催化裂化工廠DCS仿真培訓系統建模與開發

李國友 高寧寧

(燕山大學工業計算機控制工程河北省重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

隨著石化企業集散控制系統(DCS)的普及應用，使得化工生產操作控制復雜，對操作人員技術水平要求較高；同時石化生產具有易燃、易爆和危險性大的特點，使得實際生產成本高、實施困難，為了提高操作人員素質仿真培訓系統在企業中的作用越來越明顯[1]。

催化裂化的自動控制技術是催化裂化生產技術中的關鍵技術[2]，應用仿真培訓技術是協助指導生產、節約能源和訓練操作人員進行各種操作與事故處理的有效途徑。在分析催化裂化各種工藝過程、設備、控制和操作條件基礎上，筆者開發了DCS動態仿真培訓系統，能夠實現正常運行、開/停機過程和事故處理的過程模擬。該系統采用COM組件技術，分為仿DCS服務器、教師站和學員站三大部分，實現了對工廠操作人員及相關學員的培訓功能。

1 工藝流程簡介①

催化裂化是煉油工業中重要的二次加工過程，是重油輕質化的重要手段。它使原料油在適宜的溫度、壓力和催化劑存在的條件下，進行分解、異構化、氫轉移、芳構化及縮合等一系列化學反應，原料油轉化成氣體、汽油及柴油等主要產品和油漿、焦炭的生產過程。催化裂化過程具有輕質油收率高、汽油辛烷值較高，以及氣體產品中烯烴含量高等特點。

結合某廠140萬t/a重油催化裂化聯合裝置，將生產過程分為以下相對獨立的子過程[3]：

a. 反應再生部分。其主要任務是完成原料油的轉化。原料油通過反應器與催化劑接觸并反應，不斷輸出反應產物，催化劑則在反應器和再生器之間不斷循環，在再生器中通入空氣燒去催化劑上的積炭，恢復催化劑的活性，使催化劑能夠循環使用。燒焦放出的熱量又以催化劑為載體，不斷帶回反應器，供給反應所需的熱量，過剩熱量由專門的取熱設施取出加以利用。

b. 分餾部分。主要任務是根據反應油氣中各組分沸點的不同，將它們分離成富氣、粗汽油、輕柴油、回煉油和油漿，并保證汽油干點、輕柴油凝固點和閃點合格。

c. 吸收穩定部分。利用各組分之間在液體中溶解度不同把富氣和粗汽油分離成干氣、液化氣和穩定汽油。

2 工藝流程仿真系統

對工藝流程進行仿真，模擬各種生產狀況，使受訓人員能夠非在線地練習各種操作并實時觀察所產生的結果，來驗證操作是否恰當。對中控室的人機界面進行仿真，符合中控室操作和訓練要求。對工藝流程的自動化系統的各種邏輯關系結合操作流程使操作人員對自動化系統的應用有深入理解。對整個工藝系統以及各環節設備的啟動、停止及各種故障情況的應急處理提供練習平臺，并做出指導。采用隨機調用故障模塊的方式處理常見的故障情況，通過交互式操作，讓培訓人員進行緊急處理，并隨后給出詳細操作評價[4,5]。

教師指令站要求能夠控制管理多臺學員站，分別運行不同的工藝單元和培訓項目;自動收集學員培訓信息和考核信息;可以授權不同的培訓模式和考試模式。

2.1 仿真系統硬件組成

該仿真系統硬件結構如圖1所示。該系統既可以單機運行，也可以聯網運行。單機運行時，本機既作為教師站或模型主機，也可作為學員站；聯網運行時，可選擇網上任何一臺計算機作為教師站兼模型機，其他計算機作為學員站。

圖1 仿真系統硬件結構

該系統由以下設備組成：

a. 仿DCS服務器。仿DCS服務器做系統數據的存儲和輸出，為操作員站(學生站)、教師站和現場控制模塊提供資料存取、歷史數據采集及報警事件處理等服務，并與管理設置機(教師站)聯合使用進行培訓項目的設置和培訓管理。服務器通過以太網與教師站、操作員站、現場控制模塊進行通信。

b. 教師站。教師站通過與服務器連接，實現系統的管理、評分系統設定、操作指導和監控功能。

c. 操作員站(學生站)。可以有多臺操作員站，作為上位機完成采集數據信息的存儲、分析處理、狀態顯示和打印輸出，實現對系統的實時監控。同時上位機也作為仿DCS系統和三維虛擬仿真系統，分布式運行工藝流程裝置的機理計算。站點間通過以太網設備互聯，同時與運行仿真軟件的微機系統通過以太網設備互聯，實現實時數據通信。

d. 現場控制模塊。是直接與現場設備相連的控制模塊，負責現場信號的收集與處理，完成工業過程的實時監控功能。該方案采用嵌入式技術來完成對信號的實時采樣、脈沖量累計、狀態的判別及輸出控制等；現場控制模塊可冗余配置。

e. 網絡。網絡采用TCP/IP協議，通過網絡可以實現和服務器、教師站、操作員站、現場控制模塊的連接，完成數據、命令等的傳輸，并可冗余配置，從而使得數據傳輸更安全有效。

