jì)工具。這些領(lǐng)域中包括建筑、機(jī) 械、測(cè)繪、電子以及航空航天等。對(duì)于化工而言，autocad主要用于繪制實(shí)驗(yàn)流程圖、零件圖、設(shè)備裝配圖、 工廠管線配置圖，帶控制點(diǎn)流程圖等各種圖形。具體而言，主耍有以下功能可以 利用：可以繪制各種直線可以繪制各種大小的弧線、神創(chuàng)員i、長(zhǎng)方形、正多邊形 等各種圖形；可以對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行多種編輯處理(如放大、縮小、移動(dòng)、復(fù)制等)；可以方便地標(biāo)注尺寸及文本；可利用auto lisp進(jìn)行二次開發(fā)；可進(jìn)行面積及體積的計(jì)算?；ぴO(shè)計(jì)屮，雖有各種專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件出現(xiàn)，如pds、pdms等，但到

43、 目前為止，在各大化工設(shè)計(jì)院中，autocad仍是主流的設(shè)計(jì)軟件。因此學(xué)會(huì)如 何使用autocad,并使之更好地與化工設(shè)計(jì)相結(jié)合，也是化工專業(yè)學(xué)生應(yīng)掌握 的專業(yè)技能之一。4. 計(jì)算機(jī)在換熱器設(shè)計(jì)方面的運(yùn)用換熱器是化工、煉油、動(dòng)力、食品、輕工、原子能、制藥、機(jī)械及其他許多 工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備，在生產(chǎn)屮占冇重要地位。最具代表性的換熱器設(shè)計(jì)軟件是htfs和htri軟件。這兩者都是獨(dú)立式換 熱器設(shè)計(jì)軟件，不能設(shè)計(jì)如發(fā)動(dòng)機(jī)附展的換熱裝置等附展換熱設(shè)備。換熱器設(shè)計(jì)主要包括以下四個(gè)模塊。換熱器設(shè)計(jì)：對(duì)于給定工藝條件進(jìn)行換 熱面積或成木優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)換熱器的各種參數(shù)；換熱器核算：指定流體的進(jìn)出 口

44、條件，核算換熱器是否能夠滿足換熱要求，并計(jì)算換熱器的實(shí)際換熱面積與所 需換熱面積的比率；換熱器模擬：對(duì)于給定的換熱器，當(dāng)工藝介質(zhì)進(jìn)口給定后, 模擬其岀換模擬對(duì)給定換介質(zhì)給定后模擬其口狀態(tài)以及模擬換熱器的操作 性能；熱虹吸式換熱器計(jì)算：模擬熱虹吸換熱器的操作性能，計(jì)算循環(huán)量和管路 壓降。4.1 htrihtri由美國(guó)的傳熱研究學(xué)會(huì)(heattransfer research institute,組建于1962 年，簡(jiǎn)稱htri)研發(fā)htri xchanger suite,采用了在全球處于領(lǐng)導(dǎo)地位的工藝熱 傳遞及換熱器技術(shù)，包含了換熱器及燃燒式加熱爐的熱傳遞計(jì)算及其他相關(guān)的計(jì) 算軟件。htri軟件

45、包采用了標(biāo)準(zhǔn)的windows用戶界面，其計(jì)算方法是基于40多年 來(lái)htri廣泛收集的工業(yè)級(jí)熱傳遞設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)而研發(fā)的。xchanger suite中所有軟件均是非常靈活的，可嚴(yán)格地規(guī)定換熱器的幾何結(jié) 構(gòu)，因此可充分利用htri所專有的熱傳遞計(jì)算和壓降計(jì)算的各種經(jīng)驗(yàn)公式，從 而十分精確地進(jìn)行所有換熱器的性能的預(yù)測(cè)。htri換熱器的特點(diǎn)：計(jì)算模型采用的是完全增量法：使用設(shè)備各局部位置的物性進(jìn)行該位置 的熱傳遞和壓降計(jì)算；詳盡的輸岀報(bào)告：提供了包括所有重要參數(shù)的各個(gè)局部剖面的詳細(xì)計(jì)算 結(jié)果；全而的在線幫助：給出了背景信息、圖表、輸入而板和輸出報(bào)告的解釋， 用戶提示等；曲線圖和所見(jiàn)即所得功能：提供了

