虛擬仿真在化學工程專業實訓中的應用-以催化裂化開車為例

許書瑞，傅小波，鐘國玉，廖文波，徐勇軍，何運兵

(東莞理工學院化學工程與能源技術學院，廣東 東莞 523808)

1 化學工程專業實訓的現狀

化學工程專業作為工程類專業，具有強應用、重操作的特點[1]。化學工程專業的學生不僅要具有扎實的理論知識，還要有很強的動手能力，能夠解決實際生產過程中遇到的問題。化學工程的專業特點決定學生在學習期間必須對專業內的典型生產過程，如常減壓精餾、催化裂化、煤制甲醇等中的工藝條件和設備有清晰的認知。因此，化學工程專業的學生在大三暑假或者大四上學期需在化工廠里進行2-4個星期的實習，以完成本專業學分要求。然而諸如常減壓蒸餾、催化裂化和煤制甲醇的生產過程常伴有易燃、易爆、有毒等安全隱患[2]。為了避免這些安全事故的發生，如今的化工廠很少愿意接受在讀本科生到工廠進行實習，老師也越來越難為批量學生找到生產實習基地。即便有部分學生能在化工廠里進行實習，但是由于相關的設備或裝置正在運行，學生只能走馬觀花的觀察一下，并不能親自動手操作設備的運行。故學生實地參觀相關化工廠面臨著耗時長、效果差、安全性系列問題，很難深入理解重要化工生產過程的運行，這也極大的限制了學生的實際操作能力。

近年來，隨著計算機和智能制造業的深入發展，全面面向化工生產過程的虛擬仿真軟件相繼出現[3-5]。化工虛擬仿真是在學生具有一定的理論和實踐積累的基礎上，針對危險大、毒性高、耗時長、大型訓練，通過仿真系統開展具有一定綜合性質的實訓。化工虛擬仿真軟件不僅可以逼真的還原重要生產過程還可通過VR模擬危險事故的處理[6]。學生借助虛擬仿真系統可對關鍵步驟進行反復操作、對危險裝置進行有效防范、并積累處理安全事故的經驗。總之，化工虛擬仿真成為化工專業實訓的有效方式，可有效解決在化工廠實習“見不到、做不到、防不到”的弊端。

2 重質油催化裂化制備輕質油的虛擬仿真

2.1 虛擬仿真系統

近年來，北京東方仿真軟件公司針對化工生產中的典型單元操作、大型或綜合生產開發了具有針對性的化工仿真軟件，如TDC3000系統包括了典型單元操作(精餾，吸收、換熱)、重要部件(間歇反應釜、壓縮機)及綜合性訓練(重質油的催化裂化、合成氨、煤制甲醇等)等等的仿真模擬，細到調節器、儀表、現場閥等的調節和操作[8]。東方仿真軟件具有貼近真實生產操作系統的界面，具有很強的人機交互性、重復性。學生在仿真系統上可反復操作，操作過程可實時跟蹤并由系統給出測評，學生在學習多項操作技能的同時，也便于老師了解掌握學生的學習情況及客觀地評判。故國內高校紛紛將化工仿真軟件引進課堂和實習實訓。東莞理工學院作為服務地方經濟性的新一批高水平理工科建設大學，為學校的省重點建設專業-化學工程專業建立了仿真實習基地。

通過《化工仿真》的實訓和教學，筆者發現學生面對仿真軟件呈現的復雜工藝流程和操作步驟，通常會出現手忙腳亂，無從下手的情況。此時教師應在引領學生學習過程中，應注重講練結合，教師演示與學生自我練習結合，同時指導教師要充分調動學生的積極性，以達到較好的實訓效果。下面以重質油催化裂化制備輕質油的虛擬仿真為例介紹學生實訓成果。

