反应釜仿真培训考核系统研发

丁志蛟，张继晟，郑建荣

（华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 200237）

0 引言

反应釜作为承压类特种设备，广泛应用于化工、炼油、冶金、轻工等工业部门，由于其涉及到高压高温、易燃易爆、有毒气体等，具有很大的危险性。近年来由于操作失误引起的事故越来越多，造成了大量的人员伤亡和财产损失。根据中华人民共和国《特种设备作业人员监督管理办法》规定：从事特种设备作业的人员应当按照本办法的规定，经考核合格取得《特种设备作业人员证》，方可从事相应的作业或者管理工作。因此对于反应釜操作人员的培训和考核是避免事故发生的首要环节。

然而传统的特种设备（包括反应釜）培训考核都是纸质或口头，考试内容主要是理论考试，没有做到对学员的实际操作步骤的考核。这就造成了很多拿到作业证的人员，只具备理论知识，不具有实际操作经验，很容易引起安全事故。究其原因，主要是反应釜等特种设备本身就具有危险性，不适合新学员进行操作学习。

针对这一问题，本文以反应釜作为研究重点，结合计算机仿真技术，研究开发反应釜的仿真培训考核系统。要做到对学员的实物考核的培训和考核，必然要有实物操作，因此本文重点之一是研究半实物仿真系统的构建。本文的另一个重点是对反应釜模型的研究，以达到模拟仿真的效果。

1 半实物仿真系统的构建

半实物仿真培训系统的设计主要从硬件和软件两部分着手。硬件部分包括物理效应设备、数据采集和处理模块、计算机。软件部分基于VB编程语言，采用面向对象的方法，进行模块化编程。设计人机交互界面，建立数学模型，构建数据库等。

1.1 物理效应设备

物理效应设备是半实物仿真系统可操作部分，可将真实的物理量与仿真模型中的数字量相互转换，使实物装置能够与计算机仿真同步进行。本系统以反应釜原始比例的模型作为物理效应设备，主要包括各类阀门开关、仪表显示、搅拌电机、管路系统等。对其阀门开关等进行电信号改装，在原来阀门的基础上加装电感式接近开关，当手动操作阀门时，电感式接近开关即可输出一个开关量信号，作为计算机的输入信号。压力表、液位计等仪表显示作为模拟量输出元件，采用自行研制的单片机系统驱动压力表指针和液位计发光二极管的显示。

另外为了构建逼真的仿真环境，物理效应设备中加入音响系统，可模拟反应釜运行时的各种声音。

1.2 数据采集和处理模块

数据采集和处理模块采用基于微处理器的方式，完全自主开发数据采集处理系统。主要负责接收物理效应设备上的各类操作和传感元件的操作信号，即输入信号。数据采集处理系统将输入经调理转换后，发送至上位客户端。仿真系统将仿真结果送回数据采集处理系统，控制对应的结果输出到物理效应设备的显示仪表上。

数据采集和处理模块主要包括MCU芯片、开关量输入和输出，模拟量的输入（AD）和输出（DA）。此外，增设隔离通讯模块，与MCU采用RS422进行通讯，隔离模块通过USB与计算机进行串口通讯。

2 仿真系统模型

2.1 反应釜建模分析

如图1所示，为反应釜模型。气相或液相物料由进料阀进入反应室，反应生成物可能为气相、液相或气液相混合物，反应性质可能为放热、吸热或恒温反应，液相反应生成物由出料阀排出，气相反应生成物由排气阀排出。反应釜通过夹套中冷源介质或热源介质进行温度控制，冷却阶段，冷源一般为冷却水，在夹套循环回路中由夹套下阀进入夹套，由夹套上阀流出；在加热阶段，热源一般为饱和蒸汽，在夹套循环回路中由夹套上阀进入夹套，从夹套下阀排出。

图1 反应釜示意图

为简化系统模型，做如下基本假设：1）所涉及液相为不可压缩流体且忽略温度影响，即密度不随温度、压强变化；2）所涉及气相为理想气体，即在任何情况下都严格遵守气体三定律；3）进出料时，气相、液相按一定比例平稳进入或离开反应室；4）理想混合流动模型：由于强烈搅拌，反应釜内物料质点返混程度为无穷大，所有控件位置物料的各种参数完全均匀一致。反应物料以稳定的流量进入反应釜，刚进入反应釜的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合，而且出口处物料性质与反应釜内完全相同；

为简化公式，下文所涉及的物质的密度和摩尔质量均为混合物的平均密度和平均摩尔质量，即，单位为kg/m3，其中iρ为混合物中各组分的密度，Vi为混合物中各组分的体积；，单位为kmol，其中iχ为混合物中各组分的摩尔分数，单位为kg/kmol。