46、徹底的可視化的計(jì)算結(jié)果；快速計(jì)算工具：使用戶能夠非常容易地完成單位換算和換熱器類型的選 擇。htri主要模塊如下：vmgthermo： 一個(gè)廣泛和嚴(yán)格的流體物理性質(zhì)計(jì)算軟件，出virtual materials group, inc.所開發(fā)，可進(jìn)行任意類型的管殼式換熱器的設(shè)計(jì)，核算和模擬計(jì)算， 包描釜式、發(fā)夾式、熱虹吸式、管側(cè)冋流冷凝器以及降液膜蒸發(fā)器。xist：支持包括所有標(biāo)準(zhǔn)tema類型的計(jì)算，且集成了流動(dòng)導(dǎo)致的震動(dòng)計(jì)算、 管子排布工具等。進(jìn)行空冷器和經(jīng)濟(jì)器的設(shè)計(jì)、核算和模擬計(jì)算，包括自然通風(fēng) （風(fēng)機(jī)停運(yùn)）和強(qiáng)制通風(fēng)條件下的計(jì)算。xace：包含了風(fēng)扇的選擇計(jì)算，并能計(jì)算由于流動(dòng)及溫度分布不

47、均對(duì)空冷器 性能的所產(chǎn)生的影響。能夠?qū)A筒爐和方箱爐的性能進(jìn)行模擬計(jì)算。xth：使用hottel的區(qū)域法來(lái)計(jì)算加熱爐各部位的熱輻射和工藝側(cè)的性能。 與內(nèi)含的燃燒室和對(duì)流室模型一起對(duì)燃燒式加熱爐進(jìn)行全面的性能評(píng)價(jià)。能對(duì)板 框 式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)、核算和模擬計(jì)算，可使用自定義板型或者內(nèi)置的制造廠 數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的板型。xphe：包含一個(gè)端口流道分布不均計(jì)算模型，可進(jìn)行通過(guò)每個(gè)板片流道的 物流計(jì)算。用htri驗(yàn)證的熱傳遞和壓降經(jīng)驗(yàn)公式采用完全增量法來(lái)進(jìn)行單相螺 旋板換熱器的核算和模擬計(jì)算。xspe：可進(jìn)行并流和逆流的螺旋流計(jì)算，采用嚴(yán)格的有限兀方法進(jìn)行管殼式 換熱器管子由于流動(dòng)造成的震動(dòng)計(jì)算。xvib：考慮

48、了光管和u型管的流體激振和渦旋脫落機(jī)理。4.2 htfshtfs原是英國(guó)aea工程咨詢公司的一個(gè)子公司，1997年aea公司和加拿 hyprotech公司合并,hyprotech成aea的一個(gè)子公司，原h(huán)tfs公司由hyprotech 接管、合并2002年7月,hyprotech公司與aspen tech公司合并,hyprotech成 為aspen tech公司的一部分。htfs系列軟件創(chuàng)始于1967年，在世界同行業(yè)屮 始終處于領(lǐng)先地位，具有30多年的發(fā)展史。aea技術(shù)工程軟件公司一直致力于提高工藝生產(chǎn)過(guò)程的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效 益，這一過(guò)程始終貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)操作、工藝改造等各個(gè)環(huán)節(jié)。在傳熱系統(tǒng)

49、領(lǐng) 域，世界著名的產(chǎn)品htfs ,它的發(fā)展歷史、世界各國(guó)的公認(rèn)度、基礎(chǔ)理論的 研究和專家們的能力都是世界一流的。htfs軟件主要包括以下模塊：tasc管殼式換熱器計(jì)算acol空冷器計(jì)算muse冷箱計(jì)算fihr加熱爐計(jì)算aple板式換熱器計(jì)算fran電廠給水加熱器計(jì)算pipe管件計(jì)算htfs.tasc是世界上非常優(yōu)秀的管殼式換熱器軟件，早在80年代初就已 進(jìn)入中國(guó)。原會(huì)員用戶遍及化工及石化業(yè)。以計(jì)算準(zhǔn)確性和工程實(shí)用性而聞名。 新一代的tasc功能更強(qiáng)，將所有管殼式換熱器集為一體，將傳熱和機(jī)械強(qiáng)度 計(jì)算融為一體?？捎糜诙嘟M分，多相流冷凝器，罐式重沸器、降液膜蒸發(fā)器，多 臺(tái)換熱器組等。并提供管束排列

