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化工流程模拟软件 Aspen Plus 各模
块的介绍

化工流程模拟软件 Aspen Plus 各模块的介绍 2011-07- 18 10： 41ASPEN PLUS 是大型通用流程模拟系统，源起于美国能源部在七十年代后期在麻省理工 学院 MIT 组织会战，要求开发新型第三代流程模拟软件。这个项目称为"先进过 程工程系统"(Advanced System for Process Engineering)简称 ASPEN。这一 大型项目于 1981 年底完成。 1982 年Aspen Tech 公司成立将其商品化，称为 ASPEN PLUS。这一软件经过 15 年不断改进、扩充、提高，已经历了九个版本， 成为全世界公认的标准大型流程模拟软件，用户接近上千个。全世界各大化工、 石化生产厂家及著名工程公司都是 ASPEN PLUS 的用户。
ASPEN IQ-推理传感器建模和实施软件包

Aspen IQ 是 AspenTech 一个建立和实现推理技术的软件包，它使得建立和 实现线性的和非线性的仪表变得非常容易，灵活的分析和实验室模块自动地调 解推理的性质可以确保精度。
·一、软仪表技术

Aspen IQ,AspenTech 新的推理技术软件包具有功能强大的离线及在线模块， 它的模块化的体系结构提供给用户各种灵活的方式以用于在各种集散系统和计 算机平台上高效地开发软仪表。
推理预估是许多先进控制系统的基本要素，关键性质的变量(例如石脑油的 95%点，聚合物的熔融指数)通常是通过推理而不是直接测量的，软仪表通常为 了冗余性而在这些系统中用作分析器。
环境保护法现在强制过程工厂要测定排放物的标准，并且批准软仪表技术 可以应用，而且是经济的替代手段，可以代替昂贵的分析仪。
Aspen IQ 是用Microsoft 标准来开发的，完全基于 WindowNT，是一个网络
软件。

·二、主要特性
· 1.在线

·嵌入稳态检测仪

※可以独立使用也可以与 DMC Plus 和 InfoPlus.21 集成
※提供分析器和实验室模型的更新

※具有范围很大的各种 DCS 及信息系统接口
※可用于过程检测

※不需要编程或生成源码

·2.离线

※一个开放推理仪表的工具套件：有 PLS,模糊的PLS，神经源网络和以严 格模型为基础的线性化方法
※模型评估的图形分析工具

※建模工具如变量的选择， dead-time 模测和动态分析工具 ※预测库允许将来的扩充，例如应用于某些特别的工艺模型
·三、 Aspen IQ 的在线工具
· 1.基本软件包

包括用于实现在线推理仪表的一套基本 Aspen IQ 模块，这些模块允许用户 生成线性的推理模型，检验原始的在线分析信号和更新推理模型。
·2.实验室软件包

这是基本的软件包外加两个数据采集及实施数据校验和推理更新模块，当 前支持三种实验数据更新方式，传统的方式使用固定数量的实验数据用于计算

模型的更新，而 CUSUM 和"Scores"的方式用统计的方法决定采用的实验室样本 的数量。
·3.混合神经网络软件包

这是一个实验室软件包的扩充，包括了 AspenTech 实施在线神经源专利模 型技术。混合神经源网络，模糊的 PLS，线性的 PLS 等的模型的开发都可通过 Aspen IQ Model 在线完成而不需要编程。
· 四、 Aspen IQ 的离线工具
· 1.Aspen IQ Model 的关键特性

它采用了在以往商用软件包中从未有过的专利技术，数据预处理，变量的 选择和死时的确定全部应用 Aspen 的专利技术加以完善，非线性推理也是通过 Aspen 的神经元网络和模糊 PLS 技术实现。
·2.推理仪表模型的类型

在建立推理模型之前，用户不必选择模型的类型，通过使用 Aspen IQ Model,根据所要模拟的工艺过程和操作范围，用户可以开发三种不同类型的模 型。
· ※线性 PLS

