新型煤氣化制甲醇實訓仿真工廠設計

王和，侯平智，吳鋒

（1.新疆獨山子克拉瑪依職業技術學院，新疆 克拉瑪依833600；2.杭州電子科技大學 自動化學院，杭州310018）

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

從小型冷模裝置、縮小型流程生產裝置、半實物仿真裝置，逐漸發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操作所面臨的現狀決定的：裝置體積龐大、造價昂貴，難以進課堂；煤化工生產裝置的日益大型化、復雜化，安全問題日益突出；實訓內容與實訓手段難以滿足實際需要［3－7］。

為了促進國內煤化工行業職業教育的發展，由內蒙古化工職業學院等多家單位的教學科技人員合作，以“校中廠”實訓基地的理念為設計指導思想［8－9］，以國內第一條投產運行的“咸陽化學工業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、設計并實現了新型煤氣化制甲醇實訓仿真工廠。

1 設計思路

新型煤氣化制甲醇實訓仿真工廠需要將職業技能培訓與鑒定相結合，實訓裝置的硬件與技能訓練仿真軟件相結合，對現代煤化工工藝過程、動態操作、自動檢測傳感裝置及DCS進行仿真模擬。

為此，在真實體現實際工廠工藝流程的基礎上，省略工業流程中的一些輔助工序、輔助設備，同時對重要工序、重要設備進行了強化，以加深學生對煤制甲醇工業化裝置的了解。將工業裝置中大型設備如塔器、反應器、儲槽、換熱器、輸送設備等在保持原設備的結構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生產的真實環境，能進行煤氣化制甲醇生產工藝的冷態開車、熱態開車、正常運行、正常停車、緊急停車、設備維護等方面的技能操作訓練和工藝指標控制操作技能訓練；還能通過安全手段設置各類故障，使學員能夠處理各類緊急狀況，進行生產過程操作、分析，排除工業生產過程故障。

仿真工廠的流程仿真軟件按照工業現場設備和流程進行模擬仿真，同時對重點設備的內部結構、工作原理深入地剖析。通過機理建模建立“虛擬工廠”，可自上而下地實現對工廠過程和控制邏輯的動態模擬。仿真軟件的動態模型真實地再現了實際工業流程狀態和行為，實時準確地模擬工藝現場，模擬真實故障。

2 煤化工仿真工廠總體結構設計

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

圖1 煤氣化制甲醇實訓仿真工廠總體結構

流程工藝實訓操作系統模擬工業生產的真實環境，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按照工業現場設備和流程進行模擬仿真，同時對重點設備的內部結構、工作原理進行深入地剖析；另外還能依靠組分數據庫、熱力學模塊、設備模型庫，為操作員培訓提供精確而可靠的動態模擬。

DCS中控室系統為仿真控制中心，由現場控制站、工程師站上位監控系統、視頻監控及大屏幕系統、仿真培訓軟件模型機系統組成。

3 煤化工仿真工廠的組成與功能設計

3.1 組成設計

煤化工仿真工廠區別于傳統實訓裝置，裝置規模大、設備管路呈三維空間分布。根據系統結構設計要求，煤化工仿真工廠的結構如圖2所示。

3.2 功能設計

煤化工仿真工廠的功能設計能夠體現煤氣化制甲醇基本生產工藝流程及設備組成，滿足工藝操作訓練要求和設備操作訓練要求，能夠安全、長周期運行，滿足企業多班制連續操作實習要求；主體設備關鍵部件內部結構可視，便于學生對設備內部結構的了解；能進行開停車操作、正常工況操作、事故處理操作等。檢測控制工藝參數同煤制甲醇系統工藝參數一致，并可同仿真系統互動聯系，體現真實工藝流程運行參數。

圖2 仿真工廠的結構示意

該仿真工廠所擁有的煤制甲醇－二甲醚冷態模擬培訓既具備離線仿真培訓功能，也具備在線仿真培訓功能。學員可以脫離工藝流程實訓操作系統進行離線仿真培訓，也可基于工藝流程實訓操作系統進行在線仿真實訓。當學員進行離線仿真培訓時，系統數據僅在學員站和OTS間傳遞。OTS服務器基于OPC通信協議接收學員站操作指令并進行動態模型計算，同時將運算結果傳遞給學員站的監控畫面加以顯示。當學員進行在線仿真培訓時，系統數據在學員站，OTS，DCS，工藝流程實訓操作系統間傳遞。

