МОДЕЛИРУЮЩИЕ ПРОГРАММЫДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ И НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОГРАММ МОДЕЛИРОВАНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.
Разработка современных технологических процессов переработки природного углеводородного сырья и оптимальная эксплуатация действующих производств невозможна без применения моделирующих программ, имеющих высокую точность описания параметров технологических процессов и позволяющих без значительных материальных и временных затрат производить исследования этих процессов. Такие модельные исследования имеют огромное значение не только для проектирования, но для функционирования существующих производств, так как позволяет учесть влияние внешних факторов (изменение состава сырья, изменение требований к конечным и промежуточным продуктам и т.д.) на показатели действующих производств. В настоящее время инженерам-технологам доступно большое число программных средств моделирования химико-технологических процессов. Эти средства в основном разработаны фирмами США и Канады. По оценкам “Chemputers”, рынок программных средств для моделирования химико-технологических процессов и инженерных расчетов, включая программы для тренировки персонала и средства автоматизации производств, составляет в настоящее время более миллиарда долларов. Рынок собственно программ моделирования химико-технологических процессов в 2006 году составлял около 500 миллионов долларов. В настоящее время одно рабочее место инженера технолога или разработчика, оборудованное специальными средствами моделирования, обходится в США в среднем в 20 000 $ / год. [6]
В данном разделе рассматриваются основные принципы моделирования, заложенные в эти системы и их основные характеристики, позволяющие оценить пригодность различных инструментов для решения широкого круга задач, встающих перед инженерным персоналом химической, газовой и нефтяной промышленности.
В основу всех средств моделирования заложены общие принципы расчетов материально - тепловых балансов химических производств (т.е. производств, связанных с изменением агрегатного состояния, компонентного и химического состава материальных потоков). Как правило, любое производство состоит из стадий (элементов), на каждой из которых производится определенное воздействие на материальные потоки и превращение энергии. Последовательность стадий обычно описывается с помощью технологической схемы, каждый элемент которой соответствует определенному технологическому процессу (или группе совместно протекающих процессов). Соединения между элементами технологической схемы соответствуют материальным и энергетическим потокам, протекающим в системе. В целом моделирование технологической схемы основано на применении общих принципов термодинамики, кинетики, гидродинамики, теплообмена и массообмена к отдельным элементам схемы и к системе в целом.
Любая система моделирования включает набор следующих основных подсистем, обеспечивающих решение задачи моделирования химико-технологических процессов:
· Набор термодинамических данных по чистым компонентам (база данных) и средства, позволяющие выбирать определенные компоненты для описания качественного состава рабочих смесей
· Средства представления свойств природных углеводородных смесей, главным образом – нефтей и газоконденсатов, в виде, приемлемом для описания качественного состава рабочих смесей, по данным лабораторного анализа
· Различные методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициента фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивности паров.
· Набор моделей для расчета отдельных элементов технологических схем - процессов
· Средства для формирования технологических схем из отдельных элементов
· Средства для расчета технологических схем, состоящих из большого числа элементов, определенным образом соединенных между собой
ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ХТС
Проведение разнообразных НИР по математическому моделированию, анализу и оптимизации осуществляется специализированной организационной структурой. Для выполнения вычислительных экспериментов по математическому моделированию и оптимизации ХТС используют специальные пакеты прикладных программ (ППП), которые строятся на основе следующих принципов:
· Блочность.
· Адаптируемость.
· Модифицируемость.
· Расширяемость.
Блок это некоторая функционально законченная независимая стандартная программа небольшого размера, по которой выполняется строго определённый вид обработки информации и содержащая стандартные средства связи с другими программами. В основу принципа блочности положено требование построения любого ППП в виде многоуровневой иерархической структуры.
Б1 – данные о производительности, о составе и физических свойствах потоков сырья, продуктов, информация о технологических и конструктивных параметрах элементов ХТС, информация о требуемой точности результатов моделирования.
 |
Рис. 2. Общая структура коммерческих специальных моделирующих программ
Б2 – модуль –это математическая модель каждого технологического объекта,
Б3- это совокупность нескольких программ, которые организуют и контролируют выполнение всех операций моделирования, анализа и оптимизации, определяют оптимальную стратегию решения,
Б4 – это блок автоматически осуществляет расчет физико-химических свойств всех технологических потоков ХТС,
Б5 – программно реализует различные численные методы решения систем уравнений,
Б6 – программно реализует методы оптимизации,
Б7 – оценивает полностью ХТС,
Б8 – результаты.
Состав и структура ПО определяется задачами организации (пользователя). Крупные НИИ и проектные институты, заводы закупают лицензионное ПО. Особенно если результаты работ непосредственно внедряются в производство.
На 1 этапе рассматривается конкретное производство (технология, экологические проблемы). Для следующих этапов характерно участие организаций надотраслевого профиля с последующей отраслевой адаптацией.
Подсистемы и компоненты интегрированы как одно целое. Каждая из подсистем состоит из нескольких частей. Н-р: подсистема «физика-химия» содержит базы данных по свойствам, программы расчета и прогнозирования свойств, подсистема «генплан» состоит из алгоритмов выбора площадки, строительства, разработки объемно-планировочных решений и конструирования инженерных и транспортных коммуникаций.
Создание ПО основано на следующих принципах:
· Принцип включения – предусматривает включение отдельных программ в систему без изменения их структуры и функций за счет адаптирующих программ, выполняющих роль посредника.
· Принцип системного единства – единство языка программирования на всех стадиях создания ПО.
· Принцип развития – обеспечения условий включения новых элементов и связей между ними, интеграция баз данных.
· Принцип информационного единства