2.2 催化裂化制備輕質油的虛擬仿真

本實訓是以年產量350萬噸的重油催化裂化反應再生聯合裝置為模型開展實訓的。該模型具有很強的代表性，對于實際生產過程中有很好的指導作用。該裝置主要包括五部分，分別是反應器、再生器、取熱器、催化劑儲罐、能量回收機組。催化裂化裝置是一個高度非線性、強耦合、和不確定性的復雜系統，相應的系統啟動也比較繁瑣和復雜。冷態開車啟動是正常開車的前提條件，保證冷態開車的正常運行才能更好的生產優質輕質油。催化裂化的冷態開車包括7個步驟：(1) 催化劑儲罐裝劑；(2) 反再生系統氣密性試驗；(3) 熱工崗位準備工作; (4) 開工爐點火反再生系統升溫過程; (5) 熱拆大盲板趕空氣；(6) 裝催化劑三器流化;(7) 反應進油并調整至正常。催化裂化反應再生系統的總圖如圖1所示。

圖1 催化裂化反應再生系統總圖

Fig.1 Overview of catalytic cracking regeneration system

一個好的冷態開車狀態更有利整個系統的正常啟動，因此帶領學生進行仿真訓練時，需要對冷態開車系統進行最優化控制。最優化控制是對反再生系統中的每一個設備進行系列參數優化。每一個設備的最優化控制需在DCS控制圖和現場(FIELD)圖上對諸如流量大小、閥門開度、進料流量等進行調節。學生在實訓時通過調節各設備相關的閥門，壓力及溫度，研究這些參數對設備運行情況的影響。以催化裂化工藝流程中的再生器為例，學生在練習操作時考查了主風流量，再生器閥門開度、煙機入口閥門開度等因素對再生器壓力的影響，結果如圖2所示。從圖2可以看出，煙機入口閥門開度對再生器內壓力影響較小，再生器閥門開度對其內部壓力影響較為明顯。從圖中紅色曲線的趨勢可以看出，主風機流量對再生器也很顯著，再生器壓力隨主風流量增加而增高。通過在虛擬仿真軟件里對各個設備的控制調節，從而有效控制重質油催化裂化制備輕質油工藝，學生將理論知識與實踐相結合，達到掌握影響工藝流程的關鍵參數和操作的目的。從此實訓結果可以看出，仿真模擬一方面可以作為實際操作實驗的預習步驟，學生只有在正確完成相應操作的仿真模擬，對小到一個閥門，一個開關的操作都熟練掌握后，才可以更好的投入到未來的化工生產過程中。

圖2 閥門開度和主風流量對再生器壓力的影響

3 虛擬仿真實踐成效

3.1 提高了學習積極性

東方仿真軟件提供具有真實沉浸感與交互性的虛擬環境，學生可通過軟件里提供的虛擬場景可以對整個工藝流程小到一個閥門大到一個設備進行交互操作，像游戲一樣的體驗的，增加了學生的興趣。東方仿真里有在線學習云課堂，學生通過網絡共享平臺，靈活調整自己的學習時間，自行模擬練習，學生的積極性得到顯著提高。

3.2 提高了實踐能力

通過仿真實驗的模擬訓練，學生對實驗原理及操作過程能夠清晰的認識，虛擬仿真之后再對相應訓練的工藝流程進行操作，操作錯誤率明顯下降。仿真實訓系統令學生全面深刻地體驗各級操作規程和裝置原理，將理論知識與生產實踐相結合，實現了實習與生產過程無縫對接，大大地提升了化工專業學生的動手能力。

3.3 提升了安全意識

學生通過仿真實訓，對工藝流程進行詳細的了解后，明白哪些過程存在易燃易爆的風險，再到現場進行參觀實習，將仿真與現場結合起來，學生的安全防患意識明顯得到了提升。

4 結束語

采用計算機多媒體技術對石油化工專業中復雜工藝和設備、危險變化過程進行形象化，虛擬化處理，讓學生能夠更加直接的進行觀察、學習和操作，通過模擬仿真軟件構建虛實結合的實踐環節是提升化工類專業學生實踐能力的明智選擇。虛擬仿真技術將目前實踐教學形式從一種模式改變為另外一種更優模式，這是一種技術進步，也是計算機技術發展的必然結果。