液化天然氣工廠操作仿真系統的開發

胡德棟，孫子貽

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266100)

隨著我國經濟的快速發展，人們的生活水平得到了大幅度的提高，而對各種能源的需求量也隨之上升。目前，地球上的不可再生資源都處于急劇減少的緊缺狀態，如何對這些不可再生能源進行更好的開采和合理的利用是目前整個世界都極為關注的一件事。天然氣作為目前礦藏資源最為豐富的全球不可再生資源之一，不僅儲藏量大且使用過程中產生的污染較小，是我國使用較為普遍的一種能源[1]。

目前，我國居民對天然氣的使用率極高，不僅日常生活中會使用到天然氣，以天然氣為能源的交通工具如今也成為了人們生活的重要組成部分。而我國對于天然氣的極大需求量，也使得對天然氣工廠的液化工藝提出了更高的要求，只有對天然氣液化工廠的工藝安全設計進行不斷提升，才能滿足我國人民對天然氣的大量需求且保障天然氣的使用安全性，同時使天然氣在使用過程中更為潔凈，帶來更少的污染[2]。而天然氣的液化工藝安全設計研究不僅僅是人民群眾所極為關注的一件事，天然氣液化工藝的提升也可以為天然氣液化工廠創造更大的利潤，促進我國經濟的發展。

由于液化天然氣工廠的操作過程復雜，對員工素質要求較高，具有合格上崗資質的員工相對稀少，為了滿足日益增多的液化天然氣工廠用工需求，現在迫切需要培養大批具有高素質的液化天然氣工廠員工，而借助液化天然氣工廠仿真系統進行培訓是一種有效途徑。因此開發本系統不僅對員工培訓有價值，還對促進我國液化天然氣工廠快速發展具有深遠意義[3-4]。

1 系統開發技術路線

液化天然氣工廠操作仿真系統，可對液化天然氣工廠日常運行工況進行模擬。根據實際生產中液化天然氣工廠系統主要將液化天然氣工廠日常運行工況分為天然氣凈化、天然氣液化、儲存與運輸、BOG回收四個模塊，在每個模塊當中基于實際生產中的壓力、溫度、質量流量、組分等工藝參數建立數學模型，進行操作仿真[5]。軟件開發技術路線如圖1所示。

圖1 軟件開發技術路線

2 系統框圖構建

圖2 仿真系統框架

液化天然氣工廠操作仿真系統由基礎知識模擬仿真作兩個部分構成。基礎知識部分包括工藝流程、操作演示、設備簡介等內容，對液化天然氣工廠主要設備的操作步驟以及注意事項進行詳細介紹，此外對液化天然氣工廠的工藝流程進行分部展示以及理論知識講解，使學員快速掌握液化天然氣工廠操作流程。模擬仿真部分將液化天然氣工廠日常運行工況詳細分為天然氣凈化、天然氣液化、儲存與運輸、BOG回收四個模塊，由學員動手操作，操作過程中，學員可查看本次操作狀態下的參數變化以及歷史數據趨勢記錄，同時，操作考核系統對學員的操作打分，從而判斷學員是否已經掌握液化天然氣工廠的工藝流程。仿真系統框架如圖2所示。

3 系統開發

3.1 創建界面

打開軟件進入主界面，上面顯示有基礎知識與模擬仿真兩大模塊，基礎知識模塊包括流程界面(見圖3(a))、參數列表、歷史數據趨勢記錄、設備簡介(見圖3(b))四個部分。在每個模擬系統里面有天然氣凈化、天然氣液化、儲存與運輸、BOG回收四個部分的詳細工藝介紹及工藝模擬流程。

圖3 基礎知識子界面

在流程界面中選擇相應的工藝，即可進入液化天然氣工廠操作界面，界面中詳細展示了不用工藝下的具體工藝流程，點擊對應編號即可對相應閥門、管線、泵和壓縮機發出開車/停車指令，系統自動對閥門的開關、泵和壓縮機的啟動/關閉等進行仿真模擬。天然氣液化工廠的生產過程中，因天然氣自身的基本特性和生產過程的操作需要，往往會帶來很多的危險因素[6]。因此，在對天然氣液化工廠的生產進行模擬設計的過程中，尤其是在對設備進行設計校核時，充分考慮承受裝置異常時可能產生的極端溫度或壓力情況，結合其危險指數針對異常工況進行緊急停車系統的設計。此外對儲罐的液位、溫度、壓力，泵的流量等進行監控。

