LPG储配站虚拟仿真实验开发及应用

朱静，唐建峰，覃杨，赵亮，徐春雯

（1.中国石油大学（华东） 储运与建筑工程学院，山东 青岛；2.北京东方仿真软件技术有限公司，北京）

一 引言

液化石油气（liquefied petroleum gas， LPG）作为重要的城市燃气气源，其需求和消费量在国内持续稳步增长[1-3]。LPG的开发利用对改善城市生态环境、优化能源消费价格、促进节能减排具有十分重要的意义[4-5]。LPG储配站是城市燃气供应系统的重要组成部分，站场内设备众多、工艺复杂，仅依靠课堂教学效果不佳，且LPG本身为易燃易爆危险气体，因此不可能在实验室内建设一套完整的LPG储配站实验实训系统；而现场实习由于安全因素，学生又无法动手操作。

虚拟仿真是时代发展的产物，随着计算机、虚拟仿真、互联网+等技术的发展而产生[6-7]。虚拟仿真实验教学带来众多好处，学生可以不受时空限制开展线上实验，节约实验成本等[8-10]。近几年来，国家和省市教育主管部门都把发展虚拟仿真作为一项提升高校教学质量的重要举措来抓，并出台了虚拟仿真实验教学示范中心、虚拟仿真实验教学项目等多项政策，受到了各高校的重视[8]。鉴于以上原因，依托青岛市虚拟现实技术（BIM）工程研究中心，联合北京东方仿真软件技术有限公司，进行了LPG储配站虚拟仿真实验项目的开发，并将其应用到课程教学中，取得了良好的教学效果。

二 教学设计

LPG储配站是城市燃气供应的重要教学内容，站内工艺管线众多，包括气相管线、液相管线、残液管线、回流管线、消防管线等；设备众多，包括各类启闭阀门、安全阀门、槽车、储罐、烃泵、压缩机、灌装转盘等；流程众多，包括卸车、倒罐、灌装、倒残等9项工艺；工况或方法众多，例如钢瓶灌装可采用烃泵灌装、压缩机灌装、烃泵-压缩机联合灌装，不同灌装方法能耗不同、时耗不同、水力工况不同。根据教学大纲的要求，通过教学学生应具备以下知识和能力：（1）掌握LPG储配站内包括阀门、储罐、灌装转盘、烃泵、压缩机等主要设备的功能、结构、操作方法等；（2）掌握LPG储配站内包括卸车、倒罐、灌装、倒残等9项工艺流程；（3）通过运行中储罐及管道工况参数的数据监测，分析不同工况的特点及不同方案的优缺点和适用条件，培养学生分析问题的能力。

针对该部分教学内容的特点，采用沉浸式、交互式的实验教学方法，使学生由被动听变为主动学、动手做，将教学变成学生体验式的学习方式。学生通过理论及认知学习、模拟操作、数据监测、方案讨论、现场考核的方式，层层递进，达到掌握知识、培养能力的学习目的。

三 LPG储配站虚拟仿真实验开发

LPG储配站虚拟仿真实验系统的开发以PISP平台为开发工具，PISP仿真支撑平台是基于Windows系统PC机的动态仿真软件，即工业过程仿真平台(Process Industry Simulation Platform)。平台分为算法库管理系统、图形化建模系统、仿DCS组态系统、操作评定组态系统四部分。在系统开发过程中，以国内某LPG储配站实际生产为原型，以站场内工艺流程及相关设备为基础，以严格的动态数学模型为依据，系统总体构架图如图1所示。依照教学设计，学生利用该系统依次进行理论及认知学习、思考题测试、工艺流程实景操作、运行数据测试记录等。教师站管理系统通过网络连接对运行中的仿真培训学员站进行管理，具有控制培训项目的选择、开始，授权设置学员站的操作、监测、统计、打印学员操作成绩等功能。

