液化天然气工厂操作仿真系统的开发

胡德栋，孙子贻

(青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266100)

随着我国经济的快速发展，人们的生活水平得到了大幅度的提高，而对各种能源的需求量也随之上升。目前，地球上的不可再生资源都处于急剧减少的紧缺状态，如何对这些不可再生能源进行更好的开采和合理的利用是目前整个世界都极为关注的一件事。天然气作为目前矿藏资源最为丰富的全球不可再生资源之一，不仅储藏量大且使用过程中产生的污染较小，是我国使用较为普遍的一种能源[1]。

目前，我国居民对天然气的使用率极高，不仅日常生活中会使用到天然气，以天然气为能源的交通工具如今也成为了人们生活的重要组成部分。而我国对于天然气的极大需求量，也使得对天然气工厂的液化工艺提出了更高的要求，只有对天然气液化工厂的工艺安全设计进行不断提升，才能满足我国人民对天然气的大量需求且保障天然气的使用安全性，同时使天然气在使用过程中更为洁净，带来更少的污染[2]。而天然气的液化工艺安全设计研究不仅仅是人民群众所极为关注的一件事，天然气液化工艺的提升也可以为天然气液化工厂创造更大的利润，促进我国经济的发展。

由于液化天然气工厂的操作过程复杂，对员工素质要求较高，具有合格上岗资质的员工相对稀少，为了满足日益增多的液化天然气工厂用工需求，现在迫切需要培养大批具有高素质的液化天然气工厂员工，而借助液化天然气工厂仿真系统进行培训是一种有效途径。因此开发本系统不仅对员工培训有价值，还对促进我国液化天然气工厂快速发展具有深远意义[3-4]。

1 系统开发技术路线

液化天然气工厂操作仿真系统，可对液化天然气工厂日常运行工况进行模拟。根据实际生产中液化天然气工厂系统主要将液化天然气工厂日常运行工况分为天然气净化、天然气液化、储存与运输、BOG回收四个模块，在每个模块当中基于实际生产中的压力、温度、质量流量、组分等工艺参数建立数学模型，进行操作仿真[5]。软件开发技术路线如图1所示。

图1 软件开发技术路线

2 系统框图构建

图2 仿真系统框架

液化天然气工厂操作仿真系统由基础知识模拟仿真作两个部分构成。基础知识部分包括工艺流程、操作演示、设备简介等内容，对液化天然气工厂主要设备的操作步骤以及注意事项进行详细介绍，此外对液化天然气工厂的工艺流程进行分部展示以及理论知识讲解，使学员快速掌握液化天然气工厂操作流程。模拟仿真部分将液化天然气工厂日常运行工况详细分为天然气净化、天然气液化、储存与运输、BOG回收四个模块，由学员动手操作，操作过程中，学员可查看本次操作状态下的参数变化以及历史数据趋势记录，同时，操作考核系统对学员的操作打分，从而判断学员是否已经掌握液化天然气工厂的工艺流程。仿真系统框架如图2所示。

3 系统开发

3.1 创建界面

打开软件进入主界面，上面显示有基础知识与模拟仿真两大模块，基础知识模块包括流程界面(见图3(a))、参数列表、历史数据趋势记录、设备简介(见图3(b))四个部分。在每个模拟系统里面有天然气净化、天然气液化、储存与运输、BOG回收四个部分的详细工艺介绍及工艺模拟流程。

图3 基础知识子界面

在流程界面中选择相应的工艺，即可进入液化天然气工厂操作界面，界面中详细展示了不用工艺下的具体工艺流程，点击对应编号即可对相应阀门、管线、泵和压缩机发出开车/停车指令，系统自动对阀门的开关、泵和压缩机的启动/关闭等进行仿真模拟。天然气液化工厂的生产过程中，因天然气自身的基本特性和生产过程的操作需要，往往会带来很多的危险因素[6]。因此，在对天然气液化工厂的生产进行模拟设计的过程中，尤其是在对设备进行设计校核时，充分考虑承受装置异常时可能产生的极端温度或压力情况，结合其危险指数针对异常工况进行紧急停车系统的设计。此外对储罐的液位、温度、压力，泵的流量等进行监控。