适合于线性操作范围，也可以用于处理带有双线性变量的数据集。

· ※模糊 PLS

这个正在申请专利的非线性技术使用模糊理论进行模型开发前的数据处理， 它是设计用于稀疏数据的非线性范围的。
· ※混合神经元网络

这个方法将正在申请专利的 PLS 和神经网络技术融合进一个混合神经元网 络模型，它可以极大地扩充传统神经元网络的能力。

ASPEN ADVISOR-工厂性能控制和收率统计应用软件

Aspen Advisor 是 AspenTech 的客户机-服务器工厂性能控制和收率统计应 用软件。 Aspen Advisor 将模型、平衡调整和报表的易用的图形界面和在调整 过程中作为向导的面向对象的专家系统结合起来。 Aspen Advisor 数据模型是 通过 ODBC 进行存取的，因此几乎适用于所有商业上可用的数据库结构(如： Oracle、 Sybase、 Microsoft SOL Server)。 Aspen Advisor 系统由以下软件组 件组成：
·Aspen Advisor

- 图解用户界面

-兼容 ODBC 的关系数据库模型

-面向对象的专家系统数据平衡谐调引擎(工具)

·报表-系统报表管理器
·DBTools-ODBC 系统管理工具栏

·Auto DCOM-Aspen Advisor 应用的自动化界面

· IICalc-库存量和体积校正因子(VCF)计算程序
除此以外， Aspen Advisor 还有以下辅助界面选项：

·SSInterface-用户可自定义的电子表格界面应用程序
·Auto Text Importer- 自动数据文件分析程序

·Auto Histrian-InfoPlus-X 的自动数据界面
Aspen Adviso 系统具有以下特性：

·Aspen Advisor 所采用当前的图形用户界面，可以在 Win 3.1、 Win 95 和 Microsoft NT 3.51 及 4.0 上操作。它允许用户设计工厂模型、输入所有合 适的数据、更改模型参数、直观地识别错误的来源以及启动其它程序组件。
·Aspen Advisor 存储所有的设计数据、事件的原始数据、温度和压力校 正值、计算值以及相关数据库的结果。 Aspen Advisor 使用微软的开放式的数 据库连接(ODBC)结构存储数据，其格式与客户的数据库系统一致。 Aspen Advisor 与 SOL、 ODBC100%兼容。因此， Aspen Advisor 能直接检索和存储支持 ODBC 的任何标准关系数据库中的数据及计算结果。 Aspen Advisor 在这方面是 独一无二的。一般，为了支持一合适的数据库结构而常采用分离的 API 界面， 但是，在 Aspen Advisor 中则完全不需要。
·Aspen Advisor 基于智能系统的面向对象程序首先确认并帮助用户更改 所有的异常点，然后，根据流量值、仪器和单元允许误差分配任何残存的随机 误差。将网络、节点分析和瞬时误差范围检查结合起来的方法，确保最为准确 地反映实际可能的情况。
·Aspen Advisor 内部的模拟器将流量和容器库存量线性地结合起来，计 算组件及其物理性能。
·用户在运行 Aspen Advisor 的同时，可以启动 Aspen Advisor 的 SQL 报 表生成程序，它与 Aspen Advisor 分开运行。 Aspen Advisor 可以提供 80 多种 标准报表，并且支持用户采用与客户数据库兼容的任意报表生成器来灵活地创 建任何数量的报表。还有几个软件包可以与 Aspen Advisor 组合使用。
ASPEN PINCH-系统节能软件

Aspen Pinch 是一个基于过程综合与集成的夹点技术的计算软件。它应用 工厂现场操作数据或者 Aspen Plus 模拟计算的数据为输入，来设计能耗最小、 操作成本最低的化工厂和炼油厂过程流程。它的典型作用有以下几个方面：
1 、老厂节能改造的过程集成方案设计；

2、老厂扩大生产能力的"脱瓶颈"分析；

3、能量回收系统(例如换热器网络)的设计分析；

4、公用工程系统合理布局和优化操作 (包括加热炉、蒸汽透平、燃气透平、 制冷系统等模型在内)。
采用这种夹点技术进行流程设计，根据一些大型石化公司经验，一般对老 厂改造，可以节能 20%左右，投资回收期一年左右；对新厂设计往往可节省操 作成本 30%，并同时降低投资 10-20%。
ASPEN PINCH 新功能(1998 年 5 月)：

与模拟软件 Aspen Plus 及 Pro II 均可集成；
许多用户界面上的改进，完全 Window 化；

网络 Pinch(技术改造自动化设计)；

有目标链接嵌入 OLE 功能；
热量及电力用户图形界面；

对 help 及用户手册做了改进；

ASPEN CUSTOM MODELER-动态模型开发软件

Aspen Custom Modeler 是一套建立在联立微分一代数方程组求积分解基础 上的动态模拟系统。它包括一套单元操作的动态模型库(其中中各种控制和阀门 模型)。它使用和 Aspen Plus 一样的物性数据库(PROPERTIES PLUS)，这样可使 稳态及动态模拟计算结果保持一致性。它与一些其它工具软件有接口：
MATLAB 接口：这种过程控制设计工具相联接可以开发控制策略；

