新型煤氣化制甲醇實訓(xùn)仿真工廠設(shè)計

王和，侯平智，吳鋒

（1.新疆獨山子克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 克拉瑪依833600；2.杭州電子科技大學(xué) 自動化學(xué)院，杭州310018）

煤化工行業(yè)在中國國民經(jīng)濟中的地位是非常重要的，其工藝設(shè)備逐漸大型化，自動控制水平也越來越高，對生產(chǎn)運行人員的操作能力與水平有了更高的要求。但由于生產(chǎn)裝置必須保證安全、穩(wěn)定、長周期、優(yōu)化運行，在實際生產(chǎn)過程中不可能依靠實際生產(chǎn)裝置來提高和培訓(xùn)運行人員的操作技能。發(fā)達國家的經(jīng)驗表明，運用仿真工廠進行煤化工技能培訓(xùn)是最有效的方法之一［1－2］。

從小型冷模裝置、縮小型流程生產(chǎn)裝置、半實物仿真裝置，逐漸發(fā)展到目前的煤化工仿真工廠，主要是由目前的煤氣化制甲醇實訓(xùn)操作所面臨的現(xiàn)狀決定的：裝置體積龐大、造價昂貴，難以進課堂；煤化工生產(chǎn)裝置的日益大型化、復(fù)雜化，安全問題日益突出；實訓(xùn)內(nèi)容與實訓(xùn)手段難以滿足實際需要［3－7］。

為了促進國內(nèi)煤化工行業(yè)職業(yè)教育的發(fā)展，由內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院等多家單位的教學(xué)科技人員合作，以“校中廠”實訓(xùn)基地的理念為設(shè)計指導(dǎo)思想［8－9］，以國內(nèi)第一條投產(chǎn)運行的“咸陽化學(xué)工業(yè)公司德士古氣化爐工藝的單線600kt／a新型煤氣化制甲醇實際工廠”為參照［10－13］，研究、設(shè)計并實現(xiàn)了新型煤氣化制甲醇實訓(xùn)仿真工廠。

1 設(shè)計思路

新型煤氣化制甲醇實訓(xùn)仿真工廠需要將職業(yè)技能培訓(xùn)與鑒定相結(jié)合，實訓(xùn)裝置的硬件與技能訓(xùn)練仿真軟件相結(jié)合，對現(xiàn)代煤化工工藝過程、動態(tài)操作、自動檢測傳感裝置及DCS進行仿真模擬。

為此，在真實體現(xiàn)實際工廠工藝流程的基礎(chǔ)上，省略工業(yè)流程中的一些輔助工序、輔助設(shè)備，同時對重要工序、重要設(shè)備進行了強化，以加深學(xué)生對煤制甲醇工業(yè)化裝置的了解。將工業(yè)裝置中大型設(shè)備如塔器、反應(yīng)器、儲槽、換熱器、輸送設(shè)備等在保持原設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點下按一定比例縮小，通過連接真實管路、手動閥門、控制閥門及壓力、流量、溫度、物位、功率、成分和閥位測控傳感器等，組成煤制甲醇全流程裝置。

該仿真工廠能模擬工業(yè)生產(chǎn)的真實環(huán)境，能進行煤氣化制甲醇生產(chǎn)工藝的冷態(tài)開車、熱態(tài)開車、正常運行、正常停車、緊急停車、設(shè)備維護等方面的技能操作訓(xùn)練和工藝指標(biāo)控制操作技能訓(xùn)練；還能通過安全手段設(shè)置各類故障，使學(xué)員能夠處理各類緊急狀況，進行生產(chǎn)過程操作、分析，排除工業(yè)生產(chǎn)過程故障。

仿真工廠的流程仿真軟件按照工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備和流程進行模擬仿真，同時對重點設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理深入地剖析。通過機理建模建立“虛擬工廠”，可自上而下地實現(xiàn)對工廠過程和控制邏輯的動態(tài)模擬。仿真軟件的動態(tài)模型真實地再現(xiàn)了實際工業(yè)流程狀態(tài)和行為，實時準(zhǔn)確地模擬工藝現(xiàn)場，模擬真實故障。

2 煤化工仿真工廠總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于上述思路，該煤氣化制甲醇實訓(xùn)仿真工廠總體結(jié)構(gòu)由三大部分組成：流程工藝實訓(xùn)操作系統(tǒng)、仿真培訓(xùn)軟件系統(tǒng)（OTS）和DCS中控室系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 煤氣化制甲醇實訓(xùn)仿真工廠總體結(jié)構(gòu)

流程工藝實訓(xùn)操作系統(tǒng)模擬工業(yè)生產(chǎn)的真實環(huán)境，由若干工段組成：煤漿制備工段、氣化工段、變換工段、凈化工段、甲醇合成工段、甲醇精餾工段、硫回收工段。

OTS按照工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備和流程進行模擬仿真，同時對重點設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理進行深入地剖析；另外還能依靠組分?jǐn)?shù)據(jù)庫、熱力學(xué)模塊、設(shè)備模型庫，為操作員培訓(xùn)提供精確而可靠的動態(tài)模擬。

DCS中控室系統(tǒng)為仿真控制中心，由現(xiàn)場控制站、工程師站上位監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控及大屏幕系統(tǒng)、仿真培訓(xùn)軟件模型機系統(tǒng)組成。

