新型煤气化制甲醇全流程培训仿真系统研究

王 和 汤 志 孙如田

(克拉玛依职业技术学院，新疆 克拉玛依 833600)

煤化工生产设备趋于大型化、自控技术高端化发展[1～6]，这就对生产运行人员的操作水平和能力有了更高的要求。由于煤化工生产运行必须保证安全、稳定、优化地运行，因而借助生产培训系统提高运行人员的操作技能是必然趋势。发达国家的经验表明，运用仿真工厂进行煤化工运行人员的技能培训是最有效的方法[7，8]。

随着现代生产装置自动化程度的提高，对工厂工程师和操作人员来说，必须在较短时间内掌握这些先进控制和调节方法，包括复杂工艺过程原理及动态特性等相关知识，是一个巨大的挑战。通过仿真工厂培训模式的引入，在正式开车之前提供适当的培训，让他们充分熟悉工艺操作规程、积累操作经验，必将有利于稳定安全的生产，并真正给工厂带来效益[9～13]。

为了促进煤化工行业职业教育的发展，笔者以60万t新型煤气化制甲醇生产为背景，设计新型煤气化制甲醇实训仿真工厂中的关键部件——新型煤气化制甲醇全流程培训仿真系统。

1 系统体系结构①

从新型煤气化制甲醇全流程培训仿真系统的网络拓扑(图1)可以看出，系统组成包括：教师站、模拟服务器、场景组态站、培训仿真系统接口及操作员站等。

图1 仿真培训系统网络拓扑框架

1.1 模拟服务器

模拟服务器采用高性能计算服务器，负责对已配置好的对象模型进行高性能模拟仿真，从而完成复杂度较高的精确计算。运行在模拟仿真平台上的模型机运行时，与组态服务器一起，为系统其他部分的工作提供最底层的最可靠的服务。

1.2 场景组态站

场景组态站主要面对工程师，对系统内各个部分的相互关系进行统一组态，包括教师机和学员机之间的交互关系、学员与现场模型之间的互动关系及模型的动态情况等。场景组态工作站最终的组态，将下载到位于模拟服务器上的组态服务上。

1.3 教师站

教师站负责管理并监控学员的学习情况，给学员布置练习，为其设置各种故障点，对学员进行考评。教师站能够方便地回溯到任何一个模拟环节，以供学生对某个学习点进行反复操作和熟练。

1.4 培训仿真系统接口机

培训仿真系统接口机负责完成上层HMI软件和仿真系统的衔接工作。接口机一方面完成对模拟服务器内的运行时和数据层进行访问，另一方面是教师站向学员站传送各种指令的桥梁。

1.5 操作员站

学员在操作员站上完成各种故障的排除，进行基本操作技能的练习。操作员站的各种操作画面和操作方式与工业现场的情况完全一致。

2 关键技术

2.1 仿真模型库

全流程培训仿真系统用于进行准确动态过程建模的模型包括：设备模型库，用于模拟过程设备；控制模型库，用于模拟过程控制系统；电气模型库，用于模拟包括马达传动器在内的电气系统；热力学模型库，用于模拟物质流的物理特性，建立相平衡计算方法。

设备模型库不仅包括一般模型，如阀、管道、泵、分离器、压缩机、膨胀机和混合器；还包括复杂的模型，如蒸馏塔、反应器、换热器、空冷器、严格管壳式换热器、加热炉、冷箱模型及固体处理单元等。

基本控制和单元操作的模型库用于构成化工流程的基本化工单元设备操作培训，包括的化工单元设备操作模型有：流量控制单元操作模型、液位控制单元操作模型、压力控制单元操作模型、调速泵控制单元操作模型、汽-液换热器操作模型、液-液换热器操作模型、闪蒸罐单元操作模型、单级压缩机单元操作模型、多级压缩机操作模型、蒸汽公用工程模型、气体加热炉操作模型、基本精馏塔控制操作模型和高级精馏单元控制操作模型。

以这些仿真模型库为基础，根据用户的设备数据，对不同的塔、泵、阀门、容器、反应器、压缩机、换热器和其他基本设备进行严格模拟。将这些模型与控制、电气、热力学模型结合在一起，能够模拟工厂的各种过程系统，如过程控制系统、电气分配系统、包含行程联动装置的安全控制系统。

2.2 热力学建模

化工流程模拟中的首要任务是建立热力学模型，模拟物质流的物理性质，即通过热力学模型计算来准确预测物系的物性和相行为，这需要有足够的组分数据库、选择适用的热力学模型、建立相平衡计算方法，这样才能仿真出接近真实的流股物性和变化过程，这部分包含了对物性数据的收集、热力学模型的建立和闪蒸计算方法的开发。

流程模拟系统的运作，准确可靠的物性数据是必不可少的最基本的条件。笔者采用DIPPR作为物性数据库。DIPPR是美国化学工程师协会下设的物性数据设计协会(Design Institute for Physical Property Data)，它除了收集和编撰工业上重要的化合物的各类物性数据而开发数据库外，还出版物性推算手册，以提供化学和相关工业中过程设计所需的物性、热力学性质和传递性质数据推算的标准来源，是当今世界上最权威的物性数据源。

热力学模型系统提供一系列工业标准的方法来计算物系的热力学性质，如熵值、密度、K值、焓值、气相/固相在液相中的溶解度及气体逸度等。这些方法包括：液相活度系数模型，如NRTL计算K值；一般关联式，如CSK值算法和API液相密度算法；状态方程，如SRK、PR计算K值、焓值、熵值和密度；气相逸度方法，如Hayden-O′Connell法计算二元缔合；固-液平衡方法，如Van′t Hoff法计算固相在液相中的溶解度；特殊组分系统计算方法，如醇类、甘醇类、酸水系统及气体脱硫系统等。

