甲醇制氫過程裝備成套技術課程虛擬仿真實驗

程文潔， 廖傳華， 周劍鋒

（南京工業大學機械與動力工程學院，南京 211816）

0 引 言

在理工科高校教學中，實驗起著至關重要的作用［1-3］。但傳統的教學方法一方面偏重書本知識的傳授，忽視學生對于知識的接受情況［4］，另一方面，由于對實驗器材、儀器設備的投入較少，長期得不到更新換代，實驗技術水平得不到提高。大多數教學實驗課成了看實驗、講實驗，學生做實驗成了做習題，學生解決實際問題的能力嚴重缺失。虛擬仿真技術就是用一個系統模仿另一個真實系統的技術［5］，可以彌補實驗裝置較復雜、工程規模較大的實驗不能以實物形式實現的遺憾。具有自由度高、交互性強、仿真度高，可修改仿真參數等特點［6-9］。

成套過程裝備是過程工業生產用的主要設備和各種輔助設備由管道連接組成的一個能完成特定工藝過程的一整套設備［10］。過程裝備成套技術課程具有很強的綜合性和實踐性，目的是培養學生綜合運用所學知識解決復雜工程問題的能力?；诖?，以甲醇制氫工藝過程為主線，開發了虛擬仿真實驗系統，將課程相關的知識點直觀展現，提高學生的學習興趣，進而全面實現課程的知識目標（掌握和理解過程工藝開發及成套裝備的綜合設計能力）、能力目標（具有良好的經濟、安全和環保意識，能正確認識工程對社會、環境的影響，從事過程裝備成套技術開發及創新設計能力）和素質目標（具有人文社會科學素養、社會責任感、工程職業道德及國際視野，具備終身學習和跨文化學習能力），為實現經濟社會的高質量發展提供高素質人才。

1 過程裝備成套技術教學內容

過程裝備成套技術是過程裝備與控制工程專業的一門綜合性專業課程。過程裝備成套技術以甲醇制氫過程為主線，分別講述工藝設計及設備布置、裝備設計與選型、裝備布置設計、管道設計、控制系統設計、設備及管道的絕熱設計、腐蝕與防護方法，并介紹過程裝置的安裝、試車與驗收，力求使學生將本專業所學專業知識系統化，具備處理工程實際問題的能力。同時，為了加強學生在安全、社會責任等方面的培養，還增加了新產品工藝過程評價（包括經濟評價、環境影響評價、安全評價、節能評價和水土保持方案等）的內容，力求為學生以后承擔過程工業不同生產環節的技術工作進行知識儲備［11-15］。

概括起來說，過程裝備成套技術涉及的知識領域較為廣泛，可較好滿足當前社會經濟高質量發展對高素質人才的需求。然而，受限于知識視野，學生的學習興趣索然，而且受社會對化工學科偏頗認識的影響，部分學生的專業思想不正確，學習效果較差。因此，如何在有限的課堂教學內盡可能拓展學生的知識視野，如何在抽象的課堂教學中盡可能提高學生的工程能力是要解決的首要問題。

針對這種不足，結合教材內容和教學需要，自主開發了以甲醇制氫過程為主線的過程裝備成套技術虛擬仿真實驗。

2 虛擬仿真實驗的內容及功能

虛擬仿真實驗的目的是將教材內容直觀展現給學生，以提高學生的學習興趣，增強對教學內容的理解與掌握，因此，開發的虛擬仿真實驗也是以甲醇制氫過程為主線，表達從事過程工藝開發及成套裝備設計所需的各知識點。

甲醇制氫是適用于中小型用氫規模的制氫技術，主要以甲醇、脫鹽水為原料，在一定的溫度、壓力下通過催化轉化反應、變壓吸附分離而制得氫氣的。具體過程為：甲醇和脫鹽水按比例計量混合，由泵輸送至換熱器預熱后進入汽化塔，汽化后的水與甲醇蒸汽經過換熱器過熱，進入轉化器進行催化裂解和轉化反應，產出的氫氣和二氧化碳再經換熱、冷卻冷凝后進入吸收塔，塔釜收集未轉化完的甲醇和水供循環使用，塔頂氣送變壓吸附裝置進行提純。工藝流程見圖1。

圖1 甲醇制氫工藝流程

虛擬仿真實驗的內容包括工藝流程設計、設備分類與選型、設備布置設計、管道應力分析、管道布置設計和裝置投資估算6個方面，實現流程如圖2所示。

圖2 虛擬仿真系統的實現流程

2.1 工藝流程設計

工藝流程設計首先要確定由原料生產產品的工藝過程、設備構成及其組合方式。繪制工藝流程圖時，要圖解系統中各個單元生產過程、物料和能量發生的變化及走向、采用的設備、閥門及相應的控制儀表等。

工藝流程包括主物流管線、輔助物流管線、設備名稱和位號標注、管道標注、閥門及控制儀表等內容（見圖3）。在虛擬仿真軟件中，它們分屬于不同的層，當其中一層被激活時，其他層則顯示為灰色。學生可通過點擊位號、管段標注等進入下一層級，有針對性地了解物流管線及附件的標注方式、繪制規范等相關知識，如圖4所示。