模拟仿真模块包括考核模块(见图4(a))、参数列表、历史数据趋势记录、成绩查询(见图4(b))四个部分。在考核界面中，学院需要对每项阀门的开关、泵和压缩机的启动/关闭等进行仿真操作，操作考核系统对学员的每次操作打分，成绩查询界面会显示针对每一部分(如氮气吹扫、溶剂循环、天然气、停车)的具体分值，从而判断学员是否已经掌握液化天然气工厂的工艺流程[7]。

图4 模拟仿真子界面

表1 各步操作分类标识表

为了考核学员是否已经掌握操作技能，本仿真系统开发了操作考核系统。该系统由标准库和控制系统组成。标准库用于存放各个评估标准，控制系统用于规定产生式规则和匹配方法。根据学员的操作对其各步进行识别，采用正向推理策略将学员的得分计入评价系统中，如表1所示。整个评估过程按操作工况分成不同的子集，考生选中一个工况后，就选择了相对应的子集，运算只在这一子集下进行。根据考生的操作，正确完成一个操作总分加一分，执行一个错误操作将扣一分，不操作不得分，最后将分数汇总得出考核总分[8-11]。

3.2 数学建模

图5 数学建模流程图

为了更好的结合液化天然气工厂实际生产过程，本仿真系统对储罐的液位、温度、压力建立数学模型，根据在满足控制要求的情况下，选用单回路反馈控制系统，单回路反馈控制系统由四个基本环节组成，即被控对象(简称对象)或被控过程(简称对象)、测量变送装置、控制器和控制阀。以储罐的液位为例，数学建模流程如图5所示。

3.3 数据库开发

为了让所绘制的静态图拥有动态效果，需要将图上所示各个管路以及阀门等进行定义和关联。首先给其命名，并选择其默认的颜色和开关时的显示方式。其次，应在数据库组态中建立数字点和模拟点，成为每一条管路和阀门的控制量。之后，将管路阀门等控件与已经定义好的数字点模拟点相连接。以此方式完成对所有管路阀门各个设备的基本控制。并设置各管路的流动属性。数据库组态设置如图6所示。

图6 数据库组态设置

3.4 报表输出

液化天然气工厂操作仿真系统可对每项工况模拟状态下的数据进行保留并形成报表，操作人员可根据需要随时查看参数列表(见图7(a))，为方便操作人员更好观察各项数据实时变化趋势，本系统开发了更为直观的历史数据趋势记录表(见图7(b))。

图7 报表输出记录

4 仿真系统的功能

本仿真系统具备以下3项功能：

1)操作仿真系统可实现液化天然气工厂中天然气净化、天然气液化、储存与运输、BOG回收的实际生产工艺模拟开/停车工况模拟，此外仿真系统也可以实现在液化天然气工厂在实际生产过程中可能遇到的各种紧急工况的模拟。

2)操作考核系统可以对学员的每次操作打分，最终得分可作为评估的依据，判断学员是否已经掌握液化天然气工厂的工艺流程[12-13]。

3)设备管理系统既可以对设备进行有效管理，又可以用来对学员讲解设备的基本信息、工作原理、操作规程，让学员熟练操作设备。

5 结论

本文开发设计了一套用于培训液化天然气工厂员工的操作仿真系统，学员能够亲手操作，模拟液化天然气工厂的大部分工况。仿真系统结合基础知识和模拟仿真两个部分，功能齐全，使用方便，可节省大量人力、物力和财力，本系统采用实际生产与虚拟仿真相结合的方式，具有专业性强、节约培训成本、安全性高、培训效率高等优点。