图1 LPG储配站虚拟仿真系统总体构架图

四 LPG储配站虚拟仿真实验功能

LPG储配站工艺复杂，包括卸车、倒罐、灌装、倒残等9项工艺，下面以最典型的钢瓶灌装为例，说明实验过程。

开启虚拟仿真实验系统，选择进入钢瓶灌装工艺单元仿真实验界面，如图2所示。仿真实验界面包括5部分：主界面、功能模块、操作质量评分系统、工具栏、初始参数设置。其中主界面实景展示钢瓶灌装的管路连接及相关的储罐、烃泵、压缩机、灌装转盘、阀门等设备；功能模块位于界面的左下角，包括“小瓶灌装”“DCS”“知识点”及“思考题”；操作质量评分系统在操作过程中同时给出评分；工具栏位于界面的右上角，包括工艺、画面、工具、帮助及硬件故障修复5项工具。

（一） “知识点”功能模块

点击如图2所示操作界面下方的“知识点”选项，进入如图3所示的“知识点”模块操作界面。该模块学习内容丰富，包含设备知识点学习（举例：如图4为球罐知识点学习界面）、动画演示工作原理（举例：如图5为安全阀工作原理动画演示）、现场图片、实际操作视频等内容。整个仿真实验系统共包含知识点学习30项，动画演示45项，实际操作视频20项，分布于9个工艺单元中。学生点击相应知识点图标后，通过文本、图片、动画演示、实际操作视频等形式的直观展示，掌握站场内各种阀门设备的功能、结构、作用过程及设计参数等。

图3 知识点模块操作界面

图4 球罐知识点学习界面图

图5 安全阀工作原理动画演示

（二） “思考题”功能模块

学生在完成“知识点”界面的学习后，点击如图2所示操作界面下方的“思考题”选项，进入“思考题”操作界面。通过思考题考查学生理论知识的掌握程度，并由评分系统自动进行“思考题”的成绩评定。

（三） “DCS”功能模块

点击如图2所示操作界面下方的“DCS”选项，进入如图6所示的“DCS”模块操作界面。可让学生清晰认识该工艺流程，掌握工艺操作及控制参数。

图2 钢瓶灌装工艺单元仿真实验界面

图6 DCS模块操作界面

（四） “小瓶灌装”功能模块

点击“小瓶灌装”选项，返回如图2所示的钢瓶灌装仿真操作界面。在此界面中，各种阀门、设备具备开关功能，实现随意的生产过程实景操作，流程正确打通后各种运行参数实时显示，可让学生感受到真实的现场生产调控场景。

学生首先需要根据灌装原理在复杂的管路系统中确定需开启的阀门、设备及其开启顺序；其次，正确开启阀门、压缩机、烃泵、灌装转盘等设备，打通流程；如图7为阀门开启界面，图8为压缩机操作界面。设置灌装瓶数，打开灌装转盘前阀门开始灌装。流程中以箭头显示流体的实际流动方向，实际灌装瓶数达到要求瓶数，灌装结束。灌装过程中，利用动态数学模型实时模拟管道的水力工况，操作界面实时显示储罐压力及液位、管路压力、灌装瓶数等参数变化，如图9、图10所示；亦可通过点击左上角工具栏中的变量监视查看流程中的数值变化情况。

图7 阀门开启界面

图8 压缩机局部操作图

图10 灌装瓶数实时显示

五 LPG储配站虚拟仿真实验在教学中的应用

学生通过账号登录虚拟仿真实验系统，在系统内进行以下学习过程：①进行知识点模块的认知学习，掌握LPG储配站工艺原理、管线系统、设备原理结构等，并完成思考题；②在掌握工艺原理的基础上，分析工艺流程，完成各流程的仿真操作；③根据流程打通后的数据监测，分析储罐及管道工况变化。通过对不同工况、不同方案下的数据对比，分析不同工况的特点及不同方案的优缺点和适用条件。

实验系统设置实时在线综合评测系统，通过“思考题测试”“操作质量评分系统”及“成绩爬升图”对学生的理论学习和实验操作进行有效评价，让学生准确了解学习进度，并进行有效的提高，最终达到教学大纲所要求的各项知识和能力。

教师端具有控制实验项目的选择及授权，监测学生在线学习时间、实际操作情况，管理学生成绩等功能。

该实验项目的实施可深化学生对于LPG储配站工艺流程和生产过程的理解，拓宽学生工程实践技能，培养学生自主学习及工程实践能力。