煉油化工仿真實踐教學(xué)設(shè)計與建設(shè)

杜巍　徐建　孟祥?！」w強

[摘 要]煉化企業(yè)對化工專業(yè)人才的工程實踐和工程運行能力要求越來越高，而目前高校的生產(chǎn)實習(xí)環(huán)節(jié)難以滿足上述人才培養(yǎng)的要求。為此中國石油大學(xué)（北京）基于Honeywell先進的ePS（過程知識系統(tǒng)）、DCS控制系統(tǒng)以及UniSim模擬平臺建立了具有極高現(xiàn)場模仿和多裝置仿真功能的煉油化工仿真實踐教學(xué)基地。以該基地為平臺，加強了仿真實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)。在對煉油化工專業(yè)背景理論知識理解的前提下，仿真教學(xué)更加突出其實用性和系統(tǒng)性，增加了仿真訓(xùn)練內(nèi)容的廣度與深度，對化工專業(yè)學(xué)生的工程實踐和運行能力培養(yǎng)提供了強有力的支撐。

[關(guān)鍵詞]仿真 煉油化工 生產(chǎn)實習(xí) 實踐教學(xué)

[中圖分類號] TQ0-4 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）15-0083-03

一、前言

伴隨我國石油煉制和石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，相關(guān)企業(yè)對化工人才的素質(zhì)提出了更高的要求。目前煉化企業(yè)需要化工人才在具備扎實、廣博的專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，擁有良好的工程創(chuàng)新意識和能力，同時具備較強的工程實踐和工程運行能力。因此加強高校的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)大批高素質(zhì)、高水平的化工專業(yè)人才就具有極其重要的意義。中國石油大學(xué)（北京）化工專業(yè)對實踐教學(xué)環(huán)節(jié)極為重視，并進行了積極探索和嘗試。為了提高化工專業(yè)學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力，學(xué)校在多家大型煉油企業(yè)建立了實習(xí)基地，并與燕山石化共建國家級工程實踐教育中心。學(xué)校每年都安排化工專業(yè)學(xué)生到實習(xí)基地進行認識實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)，旨在為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作打下良好的工程基礎(chǔ)。

實習(xí)環(huán)節(jié)在專業(yè)培養(yǎng)中著眼于專業(yè)理論學(xué)習(xí)和實踐應(yīng)用的有機結(jié)合，然而目前仍存在一些問題。比如目前煉化企業(yè)加強了生產(chǎn)安全管理，對進入裝置和操作平臺的時間和區(qū)域均有嚴格限定，學(xué)生在實習(xí)過程中“只能看不能動”。由于缺少實際動手操作環(huán)節(jié)，致使實習(xí)效果不理想。此外，部分學(xué)生還存在著專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力較差、實踐經(jīng)驗缺乏等問題。高校培養(yǎng)高素質(zhì)工程型人才的愿望和企業(yè)對專業(yè)人才的需求促使我們對生產(chǎn)實習(xí)環(huán)節(jié)進行深入探索和實踐。為此中國石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院與信息學(xué)院聯(lián)合建設(shè)了具有與實際流程一致的煉油化工與自動化仿真實踐教學(xué)基地。仿真模型通過工程計算軟件UniSim可有效地模擬實際工程運行情況，并允許學(xué)生在計算機終端進行生產(chǎn)模擬操作，從而為學(xué)生提供了有效的動手實踐機會，與企業(yè)現(xiàn)場實習(xí)形成完整互補，使學(xué)生的實踐學(xué)習(xí)更加直觀有效，全面提高學(xué)生的工程實踐和運行能力。學(xué)生從仿真實踐中積累工程操作經(jīng)驗，掌握工藝過程的原理及動態(tài)特性，可有效縮短畢業(yè)入職的適應(yīng)期。