3 煤化工仿真工廠的組成與功能設(shè)計

3.1 組成設(shè)計

煤化工仿真工廠區(qū)別于傳統(tǒng)實訓(xùn)裝置，裝置規(guī)模大、設(shè)備管路呈三維空間分布。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，煤化工仿真工廠的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 功能設(shè)計

煤化工仿真工廠的功能設(shè)計能夠體現(xiàn)煤氣化制甲醇基本生產(chǎn)工藝流程及設(shè)備組成，滿足工藝操作訓(xùn)練要求和設(shè)備操作訓(xùn)練要求，能夠安全、長周期運行，滿足企業(yè)多班制連續(xù)操作實習(xí)要求；主體設(shè)備關(guān)鍵部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視，便于學(xué)生對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解；能進行開停車操作、正常工況操作、事故處理操作等。檢測控制工藝參數(shù)同煤制甲醇系統(tǒng)工藝參數(shù)一致，并可同仿真系統(tǒng)互動聯(lián)系，體現(xiàn)真實工藝流程運行參數(shù)。

圖2 仿真工廠的結(jié)構(gòu)示意

該仿真工廠所擁有的煤制甲醇－二甲醚冷態(tài)模擬培訓(xùn)既具備離線仿真培訓(xùn)功能，也具備在線仿真培訓(xùn)功能。學(xué)員可以脫離工藝流程實訓(xùn)操作系統(tǒng)進行離線仿真培訓(xùn)，也可基于工藝流程實訓(xùn)操作系統(tǒng)進行在線仿真實訓(xùn)。當(dāng)學(xué)員進行離線仿真培訓(xùn)時，系統(tǒng)數(shù)據(jù)僅在學(xué)員站和OTS間傳遞。OTS服務(wù)器基于OPC通信協(xié)議接收學(xué)員站操作指令并進行動態(tài)模型計算，同時將運算結(jié)果傳遞給學(xué)員站的監(jiān)控畫面加以顯示。當(dāng)學(xué)員進行在線仿真培訓(xùn)時，系統(tǒng)數(shù)據(jù)在學(xué)員站，OTS，DCS，工藝流程實訓(xùn)操作系統(tǒng)間傳遞。

來自學(xué)員站的控制指令，通過DCS工程師站傳遞給DCS控制站并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號控制相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)動作，同時執(zhí)行機構(gòu)的反饋信號通過DCS傳遞給OTS以便進行動態(tài)模型運算。來自就地電氣儀表控制柜的控制操作，經(jīng)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號后控制相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)動作，同時執(zhí)行機構(gòu)的反饋信號通過DCS傳遞給OTS以便進行動態(tài)模型運算。來自就地手動的控制操作，經(jīng)執(zhí)行機構(gòu)的反饋信號通過DCS傳遞給OTS以便進行動態(tài)模型運算。OTS的運算結(jié)果，一方面通過OPC協(xié)議在學(xué)員站加以顯示，另一方面又通過DCS轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)信號在就地數(shù)字或模擬儀表中加以顯示。

4 煤化工仿真工廠特點

新型煤氣化制甲醇實訓(xùn)仿真工廠具有下列特點：

1）既能使學(xué)員了解和掌握正常工況下各個相關(guān)流程的操作和維護，能進行新型煤氣化制甲醇化工工藝的冷熱開車、熱態(tài)開車、正常運行、正常停車、緊急停車、設(shè)備維護等方面的技能操作訓(xùn)練，工藝指標(biāo)控制操作技能訓(xùn)練；又能通過安全手段設(shè)置各類故障，使學(xué)員能夠處理各類緊急狀況，進行生產(chǎn)過程操作、分析，排除工業(yè)生產(chǎn)過程故障。

2）仿真軟件系統(tǒng)按照工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備、流程、重點設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理進行模擬仿真。仿真軟件的動態(tài)模型真實地再現(xiàn)實際工業(yè)流程狀態(tài)和行為，實時準(zhǔn)確地模擬工藝現(xiàn)場，模擬真實故障。

3）仿真軟件系統(tǒng)動態(tài)過程模擬軟件依靠組分?jǐn)?shù)據(jù)庫、熱力學(xué)模塊、設(shè)備模型庫，為操作員培訓(xùn)系統(tǒng)提供精確而可靠的動態(tài)模擬，建立了基于嚴(yán)格機理的模擬器組件模型，并對其動態(tài)精度進行了實時優(yōu)化。

4）仿真軟件系統(tǒng)通過模擬測控系統(tǒng)、DCS和數(shù)學(xué)模型，使裝置與仿真軟件聯(lián)合成一體，創(chuàng)造性地將企業(yè)的真實生產(chǎn)工藝裝置操作和OTS仿真軟件及DCS模擬環(huán)境進行全流程的互動，將真實工廠的操作培訓(xùn)引入學(xué)校，建立了教、學(xué)、做、考四位一體的校中工廠。

5）替代傳統(tǒng)純仿真實訓(xùn)，實現(xiàn)了技能實踐、認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實訓(xùn)及崗前模擬訓(xùn)練，促進了國內(nèi)工程實踐職業(yè)教育發(fā)展，使得企業(yè)員工職業(yè)技能提高。

5 結(jié)束語

該新型煤氣化制甲醇仿真工廠已在內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院投入使用。在實訓(xùn)過程中，現(xiàn)場操作的視覺、觸覺、聽覺感受與實際裝置接近；學(xué)員對仿真工廠系統(tǒng)給予了很高的評價。

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