2.3 全流程模拟分析工具

基于精确的传质动力学模型和热动力学方程构成的全流程模拟分析工具，不是一般意义上的稳态过程模拟，它是全面的动态过程模拟。该工具的目的在于帮助用户全面熟悉生产装置和工艺，掌握动态工艺特性，积累操作经验，提高处理异常事故的能力；同时也帮助工程师研究工艺过程，发现工艺瓶颈，进行工况研究、故障分析和控制策略的研究。

图2所示的全流程模拟分析工具OmniSim，是一套用于对化工、炼油和石油化工过程的动态特性进行研究、评估和测试的软件系统，是一套完整地贯穿于整个工厂装置生命周期的解决方案。它以数据驱动为核心，使OmniSim成为唯一能在线组态并在线修改以及与第三方软件链接的动态模拟器，不必停止程序工程师就能在线对模拟系统进行修改，节省了大量时间。此外，由于采用了以数据为核心的设计，同一个模型可以用于设计、控制系统检查和操作员培训，为工程师节省了时间。模块化的结构，也使仿真平台和第三方应用的集成变得简单。

图2 全流程模拟分析工具

2.4 场景设计器

场景设计器是采用图形化的方式配置并监控系统中各个部分的相互关系，如图3所示。场景设计器是配置工作站的一部分，利用它用户可以创建新的或修改已有的场景。设计器可以用来设定哪些单元可以一起运行，工程师可以创建修改被模拟的对象，修改模型与操作员的互动关系。设计器完全支持对可视化建模环境的调用，可对操作员和模型间的互动参数进行修改。在线情况下修改组态，并可实时对操作员培训系统的运行进行干预。 此外，设计器还可指定系统在开车和停车时所需的任意初始工况数据，并可在任意时刻允许工程师回溯到历史上的任意工况上。因此场景设计器是操作员仿真培训系统中协助工程师和教师的利器。新一代图形技术的应用，使枯燥乏味的系统组态工作变得轻松，通过简单拖放和连线，系统各部分之间的关系一目了然。

图3 场景设计器

3 培训项目设计

全流程培训仿真系统的基本功能包括：选择不同的单元操作；开/停步骤状态练习；单元显示；情景设置；实时趋势学习；各种单元故障处理；报警事件处理；实时和历史的趋势；操作员培训绩效监控。现以煤制甲醇煤气化工段和甲醇合成工段为例，说明基于全流程培训仿真系统的培训项目设计。

3.1 煤制甲醇流程工段——煤气化

水煤浆加压气化法是目前国际上应用最广泛的煤气化方法，它可以适用多种煤种，生产效率高、能耗低、生产强度大、污染少。

工艺流程：先将原料煤制成可以流动的水煤浆，经加压泵加压后连同空分送来的高压氧通过烧嘴进入气化炉。在煤气化工段气化炉是核心装置，气化压力4.0～6.5MPa，气化温度1 300～1 500℃。气化反应在气化炉内瞬间完成，生成粗煤气和少量的其他物质(氯化物、硫化物、氮气、氩气及甲烷等)、液态熔渣和细灰颗粒。这些物质出气化炉燃烧室，沿下降管进入激冷室水浴，其中熔渣在水中淬冷并固化，并沉入气化炉底部。生成的粗煤气再与水直接接触而变得冷却，产生的大部分细灰则留在水中。粗煤气沿下降管与导气管之间的环隙上升，从气化炉旁侧的出气口引出，经气液分离器分离出粗煤气中夹带的水分，粗煤气送往文丘里管和洗涤塔，气液分离器分离出的黑水并入气化炉黑水排放管道送闪蒸处理。气化炉炉底聚集的粗渣，经破渣机破碎，用水带入锁斗系统，由锁斗系统定期自动排放。煤气化流程培训操作界面如图4所示。

图4 煤气化流程操作界面

3.2 煤制甲醇流程工段——甲醇合成

工艺流程：经甲醇洗脱硫脱碳净化后产生的合成气与甲醇合成循环气混合，压力约5.6MPa，经甲醇合成循环气压缩机增压至6.5MPa，然后进入冷管式反应器(气冷反应器)冷管预热到235℃，进入管壳式反应器(水冷反应器)进行甲醇合成，CO、CO2和H2在Cu-Zn催化剂作用下合成粗甲醇，出反应器的反应气温度约240℃，然后进入气冷反应器壳侧继续进行甲醇合成反应，同时预热冷管内的工艺气体，气冷反应器壳侧气体出口温度250℃，再经低压蒸汽发生器、水冷器、空气冷却器冷却到40℃，进入甲醇分离器，从分离器顶部出来的未反应气体进入循环气压缩机压缩，返回到甲醇合成回路。粗甲醇从甲醇分离器底部排出，经甲醇膨胀槽减压释放出溶解气后送往甲醇精馏工段。甲醇合成流程培训操作界面如图5所示。

图5 甲醇合成流程培训操作界面

4 结束语

全流程仿真培训仿真系统通过机理建模建立“虚拟工厂”，自上而下地实现工厂过程和控制逻辑的动态模拟，真实地再现了实际工业流程的状态和行为，实时准确地模拟了工艺现场和真实故障，为操作员提供精确而可靠的动态模拟。该系统适用于煤化工工程学科的高职院校学生和相关企业培训中心员工的实际操作技能培训和教学，在保障安全生产、降低操作成本和能耗、减少或避免生产事故所造成的损失、减少或避免工厂装置的损坏等方面发挥有效作用。