二、仿真基地設(shè)置及UniSim軟件簡介

煉油化工與自動化仿真實踐教學(xué)基地包含催化裂化工藝裝置半實物仿真系統(tǒng)和煉油化工過程仿真培訓(xùn)系統(tǒng)兩部分。所有仿真模擬培訓(xùn)系統(tǒng)均基于Honeywell先進的ePS（過程知識系統(tǒng)）、DCS控制系統(tǒng)以及UniSim模擬平臺所建立，與目前煉化企業(yè)仿真系統(tǒng)保持一致，學(xué)生在培訓(xùn)過程中能得到充分的鍛煉。煉油化工過程的流程仿真系統(tǒng)由集散控制系統(tǒng)和操作培訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成，其中操作培訓(xùn)系統(tǒng)包括5套UniSim仿真模擬系統(tǒng)和5個標(biāo)準(zhǔn)工藝模型：常減壓蒸餾裝置，連續(xù)重整裝置，柴油加氫裝置，加氫裂化裝置以及催化裂化裝置。每套仿真系統(tǒng)包括1臺仿真模型服務(wù)器（兼模型工程師站），1臺教員站（兼現(xiàn)場站），3臺DCS操作站，1臺DCS接口通訊站和1臺控制模擬站。以上5套標(biāo)準(zhǔn)仿真工藝可在5套仿真模擬系統(tǒng)上任意切換，可任意選擇5套仿真系統(tǒng)同時運行相同或不同的模型。對于催化裂化仿真系統(tǒng)，還包括1套按照某煉油企業(yè)催化裂化裝置同比例縮小簡化的半實物仿真裝置。

UniSim是Honeywell旨在提高加工工廠整個生命周期性能的系列仿真軟件，其中集成了現(xiàn)有最強大的仿真技術(shù)：Hysis模擬軟件、Shadow Plant仿真軟件和OTISS過程仿真器。UniSim包括UniSim Design Suite（設(shè)計套件）、UniSim Operations Suite（操作套件）、UniSim Optimization Suite（優(yōu)化套件）及Dynamic Engineering Studies services（動態(tài)工程研究服務(wù)）四部分。它廣泛應(yīng)用于操作員仿真培訓(xùn)、工藝設(shè)計、計算與分析、開車方案評估、控制策略調(diào)試及APC（Advanced Process Controll，先進控制）實施輔助平臺等。其中UniSim Design過程仿真系統(tǒng)是一種交互式建模工具，可以讓工程師建立工廠設(shè)計、加強性能監(jiān)視、提高處理故障的操作水平、進行業(yè)務(wù)計劃和資產(chǎn)管理等的穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型。軟件包允許用戶離線設(shè)計和測試新的過程，在實施新的過程之前訓(xùn)練員工。軟件包的動態(tài)選項還可以使工廠模型用于評估設(shè)計的收益率、可操作性和安全性、提高現(xiàn)有工廠的全壽命期操作性能。UniSim已廣泛應(yīng)用于探索新裝置開車方案、進行事故分析、優(yōu)化生產(chǎn)方案、改造工藝及自控技術(shù)等。[1] [2]

三、仿真實踐教學(xué)課程設(shè)置

（一）生產(chǎn)流程以及基本控制系統(tǒng)的認識

以常減壓裝置為例，生產(chǎn)中一般根據(jù)不同的原油性質(zhì)和不同的產(chǎn)品要求，考慮不同的加工方案和流程，如汽柴油方案、航煤方案、低凝柴油方案等，以達到石油資源的合理利用和最佳經(jīng)濟效益。在不同的加工流程中含有不同的裝置、設(shè)備和換熱網(wǎng)絡(luò)等，而根據(jù)生產(chǎn)裝置的自動控制按部位的不同又可分為很多種類。[3] 此外在常減壓自動控制中，調(diào)節(jié)初餾塔底液面串級以及改變原油流量實現(xiàn)原油提降量是蒸餾控制的顯著特點。以上工藝流程和自動控制為實習(xí)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，如果學(xué)生對此部分內(nèi)容不能系統(tǒng)理解和掌握，將難以理解理論課程內(nèi)容，也會使后續(xù)的實習(xí)變得困難。學(xué)生在企業(yè)進行現(xiàn)場生產(chǎn)實習(xí)中，往往只重視核心部分，即工藝流程以及幾個最核心的設(shè)備，而對于輔助設(shè)備的重視往往不夠。此外由于學(xué)生尚未學(xué)習(xí)自動化類課程，在現(xiàn)場生產(chǎn)實習(xí)中也易于忽視自控設(shè)備的存在。仿真實踐裝置中采用了與實際生產(chǎn)車間相同的操作界面，全部詳細流程以及自控流程均能同時顯示，學(xué)生可以近距離觀察和操作，可以學(xué)習(xí)在企業(yè)實習(xí)中無法學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

