煉油化工仿真實踐教學設計與建設

杜巍　徐建　孟祥海　郭緒強

[摘 要]煉化企業對化工專業人才的工程實踐和工程運行能力要求越來越高，而目前高校的生產實習環節難以滿足上述人才培養的要求。為此中國石油大學（北京）基于Honeywell先進的ePS（過程知識系統）、DCS控制系統以及UniSim模擬平臺建立了具有極高現場模仿和多裝置仿真功能的煉油化工仿真實踐教學基地。以該基地為平臺，加強了仿真實踐教學環節的建設。在對煉油化工專業背景理論知識理解的前提下，仿真教學更加突出其實用性和系統性，增加了仿真訓練內容的廣度與深度，對化工專業學生的工程實踐和運行能力培養提供了強有力的支撐。

[關鍵詞]仿真 煉油化工 生產實習 實踐教學

[中圖分類號] TQ0-4 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）15-0083-03

一、前言

伴隨我國石油煉制和石油化工行業的快速發展，相關企業對化工人才的素質提出了更高的要求。目前煉化企業需要化工人才在具備扎實、廣博的專業知識的基礎上，擁有良好的工程創新意識和能力，同時具備較強的工程實踐和工程運行能力。因此加強高校的實踐教學環節，培養大批高素質、高水平的化工專業人才就具有極其重要的意義。中國石油大學（北京）化工專業對實踐教學環節極為重視，并進行了積極探索和嘗試。為了提高化工專業學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力，學校在多家大型煉油企業建立了實習基地，并與燕山石化共建國家級工程實踐教育中心。學校每年都安排化工專業學生到實習基地進行認識實習和生產實習，旨在為學生今后的學習和工作打下良好的工程基礎。

實習環節在專業培養中著眼于專業理論學習和實踐應用的有機結合，然而目前仍存在一些問題。比如目前煉化企業加強了生產安全管理，對進入裝置和操作平臺的時間和區域均有嚴格限定，學生在實習過程中“只能看不能動”。由于缺少實際動手操作環節，致使實習效果不理想。此外，部分學生還存在著專業知識的綜合應用能力較差、實踐經驗缺乏等問題。高校培養高素質工程型人才的愿望和企業對專業人才的需求促使我們對生產實習環節進行深入探索和實踐。為此中國石油大學（北京）化工學院與信息學院聯合建設了具有與實際流程一致的煉油化工與自動化仿真實踐教學基地。仿真模型通過工程計算軟件UniSim可有效地模擬實際工程運行情況，并允許學生在計算機終端進行生產模擬操作，從而為學生提供了有效的動手實踐機會，與企業現場實習形成完整互補，使學生的實踐學習更加直觀有效，全面提高學生的工程實踐和運行能力。學生從仿真實踐中積累工程操作經驗，掌握工藝過程的原理及動態特性，可有效縮短畢業入職的適應期。

二、仿真基地設置及UniSim軟件簡介

煉油化工與自動化仿真實踐教學基地包含催化裂化工藝裝置半實物仿真系統和煉油化工過程仿真培訓系統兩部分。所有仿真模擬培訓系統均基于Honeywell先進的ePS（過程知識系統）、DCS控制系統以及UniSim模擬平臺所建立，與目前煉化企業仿真系統保持一致，學生在培訓過程中能得到充分的鍛煉。煉油化工過程的流程仿真系統由集散控制系統和操作培訓系統構成，其中操作培訓系統包括5套UniSim仿真模擬系統和5個標準工藝模型：常減壓蒸餾裝置，連續重整裝置，柴油加氫裝置，加氫裂化裝置以及催化裂化裝置。每套仿真系統包括1臺仿真模型服務器（兼模型工程師站），1臺教員站（兼現場站），3臺DCS操作站，1臺DCS接口通訊站和1臺控制模擬站。以上5套標準仿真工藝可在5套仿真模擬系統上任意切換，可任意選擇5套仿真系統同時運行相同或不同的模型。對于催化裂化仿真系統，還包括1套按照某煉油企業催化裂化裝置同比例縮小簡化的半實物仿真裝置。