來自學員站的控制指令，通過DCS工程師站傳遞給DCS控制站并轉換成標準信號控制相應執行機構動作，同時執行機構的反饋信號通過DCS傳遞給OTS以便進行動態模型運算。來自就地電氣儀表控制柜的控制操作，經轉換成標準信號后控制相應執行機構動作，同時執行機構的反饋信號通過DCS傳遞給OTS以便進行動態模型運算。來自就地手動的控制操作，經執行機構的反饋信號通過DCS傳遞給OTS以便進行動態模型運算。OTS的運算結果，一方面通過OPC協議在學員站加以顯示，另一方面又通過DCS轉變成標準信號在就地數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仿真工廠具有下列特點：

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

2）仿真軟件系統按照工業現場設備、流程、重點設備的內部結構和工作原理進行模擬仿真。仿真軟件的動態模型真實地再現實際工業流程狀態和行為，實時準確地模擬工藝現場，模擬真實故障。

3）仿真軟件系統動態過程模擬軟件依靠組分數據庫、熱力學模塊、設備模型庫，為操作員培訓系統提供精確而可靠的動態模擬，建立了基于嚴格機理的模擬器組件模型，并對其動態精度進行了實時優化。

4）仿真軟件系統通過模擬測控系統、DCS和數學模型，使裝置與仿真軟件聯合成一體，創造性地將企業的真實生產工藝裝置操作和OTS仿真軟件及DCS模擬環境進行全流程的互動，將真實工廠的操作培訓引入學校，建立了教、學、做、考四位一體的校中工廠。

5）替代傳統純仿真實訓，實現了技能實踐、認識實習、生產實習、畢業實訓及崗前模擬訓練，促進了國內工程實踐職業教育發展，使得企業員工職業技能提高。

5 結束語

該新型煤氣化制甲醇仿真工廠已在內蒙古化工職業學院投入使用。在實訓過程中，現場操作的視覺、觸覺、聽覺感受與實際裝置接近；學員對仿真工廠系統給予了很高的評價。

［1］夏迎春，吳重光，張貝克，等.現代化工仿真訓練工廠［J］.系統仿真學報，2010，22（02）：370－375.

［2］李培，尹兆明.新型實訓技術——仿真工廠［J］.廣東化工，2010，37（11）：92－93.

［3］李瓊玖，杜世權，廖宗富，等.煤制油與煤氣化制甲醇技術的比較與選擇［J］.中外能源，2009，14（07）：26－29.

［4］程治方.我國煤化工技術及相關裝備產業化狀況及發展前景綜述［J］.石油和化工設備，2009（05）：4－9.

［5］胡孝貴，謝素雯，羅六保，等.關于化工仿真與實際操作結合的實訓模式研究［J］.職業教育研究，2009（05）：107－108.

［6］JR S，RIBEIRO A，RIBEIRO C，et al.The Use of Virtual Reality for Simulation and Training of Bovine Artificial Insemination with Haptic Devices［C］／／Proceedings of the 2012 14th Symposium on Virtual and Augmented Reality.Washington DC：IEEE.Computer Society，2012.

［7］YA G K.Coal Chemical Industry Cold－state Semi－entity Simulation Training System Design and Implementation［C］／／2012Second International Conference on Intelligent System Design and Engineering Application （ISDEA）.Washington DC：IEEE.Computer Society，2012.

［8］李良元.高職學院校內實訓教學模式的發展趨勢［J］.武漢工程技術職業學院學報，2005，17（01）：74－77.

［9］于萬成，王桂蓮，劉瀟敏.基于模擬工廠教學模式的探討［J］.中國職業技術教育，2012（08）：45－48.

［10］朱本啟，裴學國，豐中田，等.德士古水煤氣制甲醇與焦爐氣制甲醇的比較［J］.化工催化劑及甲醇技術，2009（02）：17－22.

［11］呂運江，王冬，趙紹民.德士古煤氣制甲醇工藝淺析［J］.中氮肥，2004（05）：9－11.

［12］劉懷祥.德士古煤氣化技術改造的思路及存在的問題探討［J］.內蒙古石油化工，2011（18）：111－113.

［13］王旭賓.德士古煤氣化裝置設計問題探討［J］.化工催化劑及甲醇技術，2004（01）：4－8.