简析如何学好化工仿真实验

陈 成

(大庆师范学院 化学化工学院，黑龙江 大庆 163712)

1 化工仿真实验的地位与特点

1.1 集散控制系统(DCS)

集散控制系统(DCS)，是以多个微处理机为基础，利用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节、监视管理的控制技术。其特点是以分散的控制适应分散的控制对象，以集中的监视和操作达到掌握全局的目的，系统具有较高的稳定性、可靠性和可扩展性，目前各大中小型化工厂均采用集散控制系统(DCS)控制生产营运的命脉[1]。

1.2 化工仿真的必要性与优点

化工生产装置大型化、生产过程连续化和过程控制自动化，已成为现代化工生产技术飞速发展的标志。为保证化工生产安全、稳定、长周期、满负荷、最优化的进行，化工行业对操作人员的综合素质要求越来越高，职业教育和在职培训也显得越来越重要[2]。但由于化工生产的特殊性，常规的教育和培训方法已不能满足生产要求，因此，现代化工仿真模拟技术成为当前职业教育和培训强有力的工具。

化工仿真培训系统的建立是以实际生产过程为基础，通过建立生产装置中各种过程单元的动态特征模型及各种设备的特征，模拟生产的动态过程特性，创造一个与真实装置非常相似的操作环境，其中各种画面的布置、颜色、数字信息动态显示、状态信息动态指示、操作方式等方面与真实装置的操作环境相同，使学员有一种身临其境的真实感，其具备以下优点：

1) 工艺形象逼真。具有代表性的真实生产过程片段的仿真，营造类似于工厂控制室的教学环境，训练学生分析问题、解决问题和故障处理的能力。

2) 学生吸收效果好。人均一台电脑的配置改善了化工实验装置少的问题，以典型工业实例，训练学生开、停车的操作能力，包括简单装置开、停车和复杂装置开、停车。学生可更好地将化工原理理论融合于仿真实验中，培养了学生独立思考的能力，使其专业素质大幅度提升。

3) “教—练—考—设”的优异教学、自学体系。化工仿真实验具备教学、练习、考试和设计四种不同的体系，教师可根据学生不同阶段掌握程度来进行分层次的教习，学生也可以通过仿真系统进行自学。

4) “仿控制室”体系。仿真培训系统中是以工艺仿真软件通过数字模型计算出仿生产信息，即用数字模型来模拟实际生产的动态过程特征。“仿控制室”是一个广义的扩大了的控制室，它不仅包括实际DCS中的操作画面和控制功能，同时还包括现场操作画面，通过工艺与设备介绍使学生建立典型工业过程的背景知识，包括工艺流程、设备、控制方案、操作参数等，透彻了解生产过程与设备工作原理。

2 学习方法

2.1 化工单元操作仿真的学习

以吸收解吸单元仿真(北京东方仿真控制技术有限公司制作的“化工基本过程单元仿真软件”)为例，介绍化工单元操作仿真学习。

2.1.1 学习前做好理论知识复习

吸收解吸是石油化工生产过程中较常用的重要单元操作过程。吸收过程是利用气体混合物中各个组分在液体(吸收剂)中的溶解度不同，来分离气体混合物。提高压力、降低温度有利于溶质吸收；降低压力、提高温度有利于溶质解吸，正是利用这一原理分离气体混合物，而吸收剂可以重复使用。在学习仿真实验时，复习理论课所学知识是非常有必要的。

2.1.2 了解仿真画面与流程结构

吸收解太单元仿真包括四个主体画面分别是：吸收系统DCS界面，吸收系统现场界面，解吸系统DCS界面和解吸系统现场界面，该单元以C6油为吸收剂，分离气体混合物(其中C4:25.13%，CO和CO2:6.26%，N2:64.58%，H2:3.5%，O2:0.53%)中的C4组分(吸收质)。

2.1.3 实战演练

根据智能评价系统的提示，初步练习仿真操作，如建立C6油冷循环：

①手动逐渐打开调节阀LV104，向D-101倒油；

②当向D-101倒油时，同时逐渐调整FV104，以保持T-102液位在50%左右，将LIC104设定在50%设自动；

③由T-101至T-102油循环时，手动调节FV103以保持T-101液位在50%左右，将LIC101设定在50%投自动；

④手动调节FV103，使FRC103保持在13.50T/h，投自动，冷循环10分钟。

图1 吸收解吸单元仿真操作DCS操作画面

如图1中，1～4处为智能评价系统提供的关键仪表与阀门，在图1中找到，并学习它的操作，承前启后的联系本步骤在整个单元仿真中的作用，建立C6油冷循的前提是贮罐，吸收塔，解吸塔液位50%左右，并且吸收塔系统与解吸塔系统保持合适压差，此步骤的目的是建立D-103液位，为C6油热循环做准备。

