“航煤儲罐小呼吸蒸發(fā)損耗”仿真系統(tǒng)開發(fā)

丁清苗 崔艷雨

【摘要】通過對機場油庫航煤儲罐小呼吸蒸發(fā)損耗虛擬仿真教學實驗平臺的開發(fā)，操作者可以通過在模擬現(xiàn)實場景，利用智能穿戴設備來操縱虛擬的航煤儲罐溫度測試系統(tǒng)、油氣混合氣采樣系統(tǒng)、油氣濃度分析系統(tǒng)得到油品和油氣空間溫度和濃度的分布規(guī)律，得到航煤儲罐小呼吸蒸發(fā)損耗量，替代原危險性大的實物實驗項目，為其他此類型虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)提供經(jīng)驗。

【關鍵詞】航煤儲罐? 小呼吸蒸發(fā)損耗? 仿真教學實驗

【基金項目】中國民航大學實驗技術(shù)創(chuàng)新基金項目“基于VR技術(shù)的機場油庫航煤儲罐小呼吸蒸發(fā)損耗虛擬仿真教學實驗開發(fā)”項目（2018CXJJ17）資助。

【中圖分類號】TM743 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）04-0227-01

1.研究背景

“油庫設計與管理”作為油氣儲運專業(yè)重要的必修課程之一，是一門實踐性極強的課程。“油庫設計與管理”課程在教學過程中雖然強調(diào)理論與實踐結(jié)合，但實際上區(qū)別于其他專業(yè)和課程的實驗實踐項目，很多需要用到油品的實踐項目難以實現(xiàn)或無法實現(xiàn)，如“油庫設計與管理”課程的量氣法測定儲罐小呼吸蒸發(fā)損耗實驗需要用到高溫加熱100多升汽油，存在很大的安全隱患;油庫方面多數(shù)實物實驗投資大且同樣存在安全風險;且現(xiàn)有實驗都沒有涉及到機場油庫相關項目，而去中航油等企業(yè)現(xiàn)場實習都不允許學生動手操作，學生往往很難接觸到實際的生產(chǎn)裝置。這些都直接制約了油品類實驗實踐項目的開展，影響學生能力的培養(yǎng)，嚴重影響教學效果。

VR虛擬仿真技術(shù)，可以利用VR眼鏡和虛擬仿真系統(tǒng)操縱活動手柄，實現(xiàn)難以實現(xiàn)的實際場景，其真實度和體驗性跟人在現(xiàn)實世界中操作設備進行實驗訓練相差無幾。當需要對虛擬仿真實驗項目進行更新升級時，只需重在原來基礎上新建模即可，快捷方便，不需要過多維護，也不會因為設備過時而產(chǎn)生折舊造成資源浪費。機場油庫航煤儲罐小呼吸蒸發(fā)損耗虛擬仿真教學實驗平臺的開發(fā)將原本難以實現(xiàn)的實驗過程利用VR技術(shù)仿真進行，對于提高學生興趣，改善教學效果都有很大的好處。

2.仿真系統(tǒng)的設計與開發(fā)

2.1 VR虛擬實驗平臺框架構(gòu)思：

總結(jié)機場油庫航煤儲罐的特點，理論和實驗分析航煤小呼吸蒸發(fā)損耗的特點和規(guī)律，運用VR技術(shù)與專業(yè)課程特色相結(jié)合，分析總結(jié)系統(tǒng)設計的原則、方法及要素，科學地設計面向在校大學生的基于VR技術(shù)的機場油庫航煤儲罐小呼吸蒸發(fā)損耗虛擬仿真教學實驗平臺的框架。機場油庫航煤儲罐小呼吸蒸發(fā)損耗實驗裝置主要由航煤油罐、氣體含量分析系統(tǒng)、恒溫循環(huán)水浴、太陽加熱模擬系統(tǒng)、氣體流量計、溫度傳感系統(tǒng)、水準瓶等組成。

