新型煤氣化制甲醇全流程培訓(xùn)仿真系統(tǒng)研究

王 和 湯 志 孫如田

(克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 克拉瑪依 833600)

煤化工生產(chǎn)設(shè)備趨于大型化、自控技術(shù)高端化發(fā)展[1～6]，這就對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行人員的操作水平和能力有了更高的要求。由于煤化工生產(chǎn)運(yùn)行必須保證安全、穩(wěn)定、優(yōu)化地運(yùn)行，因而借助生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)提高運(yùn)行人員的操作技能是必然趨勢(shì)。發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)表明，運(yùn)用仿真工廠(chǎng)進(jìn)行煤化工運(yùn)行人員的技能培訓(xùn)是最有效的方法[7，8]。

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)裝置自動(dòng)化程度的提高，對(duì)工廠(chǎng)工程師和操作人員來(lái)說(shuō)，必須在較短時(shí)間內(nèi)掌握這些先進(jìn)控制和調(diào)節(jié)方法，包括復(fù)雜工藝過(guò)程原理及動(dòng)態(tài)特性等相關(guān)知識(shí)，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。通過(guò)仿真工廠(chǎng)培訓(xùn)模式的引入，在正式開(kāi)車(chē)之前提供適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，讓他們充分熟悉工藝操作規(guī)程、積累操作經(jīng)驗(yàn)，必將有利于穩(wěn)定安全的生產(chǎn)，并真正給工廠(chǎng)帶來(lái)效益[9～13]。

為了促進(jìn)煤化工行業(yè)職業(yè)教育的發(fā)展，筆者以60萬(wàn)t新型煤氣化制甲醇生產(chǎn)為背景，設(shè)計(jì)新型煤氣化制甲醇實(shí)訓(xùn)仿真工廠(chǎng)中的關(guān)鍵部件——新型煤氣化制甲醇全流程培訓(xùn)仿真系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)①

從新型煤氣化制甲醇全流程培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?圖1)可以看出，系統(tǒng)組成包括：教師站、模擬服務(wù)器、場(chǎng)景組態(tài)站、培訓(xùn)仿真系統(tǒng)接口及操作員站等。

圖1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇蚣?/p>

1.1 模擬服務(wù)器

模擬服務(wù)器采用高性能計(jì)算服務(wù)器，負(fù)責(zé)對(duì)已配置好的對(duì)象模型進(jìn)行高性能模擬仿真，從而完成復(fù)雜度較高的精確計(jì)算。運(yùn)行在模擬仿真平臺(tái)上的模型機(jī)運(yùn)行時(shí)，與組態(tài)服務(wù)器一起，為系統(tǒng)其他部分的工作提供最底層的最可靠的服務(wù)。

1.2 場(chǎng)景組態(tài)站

場(chǎng)景組態(tài)站主要面對(duì)工程師，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部分的相互關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)一組態(tài)，包括教師機(jī)和學(xué)員機(jī)之間的交互關(guān)系、學(xué)員與現(xiàn)場(chǎng)模型之間的互動(dòng)關(guān)系及模型的動(dòng)態(tài)情況等。場(chǎng)景組態(tài)工作站最終的組態(tài)，將下載到位于模擬服務(wù)器上的組態(tài)服務(wù)上。

1.3 教師站

教師站負(fù)責(zé)管理并監(jiān)控學(xué)員的學(xué)習(xí)情況，給學(xué)員布置練習(xí)，為其設(shè)置各種故障點(diǎn)，對(duì)學(xué)員進(jìn)行考評(píng)。教師站能夠方便地回溯到任何一個(gè)模擬環(huán)節(jié)，以供學(xué)生對(duì)某個(gè)學(xué)習(xí)點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)操作和熟練。

1.4 培訓(xùn)仿真系統(tǒng)接口機(jī)

培訓(xùn)仿真系統(tǒng)接口機(jī)負(fù)責(zé)完成上層HMI軟件和仿真系統(tǒng)的銜接工作。接口機(jī)一方面完成對(duì)模擬服務(wù)器內(nèi)的運(yùn)行時(shí)和數(shù)據(jù)層進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，另一方面是教師站向?qū)W員站傳送各種指令的橋梁。

