催化裂化工廠DCS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)建模與開發(fā)

李國友 高寧寧

(燕山大學(xué)工業(yè)計(jì)算機(jī)控制工程河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

隨著石化企業(yè)集散控制系統(tǒng)(DCS)的普及應(yīng)用，使得化工生產(chǎn)操作控制復(fù)雜，對(duì)操作人員技術(shù)水平要求較高；同時(shí)石化生產(chǎn)具有易燃、易爆和危險(xiǎn)性大的特點(diǎn)，使得實(shí)際生產(chǎn)成本高、實(shí)施困難，為了提高操作人員素質(zhì)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在企業(yè)中的作用越來越明顯[1]。

催化裂化的自動(dòng)控制技術(shù)是催化裂化生產(chǎn)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)[2]，應(yīng)用仿真培訓(xùn)技術(shù)是協(xié)助指導(dǎo)生產(chǎn)、節(jié)約能源和訓(xùn)練操作人員進(jìn)行各種操作與事故處理的有效途徑。在分析催化裂化各種工藝過程、設(shè)備、控制和操作條件基礎(chǔ)上，筆者開發(fā)了DCS動(dòng)態(tài)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)行、開/停機(jī)過程和事故處理的過程模擬。該系統(tǒng)采用COM組件技術(shù)，分為仿DCS服務(wù)器、教師站和學(xué)員站三大部分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工廠操作人員及相關(guān)學(xué)員的培訓(xùn)功能。

1 工藝流程簡(jiǎn)介①

催化裂化是煉油工業(yè)中重要的二次加工過程，是重油輕質(zhì)化的重要手段。它使原料油在適宜的溫度、壓力和催化劑存在的條件下，進(jìn)行分解、異構(gòu)化、氫轉(zhuǎn)移、芳構(gòu)化及縮合等一系列化學(xué)反應(yīng)，原料油轉(zhuǎn)化成氣體、汽油及柴油等主要產(chǎn)品和油漿、焦炭的生產(chǎn)過程。催化裂化過程具有輕質(zhì)油收率高、汽油辛烷值較高，以及氣體產(chǎn)品中烯烴含量高等特點(diǎn)。

結(jié)合某廠140萬t/a重油催化裂化聯(lián)合裝置，將生產(chǎn)過程分為以下相對(duì)獨(dú)立的子過程[3]：

a. 反應(yīng)再生部分。其主要任務(wù)是完成原料油的轉(zhuǎn)化。原料油通過反應(yīng)器與催化劑接觸并反應(yīng)，不斷輸出反應(yīng)產(chǎn)物，催化劑則在反應(yīng)器和再生器之間不斷循環(huán)，在再生器中通入空氣燒去催化劑上的積炭，恢復(fù)催化劑的活性，使催化劑能夠循環(huán)使用。燒焦放出的熱量又以催化劑為載體，不斷帶回反應(yīng)器，供給反應(yīng)所需的熱量，過剩熱量由專門的取熱設(shè)施取出加以利用。

b. 分餾部分。主要任務(wù)是根據(jù)反應(yīng)油氣中各組分沸點(diǎn)的不同，將它們分離成富氣、粗汽油、輕柴油、回?zé)捰秃陀蜐{，并保證汽油干點(diǎn)、輕柴油凝固點(diǎn)和閃點(diǎn)合格。

c. 吸收穩(wěn)定部分。利用各組分之間在液體中溶解度不同把富氣和粗汽油分離成干氣、液化氣和穩(wěn)定汽油。

2 工藝流程仿真系統(tǒng)

對(duì)工藝流程進(jìn)行仿真，模擬各種生產(chǎn)狀況，使受訓(xùn)人員能夠非在線地練習(xí)各種操作并實(shí)時(shí)觀察所產(chǎn)生的結(jié)果，來驗(yàn)證操作是否恰當(dāng)。對(duì)中控室的人機(jī)界面進(jìn)行仿真，符合中控室操作和訓(xùn)練要求。對(duì)工藝流程的自動(dòng)化系統(tǒng)的各種邏輯關(guān)系結(jié)合操作流程使操作人員對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用有深入理解。對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)以及各環(huán)節(jié)設(shè)備的啟動(dòng)、停止及各種故障情況的應(yīng)急處理提供練習(xí)平臺(tái)，并做出指導(dǎo)。采用隨機(jī)調(diào)用故障模塊的方式處理常見的故障情況，通過交互式操作，讓培訓(xùn)人員進(jìn)行緊急處理，并隨后給出詳細(xì)操作評(píng)價(jià)[4,5]。