UniSim是Honeywell旨在提高加工工廠整個生命周期性能的系列仿真軟件，其中集成了現有最強大的仿真技術：Hysis模擬軟件、Shadow Plant仿真軟件和OTISS過程仿真器。UniSim包括UniSim Design Suite（設計套件）、UniSim Operations Suite（操作套件）、UniSim Optimization Suite（優化套件）及Dynamic Engineering Studies services（動態工程研究服務）四部分。它廣泛應用于操作員仿真培訓、工藝設計、計算與分析、開車方案評估、控制策略調試及APC（Advanced Process Controll，先進控制）實施輔助平臺等。其中UniSim Design過程仿真系統是一種交互式建模工具，可以讓工程師建立工廠設計、加強性能監視、提高處理故障的操作水平、進行業務計劃和資產管理等的穩態模型和動態模型。軟件包允許用戶離線設計和測試新的過程，在實施新的過程之前訓練員工。軟件包的動態選項還可以使工廠模型用于評估設計的收益率、可操作性和安全性、提高現有工廠的全壽命期操作性能。UniSim已廣泛應用于探索新裝置開車方案、進行事故分析、優化生產方案、改造工藝及自控技術等。[1] [2]

三、仿真實踐教學課程設置

（一）生產流程以及基本控制系統的認識

以常減壓裝置為例，生產中一般根據不同的原油性質和不同的產品要求，考慮不同的加工方案和流程，如汽柴油方案、航煤方案、低凝柴油方案等，以達到石油資源的合理利用和最佳經濟效益。在不同的加工流程中含有不同的裝置、設備和換熱網絡等，而根據生產裝置的自動控制按部位的不同又可分為很多種類。[3] 此外在常減壓自動控制中，調節初餾塔底液面串級以及改變原油流量實現原油提降量是蒸餾控制的顯著特點。以上工藝流程和自動控制為實習環節的基礎，如果學生對此部分內容不能系統理解和掌握，將難以理解理論課程內容，也會使后續的實習變得困難。學生在企業進行現場生產實習中，往往只重視核心部分，即工藝流程以及幾個最核心的設備，而對于輔助設備的重視往往不夠。此外由于學生尚未學習自動化類課程，在現場生產實習中也易于忽視自控設備的存在。仿真實踐裝置中采用了與實際生產車間相同的操作界面，全部詳細流程以及自控流程均能同時顯示，學生可以近距離觀察和操作，可以學習在企業實習中無法學習的內容。

（二）故障診斷與處理

實際生產裝置中可能會出現各種操作異常的情況，如原油帶水、塔頂回流油帶水、風機忽然停車、蒸汽噴射器串汽，各種設備（泵、加熱爐、電脫鹽等）運行注意事項及故障處理。由于目前煉化企業對安全操作控制非常嚴格，以上事故或異常操作情況較少出現，即便出現，也不允許實習學生接近現場觀察。此外在實際生產中，工人根據操作手冊中介紹的各種故障的處理方法進行操作，往往不關心設備與上下游的相互影響，因此對不同故障可能造成的下游產品變化或上游設備串聯引起設備故障等情況難以系統、準確判斷。在仿真實習中，可在仿真模型服務器中人為設置故障，使裝置運行出現問題，讓學生在發現故障的同時也可直接觀測各設備或產品操作參數受影響情況，根據所學理論知識進一步判斷其在運行或控制質量上產生的變化，并通過故障排除進一步鞏固所學知識，增加工程實踐經驗。

（三）生產方案與產品質量調節

在常減壓蒸餾操作過程中，原油性質變化、環境條件變化、加工量改變、設備不穩等原因會導致生產操作波動，造成油品質量偏離指標等問題，此時需要及時進行調節，消除影響，盡快使操作恢復正常。此外市場需求的變化可能導致某一產品需求旺盛，此時需要改變各產品的收率和分布來最大限度地提高目標產品的收率。對操作的調整，主要根據操作影響因素與操作中出現的現象，通過調整溫度、回流量、側線抽出、汽提蒸汽以及調節塔內氣液相分布，使裝置在新的條件下重新實現平穩操作，實現產品質量的合格和目標產品收率的提高。在操作中學生如果沒有實踐操作經驗，往往難以判斷產品是否偏離指標，而若沒有一定的理論基礎，則無法根據要求在眾多操作參數中進行合理調整。由此可見，該仿真培訓能夠有效實現理論與實踐的有機結合。