1.5 操作員站

學(xué)員在操作員站上完成各種故障的排除，進(jìn)行基本操作技能的練習(xí)。操作員站的各種操作畫(huà)面和操作方式與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的情況完全一致。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 仿真模型庫(kù)

全流程培訓(xùn)仿真系統(tǒng)用于進(jìn)行準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)過(guò)程建模的模型包括：設(shè)備模型庫(kù)，用于模擬過(guò)程設(shè)備；控制模型庫(kù)，用于模擬過(guò)程控制系統(tǒng)；電氣模型庫(kù)，用于模擬包括馬達(dá)傳動(dòng)器在內(nèi)的電氣系統(tǒng)；熱力學(xué)模型庫(kù)，用于模擬物質(zhì)流的物理特性，建立相平衡計(jì)算方法。

設(shè)備模型庫(kù)不僅包括一般模型，如閥、管道、泵、分離器、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)和混合器；還包括復(fù)雜的模型，如蒸餾塔、反應(yīng)器、換熱器、空冷器、嚴(yán)格管殼式換熱器、加熱爐、冷箱模型及固體處理單元等。

基本控制和單元操作的模型庫(kù)用于構(gòu)成化工流程的基本化工單元設(shè)備操作培訓(xùn)，包括的化工單元設(shè)備操作模型有：流量控制單元操作模型、液位控制單元操作模型、壓力控制單元操作模型、調(diào)速泵控制單元操作模型、汽-液換熱器操作模型、液-液換熱器操作模型、閃蒸罐單元操作模型、單級(jí)壓縮機(jī)單元操作模型、多級(jí)壓縮機(jī)操作模型、蒸汽公用工程模型、氣體加熱爐操作模型、基本精餾塔控制操作模型和高級(jí)精餾單元控制操作模型。

以這些仿真模型庫(kù)為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶(hù)的設(shè)備數(shù)據(jù)，對(duì)不同的塔、泵、閥門(mén)、容器、反應(yīng)器、壓縮機(jī)、換熱器和其他基本設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格模擬。將這些模型與控制、電氣、熱力學(xué)模型結(jié)合在一起，能夠模擬工廠(chǎng)的各種過(guò)程系統(tǒng)，如過(guò)程控制系統(tǒng)、電氣分配系統(tǒng)、包含行程聯(lián)動(dòng)裝置的安全控制系統(tǒng)。

2.2 熱力學(xué)建模

化工流程模擬中的首要任務(wù)是建立熱力學(xué)模型，模擬物質(zhì)流的物理性質(zhì)，即通過(guò)熱力學(xué)模型計(jì)算來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)物系的物性和相行為，這需要有足夠的組分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、選擇適用的熱力學(xué)模型、建立相平衡計(jì)算方法，這樣才能仿真出接近真實(shí)的流股物性和變化過(guò)程，這部分包含了對(duì)物性數(shù)據(jù)的收集、熱力學(xué)模型的建立和閃蒸計(jì)算方法的開(kāi)發(fā)。

流程模擬系統(tǒng)的運(yùn)作，準(zhǔn)確可靠的物性數(shù)據(jù)是必不可少的最基本的條件。筆者采用DIPPR作為物性數(shù)據(jù)庫(kù)。DIPPR是美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)下設(shè)的物性數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)(Design Institute for Physical Property Data)，它除了收集和編撰工業(yè)上重要的化合物的各類(lèi)物性數(shù)據(jù)而開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)外，還出版物性推算手冊(cè)，以提供化學(xué)和相關(guān)工業(yè)中過(guò)程設(shè)計(jì)所需的物性、熱力學(xué)性質(zhì)和傳遞性質(zhì)數(shù)據(jù)推算的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源，是當(dāng)今世界上最權(quán)威的物性數(shù)據(jù)源。

熱力學(xué)模型系統(tǒng)提供一系列工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)計(jì)算物系的熱力學(xué)性質(zhì)，如熵值、密度、K值、焓值、氣相/固相在液相中的溶解度及氣體逸度等。這些方法包括：液相活度系數(shù)模型，如NRTL計(jì)算K值；一般關(guān)聯(lián)式，如CSK值算法和API液相密度算法；狀態(tài)方程，如SRK、PR計(jì)算K值、焓值、熵值和密度；氣相逸度方法，如Hayden-O′Connell法計(jì)算二元締合；固-液平衡方法，如Van′t Hoff法計(jì)算固相在液相中的溶解度；特殊組分系統(tǒng)計(jì)算方法，如醇類(lèi)、甘醇類(lèi)、酸水系統(tǒng)及氣體脫硫系統(tǒng)等。