2.2 反应釜液位模型

将反应釜液位模型简化为图2所示，液相由进料/进水阀进入反应室，由出料/排液阀排出。

图2 反应釜液位模型示意图

忽略液相和气相密度的变化，假设液相和气相的平均密度分别为Lρ和Gρ，反应室的高度和横截面积分别为H和A。设t时刻反应室内液位的高度为h(t)，进料/进水阀和出料/排液阀的质量流量分别为WS4(t)和WS5(t)。由液相质量衡算：考虑任意微小时间段，液相质量的变化=进料中液相的质量-出料量-反应掉的液相质量，如式(1)所示。

将公式(2)代入式(1)可得反应釜液位模型的递推式：

式中，hn+1为当前水位，m；hn为前一周期水位，m。

2.3 反应釜内压力模型

假设反应釜内的气相为理想气体，其状态方程的微分形式如式(4)所示。

式中，pG为反应釜内气相的压强，MPa；VG为反应釜内气相的体积，m3；mG为反应釜内气相的质量，kg；TG为反应釜内气相的温度，K。

根据质量衡算有：气相质量变化=进料中气相的质量+反应生成的气相量-排气量，其表达式如式(5)。

式中，D3(t)为排气阀的阀门状态，打开时=1，关闭时=0；WS3(t)为排气阀的质量流量，根据需要的系统仿真速度，可取不同的常数，kg/s。

如图2所示，反应室内气相体积如式(6)所示。

将式(4)并转换为微分方程形式如式(6)，代入式(5)、 式(6)并进行离散化后的反应釜内压力仿真模型的递推式如式(8)所示。

2.4 反应釜温度模型

反应釜内的热量是由夹套冷热源（饱和蒸汽或冷却水）以及反应中的吸热或放热决定的，根据能量守恒定律，进行热量衡算：单位时间内，反应釜内热量变化量=进入反应釜内流体所放出的热量+夹套提供的热量（或-夹套吸收的热量）+反应放出的热量（或-反应吸收的热量），其表达式如式(9)所示。

式中，QR为反应釜的热负荷，kJ/s；c4为进入反应釜流体的比热容，kJ(kg.℃)；Tamb,TJ,TR为环境、夹套和反应釜的温度，℃；U为总传热效率，；h为传热膜系数；为与批次有关的杂质因数；AJ为夹套传热面积，m2；为夹套每单位温度的热损失速率，为一常数，kW/S.℃； Qrea(t)为为反应放热速率，，kJ/S； - ΔH 为反应热焓，kJ/mol。

夹套平均温度TJ为夹套进口与出口温度的平均值，即TJ=(T1+T2)/2；反应釜壁温度TW为反应釜内温度与夹套温度的平均值，即TW=(TR+TJ)/2。

由于反应的热量是由夹套提供的，因此，夹套的出口温度T2(t)和入口温度T1同样遵循能量守恒，如式(10)所示。

式中，WS1(t),WS2(t)为夹套上阀和夹套下阀的质量流量，kg/s；cJ为夹套内流体的比热容，kJ/(kg.oC)；θ1为夹套与传热回路的时滞，S。

3 仿真系统软件实现

反应釜仿真培训系统基于VB编程语言，采用面向对象的方法，进行模块化编程。设计人机交互界面，建立数学模型，构建数据库等。

因为这是一套培训考核系统，软件基本结构应该包含如下几个基本模块：题库管理模块、培训模块、考核模块、反应釜模型模块、操作评分模块、数据库和数据库管理模块、硬件检测模块、通讯接口模块、信息设置模块以及辅助模块等。根据各个模块间的关系，软件基本结构设计如图3所示。

在对各个模块进行编程后，按照触发过程中的系统仿真模型，对各个模块进行合成， 其程序运行的主框图如图4所示。

图3 仿真系统软件结构图

图4 程序运行主框图

软件最终实现了反应釜培训考核的功能，运行界面如图5所示。

图5 软件界面

4 结束语

本仿真培训系统是以反应釜为模型，采用半实物仿真的方法，构建反应釜实物物理模型，实现了培训考核的可操作性。并通过对反应釜模型的分析，实现了反应釜液位、压力和温度的建模，达到了模拟仿真的效果。最后基于VB编程，利用模块化的编程方法实现了软件的运行。本仿真培训系统可以集培训和考核于一体，并给出最终操作步骤得分。在特种设备反应釜考核中具有重要的意义，可应用于特种设备检验研究院等场所。

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