3D虛擬仿真技術(shù)在“化工安全工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

葛秀坤　邵輝　郝永梅

摘 要：為了解決“化工安全工程”傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)危險(xiǎn)性大、成本高等問題，文章構(gòu)建了基于3D虛擬仿真技術(shù)的“化工安全工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并以常減壓蒸餾實(shí)驗(yàn)中的典型實(shí)驗(yàn)為例，闡述了3D虛擬仿真技術(shù)在“化工安全工程”實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D；虛擬仿真技術(shù)；“化工安全工程”；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2016）05-0015-02

大多化工工藝過程涉及到易燃、易爆、有毒、有害等物質(zhì)，且在高溫、高壓等極端苛刻的條件下進(jìn)行?！盎ぐ踩こ獭睂?shí)驗(yàn)過程如果直接進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，危險(xiǎn)性大，破壞性強(qiáng)，耗材大，成本高。3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時(shí)、無限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為解決“化工安全工程”實(shí)驗(yàn)過程的安全與經(jīng)濟(jì)問題提供了有力的技術(shù)支撐[1-3]。

一、3D虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于“化工安全工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

“化工安全工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要基于常州大學(xué)國(guó)家級(jí)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的3D虛擬仿真技術(shù)完成的[4]，3D虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種先進(jìn)科技，采用具有豐富后臺(tái)數(shù)據(jù)支撐和強(qiáng)大仿真計(jì)算能力的化工流程模擬ASPEN PLUS軟件[5-7]。傳統(tǒng)的“化工安全工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)與3D虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)比分析見表1。

二、“化工安全工程”3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要內(nèi)容

“化工安全工程”3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括兩部分內(nèi)容：常減壓蒸餾實(shí)驗(yàn)、甲醇合成與精制實(shí)驗(yàn)。

（一）常減壓蒸餾實(shí)驗(yàn)

以大慶石化一套270萬t/a常減壓裝置為原型建立3D現(xiàn)場(chǎng)，后臺(tái)仿真操作界面采用DCS控制界面，3D現(xiàn)場(chǎng)的閥門、儀表等操作與后臺(tái)DCS二維仿真實(shí)時(shí)通訊，操作者有很強(qiáng)的沉浸感，操作性強(qiáng)。可實(shí)現(xiàn)虛擬開停車等初態(tài)模擬，沖塔、著火、泄漏等事故處理操作[9]，具體見表2。

（二）甲醇合成與精制實(shí)驗(yàn)

甲醇合成與精制實(shí)驗(yàn)以煤化工產(chǎn)業(yè)為背景，以真實(shí)化工廠甲醇項(xiàng)目為基礎(chǔ)，選取煤制甲醇工藝中“合成氣制甲醇”及“甲醇精制”部分進(jìn)行開發(fā)，可進(jìn)行開停車實(shí)驗(yàn)、反應(yīng)塔溫度高報(bào)警等異常情況處理操作，具體見表3和表4。

三、3D虛擬仿真技術(shù)在“化工安全工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

本文以常減壓蒸餾實(shí)驗(yàn)中的典型實(shí)驗(yàn)“P108A離心泵端面呲開著火” 事故處理實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)介紹3D虛擬仿真技術(shù)在“化工安全工程”實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生可以分別以外操員和內(nèi)操員的身份完成實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生不僅能在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，也能在DCS控制室進(jìn)行相應(yīng)處理。整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過程學(xué)生按照操作規(guī)程完成每一步驟電腦后臺(tái)都會(huì)記錄打分，直至完成所有步驟，否則學(xué)生就是未成功完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程如下。（1）發(fā)現(xiàn)P108A離心泵端面呲開著火：外操員在巡檢過程發(fā)現(xiàn)離心泵端面呲開著火，內(nèi)操員從DCS系統(tǒng)界面可以看到泵出口流量顯著下降，同時(shí)塔內(nèi)液面顯著上升。（2）關(guān)閉事故泵電源和出入閥：外操員發(fā)現(xiàn)離心泵著火后首先關(guān)閉事故泵的電源、入口閥、出口閥，內(nèi)操員發(fā)現(xiàn)后在DCS控制系統(tǒng)頁(yè)面關(guān)閉事故泵的入口閥和出口閥。（3）滅火：外操員大致判斷火勢(shì)大小，如果火勢(shì)不大直接采用滅火器材現(xiàn)場(chǎng)滅火，否則應(yīng)立即向班長(zhǎng)報(bào)告。班長(zhǎng)聽到外操員報(bào)告后應(yīng)立即宣布啟動(dòng)預(yù)案。使用電話，撥打119，并聯(lián)系電工對(duì)其斷電。同時(shí)告訴現(xiàn)場(chǎng)外操員，打開消防消蒸汽幕閥門，取滅火器滅火。命令另一外操員迅速關(guān)閉常二線抽出閥門和換熱器E119入口閥門。告知其他外操員打開消防通道，引導(dǎo)消防車進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)。班長(zhǎng)確認(rèn)部署完畢，迅速用電話向調(diào)度室和車間領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)情況。（4）恢復(fù)生產(chǎn)過程：滅火完畢后，班長(zhǎng)聯(lián)系相關(guān)單位進(jìn)行維修，恢復(fù)正常生產(chǎn)。設(shè)備維修正常后，首先打開備用泵的泵前閥和泵后閥，然后打開備用泵入口閥進(jìn)行灌泵，然后打開泵的電源開關(guān)，最后打開備用泵出口閥，各項(xiàng)參數(shù)恢復(fù)正常。

通過調(diào)研近幾年學(xué)生對(duì)“化工安全工程”基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)的掌握情況以及學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程的反饋意見可知，基于3D虛擬仿真技術(shù)開展“化工安全工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將3D生產(chǎn)裝置場(chǎng)景、任務(wù)引導(dǎo)系統(tǒng)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)相結(jié)合，3D虛擬環(huán)境真實(shí)感強(qiáng)、無需物料、可重復(fù)利用、節(jié)能、安全、環(huán)保、節(jié)省投資。大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和舉一反三的創(chuàng)新能力。

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