反應釜仿真培訓考核系統研發

丁志蛟，張繼晟，鄭建榮

（華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237）

0 引言

反應釜作為承壓類特種設備，廣泛應用于化工、煉油、冶金、輕工等工業部門，由于其涉及到高壓高溫、易燃易爆、有毒氣體等，具有很大的危險性。近年來由于操作失誤引起的事故越來越多，造成了大量的人員傷亡和財產損失。根據中華人民共和國《特種設備作業人員監督管理辦法》規定：從事特種設備作業的人員應當按照本辦法的規定，經考核合格取得《特種設備作業人員證》，方可從事相應的作業或者管理工作。因此對于反應釜操作人員的培訓和考核是避免事故發生的首要環節。

然而傳統的特種設備（包括反應釜）培訓考核都是紙質或口頭，考試內容主要是理論考試，沒有做到對學員的實際操作步驟的考核。這就造成了很多拿到作業證的人員，只具備理論知識，不具有實際操作經驗，很容易引起安全事故。究其原因，主要是反應釜等特種設備本身就具有危險性，不適合新學員進行操作學習。

針對這一問題，本文以反應釜作為研究重點，結合計算機仿真技術，研究開發反應釜的仿真培訓考核系統。要做到對學員的實物考核的培訓和考核，必然要有實物操作，因此本文重點之一是研究半實物仿真系統的構建。本文的另一個重點是對反應釜模型的研究，以達到模擬仿真的效果。

1 半實物仿真系統的構建

半實物仿真培訓系統的設計主要從硬件和軟件兩部分著手。硬件部分包括物理效應設備、數據采集和處理模塊、計算機。軟件部分基于VB編程語言，采用面向對象的方法，進行模塊化編程。設計人機交互界面，建立數學模型，構建數據庫等。

1.1 物理效應設備

物理效應設備是半實物仿真系統可操作部分，可將真實的物理量與仿真模型中的數字量相互轉換，使實物裝置能夠與計算機仿真同步進行。本系統以反應釜原始比例的模型作為物理效應設備，主要包括各類閥門開關、儀表顯示、攪拌電機、管路系統等。對其閥門開關等進行電信號改裝，在原來閥門的基礎上加裝電感式接近開關，當手動操作閥門時，電感式接近開關即可輸出一個開關量信號，作為計算機的輸入信號。壓力表、液位計等儀表顯示作為模擬量輸出元件，采用自行研制的單片機系統驅動壓力表指針和液位計發光二極管的顯示。

另外為了構建逼真的仿真環境，物理效應設備中加入音響系統，可模擬反應釜運行時的各種聲音。

1.2 數據采集和處理模塊

數據采集和處理模塊采用基于微處理器的方式，完全自主開發數據采集處理系統。主要負責接收物理效應設備上的各類操作和傳感元件的操作信號，即輸入信號。數據采集處理系統將輸入經調理轉換后，發送至上位客戶端。仿真系統將仿真結果送回數據采集處理系統，控制對應的結果輸出到物理效應設備的顯示儀表上。

數據采集和處理模塊主要包括MCU芯片、開關量輸入和輸出，模擬量的輸入（AD）和輸出（DA）。此外，增設隔離通訊模塊，與MCU采用RS422進行通訊，隔離模塊通過USB與計算機進行串口通訊。

2 仿真系統模型

2.1 反應釜建模分析

如圖1所示，為反應釜模型。氣相或液相物料由進料閥進入反應室，反應生成物可能為氣相、液相或氣液相混合物，反應性質可能為放熱、吸熱或恒溫反應，液相反應生成物由出料閥排出，氣相反應生成物由排氣閥排出。反應釜通過夾套中冷源介質或熱源介質進行溫度控制，冷卻階段，冷源一般為冷卻水，在夾套循環回路中由夾套下閥進入夾套，由夾套上閥流出；在加熱階段，熱源一般為飽和蒸汽，在夾套循環回路中由夾套上閥進入夾套，從夾套下閥排出。

圖1 反應釜示意圖

為簡化系統模型，做如下基本假設：1）所涉及液相為不可壓縮流體且忽略溫度影響，即密度不隨溫度、壓強變化；2）所涉及氣相為理想氣體，即在任何情況下都嚴格遵守氣體三定律；3）進出料時，氣相、液相按一定比例平穩進入或離開反應室；4）理想混合流動模型：由于強烈攪拌，反應釜內物料質點返混程度為無窮大，所有控件位置物料的各種參數完全均勻一致。反應物料以穩定的流量進入反應釜，剛進入反應釜的新鮮物料與存留在其中的物料瞬間達到完全混合，而且出口處物料性質與反應釜內完全相同；

為簡化公式，下文所涉及的物質的密度和摩爾質量均為混合物的平均密度和平均摩爾質量，即，單位為kg/m3，其中iρ為混合物中各組分的密度，Vi為混合物中各組分的體積；，單位為kmol，其中iχ為混合物中各組分的摩爾分數，單位為kg/kmol。