50、圖。htfs.acol是一個(gè)功能非常強(qiáng)大空冷計(jì)算程序，可以模擬光管或翅片管 束，管外界質(zhì)可以是空氣或其他氣體?？梢阅M計(jì)算以下系統(tǒng)：空冷，煙氣余熱 回收系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、空氣除濕系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等。htfs.muse可以計(jì)算給定冷箱每一流道的操作特性（最大流道數(shù)可達(dá)240）o 可預(yù)測(cè)冷箱的橫斷面翅片溫度分布，從而可對(duì)各種流道分配方案進(jìn)行研究。htfs.fihr對(duì)于給定爐型及其結(jié)構(gòu)尺寸、燃料消耗量、過(guò)?？諝庀禂?shù)、被 加熱介質(zhì)等，軟件能進(jìn)行以下計(jì)算：通過(guò)燃燒室和對(duì)流室的傳熱計(jì)算及多和流流 體計(jì)算，可得到被加熱流體和煙氣的溫度分布和壓力分布。其中煙氣的壓力分布 是沿燃燒室經(jīng)對(duì)流段金煙囪的非常詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

51、5. 計(jì)算機(jī)在化工數(shù)據(jù)處理方面的運(yùn)用處理收集的化學(xué)數(shù)據(jù)是使用計(jì)算機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)z。這需耍操作者具有一定 的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，還應(yīng)具有一定的數(shù)學(xué)知識(shí)背景。常用的數(shù)據(jù)處理方法及數(shù)學(xué) 模型包括：最小二乘擬合、線性回歸分析、方差分析、插值、數(shù)據(jù)平滑、實(shí)驗(yàn)設(shè) 計(jì)等。目前兩款通用的軟件為：origin和spss、sigmnplot等。它們可根據(jù)需 要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、傅里葉變換、曲線擬合以及制圖等等。另外， matlab由于其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)處理能力也正h益受到化工分析領(lǐng)域的重視。本文 主要介紹origin和spss。5.1 spssspss 是英文 statistical package for th

52、e social science（社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件包） 的縮寫。20世紀(jì)60年代末，美國(guó)斯坦福大學(xué)的三位研究生研制開發(fā)了最早的統(tǒng) 計(jì)分析軟件spss,同時(shí)成立了 spss公司，并于1975年在芝加哥組建了 spss 總部。20世紀(jì)80年代以前，spss統(tǒng)計(jì)軟件主要應(yīng)用于企事業(yè)單位。spss名為社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件包，這是為了強(qiáng)調(diào)其在社會(huì)科學(xué)應(yīng)用的一面 （因?yàn)樯鐣?huì)科學(xué)研究中的許多現(xiàn)象都是隨機(jī)的，要使用統(tǒng)計(jì)學(xué)來(lái)進(jìn)行研究），而 實(shí)際上廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、生物學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)以及體育、 工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、商業(yè)和金融等各個(gè)領(lǐng)域。spss現(xiàn)已推廣到多利咯種操作系 統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上，它和sas、bmd

53、p并稱為國(guó)際上最有影響的三大統(tǒng)計(jì)軟件。spss是社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件包，界面友好、操作簡(jiǎn)單，具有完整的數(shù)據(jù)輸入、 編輯、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表、圖形制作等功能。它用對(duì)話框方式實(shí)現(xiàn)各種管理和分析 數(shù)據(jù)的功能，諸如線性冋歸、t檢驗(yàn)、方差分析等基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)，判別分析、因子分 析、聚類分析等專業(yè)統(tǒng)計(jì)，多元方差分析、對(duì)數(shù)線形模型等分析。同時(shí)能在屏幕 上顯示如正態(tài)分布圖、直方圖、散點(diǎn)圖等各種統(tǒng)計(jì)圖表，并以多種格式輸出?；?于以上優(yōu)點(diǎn)spss軟件已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活各個(gè)方面，服務(wù)于廣大人民。spss的基本功能包括數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析、圖表分析、輸岀管理等等。spss 統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程包括描述性統(tǒng)計(jì)、均値比較、一般線性模型、相關(guān)分