（二）故障診斷與處理

實際生產(chǎn)裝置中可能會出現(xiàn)各種操作異常的情況，如原油帶水、塔頂回流油帶水、風(fēng)機忽然停車、蒸汽噴射器串汽，各種設(shè)備（泵、加熱爐、電脫鹽等）運行注意事項及故障處理。由于目前煉化企業(yè)對安全操作控制非常嚴格，以上事故或異常操作情況較少出現(xiàn)，即便出現(xiàn)，也不允許實習(xí)學(xué)生接近現(xiàn)場觀察。此外在實際生產(chǎn)中，工人根據(jù)操作手冊中介紹的各種故障的處理方法進行操作，往往不關(guān)心設(shè)備與上下游的相互影響，因此對不同故障可能造成的下游產(chǎn)品變化或上游設(shè)備串聯(lián)引起設(shè)備故障等情況難以系統(tǒng)、準(zhǔn)確判斷。在仿真實習(xí)中，可在仿真模型服務(wù)器中人為設(shè)置故障，使裝置運行出現(xiàn)問題，讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)故障的同時也可直接觀測各設(shè)備或產(chǎn)品操作參數(shù)受影響情況，根據(jù)所學(xué)理論知識進一步判斷其在運行或控制質(zhì)量上產(chǎn)生的變化，并通過故障排除進一步鞏固所學(xué)知識，增加工程實踐經(jīng)驗。

（三）生產(chǎn)方案與產(chǎn)品質(zhì)量調(diào)節(jié)

在常減壓蒸餾操作過程中，原油性質(zhì)變化、環(huán)境條件變化、加工量改變、設(shè)備不穩(wěn)等原因會導(dǎo)致生產(chǎn)操作波動，造成油品質(zhì)量偏離指標(biāo)等問題，此時需要及時進行調(diào)節(jié)，消除影響，盡快使操作恢復(fù)正常。此外市場需求的變化可能導(dǎo)致某一產(chǎn)品需求旺盛，此時需要改變各產(chǎn)品的收率和分布來最大限度地提高目標(biāo)產(chǎn)品的收率。對操作的調(diào)整，主要根據(jù)操作影響因素與操作中出現(xiàn)的現(xiàn)象，通過調(diào)整溫度、回流量、側(cè)線抽出、汽提蒸汽以及調(diào)節(jié)塔內(nèi)氣液相分布，使裝置在新的條件下重新實現(xiàn)平穩(wěn)操作，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的合格和目標(biāo)產(chǎn)品收率的提高。在操作中學(xué)生如果沒有實踐操作經(jīng)驗，往往難以判斷產(chǎn)品是否偏離指標(biāo)，而若沒有一定的理論基礎(chǔ)，則無法根據(jù)要求在眾多操作參數(shù)中進行合理調(diào)整。由此可見，該仿真培訓(xùn)能夠有效實現(xiàn)理論與實踐的有機結(jié)合。

原油常減壓蒸餾的一項重要工作是產(chǎn)品質(zhì)量和操作分析與調(diào)節(jié)，使理想組分收率最大，或提高餾分間分離精度，減少餾分重疊。以常減壓某側(cè)線產(chǎn)品頭輕為例，頭輕導(dǎo)致初餾點低、閃點低。說明前一餾分未充分蒸出，不僅影響本側(cè)線油品的質(zhì)量，還影響上一側(cè)線油品的收率。調(diào)節(jié)方法是提高上一側(cè)線油品的抽出量，使向下的液相回流減少，溫度提高，或者加大本側(cè)線油品的汽提量，均可使輕組分含量降低，解決頭輕的問題。若餾分尾重，則表現(xiàn)為本餾分的95%餾出溫度和干點偏高，產(chǎn)品質(zhì)量差，還會影響下一側(cè)線的收率，調(diào)節(jié)辦法是適當(dāng)減少本側(cè)線餾分抽出，增大液相內(nèi)回流，或加大下一側(cè)線抽出。通過仿真訓(xùn)練可使學(xué)生更深入了解常減壓蒸餾產(chǎn)品的特性、質(zhì)量要求以及調(diào)節(jié)控制方法。