教師指令站要求能夠控制管理多臺(tái)學(xué)員站，分別運(yùn)行不同的工藝單元和培訓(xùn)項(xiàng)目;自動(dòng)收集學(xué)員培訓(xùn)信息和考核信息;可以授權(quán)不同的培訓(xùn)模式和考試模式。

2.1 仿真系統(tǒng)硬件組成

該仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)既可以單機(jī)運(yùn)行，也可以聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。單機(jī)運(yùn)行時(shí)，本機(jī)既作為教師站或模型主機(jī)，也可作為學(xué)員站；聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可選擇網(wǎng)上任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為教師站兼模型機(jī)，其他計(jì)算機(jī)作為學(xué)員站。

圖1 仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由以下設(shè)備組成：

a. 仿DCS服務(wù)器。仿DCS服務(wù)器做系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和輸出，為操作員站(學(xué)生站)、教師站和現(xiàn)場(chǎng)控制模塊提供資料存取、歷史數(shù)據(jù)采集及報(bào)警事件處理等服務(wù)，并與管理設(shè)置機(jī)(教師站)聯(lián)合使用進(jìn)行培訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)置和培訓(xùn)管理。服務(wù)器通過以太網(wǎng)與教師站、操作員站、現(xiàn)場(chǎng)控制模塊進(jìn)行通信。

b. 教師站。教師站通過與服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理、評(píng)分系統(tǒng)設(shè)定、操作指導(dǎo)和監(jiān)控功能。

c. 操作員站(學(xué)生站)。可以有多臺(tái)操作員站，作為上位機(jī)完成采集數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、分析處理、狀態(tài)顯示和打印輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)上位機(jī)也作為仿DCS系統(tǒng)和三維虛擬仿真系統(tǒng)，分布式運(yùn)行工藝流程裝置的機(jī)理計(jì)算。站點(diǎn)間通過以太網(wǎng)設(shè)備互聯(lián)，同時(shí)與運(yùn)行仿真軟件的微機(jī)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

d. 現(xiàn)場(chǎng)控制模塊。是直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連的控制模塊，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的收集與處理，完成工業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。該方案采用嵌入式技術(shù)來完成對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣、脈沖量累計(jì)、狀態(tài)的判別及輸出控制等；現(xiàn)場(chǎng)控制模塊可冗余配置。

e. 網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)和服務(wù)器、教師站、操作員站、現(xiàn)場(chǎng)控制模塊的連接，完成數(shù)據(jù)、命令等的傳輸，并可冗余配置，從而使得數(shù)據(jù)傳輸更安全有效。

2.2 仿真系統(tǒng)軟件組成

仿真系統(tǒng)軟件基于Visual C++開發(fā)，仿真系統(tǒng)軟件包括：工藝仿真軟件(裝置仿真)、仿DCS、ESD系統(tǒng)(含仿現(xiàn)場(chǎng)操作)、操作評(píng)價(jià)系統(tǒng)和總體監(jiān)控軟件。

仿真系統(tǒng)包括運(yùn)行平臺(tái)和開發(fā)平臺(tái)兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)軟件組成

3 流程模擬程序

利用動(dòng)作機(jī)理建模和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，進(jìn)行了流程模擬仿真算法開發(fā)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法運(yùn)行穩(wěn)定、精度高，能夠滿足生產(chǎn)模擬的要求。催化裂化動(dòng)態(tài)仿真流程模擬以動(dòng)作機(jī)理建模為主，同時(shí)利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核調(diào)整。