54、析、回歸分析、 對(duì)數(shù)線性模型、聚類分析、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、生存分析、時(shí)間序列分析、多重響應(yīng)等幾 大類，每類中又分好幾個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程，比如冋歸分析屮又分線性冋歸分析、曲線估 計(jì)、logistic回歸、加權(quán)估計(jì)、非線性回歸等多個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程，而且每個(gè)過(guò)程中又 允許用戶選擇不同的方法及參數(shù)。spss也有專門的繪圖系統(tǒng)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)繪 制各種圖形。由于在spss公司的產(chǎn)品線中，spss軟件屬于中、低檔(spss公司共有二 十余個(gè)產(chǎn)品)，因此從戰(zhàn)略的觀點(diǎn)來(lái)看，spss顯然是把相當(dāng)?shù)木Ψ旁诹擞脩艚?而的開發(fā)上。該軟件只吸收較為成熟的統(tǒng)計(jì)方法，而對(duì)丁最新的統(tǒng)計(jì)方法，spss 公司的做法是為之發(fā)展一些專門軟件，如針對(duì)樹結(jié)構(gòu)

55、模型的answer tree,針對(duì) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的neural connection專門用于數(shù)據(jù)挖掘的clementine等，而不是 直接納入spss,因此他們?cè)趕pss 'p均難覓芳蹤。另夕卜，其輸出結(jié)果雖然漂亮， 但不能為word等常用文字處理軟件直接打開，只能采用拷貝、粘貼的方式加 以交互。這些都可以說(shuō)是spss軟件的致命傷。spss廣泛的應(yīng)用于統(tǒng)計(jì)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)營(yíng)銷、心理、衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)、 生物、金業(yè)管理、氣象、社會(huì)學(xué)等領(lǐng)域。其分析過(guò)程包扌4調(diào)查設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集、 數(shù)據(jù)存取和管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)展示等。還冇-系列附 加模塊和獨(dú)立模塊產(chǎn)品以加強(qiáng)它的分析功能。它

56、的圖形窗口界而使其非常簡(jiǎn)單易 用但卻具有滿足各種分析要求的數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析功能及各種報(bào)表方法。5.2 originmicrocal origin是美國(guó)microcal公司推出的，用于數(shù)據(jù)分析、科學(xué)繪圖的 軟件。它的功能強(qiáng)大，使用方便，是數(shù)十萬(wàn)各國(guó)科技工作者的常用軟件。origin 采用直觀的窗口菜單和操作工具欄，所見(jiàn)所得的繪圖方式，全面支持鼠標(biāo)右鍵操 作，支持拖放式圖形轉(zhuǎn)換，最主要的數(shù)據(jù)處理和繪圖操作無(wú)需用戶編寫任何程 序代碼。在眾多的數(shù)據(jù)處理和科學(xué)繪圖軟件中，origin是最為常用的軟件工具zorigin 是一個(gè)多文檔界而(multiple document interface, mdi)

57、應(yīng)用程序。它 將用戶所有工作都保存在后綴為opj的項(xiàng)口文件(project)屮，這點(diǎn)與visual basic 等軟件很類似。保存項(xiàng)目文件時(shí)，各了窗口也隨z存盤。origin主要有數(shù)拯分析和科學(xué)繪圖兩大功能。其中，數(shù)拯分析包括數(shù)拯的排 序、調(diào)整、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、頻譜變換、曲線擬合等各種完善的數(shù)學(xué)分析功能。準(zhǔn)備 好數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，只需選擇所要分析的數(shù)據(jù)，然后再選擇相應(yīng)的菜單 命令就可。origin的繪圖是基于模板的，origin本身提供了兒十種二維和三維繪圖模板, 而且允許用戶自己定制模板。繪圖時(shí)，只要選擇所需要的模板就行。用戶可以自 定義數(shù)學(xué)函數(shù)、圖形樣式和繪圖模板；可以和各種數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、

58、辦公軟件、圖像 處理軟件等方便的連接；可以用c等高級(jí)語(yǔ)言編寫數(shù)據(jù)分析程序，還可以用內(nèi) 置的lab talk語(yǔ)言編程等。origin可以導(dǎo)入包括ascii> excel> pclamp在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)。另外，它可 以把origin圖形輸出到多種格式的圖像文件，譬如jpeg、gif、eps、tiff等 等。origin里面也支持編程，以方便拓展origin的功能和執(zhí)彳亍批處理任務(wù)oorigin 里面有兩種編程語(yǔ)言labtalk和origin c。在origin的原冇基礎(chǔ)上，用戶可以通過(guò)編寫x-function來(lái)建立自己需要的 特殊工具。x-function可以調(diào)用origin c和nag函數(shù)，而且可以很容易地生成 交互界面。用戶可以定制自己的菜單和命令按鈕，把x