2.3 全流程模擬分析工具

基于精確的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型和熱動(dòng)力學(xué)方程構(gòu)成的全流程模擬分析工具，不是一般意義上的穩(wěn)態(tài)過(guò)程模擬，它是全面的動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬。該工具的目的在于幫助用戶(hù)全面熟悉生產(chǎn)裝置和工藝，掌握動(dòng)態(tài)工藝特性，積累操作經(jīng)驗(yàn)，提高處理異常事故的能力；同時(shí)也幫助工程師研究工藝過(guò)程，發(fā)現(xiàn)工藝瓶頸，進(jìn)行工況研究、故障分析和控制策略的研究。

圖2所示的全流程模擬分析工具OmniSim，是一套用于對(duì)化工、煉油和石油化工過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究、評(píng)估和測(cè)試的軟件系統(tǒng)，是一套完整地貫穿于整個(gè)工廠(chǎng)裝置生命周期的解決方案。它以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為核心，使OmniSim成為唯一能在線(xiàn)組態(tài)并在線(xiàn)修改以及與第三方軟件鏈接的動(dòng)態(tài)模擬器，不必停止程序工程師就能在線(xiàn)對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行修改，節(jié)省了大量時(shí)間。此外，由于采用了以數(shù)據(jù)為核心的設(shè)計(jì)，同一個(gè)模型可以用于設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)檢查和操作員培訓(xùn)，為工程師節(jié)省了時(shí)間。模塊化的結(jié)構(gòu)，也使仿真平臺(tái)和第三方應(yīng)用的集成變得簡(jiǎn)單。

圖2 全流程模擬分析工具

2.4 場(chǎng)景設(shè)計(jì)器

場(chǎng)景設(shè)計(jì)器是采用圖形化的方式配置并監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)部分的相互關(guān)系，如圖3所示。場(chǎng)景設(shè)計(jì)器是配置工作站的一部分，利用它用戶(hù)可以創(chuàng)建新的或修改已有的場(chǎng)景。設(shè)計(jì)器可以用來(lái)設(shè)定哪些單元可以一起運(yùn)行，工程師可以創(chuàng)建修改被模擬的對(duì)象，修改模型與操作員的互動(dòng)關(guān)系。設(shè)計(jì)器完全支持對(duì)可視化建模環(huán)境的調(diào)用，可對(duì)操作員和模型間的互動(dòng)參數(shù)進(jìn)行修改。在線(xiàn)情況下修改組態(tài)，并可實(shí)時(shí)對(duì)操作員培訓(xùn)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行干預(yù)。 此外，設(shè)計(jì)器還可指定系統(tǒng)在開(kāi)車(chē)和停車(chē)時(shí)所需的任意初始工況數(shù)據(jù)，并可在任意時(shí)刻允許工程師回溯到歷史上的任意工況上。因此場(chǎng)景設(shè)計(jì)器是操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中協(xié)助工程師和教師的利器。新一代圖形技術(shù)的應(yīng)用，使枯燥乏味的系統(tǒng)組態(tài)工作變得輕松，通過(guò)簡(jiǎn)單拖放和連線(xiàn)，系統(tǒng)各部分之間的關(guān)系一目了然。

圖3 場(chǎng)景設(shè)計(jì)器

3 培訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

全流程培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的基本功能包括：選擇不同的單元操作；開(kāi)/停步驟狀態(tài)練習(xí)；單元顯示；情景設(shè)置；實(shí)時(shí)趨勢(shì)學(xué)習(xí)；各種單元故障處理；報(bào)警事件處理；實(shí)時(shí)和歷史的趨勢(shì)；操作員培訓(xùn)績(jī)效監(jiān)控。現(xiàn)以煤制甲醇煤氣化工段和甲醇合成工段為例，說(shuō)明基于全流程培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的培訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

3.1 煤制甲醇流程工段——煤氣化

水煤漿加壓氣化法是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的煤氣化方法，它可以適用多種煤種，生產(chǎn)效率高、能耗低、生產(chǎn)強(qiáng)度大、污染少。