3.1 流量計(jì)算

流量計(jì)算根據(jù)廣義閥門算法計(jì)算而來，是各單元模塊的連接變量。閥門算法中流量關(guān)系如圖3所示。

圖3 閥門流量關(guān)系示意圖

式中Cv——流量系數(shù)；

P1——入口端壓力；

P2——出口端壓力；

Vx——閥口通流面積；

ρ——液體密度；

εk——體積膨脹系數(shù)。

3.2 壓力節(jié)點(diǎn)計(jì)算

模擬催化裂化工藝過程中壓力的變化情況如圖4所示。

圖4 壓力節(jié)點(diǎn)關(guān)系示意圖

理論算法 Δn/Δt=FGI-FGO

n=n+(FGI-FGO)·Δt

P=nRT/V(理想氣體)

簡(jiǎn)化算法P=nRT/V

P=P+(FGI-FGO)RT/V

式中FGI，F(xiàn)GO——入口與出口處的壓力；

n——?dú)怏w物質(zhì)的量，mol；

R——熱力學(xué)常數(shù)。

3.3 換熱器(無相變)

換熱器輸入輸出參數(shù)關(guān)系如圖5所示。

圖5 換熱器輸入輸出參數(shù)關(guān)系

Cph——熱物流平均比熱容；Cpw——冷物流平均比熱容；

Fh——熱物流流量；Fw——冷物流流量；

Th1——熱物流溫度；Th2——熱物流出口溫度；

Tw1——冷物流溫度；Tw2——冷物流出口溫度

熱傳遞方程：

Qd=AUΔTm

ΔTm=(ΔT1-ΔT2)/log(ΔT1/ΔT2)

ΔT1=Th1-Tw2

ΔT2=Th2-Tw1

式中A——傳熱面積；

U——傳熱系數(shù)；

ΔTm——對(duì)數(shù)平均溫度。

熱物流能量平衡計(jì)算：

能量累積=進(jìn)能-出能

Th2={Th2+[Fh·Cph·(Th1-Th2)-Qd]Δt}/Vtf

冷物流能量平衡計(jì)算：

Tw2={Tw2+[Fw·Cpw·(Tw1-Tw2)-Qd]Δt}/Vtf

式中Vtf——熱容量，流體+設(shè)備熱容量之和。

3.4 仿DCS運(yùn)行軟件

仿DCS運(yùn)行軟件為學(xué)員提供了模擬真實(shí)DCS控制系統(tǒng)的操作界面，并給出了模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的仿現(xiàn)場(chǎng)操作界面，真實(shí)地再現(xiàn)了催化裂化裝置控制室操作界面和現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境。利用界面設(shè)計(jì)和流程模擬算法，成功模擬了開車、停車及典型事故處理等工況，方便操作人員了解工藝過程和操作原理，提高其實(shí)際操作能力，縮短培訓(xùn)周期，節(jié)省培訓(xùn)費(fèi)用。圖6所示為反應(yīng)再生系統(tǒng)DCS仿真界面，圖7所示為部分分餾系統(tǒng)DCS仿真界面，圖8所示為部分吸收穩(wěn)定系統(tǒng)DCS仿真界面。

圖6 反應(yīng)再生系統(tǒng)DCS仿真培訓(xùn)界面

圖7 部分分餾系統(tǒng)DCS仿真培訓(xùn)界面

圖8 吸收穩(wěn)定系統(tǒng)DCS仿真界面

從圖6～8中可以看出，仿真界面真實(shí)再現(xiàn)了催化裂化裝置現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境和控制室操作界面，各節(jié)點(diǎn)位置動(dòng)態(tài)顯示了隨閥口開度變化的反應(yīng)溫度、壓強(qiáng)情況。教師站能反映出實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備的運(yùn)行流程，操作結(jié)果能及時(shí)反饋到教師站中，能夠及時(shí)地反映操作后的現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)操作者的操作進(jìn)行評(píng)分及記錄，達(dá)到培訓(xùn)的功能。

4 結(jié)束語

在分析催化裂化各種工藝過程、設(shè)備、控制和操作條件的基礎(chǔ)上，開發(fā)了DCS動(dòng)態(tài)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)及工藝仿真軟件信息流的確定和流程模擬算法，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)行、開/停機(jī)過程及事故處理的過程模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工廠操作人員和相關(guān)學(xué)員的培訓(xùn)功能。