LPG儲配站虛擬仿真實驗開發及應用

朱靜，唐建峰，覃楊，趙亮，徐春雯

（1.中國石油大學（華東） 儲運與建筑工程學院，山東 青島；2.北京東方仿真軟件技術有限公司，北京）

一 引言

液化石油氣（liquefied petroleum gas， LPG）作為重要的城市燃氣氣源，其需求和消費量在國內持續穩步增長[1-3]。LPG的開發利用對改善城市生態環境、優化能源消費價格、促進節能減排具有十分重要的意義[4-5]。LPG儲配站是城市燃氣供應系統的重要組成部分，站場內設備眾多、工藝復雜，僅依靠課堂教學效果不佳，且LPG本身為易燃易爆危險氣體，因此不可能在實驗室內建設一套完整的LPG儲配站實驗實訓系統；而現場實習由于安全因素，學生又無法動手操作。

虛擬仿真是時代發展的產物，隨著計算機、虛擬仿真、互聯網+等技術的發展而產生[6-7]。虛擬仿真實驗教學帶來眾多好處，學生可以不受時空限制開展線上實驗，節約實驗成本等[8-10]。近幾年來，國家和省市教育主管部門都把發展虛擬仿真作為一項提升高校教學質量的重要舉措來抓，并出臺了虛擬仿真實驗教學示范中心、虛擬仿真實驗教學項目等多項政策，受到了各高校的重視[8]。鑒于以上原因，依托青島市虛擬現實技術（BIM）工程研究中心，聯合北京東方仿真軟件技術有限公司，進行了LPG儲配站虛擬仿真實驗項目的開發，并將其應用到課程教學中，取得了良好的教學效果。

二 教學設計

LPG儲配站是城市燃氣供應的重要教學內容，站內工藝管線眾多，包括氣相管線、液相管線、殘液管線、回流管線、消防管線等；設備眾多，包括各類啟閉閥門、安全閥門、槽車、儲罐、烴泵、壓縮機、灌裝轉盤等；流程眾多，包括卸車、倒罐、灌裝、倒殘等9項工藝；工況或方法眾多，例如鋼瓶灌裝可采用烴泵灌裝、壓縮機灌裝、烴泵-壓縮機聯合灌裝，不同灌裝方法能耗不同、時耗不同、水力工況不同。根據教學大綱的要求，通過教學學生應具備以下知識和能力：（1）掌握LPG儲配站內包括閥門、儲罐、灌裝轉盤、烴泵、壓縮機等主要設備的功能、結構、操作方法等；（2）掌握LPG儲配站內包括卸車、倒罐、灌裝、倒殘等9項工藝流程；（3）通過運行中儲罐及管道工況參數的數據監測，分析不同工況的特點及不同方案的優缺點和適用條件，培養學生分析問題的能力。

針對該部分教學內容的特點，采用沉浸式、交互式的實驗教學方法，使學生由被動聽變為主動學、動手做，將教學變成學生體驗式的學習方式。學生通過理論及認知學習、模擬操作、數據監測、方案討論、現場考核的方式，層層遞進，達到掌握知識、培養能力的學習目的。

三 LPG儲配站虛擬仿真實驗開發

LPG儲配站虛擬仿真實驗系統的開發以PISP平臺為開發工具，PISP仿真支撐平臺是基于Windows系統PC機的動態仿真軟件，即工業過程仿真平臺(Process Industry Simulation Platform)。平臺分為算法庫管理系統、圖形化建模系統、仿DCS組態系統、操作評定組態系統四部分。在系統開發過程中，以國內某LPG儲配站實際生產為原型，以站場內工藝流程及相關設備為基礎，以嚴格的動態數學模型為依據，系統總體構架圖如圖1所示。依照教學設計，學生利用該系統依次進行理論及認知學習、思考題測試、工藝流程實景操作、運行數據測試記錄等。教師站管理系統通過網絡連接對運行中的仿真培訓學員站進行管理，具有控制培訓項目的選擇、開始，授權設置學員站的操作、監測、統計、打印學員操作成績等功能。