2.2 反應釜液位模型

將反應釜液位模型簡化為圖2所示，液相由進料/進水閥進入反應室，由出料/排液閥排出。

圖2 反應釜液位模型示意圖

忽略液相和氣相密度的變化，假設液相和氣相的平均密度分別為Lρ和Gρ，反應室的高度和橫截面積分別為H和A。設t時刻反應室內液位的高度為h(t)，進料/進水閥和出料/排液閥的質量流量分別為WS4(t)和WS5(t)。由液相質量衡算：考慮任意微小時間段，液相質量的變化=進料中液相的質量-出料量-反應掉的液相質量，如式(1)所示。

將公式(2)代入式(1)可得反應釜液位模型的遞推式：

式中，hn+1為當前水位，m；hn為前一周期水位，m。

2.3 反應釜內壓力模型

假設反應釜內的氣相為理想氣體，其狀態方程的微分形式如式(4)所示。

式中，pG為反應釜內氣相的壓強，MPa；VG為反應釜內氣相的體積，m3；mG為反應釜內氣相的質量，kg；TG為反應釜內氣相的溫度，K。

根據質量衡算有：氣相質量變化=進料中氣相的質量+反應生成的氣相量-排氣量，其表達式如式(5)。

式中，D3(t)為排氣閥的閥門狀態，打開時=1，關閉時=0；WS3(t)為排氣閥的質量流量，根據需要的系統仿真速度，可取不同的常數，kg/s。

如圖2所示，反應室內氣相體積如式(6)所示。

將式(4)并轉換為微分方程形式如式(6)，代入式(5)、 式(6)并進行離散化后的反應釜內壓力仿真模型的遞推式如式(8)所示。

2.4 反應釜溫度模型

反應釜內的熱量是由夾套冷熱源（飽和蒸汽或冷卻水）以及反應中的吸熱或放熱決定的，根據能量守恒定律，進行熱量衡算：單位時間內，反應釜內熱量變化量=進入反應釜內流體所放出的熱量+夾套提供的熱量（或-夾套吸收的熱量）+反應放出的熱量（或-反應吸收的熱量），其表達式如式(9)所示。

式中，QR為反應釜的熱負荷，kJ/s；c4為進入反應釜流體的比熱容，kJ(kg.℃)；Tamb,TJ,TR為環境、夾套和反應釜的溫度，℃；U為總傳熱效率，；h為傳熱膜系數；為與批次有關的雜質因數；AJ為夾套傳熱面積，m2；為夾套每單位溫度的熱損失速率，為一常數，kW/S.℃； Qrea(t)為為反應放熱速率，，kJ/S； - ΔH 為反應熱焓，kJ/mol。

夾套平均溫度TJ為夾套進口與出口溫度的平均值，即TJ=(T1+T2)/2；反應釜壁溫度TW為反應釜內溫度與夾套溫度的平均值，即TW=(TR+TJ)/2。

由于反應的熱量是由夾套提供的，因此，夾套的出口溫度T2(t)和入口溫度T1同樣遵循能量守恒，如式(10)所示。

式中，WS1(t),WS2(t)為夾套上閥和夾套下閥的質量流量，kg/s；cJ為夾套內流體的比熱容，kJ/(kg.oC)；θ1為夾套與傳熱回路的時滯，S。

3 仿真系統軟件實現

反應釜仿真培訓系統基于VB編程語言，采用面向對象的方法，進行模塊化編程。設計人機交互界面，建立數學模型，構建數據庫等。

因為這是一套培訓考核系統，軟件基本結構應該包含如下幾個基本模塊：題庫管理模塊、培訓模塊、考核模塊、反應釜模型模塊、操作評分模塊、數據庫和數據庫管理模塊、硬件檢測模塊、通訊接口模塊、信息設置模塊以及輔助模塊等。根據各個模塊間的關系，軟件基本結構設計如圖3所示。

在對各個模塊進行編程后，按照觸發過程中的系統仿真模型，對各個模塊進行合成， 其程序運行的主框圖如圖4所示。

圖3 仿真系統軟件結構圖

圖4 程序運行主框圖

軟件最終實現了反應釜培訓考核的功能，運行界面如圖5所示。

圖5 軟件界面

4 結束語

本仿真培訓系統是以反應釜為模型，采用半實物仿真的方法，構建反應釜實物物理模型，實現了培訓考核的可操作性。并通過對反應釜模型的分析，實現了反應釜液位、壓力和溫度的建模，達到了模擬仿真的效果。最后基于VB編程，利用模塊化的編程方法實現了軟件的運行。本仿真培訓系統可以集培訓和考核于一體，并給出最終操作步驟得分。在特種設備反應釜考核中具有重要的意義，可應用于特種設備檢驗研究院等場所。

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