工藝流程：先將原料煤制成可以流動(dòng)的水煤漿，經(jīng)加壓泵加壓后連同空分送來(lái)的高壓氧通過(guò)燒嘴進(jìn)入氣化爐。在煤氣化工段氣化爐是核心裝置，氣化壓力4.0～6.5MPa，氣化溫度1 300～1 500℃。氣化反應(yīng)在氣化爐內(nèi)瞬間完成，生成粗煤氣和少量的其他物質(zhì)(氯化物、硫化物、氮?dú)狻鍤饧凹淄榈?、液態(tài)熔渣和細(xì)灰顆粒。這些物質(zhì)出氣化爐燃燒室，沿下降管進(jìn)入激冷室水浴，其中熔渣在水中淬冷并固化，并沉入氣化爐底部。生成的粗煤氣再與水直接接觸而變得冷卻，產(chǎn)生的大部分細(xì)灰則留在水中。粗煤氣沿下降管與導(dǎo)氣管之間的環(huán)隙上升，從氣化爐旁側(cè)的出氣口引出，經(jīng)氣液分離器分離出粗煤氣中夾帶的水分，粗煤氣送往文丘里管和洗滌塔，氣液分離器分離出的黑水并入氣化爐黑水排放管道送閃蒸處理。氣化爐爐底聚集的粗渣，經(jīng)破渣機(jī)破碎，用水帶入鎖斗系統(tǒng)，由鎖斗系統(tǒng)定期自動(dòng)排放。煤氣化流程培訓(xùn)操作界面如圖4所示。

圖4 煤氣化流程操作界面

3.2 煤制甲醇流程工段——甲醇合成

工藝流程：經(jīng)甲醇洗脫硫脫碳凈化后產(chǎn)生的合成氣與甲醇合成循環(huán)氣混合，壓力約5.6MPa，經(jīng)甲醇合成循環(huán)氣壓縮機(jī)增壓至6.5MPa，然后進(jìn)入冷管式反應(yīng)器(氣冷反應(yīng)器)冷管預(yù)熱到235℃，進(jìn)入管殼式反應(yīng)器(水冷反應(yīng)器)進(jìn)行甲醇合成，CO、CO2和H2在Cu-Zn催化劑作用下合成粗甲醇，出反應(yīng)器的反應(yīng)氣溫度約240℃，然后進(jìn)入氣冷反應(yīng)器殼側(cè)繼續(xù)進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)，同時(shí)預(yù)熱冷管內(nèi)的工藝氣體，氣冷反應(yīng)器殼側(cè)氣體出口溫度250℃，再經(jīng)低壓蒸汽發(fā)生器、水冷器、空氣冷卻器冷卻到40℃，進(jìn)入甲醇分離器，從分離器頂部出來(lái)的未反應(yīng)氣體進(jìn)入循環(huán)氣壓縮機(jī)壓縮，返回到甲醇合成回路。粗甲醇從甲醇分離器底部排出，經(jīng)甲醇膨脹槽減壓釋放出溶解氣后送往甲醇精餾工段。甲醇合成流程培訓(xùn)操作界面如圖5所示。

圖5 甲醇合成流程培訓(xùn)操作界面

4 結(jié)束語(yǔ)

全流程仿真培訓(xùn)仿真系統(tǒng)通過(guò)機(jī)理建模建立“虛擬工廠(chǎng)”，自上而下地實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)過(guò)程和控制邏輯的動(dòng)態(tài)模擬，真實(shí)地再現(xiàn)了實(shí)際工業(yè)流程的狀態(tài)和行為，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地模擬了工藝現(xiàn)場(chǎng)和真實(shí)故障，為操作員提供精確而可靠的動(dòng)態(tài)模擬。該系統(tǒng)適用于煤化工工程學(xué)科的高職院校學(xué)生和相關(guān)企業(yè)培訓(xùn)中心員工的實(shí)際操作技能培訓(xùn)和教學(xué)，在保障安全生產(chǎn)、降低操作成本和能耗、減少或避免生產(chǎn)事故所造成的損失、減少或避免工廠(chǎng)裝置的損壞等方面發(fā)揮有效作用。