吸收解吸单元复杂控制回路主要是串级回路的使用，在吸收塔、解吸塔和产品罐中都使用了液位与流量串级回路，它是在简单调节系统基础上发展起来的。在结构上，串级回路调节系统有两个闭合回路，主、副调节器串联，主调节器的输出为副调节器的给定值，系统通过副调节器的输出操纵调节阀动作，实现对主参数的定值调节。所以在串级回路调节系统中，主回路是定值调节系统，副回路是随动系统。

在吸收塔T101中，为了保证液位的稳定，有一塔釜液位与塔釜出料组成的串级回路。液位调节器的输出同时是流量调节器的给定值，即流量调节器FIC104的SP(设定)值由液位调节器LIC101的OP(输出)值控制，LIC101.OP的变化使FIC104.SP产生相应的变化。

2.1.4 考评操作，反复练习

在“考试状态”下，进行吸收解析单元操作，在规定时间内完成操作，测试自己的仿真成绩，反复进行，直到操作熟练，化工工艺体系稳定为止。

2.2 大型化工仿真实验的学习

在掌握了化工设备、仪表、单元结构的简单工艺流程的操作后，可以更好地进行大型化工仿真的学习，本文以聚丙烯合成工段(京东方仿真控制技术有限公司制作)为例，介绍大型化工仿真实验的学习。

2.2.1 掌握整体工艺流程

仿真实验应与聚丙烯工艺理论课程同步，理论与实践相结合，有利于从整体上掌握仿真软件的总体布局。“聚丙烯的制备工艺”共分为四个工段，分别为原料的精制单元、催化剂的配比单元、丙烯聚合单元和丙烯回收及产品的气蒸干躁，本仿真实验内容以丙烯聚合单元为主体内容，带领学生走进聚丙烯合成的世界。丙烯和催化剂先在预聚釜(D200)中进行预聚合反应，预聚压力3.1～3.96MPa，温度低于20℃，然后进入第1、2反应器(D201、D202)在液态丙烯中进行淤浆聚合，聚合压力3.1～3.96MPa，温度70℃～67℃。由D202排出的淤浆直接进入第3反应器D203进行气相聚合，聚合压力2.8～3.2MPa，温度80℃。

图2是丙烯聚合工段的基本流程，要想学好仿真操作,首先必须引导学生从整体上把握仿真软件的布局,将所学理论与现场画面对应起来。丙烯聚合工段仿真系统分为预聚合、淤浆聚合和气相聚合三部分，其框架与学生所学理论知识吻合的较好，在扎实的理论基础之上,并辅以教师的精心指导，学生会很好的吸收仿真实训的内容，为下厂见习实习打下良好的基础。

2.2.2 深入各单元画面

丙烯聚合工段等化工生产线由众多的管线将设备彼此连接,要想有步骤有目的地进行仿真操作,仅仅掌握软件的总体布局只是学习的第一步，必须要对管线特别是关键管线的走向及作用有一个清楚的认识，即从细节上把握系统结构，深入到各个单元界面去学习，这样才能够避免操作的盲目性和机械性，变无目的被动模仿为有目的操作，大大增强学习的效果，若能亲身去工厂见习，对仿真工艺的学习会有事半功倍的效果。以冷态开车过程中向D202加液态丙烯为例，对单元工艺流程进行简单的分析。如图3所示，液态丙烯来自D200，由FIC211控制，经过换热器E202，由D222进行气液分离，回流到D202，液位由LICA-221控制，由FIC222调节适当的冲洗进料量，TIC-222升温，TIC221控制釜温，淤浆聚合完成向D203出料。聚丙烯聚合工作仿真操作相对简单，只要掌握好每个单元画面的设备与仪表，控制好物料走向，就能顺利的学习好仿真实验。

图2 聚丙烯工段总貌图 图3 聚丙烯第二反应器DCS图

2.2.3 反复练习，精益求精

在掌握总体工艺，与每个单元操作后，可进行整个聚丙烯合成工段的反复操作，熟悉每一步操作在整个工艺中的作用，参考设备正常运行指标，严格把握好仪表设备开启的先后顺序与控制方式，在规定时间内脱离智能评分系统，进行操作评价自身操作水平与能力，对工艺中常见的紧急事故要探究其原因，并学会处理。

其他的大型化工仿真实验如常减压炼油、乙醛氧化制备醋酸和合成氨工艺均可采用这种“总体—单元—操作”的方法进行系统学习。

3 结语

化工仿真实验为高校学生走向就业岗位提供了一条捷径，学生在实验室就能领略到化工厂实际生产单元与过程控制技术，在学习过程中只要依据理论联系实际这条原则，循序渐进地学习就会取得满意的学习效果。本文为化工仿真实验的学习提供了一种实用有效的方法，这种方法也适用于企业员工的培训。现代先进的教育手段能为企业员工培训服务，更能促进校企联合，学生在学习过程中可去工厂进行实地见习，这样互取所需，有利于学生素质的提高，也为企业节省了成本，因此，有一定的实际应用价值。

[参考文献]

[1] 周春晖.化工过程控制原理[M].北京:化学工业出版社, 1998.

[2] 杨永杰.化工教育培训系统技术进展[J].天津化工，2001(6)：15-16.