圖3 虛擬仿真軟件中工藝流程圖

圖4 虛擬仿真軟件中工藝流程圖的學習示例

2.2 設備分類與選型

過程工業大都在非常規條件下進行，生產過程一般包括原料的制備、溫度條件和壓力條件的創造、反應過程的發生、產品的分離與精制，所涉及設備的種類繁多，而且各自的功能、型號、規格各不相同，如何選擇合適的機型、規格是一個十分重要而又復雜的問題。對于沒有任何實踐經驗的初學者來說，更是無從下手。

針對這種情況，在仿真軟件中，將機器和設備按其在生產過程中的作用進行了分類，并預置了多種不同類型設備的模型動畫。學生可在圖5所示的設備分類選型界面點擊設備名稱以了解每臺設備的作用，并觀看設備的內部結構和工作原理，以增強學生對復雜設備的直觀認識與了解。

2.3 設備布置設計

設備布置設計是采用俯視的方法表達生產過程中所有設備的投影，并通過標注三維尺寸確定其相對位置。

為了實現這一功能，仿真系統首先使用仿DCS（Distributed Control System）系統及虛擬現實HMI（Human Machine Interface）技術搭建一個三維的虛擬化工場景，并內置模型標準庫，采用層級展示方式，引導學生按給定的計劃任務書進行工藝計算以得到設備的主要參數（如換熱面積、直徑、高度等），同時根據設備的功能按相關標準或規范的規定進行布置，即可得到三維模式的設備布置，如圖6所示。

圖6 虛擬仿真軟件中三維模式的設備布置

采用與水平面平行的平面將三維場景進行切割，將切割之后的設備截面形狀表示出來，即可得到設備平面布置圖。在圖中，水平面內的設備位置用數字直接表示，垂直面內的位置用標高表示，從而確定各設備的相對位置。

2.4 管道應力分析

由于過程工業的運行特點，管道系統都是在一定的溫度和壓力下運行，需要按照相關標準或規范進行設計。

三維模式的設備布置完成后，學生可繼續通過選擇、拖動等操作，將預置的各條管線連接到相關設備的接管上，從而完成管道連接。通過管道連接可以了解管線的空間走向，為管道空視圖的繪制提供指導。如圖7所示，在場景里點擊直管時，右下角跳出管道位置參數界面，可以調整管件沿X、Y、Z軸向旋轉、長度設置、直徑設置等。智能評分系統跟蹤評定搭建過程，在右上角顯示管道連接正確與否的得分情況，以利于學生了解自己對知識點的掌握程度，進一步激發學生的學習熱情。管道連接后，學生可使用系統嵌入的FAOP軟件對指定的管道進行應力分析，以確定設計是否合理，從而培養綜合應用所學知識解決實際問題的能力。

圖7 虛擬仿真軟件中管道選擇及連接

2.5 管道布置設計

在將所有與設備相關的管道連接完畢后，即可采用與生成設備平面布置圖相同的方法，采用一水平面對包含有全部管道連接的設備布置進行切割，將切割之后的管道用實線表示出來，即可得到管道平面布置圖，如圖8所示。

圖8 虛擬仿真軟件中管道平面布置

在管道平面布置圖中，水平面內的管道長度用數字直接標注，垂直面內的管道尺寸為兩不同水平面內管道的標高之差表示。

2.6 裝置投資估算

在三維場景搭建完成、所有設備和管道都已完整表達的條件下，即可對全部裝置的總投資進行估算，以加強學生在經濟、社會責任等方面的培養。

裝置投資估算以所有設備的總成本為基準，采用系數連乘法進行。動設備（如泵、風機、壓縮機等）一般已由專業廠家形成系列產品，其成本可通過市場詢價得到，而靜設備（業界一般稱其為非標設備）的成本可根據初步設計的結果而得。將各設備的成本相加，即可得到所有設備的總成本。

以此總成本為基準，根據不同行業的取費標準確定取費系數，即可采用系數連乘法依次估算設備安裝費、管道工程費、電氣工程費、儀表工程費、建筑工程費等。上述各項費用的總和，即為全套裝置的總投資。

裝置總投資是進行過程經濟核算、評價項目經濟效益的重要依據，要求在保證完成生產任務的基礎上，盡量優化工藝流程與操作參數，盡可能降低裝置總投資，為國民經濟高效、高質量發展貢獻一份力量。

3 結 語

自行開發的基于甲醇制氫的過程裝備成套技術虛擬仿真實驗在新工科人才培養方面具有以下意義：

（1）以甲醇制氫過程為主線，將工藝流程設計、設備分類與選型、設備布置設計、管道應力分析、管道布置設計和裝置投資估算等知識點動態展示，增強了學生對教材內容的理解與掌握。

（2）虛擬仿真實驗將枯燥的課堂知識生動直觀展現給學生，能激發學生的學習興趣和自主學習能力，提高學習效果。

（3）虛擬仿真實驗將工廠的工作模式有機融入教學流程之中，提高了學生的空間構思能力，能更有效地培養學生解決復雜工程問題的能力。

（4）通過虛擬仿真實驗，可以加強學生在經濟、安全、社會責任等方面的培養。