2.2 仿真系統軟件組成

仿真系統軟件基于Visual C++開發，仿真系統軟件包括：工藝仿真軟件(裝置仿真)、仿DCS、ESD系統(含仿現場操作)、操作評價系統和總體監控軟件。

仿真系統包括運行平臺和開發平臺兩部分，其結構如圖2所示。

圖2 仿真系統軟件組成

3 流程模擬程序

利用動作機理建模和現場運行數據相結合的方式，進行了流程模擬仿真算法開發，實驗結果表明該算法運行穩定、精度高，能夠滿足生產模擬的要求。催化裂化動態仿真流程模擬以動作機理建模為主，同時利用現場實際運行統計數據進行校核調整。

3.1 流量計算

流量計算根據廣義閥門算法計算而來，是各單元模塊的連接變量。閥門算法中流量關系如圖3所示。

圖3 閥門流量關系示意圖

式中Cv——流量系數；

P1——入口端壓力；

P2——出口端壓力；

Vx——閥口通流面積；

ρ——液體密度；

εk——體積膨脹系數。

3.2 壓力節點計算

模擬催化裂化工藝過程中壓力的變化情況如圖4所示。

圖4 壓力節點關系示意圖

理論算法 Δn/Δt=FGI-FGO

n=n+(FGI-FGO)·Δt

P=nRT/V(理想氣體)

簡化算法P=nRT/V

P=P+(FGI-FGO)RT/V

式中FGI，FGO——入口與出口處的壓力；

n——氣體物質的量，mol；

R——熱力學常數。

3.3 換熱器(無相變)

換熱器輸入輸出參數關系如圖5所示。

圖5 換熱器輸入輸出參數關系

Cph——熱物流平均比熱容；Cpw——冷物流平均比熱容；

Fh——熱物流流量；Fw——冷物流流量；

Th1——熱物流溫度；Th2——熱物流出口溫度；

Tw1——冷物流溫度；Tw2——冷物流出口溫度

熱傳遞方程：

Qd=AUΔTm

ΔTm=(ΔT1-ΔT2)/log(ΔT1/ΔT2)

ΔT1=Th1-Tw2

ΔT2=Th2-Tw1

式中A——傳熱面積；

U——傳熱系數；

ΔTm——對數平均溫度。

熱物流能量平衡計算：

能量累積=進能-出能

Th2={Th2+[Fh·Cph·(Th1-Th2)-Qd]Δt}/Vtf

冷物流能量平衡計算：

Tw2={Tw2+[Fw·Cpw·(Tw1-Tw2)-Qd]Δt}/Vtf

式中Vtf——熱容量，流體+設備熱容量之和。

3.4 仿DCS運行軟件

仿DCS運行軟件為學員提供了模擬真實DCS控制系統的操作界面，并給出了模擬現場運行的仿現場操作界面，真實地再現了催化裂化裝置控制室操作界面和現場工作環境。利用界面設計和流程模擬算法，成功模擬了開車、停車及典型事故處理等工況，方便操作人員了解工藝過程和操作原理，提高其實際操作能力，縮短培訓周期，節省培訓費用。圖6所示為反應再生系統DCS仿真界面，圖7所示為部分分餾系統DCS仿真界面，圖8所示為部分吸收穩定系統DCS仿真界面。

圖6 反應再生系統DCS仿真培訓界面

圖7 部分分餾系統DCS仿真培訓界面

圖8 吸收穩定系統DCS仿真界面

從圖6～8中可以看出，仿真界面真實再現了催化裂化裝置現場工作環境和控制室操作界面，各節點位置動態顯示了隨閥口開度變化的反應溫度、壓強情況。教師站能反映出實際生產現場各種設備的運行流程，操作結果能及時反饋到教師站中，能夠及時地反映操作后的現場情況，對操作者的操作進行評分及記錄，達到培訓的功能。

4 結束語

在分析催化裂化各種工藝過程、設備、控制和操作條件的基礎上，開發了DCS動態仿真培訓系統。詳細介紹了仿真培訓系統的軟硬件結構及工藝仿真軟件信息流的確定和流程模擬算法，系統能夠實現正常運行、開/停機過程及事故處理的過程模擬，實現了對工廠操作人員和相關學員的培訓功能。