圖1 LPG儲配站虛擬仿真系統總體構架圖

四 LPG儲配站虛擬仿真實驗功能

LPG儲配站工藝復雜，包括卸車、倒罐、灌裝、倒殘等9項工藝，下面以最典型的鋼瓶灌裝為例，說明實驗過程。

開啟虛擬仿真實驗系統，選擇進入鋼瓶灌裝工藝單元仿真實驗界面，如圖2所示。仿真實驗界面包括5部分：主界面、功能模塊、操作質量評分系統、工具欄、初始參數設置。其中主界面實景展示鋼瓶灌裝的管路連接及相關的儲罐、烴泵、壓縮機、灌裝轉盤、閥門等設備；功能模塊位于界面的左下角，包括“小瓶灌裝”“DCS”“知識點”及“思考題”；操作質量評分系統在操作過程中同時給出評分；工具欄位于界面的右上角，包括工藝、畫面、工具、幫助及硬件故障修復5項工具。

（一） “知識點”功能模塊

點擊如圖2所示操作界面下方的“知識點”選項，進入如圖3所示的“知識點”模塊操作界面。該模塊學習內容豐富，包含設備知識點學習（舉例：如圖4為球罐知識點學習界面）、動畫演示工作原理（舉例：如圖5為安全閥工作原理動畫演示）、現場圖片、實際操作視頻等內容。整個仿真實驗系統共包含知識點學習30項，動畫演示45項，實際操作視頻20項，分布于9個工藝單元中。學生點擊相應知識點圖標后，通過文本、圖片、動畫演示、實際操作視頻等形式的直觀展示，掌握站場內各種閥門設備的功能、結構、作用過程及設計參數等。

圖3 知識點模塊操作界面

圖4 球罐知識點學習界面圖

圖5 安全閥工作原理動畫演示

（二） “思考題”功能模塊

學生在完成“知識點”界面的學習后，點擊如圖2所示操作界面下方的“思考題”選項，進入“思考題”操作界面。通過思考題考查學生理論知識的掌握程度，并由評分系統自動進行“思考題”的成績評定。

（三） “DCS”功能模塊

點擊如圖2所示操作界面下方的“DCS”選項，進入如圖6所示的“DCS”模塊操作界面。可讓學生清晰認識該工藝流程，掌握工藝操作及控制參數。

圖2 鋼瓶灌裝工藝單元仿真實驗界面

圖6 DCS模塊操作界面

（四） “小瓶灌裝”功能模塊

點擊“小瓶灌裝”選項，返回如圖2所示的鋼瓶灌裝仿真操作界面。在此界面中，各種閥門、設備具備開關功能，實現隨意的生產過程實景操作，流程正確打通后各種運行參數實時顯示，可讓學生感受到真實的現場生產調控場景。

學生首先需要根據灌裝原理在復雜的管路系統中確定需開啟的閥門、設備及其開啟順序；其次，正確開啟閥門、壓縮機、烴泵、灌裝轉盤等設備，打通流程；如圖7為閥門開啟界面，圖8為壓縮機操作界面。設置灌裝瓶數，打開灌裝轉盤前閥門開始灌裝。流程中以箭頭顯示流體的實際流動方向，實際灌裝瓶數達到要求瓶數，灌裝結束。灌裝過程中，利用動態數學模型實時模擬管道的水力工況，操作界面實時顯示儲罐壓力及液位、管路壓力、灌裝瓶數等參數變化，如圖9、圖10所示；亦可通過點擊左上角工具欄中的變量監視查看流程中的數值變化情況。

圖7 閥門開啟界面

圖8 壓縮機局部操作圖

圖10 灌裝瓶數實時顯示

五 LPG儲配站虛擬仿真實驗在教學中的應用

學生通過賬號登錄虛擬仿真實驗系統，在系統內進行以下學習過程：①進行知識點模塊的認知學習，掌握LPG儲配站工藝原理、管線系統、設備原理結構等，并完成思考題；②在掌握工藝原理的基礎上，分析工藝流程，完成各流程的仿真操作；③根據流程打通后的數據監測，分析儲罐及管道工況變化。通過對不同工況、不同方案下的數據對比，分析不同工況的特點及不同方案的優缺點和適用條件。

實驗系統設置實時在線綜合評測系統，通過“思考題測試”“操作質量評分系統”及“成績爬升圖”對學生的理論學習和實驗操作進行有效評價，讓學生準確了解學習進度，并進行有效的提高，最終達到教學大綱所要求的各項知識和能力。

教師端具有控制實驗項目的選擇及授權，監測學生在線學習時間、實際操作情況，管理學生成績等功能。

該實驗項目的實施可深化學生對于LPG儲配站工藝流程和生產過程的理解，拓寬學生工程實踐技能，培養學生自主學習及工程實踐能力。