G2 接口：可以与这种人工智能工具软件结合开发操作工仿真培训器及工厂 诊断系统；
各种 DCS 接口：例如 CENTUM， TDC， RTPMS(IBM)等 DCS 接联，来用现场数 据更新动态模型，指导生产。

Aspen Custom Modeler 常用的几个方面是：

1 、提高可操作性：包括开车方案，正常操作规程；

2、改进安全性：包括释放系统，事故分析；

3、改进过程控制方案：测试可能的控制方案，研究先进控制策略；

4 、开发用户模型及优化过程操作。

由于解算动态模型的微分方程组时，初值条件好坏非常关键，因此，计算 之前必须输入一组稳态初值作为计算起始点。这种稳态初值通常由 Aspen Plus 模拟结果提供。
ASPEN DYNAMICS-动态过程模拟软件
方便易用的动态建模工具

Aspen Dynamics 是一套基于 Windows95/NT 的动态建模软件，可方便地用 于工程设计与生产操作全过程，模拟实际装置运行的动态特性，从而提高装置 的操作弹性、安全性，增加处理量。
功能强大，简单易用

Aspen Dynamics 与普通的 Windows 应用程序一样，使用起来非常简单，几 分钟之内便可得到精确的动态结果。工程师可以利用拖放数据、拷贝、粘贴等 功能将数据通过 Excel 与其他应用软件共享。
这些应用方便的动态模型基于联立方程的建模技术，具有快速、精确与鲁 棒性等优点。 Aspen Dynamics 能用于实际工厂操作：如故障诊断、控制方案分 析、操作性分析和安全性分析等。对塔开车、间歇过程、半间歇过程和连续过 程都可以建立精确的模型。
单一的模型适用于设计、生产的全过程

Aspen Dynamics 可以帮助用户在装置设计和生产操作的全部过程中发挥最 大的潜力。 Aspen Dynamics 与 ASPEN PLUS 紧密结合，让稳态工艺模型进一步 发挥价值。从而减少开发投资，降低操作费用。
Aspen Dynamics 应用

Aspen Dynamics 运用独一无二的技术帮助用户精确求解传统方法通常难以 解决的实际应用问题。对于相变、干塔和容器溢流等复杂而头痛的不连续过程 的模拟问题， AspenTech 已经独创了一套崭新的技术来解决这些难题，这套新 方法不仅鲁棒性高，而且快速精确。同样，由 AspenTech 总裁 Joseph Boston 先生早期为精馏过程开发的稳态建模专有技术--Inside-Out 算法也已成功地用 于动态模拟。这些重大的突破为 Aspen Dynamics 成为能快速、可靠地处理设计 和操作问题的商业化软件提供坚实的基础。
利用 Aspen Dynamics 改善过程设计品质

传统的过程设计方法主要依赖于稳态分析，对于操作性能和控制问题通常 在工艺流程完成以后才去考虑。利用 Aspen Dynamics 则可以在研究稳态性能的 同时来考虑可操作性。以下这些实例都是在工艺流程设计过程中碰到的，运用 Aspen Dynamics 能成功地处理这些设计难题。
·在精馏塔系中，为了节能要考虑换热网络的集成设计，但是由稳态设计 取得的方案是否具有可操作性呢?当处理量提高或降低后又会怎么样?那些需要 增加的加热器和冷却器又应如何放置才能保证系统的可操作性?
· 当我们设计放热反应器和它的冷却器系统时，我们必须针对多种情况检 验所设计的系统。当进料中包含过多的反应物时会怎么样?当添加的催化剂过量 时又会发生什么情况?如果冷却系统失灵，应该在多少时间内切断进料才能避免 反应事故和超压危险?
· 当我们设计一个新流程，这个流程中会包含多台反应器、塔和反应物循 环流，基于我们对于类似过程的经验，预期全装置的控制会面临严重的挑战， 我们需要快速评价各种工艺流程方案的可操作性，是否可以用单一的技术来评 估稳态性能和控制系统品质以加速工艺设计过程?