模擬仿真模塊包括考核模塊(見圖4(a))、參數列表、歷史數據趨勢記錄、成績查詢(見圖4(b))四個部分。在考核界面中，學院需要對每項閥門的開關、泵和壓縮機的啟動/關閉等進行仿真操作，操作考核系統對學員的每次操作打分，成績查詢界面會顯示針對每一部分(如氮氣吹掃、溶劑循環、天然氣、停車)的具體分值，從而判斷學員是否已經掌握液化天然氣工廠的工藝流程[7]。

圖4 模擬仿真子界面

表1 各步操作分類標識表

為了考核學員是否已經掌握操作技能，本仿真系統開發了操作考核系統。該系統由標準庫和控制系統組成。標準庫用于存放各個評估標準，控制系統用于規定產生式規則和匹配方法。根據學員的操作對其各步進行識別，采用正向推理策略將學員的得分計入評價系統中，如表1所示。整個評估過程按操作工況分成不同的子集，考生選中一個工況后，就選擇了相對應的子集，運算只在這一子集下進行。根據考生的操作，正確完成一個操作總分加一分，執行一個錯誤操作將扣一分，不操作不得分，最后將分數匯總得出考核總分[8-11]。

3.2 數學建模

圖5 數學建模流程圖

為了更好的結合液化天然氣工廠實際生產過程，本仿真系統對儲罐的液位、溫度、壓力建立數學模型，根據在滿足控制要求的情況下，選用單回路反饋控制系統，單回路反饋控制系統由四個基本環節組成，即被控對象(簡稱對象)或被控過程(簡稱對象)、測量變送裝置、控制器和控制閥。以儲罐的液位為例，數學建模流程如圖5所示。

3.3 數據庫開發

為了讓所繪制的靜態圖擁有動態效果，需要將圖上所示各個管路以及閥門等進行定義和關聯。首先給其命名，并選擇其默認的顏色和開關時的顯示方式。其次，應在數據庫組態中建立數字點和模擬點，成為每一條管路和閥門的控制量。之后，將管路閥門等控件與已經定義好的數字點模擬點相連接。以此方式完成對所有管路閥門各個設備的基本控制。并設置各管路的流動屬性。數據庫組態設置如圖6所示。

圖6 數據庫組態設置

3.4 報表輸出

液化天然氣工廠操作仿真系統可對每項工況模擬狀態下的數據進行保留并形成報表，操作人員可根據需要隨時查看參數列表(見圖7(a))，為方便操作人員更好觀察各項數據實時變化趨勢，本系統開發了更為直觀的歷史數據趨勢記錄表(見圖7(b))。

圖7 報表輸出記錄

4 仿真系統的功能

本仿真系統具備以下3項功能：

1)操作仿真系統可實現液化天然氣工廠中天然氣凈化、天然氣液化、儲存與運輸、BOG回收的實際生產工藝模擬開/停車工況模擬，此外仿真系統也可以實現在液化天然氣工廠在實際生產過程中可能遇到的各種緊急工況的模擬。

2)操作考核系統可以對學員的每次操作打分，最終得分可作為評估的依據，判斷學員是否已經掌握液化天然氣工廠的工藝流程[12-13]。

3)設備管理系統既可以對設備進行有效管理，又可以用來對學員講解設備的基本信息、工作原理、操作規程，讓學員熟練操作設備。

5 結論

本文開發設計了一套用于培訓液化天然氣工廠員工的操作仿真系統，學員能夠親手操作，模擬液化天然氣工廠的大部分工況。仿真系統結合基礎知識和模擬仿真兩個部分，功能齊全，使用方便，可節省大量人力、物力和財力，本系統采用實際生產與虛擬仿真相結合的方式，具有專業性強、節約培訓成本、安全性高、培訓效率高等優點。