2.2 虛擬仿真教學實驗平臺建模：

根據(jù)機場油庫航煤儲罐小呼吸蒸發(fā)損耗虛擬仿真教學實驗平臺框架，根據(jù)科學性、交互性、直觀性原則創(chuàng)建虛擬場景和實驗設備內(nèi)容，根據(jù)腳本進行虛擬現(xiàn)實程序開發(fā)，實現(xiàn)交互操作和仿真的實驗結(jié)果。可以實現(xiàn)操作者“進入”虛擬空間，根據(jù)指引面向?qū)嶒炁_，根據(jù)實驗指導書中規(guī)定實驗內(nèi)容在虛擬實驗室中完成實驗過程，進行參數(shù)測定得到實驗結(jié)果。最后歸納總結(jié)此實驗，完成提交實驗報告，完全實現(xiàn)與實際實驗基本一致的效果。

3.仿真系統(tǒng)功能介紹

本仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)用量氣法測定航煤儲罐的小呼吸蒸發(fā)損耗量，計算公式為G=QCρ。

Q代表實驗過程中呼吸閥開啟后航煤儲罐所呼出的空氣和航煤蒸汽的二元混合氣氣體的體積量，可以通過氣體流量計的累積量直接測出。C代表混合氣中航煤蒸汽的濃度，可以通過氣體含量分析系統(tǒng)多次測量獲得。ρ代表航煤油蒸汽的密度。實際實驗時要獲得這個公式所需參數(shù)，除了要用到混合氣氣體的體積量Q、混合氣中航煤蒸汽的濃度C，還要測定溫度T、壓力P這些參數(shù)。為了測定這些數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)功能如下：

（1）測定壓力閥開啟前航煤儲罐內(nèi)溫度、壓力和濃度：此時太陽模擬加熱系統(tǒng)處于關閉狀態(tài)，依次從溫度傳感器傳出來的溫度數(shù)據(jù)讀取油氣空間中部溫度t0值，并從壓差計讀出罐內(nèi)外壓差，計算出罐內(nèi)壓力P0，同時用氣體含量分析系統(tǒng)對航煤儲罐內(nèi)中部的氣樣進行分析，求出濃度C0。

（2）測定壓力閥開啟時航煤儲罐內(nèi)溫度、壓力和濃度：打開太陽模擬加熱系統(tǒng)進行加熱，注意觀察航煤儲罐內(nèi)溫度、壓力變化情況。當呼吸閥冒出第一個氣泡時，認為呼吸閥開啟，計此時為呼氣起始狀態(tài)。記下氣體流量計的讀數(shù)Q1，這時應馬上記錄油氣空間中部氣體的溫度t1值和罐內(nèi)壓力P1值。同時測定該狀態(tài)下中點氣樣進行濃度分析，求出C1。

（3）測定壓力閥關閉時航煤儲罐內(nèi)溫度、壓力和濃度：當氣體空間中點溫度達到某一數(shù)值時，假定此時為呼出終了狀態(tài)。此刻停止加熱，讀出氣體流量計的數(shù)值Q2，馬上記錄油氣空間中部氣體的溫度t2和罐內(nèi)壓力P2。同時測定該狀態(tài)下的中點氣樣濃度，求出C2。

4.結(jié)論與展望

“油庫設計與管理”課程在教學過程中強調(diào)理論與實踐結(jié)合，但實驗項目如“小呼吸蒸發(fā)損耗實驗”涉及到高溫加熱100多升汽油存在很大的安全隱患，開發(fā)其他實物實驗投資大且同樣存在安全風險，為了解決此問題，利用VR技術(shù)開發(fā)機場油庫航煤儲罐小呼吸蒸發(fā)損耗虛擬仿真教學實驗平臺，此教學平臺通過仿真實現(xiàn)模擬裝置情景再現(xiàn)，讓學生身臨其境進行實驗操作并進行操作考核，既能將理論與實踐結(jié)合提高學生學習興趣，又能解決實物操作的安全問題，且節(jié)約實驗教學成本，同時為其他實驗項目和平臺的開發(fā)借鑒經(jīng)驗。

作者簡介：

丁清苗（1984-），女，博士，副教授，主要從事油氣儲運設備方面的研究。