用 Aspen Dynamics 解决操作问题

除了上面的设计问题以外，生产操作中的问题也会直接影响生产利润。 Aspen Dynamics 能很好地处理诸如下面所述的各种问题。

·我们对塔 K- 102 的控制遇到了麻烦，是否需要改变控制方案或增设一只 进料罐以减少进料扰动?
·我们知道对于不同的原料，最佳的进料位置应该不同，但我们并不想轻 易切换进料板，因为这样控制系统便无法在切换过程中保证产品的纯度，在实 施切换方案之前，我们是否能作出评估?
·每当我们要对本工段的处理量作一个大幅度的改变，操作员和工程师必 须连续调整 14 个小时，才能重新生产出合格产品，如何开发出一套控制方案使 得这种处理量的调整是自动平滑地快速实现?
Aspen Dynamics 的优点

Aspen Dynamics 建立在一整套成熟的技术基础上， AspenTech 在提供商业 化的动态模拟软件产品方面，已经拥有十几年的宝贵经验。
Aspen Dynamics 已经包容了一整套完整的单元操作和控制模型库(见表 1 和表 2)。 Aspen Dynamics 的单元操作模型建立在完善的高品质的 ASPEN PLUS 工程模型基础之上。
Aspen Dynamics 提供开放的用户化的过程模型，这些模型对用户完全透明， 用 Aspen Custom Modeler 工具软件可以针对特定的过程开发更详细的用户化模 型。
Aspen Dynamics 运用 Properties Plus 作精确可靠的物性计算，与稳态模 拟建立在完全一致的基础上。动态模拟能连续不断地校正工作点附近局部物性 回归算式，从而保证高性能与模拟精度。
Aspen Dynamics 运用成熟的隐式积分与数值方法来做鲁棒性强、稳定性好 的精确的动态流程模拟。

Aspen Dynamics 不仅提供简单物流平衡动态模拟法，还提供更精确的压力 平衡动态模拟法。压力体系是在每一单元操作中，将压力与流速取得关联来展 开，这一功能在气体处理过程和压缩机控制研究中具有重要的实用价值。
Aspen Dynamics 中的任务语言(Task Lanuage)使用户能定义基于时间或事 件驱动的输入改变。例如：将输入流量在某一时刻逐渐增加或减少；当容器满 时关闭进料流量。
Aspen Dynamics 支持 Microsoft OLE 交互操作特征，比如复制/粘贴/链接 和 OLE 自动化。这些功能方便了与其他应用程序之间的数据交换，也可让用户 建立象 M 请文明用语 cel 那样的用户操作界面。 Aspen Dynamics 也兼容 VBScript 描述语言，让用户自动重复复杂的任务，比如运行一系列实例研究
ASPEN PLUS--静态过程模拟软件

ASPEN PLUS 是大型通用流程模拟系统，源起于美国能源部在七十年代后期 在麻省理工学院 MIT 组织会战，要求开发新型第三代流程模拟软件。这个项目 称为"先进过程工程系统"(Advanced System for Process Engineering)简称 ASPEN。这一大型项目于 1981 年底完成。 1982 年Aspen Tech 公司成立将其商 品化，称为 ASPEN PLUS。这一软件经过 15 年不断改进、扩充、提高，已经历 了九个版本，成为全世界公认的标准大型流程模拟软件，用户接近上千个。全 世界各大化工、石化生产厂家及著名工程公司都是 ASPEN PLUS 的用户。它以严 格的机理模型和先进的技术赢得广大用户的信赖，它具有以下特性：
第一,ASPEN PLUS 有一个公认的跟踪记录，在一个工艺过程的制造的整个 生命周期中提供巨大的经济效益，制造生命周期包括从研究与开发经过工程到 生产。
第二,ASPEN PLUS 使用最新的软件工程技术通过它的 Microsoft Windows 图形界面和交互式客户-服务器模拟结构使得工程生产力最大。
第三， ASPEN PLUS 拥有精确模拟范围广泛的实际应用所需的工程能力，这 些实际应用包括从炼油到非理想化学系统到含电解质和固体的工艺过程。

第四， ASPEN PLUS 是 AspenTech 的集成聪明制造系统技术的一个核心部分， 该技术能在你公司的整个过程工程基本设施范围内捕获过程专业知识并充分利 用。
在实际应用中， ASPEN PLUS 可以帮助工程师解决快速闪蒸计算、设计一个 新的工艺过程、查找一个原油加工装置的故障或者优化一个乙烯全装置的操作 等工程和操作的关键问题。流程模拟的优越性有以下几点：
◇进行工艺过程的能量和质量平衡计算。

