新型煤气化制甲醇实训仿真工厂设计

第49卷第6期石油化工自动化Vol. 49, No. 62013年12月.AUTOMATION IN PETRO-CHEMICAL INDUSTRYDecember, 2013新型煤气化制甲醇实训仿真工厂设计王和' ,侯平智?,吴锋2(1.新疆独山子克拉玛依职业技术学院,新疆克拉玛依833600;2.杭州电子科技大学自动化学院,杭州310018)摘要:为了满足煤化工企业及职业院校培养学员的实践能力及职业能力需求,在全数字仿真系统的基础上设计了基于半实物仿真技术的600 kt/a新型煤气化制甲醇实训仿真工厂。该仿真工厂由新型煤气化制甲醇流程工艺实训系统.仿真培训(OTS)软件系统和DCS中控室系统三大部分组成，每个部分又可分为若干子系统,在功能上能进行开停车、正常工况等操作。该仿真厂对现代煤化I工艺过程、动态操作、自动化检测传感执行装置及DCS进行仿真模拟,具有节能、环保和本质安全的优点,已成功用于石化企业及院校操作技能培训与技能考核。关键词:仿真工厂煤化工实训仿真中图分类号: TP391. 9文献标志码: A文章编号: 1007 - 7324(2013)06-0029-03Design of Training Simulation Factory of New Type Coal Gasification MethanolWang He'，Hou Pingzhi? , Wu Feng2(1. Karamay Vocational & Technical College, Karamay, 833600, China;2. College of Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou, 310018, China)Abstract: To meet the need of practical ability and occupational competence for coal chemicalenterprise and occupation college， the new type of training simulation factory of coalgasification methanol based on hybrid simulation technology is developed with all digitalsimulation system. The simulation factory in the overall structure consists of three mainsystems of new type of coal gasification methanol process operation system, simulation training(OTS) software system and DCS central control system, and each system can be divided intoseveral sub-systems. It can simulate the shutdown, start-up and normal operation in function.Simulation analysis is given based on the case of factory training. It can be used to simulate theprocess, dynamic operation, sensing and executive device and DCS for modern coal chemicalenterprise with the advantages of energy saving， environmental protection and entitativesafety. It has been used for skills training and assessment in petro chemical enterprises andinstitutions.Key words: simulation factory; coal chemical industry; training simulation煤化工行业在中国国民经济中的地位是非常化工生产装置的日益大型化、复杂化,安全问题日益重要的,其工艺设备逐渐大型化,自动控制水平也突出;实训内容与实训手段难以满足实际需要[37]。越来越高,对生产运行人员的操作能力与水平有了为了促进国内煤化工行业职业教育的发展，由更高的要求。但由于生产装置必须保证安全、稳内蒙古化工职业学院等多家单位的教学科技人员定、长周期、优化运行,在实际生产过程中不可能依合作,以“校中厂”实训基地的理念为设计指导思靠实际生产装置来提高和培训运行人员的操作技想[89],以国内第- - 条投产运行的“咸阳化学工业公能。发达国家的经验表明,运用仿真工厂进行煤化司德士古气化炉工艺的单线600 kt/a新型煤气化工技能培训是最有效的方法之一_Cr2] 。制甲醇实际工厂”为参照[1013] ,研究、设计并实现了从小型冷模装置、缩小型流程生产装置、半实中国煤化工，物仿真装置,逐渐发展到目前的煤化工仿真工厂，稿件收到日期:213-09- 18。主要是由目前的煤气化制甲醇实训操作所面临的现作者简介:王和(1;MYHCN M H G于新疆独山子克状决定的:装置体积庞大、造价昂贵,难以进课堂;煤拉玛依职业技术学院,研究方向为石油化工及应用，任院长。