（四）開停工處理

裝置的開停工操作是生產(chǎn)過程的重要組成部分，對開停工過程的熟悉可使學(xué)生更加深入理解裝置運行的基本原理和概念，熟悉工業(yè)裝置的運行要求，從而為日后在企業(yè)工作打下良好的基礎(chǔ)。但由于仿真模擬的限制，實際開停工過程中有部分項目無法實現(xiàn)。以常減壓開工過程為例，實際開工過程中前期的基本準(zhǔn)備工作、開工前各種設(shè)備與管道檢查、單機試運轉(zhuǎn)、工藝流程貫通試壓、抽真空試驗、柴油沖洗等過程均無法進行仿真模擬，因此該部分內(nèi)容應(yīng)當(dāng)單獨列出并向?qū)W生說明其詳細步驟以及原理、原則或原因等。而可實現(xiàn)的開工過程則可分為柴油置換、建立循環(huán)、升溫循環(huán)、恒溫脫水、升溫切換原油、減壓抽空開側(cè)線以及最后的調(diào)整階段等，其中各側(cè)線及中段循環(huán)需遵循從上至下的原則，最終進入正常生產(chǎn)操作調(diào)節(jié)。

四、課程優(yōu)勢及結(jié)語

針對目前高校學(xué)生企業(yè)實習(xí)與企業(yè)生產(chǎn)結(jié)合不緊密的現(xiàn)狀，中國石油大學(xué)（北京）加強了工程實踐環(huán)節(jié)的課程建設(shè)，其中仿真培訓(xùn)已經(jīng)成為學(xué)生學(xué)習(xí)的重要手段。通過仿真培訓(xùn)，可大大加強學(xué)生的工程實踐和運行能力，并進一步加深學(xué)生對理論知識的掌握和認知程度。

仿真課程的內(nèi)容以專業(yè)背景理論知識為基礎(chǔ)，強調(diào)其實用性和系統(tǒng)性，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)的廣度與深度。仿真課程還可調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，啟發(fā)學(xué)生思考問題的解決方法，促使學(xué)生綜合運用所學(xué)的理論知識，將理論與實踐結(jié)合起來，融會貫通。在企業(yè)實習(xí)中，因各種限制使得學(xué)生的實習(xí)效果不佳，但在仿真學(xué)習(xí)過程中，由于其具有極強的可視性和可操作性，學(xué)生可直接操作虛擬裝置，感受生產(chǎn)操作過程。仿真培訓(xùn)可使學(xué)生在綜合運用專業(yè)知識的基礎(chǔ)上進行動態(tài)的分析和操作，學(xué)習(xí)環(huán)境更加接近生產(chǎn)實際，更加面向工程應(yīng)用。

中國石油大學(xué)（北京）建立的煉油化工與自動化仿真實踐教學(xué)基地具有極高的現(xiàn)場模仿性，操作畫面及手段、報警系統(tǒng)等均與現(xiàn)場一致，并具有多裝置仿真能力。仿真基地容量較大，為化工相關(guān)專業(yè)學(xué)生的技能培訓(xùn)提供了強有力的支撐，在專業(yè)課程建設(shè)和學(xué)生培養(yǎng)過程中發(fā)揮了重要作用。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 郭曉宏.霍尼維爾UniSim仿真系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].化工設(shè)計通訊，2012（4）：30-32.

[2] 郭宏遠，左信，羅雄麟，曲德偉.基于UniSim的催化裂化分餾塔的模擬與優(yōu)化[J].化學(xué)工程與裝備，2008（3）：1-6.

[3] 唐夢海，胡兆靈.原油蒸餾[M].北京：中國石化出版社，2007.

[4] 董銳，何建玲.綠色化學(xué)理念在有機化學(xué)及實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)教育，2013（23）：90.

[責(zé)任編輯：覃侶冰]