原油常減壓蒸餾的一項重要工作是產品質量和操作分析與調節，使理想組分收率最大，或提高餾分間分離精度，減少餾分重疊。以常減壓某側線產品頭輕為例，頭輕導致初餾點低、閃點低。說明前一餾分未充分蒸出，不僅影響本側線油品的質量，還影響上一側線油品的收率。調節方法是提高上一側線油品的抽出量，使向下的液相回流減少，溫度提高，或者加大本側線油品的汽提量，均可使輕組分含量降低，解決頭輕的問題。若餾分尾重，則表現為本餾分的95%餾出溫度和干點偏高，產品質量差，還會影響下一側線的收率，調節辦法是適當減少本側線餾分抽出，增大液相內回流，或加大下一側線抽出。通過仿真訓練可使學生更深入了解常減壓蒸餾產品的特性、質量要求以及調節控制方法。

（四）開停工處理

裝置的開停工操作是生產過程的重要組成部分，對開停工過程的熟悉可使學生更加深入理解裝置運行的基本原理和概念，熟悉工業裝置的運行要求，從而為日后在企業工作打下良好的基礎。但由于仿真模擬的限制，實際開停工過程中有部分項目無法實現。以常減壓開工過程為例，實際開工過程中前期的基本準備工作、開工前各種設備與管道檢查、單機試運轉、工藝流程貫通試壓、抽真空試驗、柴油沖洗等過程均無法進行仿真模擬，因此該部分內容應當單獨列出并向學生說明其詳細步驟以及原理、原則或原因等。而可實現的開工過程則可分為柴油置換、建立循環、升溫循環、恒溫脫水、升溫切換原油、減壓抽空開側線以及最后的調整階段等，其中各側線及中段循環需遵循從上至下的原則，最終進入正常生產操作調節。

四、課程優勢及結語

針對目前高校學生企業實習與企業生產結合不緊密的現狀，中國石油大學（北京）加強了工程實踐環節的課程建設，其中仿真培訓已經成為學生學習的重要手段。通過仿真培訓，可大大加強學生的工程實踐和運行能力，并進一步加深學生對理論知識的掌握和認知程度。

仿真課程的內容以專業背景理論知識為基礎，強調其實用性和系統性，拓展學生學習的廣度與深度。仿真課程還可調動學生學習的積極性和主動性，啟發學生思考問題的解決方法，促使學生綜合運用所學的理論知識，將理論與實踐結合起來，融會貫通。在企業實習中，因各種限制使得學生的實習效果不佳，但在仿真學習過程中，由于其具有極強的可視性和可操作性，學生可直接操作虛擬裝置，感受生產操作過程。仿真培訓可使學生在綜合運用專業知識的基礎上進行動態的分析和操作，學習環境更加接近生產實際，更加面向工程應用。

中國石油大學（北京）建立的煉油化工與自動化仿真實踐教學基地具有極高的現場模仿性，操作畫面及手段、報警系統等均與現場一致，并具有多裝置仿真能力。仿真基地容量較大，為化工相關專業學生的技能培訓提供了強有力的支撐，在專業課程建設和學生培養過程中發揮了重要作用。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 郭曉宏.霍尼維爾UniSim仿真系統在實際生產中的應用[J].化工設計通訊，2012（4）：30-32.

[2] 郭宏遠，左信，羅雄麟，曲德偉.基于UniSim的催化裂化分餾塔的模擬與優化[J].化學工程與裝備，2008（3）：1-6.

[3] 唐夢海，胡兆靈.原油蒸餾[M].北京：中國石化出版社，2007.

[4] 董銳，何建玲.綠色化學理念在有機化學及實驗教學中的應用[J].大學教育，2013（23）：90.

[責任編輯：覃侶冰]