3石油化工自动化第49卷新型煤气化制甲醇实训仿真工厂。正常运行、正常停车、紧急停车、设备维护等方面的1设计思路技能操作训练和工艺指标控制操作技能训练;还能新型煤气化制甲醇实训仿真工厂需要将职业通过安全手段设置各类故障,使学员能够处理各类技能培训与鉴定相结合,实训装置的硬件与技能训紧急状况,进行生产过程操作、分析,排除工业生产练仿真软件相结合,对现代煤化工工艺过程、动态过程故障。操作、自动检测传感装置及DCS进行仿真模拟。仿真工厂的流程仿真软件按照工业现场设备为此，在真实体现实际工厂工艺流程的基础和流程进行模拟仿真,同时对重点设备的内部结上,省略工业流程中的- -些辅助工序、辅助设备,同构、工作原理深人地剖析。通过机理建模建立“虛时对重要工序.重要设备进行了强化,以加深学生.拟工厂”,可自上而下地实现对工厂过程和控制逻对煤制甲醇工业化装置的了解。将工业装置中大辑的动态模拟。仿真软件的动态模型真实地再现型设备如塔器、反应器、储槽、换热器、输送设备等了实际工业流程状态和行为,实时准确地模拟工艺在保持原设备的结构特点下按一定比例缩小,通过现场,模拟真实故障。连接真实管路、手动阀门、控制阀门及压力、流量、2 煤化工仿真工厂 总体结构设计温度、物位、功率、成分和阀位测控传感器等,组成基于上述思路,该煤气化制甲醇实训仿真工厂煤制甲醇全流程装置。总体结构由三大部分组成:流程工艺实训操作系该仿真工厂能模拟工业生产的真实环境,能进统、仿真培训软件系统(OTS)和DCS中控室系统，行煤气化制甲醇生产工艺的冷态开车、热态开车、如图1所示。中控室教师站工程师站学员站.DCSQ如工业以太网DCS系统网I、 OPC协议Omni仿真系统培训系统接口机DCS控制站Omni协议团_标准电信号电气柜工艺流程实训实操系统仿真服务器场景组态站全■m自■用气化工段净化工段图1煤气化制 甲醇实训仿真工厂总体结构流程工艺实训操作系统模拟工业生产的真实3煤化工仿真工厂 的组成与功能设计环境，由若干工段组成:煤浆制备工段、气化工段、3.1 组成设计变换工段、净化工段、甲醇合成工段、甲醇精馏工煤化工仿真工厂区别于传统实训装置,装置规段硫回收工段。模大、设备管路呈三维空间分布。根据系统结构设OTS按照工业现场设备和流程进行模拟仿真，计要求,煤化工仿真工厂的结构如图2所示。同时对重点设备的内部结构、工作原理进行深人地3.2 功能设计剖析;另外还能依靠组分数据库、热力学模块、设备煤化工仿真工厂的功能设计能够体现煤气化模型库,为操作员培训提供精确而可靠的动态模拟。中国煤化土;满足工艺操DCS中控室系统为仿真控制中心,由现场控作训练要求YHCNMH够安全、长周.制站.工程师站上位监控系统、视频监控及大屏幕期运行,满足正业力虹制迁头保F头习要求;主体系统仿真培训软件模型机系统组成。设备关键部件内部结构可视,便于学生对设备内部第6期王和等. 新型煤气化制甲醇实训仿真工厂设计结构的了解;能进行开停车操作、正常工况操作、事1)既能使学员了解和掌握正常工况下各个相故处理操作等。检测控制工艺参数同煤制甲醇系关流程的操作和维护,能进行新型煤气化制甲醇化统工艺参数-致,并可同仿真系统互动联系,体现工工艺的冷热开车、热态开车、正常运行、正常停真实工艺流程运行参数。车、紧急停车、设备维护等方面的技能操作训练,工艺指标控制操作技能训练;又能通过安全手段设置H主框架系统多元气化灰水工艺对象多元耐硫变换各类故障，使学员能够处理各类紧急状况，进行生多元低温甲醇洗产过程操作、分析,排除工业生产过程故障。f检测执行系统多元甲醇合成及多元精馏2)仿真软件系统按照工业现场设备、流程、重点设备的内部结构和工作原理进行模拟仿真。仿H标准件及管/板材系统t料浆原料输送真软件的动态模型真实地再现实际工业流程状态动力系统{ 料浆制备和行为,实时准确地模拟工艺现场,模拟真实故障。动态模拟展板H真空闪蒸3)仿真软件系统动态过程模拟软件依靠组分A全局布置动态l 黑水处理数据库、热力学模块、设备模型库,为操作员培训系t硫回收处理统提供精确而可靠的动态模拟,建立了基于严格机一DCS中控室现场控制站理的模拟器组件模型,并对其动态精度进行了实时H工位计算机控制盘台优化。电气仪表控制l仿真培训软件4)仿真软件系统通过模拟测控系统、DCS和-仿真培训软件H模型机系统数学模型,使装置与仿真软件联合成一体,创造性H离线仿真培训软件地将企业的真实生产工艺装置操作和OTS仿真软图2仿真工厂 的结构示意件及DCS模拟环境进行全流程的互动，将真实工该仿真工厂所拥有的煤制甲醇二甲醚冷态模厂的操作培训引人学校,建立了教、学、做、考四位拟培训既具备离线仿真培训功能,也具备在线仿真- -体的校中工厂“。培训功能。学员可以脱离工艺流程实训操作系统5)替代传统纯仿真实训，实现了技能实践、认进行离线仿真培训，也可基于工艺流程实训操作系识实习.生产实习、毕业实训及岗前模拟训练,促进统进行在线仿真实训。当学员进行离线仿真培训了国内工程实践职业教育发展,使得企业员工职业时,系统数据仅在学员站和OTS间传递。OTS服技能提高。务器基于OPC通信协议接收学员站操作指令并进5结束语行动态模型计算,同时将运算结果传递给学员站的该新型煤气化制甲醇仿真工厂已在内蒙古化.监控画面加以显示。当学员进行在线仿真培训时，工职业学院投入使用。在实训过程中,现场操作的系统数据在学员站,OTS,DCS,I艺流程实训操作视觉、触觉、听觉感受与实际装置接近;学员对仿真工厂系统给予了很高的评价。系统间传递。来自学员站的控制指令,通过DCS工程师站参考文献:传递给DCS控制站并转换成标准信号控制相应执[1] 夏迎春，昊重光,张贝克，等现代化工仿真训练工厂U].系统仿真学报,2010,22(02): 370-375.