◇预测物流的流率、组成和性质。

◇预测操作条件、设备尺寸。

◇缩短装置设计时间，允许设计者快速地测试各种装置的配置方案。

◇帮助改进当前工艺。

◇在给定的限制内优化工艺条件。

◇辅助确定一个工艺约束部位(消除瓶颈)。

◇回答"如果…那会怎样"问题

ASPEN PLUS 的重要功能：

◇固体处理

◇严格的电解质模拟

◇石油处理

◇数据回归

◇数据拟合

◇优化

◇用户子程序

Flowsheeting&Analysis 流程设计与分析

一.流程设计与分析的工具
(主要有两大类 10 种工具)

1、流程设计选项

flowsheeting options 2、模型分析工具

model analysis tools
下面介绍一下：

流程设计选项主要有五项：
1、设计指标模块(design spec)

2、自定义计算模块(fortran)

3、信息传输模块(transfer)

4、衡算模块(balance)

5、压力释放模块(pre relief)

1)设计指标

设计指标是一种反馈控制模块：监测下游某一结果变量的值与设定值的偏 差，并根据偏差的大小调节监测点上游的某一操作变量的值，使得上述偏差值 的绝对值小于设定的容许误差。
2) 自定义计算

自定义计算是利用 aspen plus 内嵌的 fortran 语言编写一段自编程序，用 来补充实现流程计算的功能。例如：根据流程计算的结果改变某些输入变量或 操作变量的值；自定义输入、输出文件操作
其它的略

模型分析工具主要有五项：
1、敏感度分析模块(sensitivity)

2、优化模块(optimization)

3、约束条件模块(constraint)

4、数据拟合模块(data fit)

5、案例研究模块(case study)

敏感度分析：

敏感度分析用于研究过程的行为受某些操作变量影响的敏感程度：当操作 变量在给定范围变化时，定量计算 (描述过程行为的 )结果变量的相应变化趋势。
优化：

优化模块用于定义目标函数，并通过调节指定操作变量，使目标函数达到 最大值或最小值，从而得到一组最佳操作条件。
约束条件：

约束条件模块用于定义过程操作中系统变量不能超过的限制条件，从而对 优化操作变量的取值起到约束作用。与优化模块配合使用。
Models for Heat Transfer(传热单元模型)
传热单元模型 Models for Heat Transfer

一、传热单元模型的分类：

Heater HeatX MHeatX HXFlux 1、 Heater 加热器模型

1)Heater 模型用于模拟以下单元，改变单股物流的温度、压力和相态： 加热器
冷却器

阀门(仅改变压力，不涉及阻力)
泵(仅改变压力，不涉及功率)

压缩机(仅改变压力，不涉及功率

2)heater--连接

3)Heater-模型参数

Heater 模型有两组模型设定参数
1、闪蒸指标(Flash specifications)

(1)温度(2)压力

(3)温度增量(4)蒸汽分率

(5)过热度(6)过冷度

(7)热负荷

从中任选 2 项
2、 HeatX 换热器模型

1)HeatX 模型用于模拟下述结构的管-壳式换热器：

逆流/并流(Countercurrent/Cocurrent)
折流板壳程(Segmental Baffle Shell)

棍式挡板壳程(Rod Baffle Shell)

裸管/低翅片管(Bare/Low-finned Tubes 2)HeatX--模型参数 HeatX 模型有四组设定参数：
1、计算类型 Calculation type

简捷计算 Short-cut
详细计算 Detailed

热侧--管程/壳程

冷侧--管程/壳程

2)冷物流出口温度(Cold stream outlet temperature)

冷物流出口温降(Cold stream outlet temperature increase) 冷物流出口温差(Cold stream outlet temperature approach) 冷物流出口过热度(Cold stream outlet degrees superheat) 冷物流出口蒸汽分率(Cold stream outlet vapor fraction) 3)HeatX--简捷计算
总传热系数方法(U methods)
常数(Constant)

相态法(Phase specific values)

幂函数(Power law expression_r_r_r)
U=Uref(Flow/Flowref)^exponent 4)HeatX--详细计算

总传热系数方法(U methods)

常数(Constant)

相态法(Phase specific values)

幂函数(Power law expression_r_r_r)
几何结构(Exchanger Geometry)

传热膜系数(Film coefficients)
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