行机构动作,同时执行机构的反馈信号通过DCS[2] 李培,尹兆明.新型实训技术一- - 仿真工厂[J]广东化工，传递给OTS以便进行动态模型运算。来自就地电2010.3711); 92-93.气仪表控制柜的控制操作,经转换成标准信号后控[3]李琼玖， 杜世权,廖宗富,等.煤制油与煤气化制甲醇技术的比较与选择[J].中外能源,2009,14(07): 26 -29.制相应执行机构动作,同时执行机构的反馈信号通[4]程治方.我国煤化工技术及相关装备产业化状况及发展前过DCS传递给OTS以便进行动态模型运算。来景综述[J].石油和化工设备,2009(05): 4-9.自就地手动的控制操作,经执行机构的反馈信号通5]胡孝贵.谢素雯,罗六保,等.关于化工仿真与实际操作结合过DCS传递给OTS以便进行动态模型运算。的实训模式研究[J].职业教育研究,2009(05): 107- 108.OTS的运算结果,一方面通过OPC协议在学员站[6] JR s, RIBEIRO A, RIBEIROC, et al. The Use of VirtualReality for Simulation and Training of Bovine Artificial加以显示,另--方面又通过DCS转变成标准信号Inseminati中国煤化工ocedinges of the在就地数字或模拟仪表中加以显示。2012 14t:MHCN M H Gmented Relity.4煤化工仿真工厂特点Washington DC: IEE. Computer soclety, 2012.新型煤气化制甲醇实训仿真工厂具有下列特点:(下转第34页)34石油化工自动化第49卷80 [厂的生产装置,或者同一台设备随着季节变化,或7060~RBF者设备折旧等因素,往往使影响产品的参数不同,不S s0{同研究人员建立的模型结构也不同，因而合理选择k 40神经网络结构和神经网络算法是成功建模的关键。302(3线束语10Error运用软测量的原理结合神经网络方法,建立芳0102030405060708(潜含量的模型,使得原本要通过复杂难以直接测量样本数的组分参数,转为测量容易获得的辅助参数来计算图2训练数据仿真结果芳潜含量值,并利用模型实现对重石脑油芳潜含量在图2中,T为芳潜含量的实际值;RBF为神的预测。通过RBF的训练方法的研究可以看出，经网络模型通过训练网络输人数据得到的仿真结RBF网络由于在结构上具有输出-权值线性关系，果;Error为芳潜含量的实际值和仿真值的差值。训练方法快而简单,是- -种性能良好的网络。由图2中可以看出,T和RBF两条线重合度较大，参考文献:[ 1]马文忠,郭江艳，王艳丽,等.基于BP神经网络的联合站燃说明网络的训练效果很好，且RBF网络的训练速烧系统软测量模型的研究[C]//2011中国电工技术学会学度较快,模型输出和样本的输出数据差距很小，满术年会论文集.中国电工技术学会,2011.足设定的误差要求。因此,此模型可以用来预测芳[2] HE Chan, MA Changfeng. A Smoothing Self- adaptive潜含量的值。利用训练好的模型对芳潜含量进行Levenberg -marqurdt Algorithm for Solving System of预测,预测数据仿真结果如图3所示。Nonlinear Inequalities [J ]. Applied Mathematics ancComputation, 2010,21(06): 3056 - 3063.RBF[3] 许东,吴铮.基于Matlab6. x的系统分析与设计一 神经网络[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2002: 24-25.0↓50|[4] 王恩博,彭亦功.软测量建模若干方法研究[C]//中国仪器40|仪表学会2007学术年会智能检测控制技术及仪表装置发生3展研讨会论文集.中国仪器仪表学会.2007.20[5]傅 荟璇，赵红. Matlab神经网络应用设计[M].北京:机械0|工业出版社.2010: 103- 104.0510152025303540455055[6]刘文霞.石脑油品质对芳烃装置经济效益影响及对策[J].当代石油石化，2010(08): 32-34.图3预测数据仿真结果[7] 吴春辉.浮法玻璃热端生产过程控制系统设计及关键参数软测量[D].上海:华东理工大学,2010.在图3中,Tru为芳潜含量的实际值;RBF为[8] SJIOBERG J. LJUNG L. Overtraining. Regulaization and预测值,根据图3可以看出,模型的预测效果较好，Searching for a Minimum， with Application to Neural能够在指定的误差范围内预测芳潜含量的值,达到Network [J]. Intermational Journal of Control, 1995, 62(06): 1391- 1407.了期望的预测结果。[9]王恺， 杨巨峰,王立,等.人工神经网络泛化问题研究综述笔者成功建立起来的模型要进行定时校正,即在[J].计算机应用研究,2008,25(12): 3525 - 3533.运用-段时间后要用新的数据进行建模，以适应新模[10] 沈雁鸣， 粗汽油干点软测量研究[D].上海:华东理工大型在新环境下能准确地预测芳潜含量。对于不同化学,1998.(上接第31页)[7] YAG K. 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