壓縮機組動態(tài)仿真系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

方群偉，孟憲虎

(1． 中國石化股份有限公司 武漢分公司，武漢 430082；2． 北京康吉森自動化設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100100)

壓縮機組動態(tài)仿真系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

方群偉1，孟憲虎2

(1． 中國石化股份有限公司 武漢分公司，武漢 430082；2． 北京康吉森自動化設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100100)

針對煉化企業(yè)生產(chǎn)裝置中大壓縮機組的安全高效運行問題，根據(jù)現(xiàn)場實際需要，開發(fā)了機組動態(tài)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)ITCC-OTS，介紹了ITCC-OTS系統(tǒng)的構(gòu)成，技術(shù)特點和功能，并完成催化、加氫裂化等裝置大機組定制版的ITCC-OTS系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用，滿足了操作人員大機組操作培訓(xùn)需要，同時用于車間技術(shù)人員和儀表人員模擬故障仿真需要。

大機組動態(tài)仿真 操作人員仿真培訓(xùn)系統(tǒng) 操作培訓(xùn)

煉化企業(yè)大機組的穩(wěn)定運行是整個裝置平穩(wěn)運行的核心，操作人員熟練掌握機組操作，應(yīng)對突發(fā)故障，是機組安全高效運行的關(guān)鍵。中國石化股份有限公司武漢分公司生產(chǎn)裝置已實現(xiàn)長周期生產(chǎn)，大機組連續(xù)運行4a，但該公司沒有針對大機組操作的培訓(xùn)系統(tǒng)，操作人員無法在運行中的ITCC系統(tǒng)中進(jìn)行培訓(xùn)，無法對機組開停機、異常故障處理進(jìn)行有針對性的培訓(xùn)，需要開發(fā)出與實際控制程序相連接的大機組仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，滿足公司對操作人員大機組操作培訓(xùn)的需要，特別是對新進(jìn)廠員工和其他崗位人員操作機組的培訓(xùn)需要，同時也用于車間技術(shù)人員和儀表人員模擬故障仿真處理。

1 系統(tǒng)開發(fā)簡介

1.1 系統(tǒng)開發(fā)情況

根據(jù)機組實際需求，開發(fā)設(shè)計出以下3種不同的仿真系統(tǒng)：

1)ITCC-OTS模擬出壓縮機現(xiàn)場的主要設(shè)備和控制系統(tǒng)涉及的現(xiàn)場設(shè)備。實現(xiàn)控制程序的仿真運行；模擬機組開車過程，練習(xí)機組運行操作；ITCC控制程序組態(tài)驗證。

2)ITCC-OTS加精確壓縮機模型按照流程圖模擬出壓縮機現(xiàn)場設(shè)備，根據(jù)壓縮機實際運行數(shù)據(jù)修正模型，模擬現(xiàn)場設(shè)備的操作。實現(xiàn)控制程序仿真運行，驗證控制程序；壓縮機運行參數(shù)變化的工藝仿真，壓縮機故障分析，機組操作規(guī)程的仿真練習(xí)。

3)ITCC-OTS加精確壓縮機模型加關(guān)聯(lián)工藝仿真，模擬出高精度的壓縮機仿真模型和與壓縮機相關(guān)的上下游工藝模擬，模擬現(xiàn)場設(shè)備的操作，模擬壓縮機在工藝中的作用。實現(xiàn)控制程序的運行仿真和完成壓縮機控制的工藝仿真。這種仿真系統(tǒng)適用于用戶不同需求，也可用于操作人員的規(guī)范操作培訓(xùn)；儀表維護人員的組態(tài)培訓(xùn)和儀表故障的模擬培訓(xùn)；供工藝工程師使用的壓縮機運行參數(shù)模擬驗證。

其中ITCC-OTS模型庫iSIM平臺基于嚴(yán)格的過程機理模型，收錄1000多種物性參數(shù)，利用化工熱力學(xué)和動力學(xué)原理聯(lián)立求解，適應(yīng)于各類多組分、多相變、有化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜體系，具有良好的外延性；其控制模型具備通用的控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)主流機組控制的所有控制算法。過程控制系統(tǒng)模型有線性控制模型/非線性控制模型，采用和工廠實際控制系統(tǒng)相一致的控制算法進(jìn)行控制過程計算。

1.2ITCC-OTS系統(tǒng)構(gòu)成

ITCC-OTS系統(tǒng)包括仿真模型、現(xiàn)場操作站、機組使用的控制程序、HMI操作站及教員站。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ITCC-OTS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1) 仿真模型程序模擬出機組的工藝過程和動態(tài)響應(yīng)，現(xiàn)場操作站模擬機組現(xiàn)場設(shè)備的操作，控制程序和HMI操作站與機組實際使用的相同；模型與控制程序的所有輸入、輸出點連接，通過現(xiàn)場操作站和HMI操作站配合模擬機組開機、運行全部過程。動態(tài)仿真模型軟件iSIM采用機理建模的技術(shù)路線研發(fā)，基于化工熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)方程，由各種相應(yīng)方程式求解化學(xué)平衡及相平衡，適應(yīng)于多組分、有相變的復(fù)雜體系，廣泛應(yīng)用于各種機組的動態(tài)模擬。仿真模型嚴(yán)格按照機組P&ID流程，模擬出詳細(xì)的工藝過程、機組設(shè)備和輔助系統(tǒng)。

2) 現(xiàn)場操作站是與iSIM配合使用的操作畫面平臺，可精確模擬出詳細(xì)的設(shè)備、閥門、管道、儀表，接近真實地模擬出全部機組工藝及現(xiàn)場設(shè)備，滿足了工藝人員和儀表人員的操作培訓(xùn)需求?？砷_展操作與技術(shù)培訓(xùn)、安全分析、事故演練、控制程序校驗、控制參數(shù)模擬整定及工藝研究等方面的工作。

3) 控制程序和HMI操作畫面與機組實際使用的相同，通過內(nèi)部OPC技術(shù)將控制程序中所有的輸入、輸出點連接到模型上，控制程序可以采用仿真運行方式或下裝到控制器方式模擬運行，可實現(xiàn)機組的仿真運行。

4) 教員站的主要功能有啟動、關(guān)閉操作站，可以選擇所要控制的操作站，能夠同時管理所有的操作站。模型選擇： 選擇系統(tǒng)中的任意要培訓(xùn)的模型，一個教員站可以對同一套機器中不同的培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行任意切換。

a) 故障設(shè)置?？梢詫刂频牟僮髡驹O(shè)置故障。

b) 運行步長設(shè)定?？梢栽O(shè)定不同倍數(shù)的運行速度。

c) 教員變量。可以設(shè)置教員變量，如改變機組入口溫度、組分。

d) 關(guān)閉操作站機器?？梢躁P(guān)閉任意控制的操作站的機器。

2 系統(tǒng)主要技術(shù)特點

1)iSIM仿真模型。采用基于化工熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)方程動態(tài)機理建模的iSIM仿真模型，模擬出透平壓縮機組及其相關(guān)過程工藝的整個運行及操作過程。

2) 現(xiàn)場實際控制程序。應(yīng)用機組實際使用下位控制程序和上位HMI操作站程序，將機組控制程序中的所有I/O點與模型連接，模擬出機組實際開機、運行的全部監(jiān)控過程。操作人員可通過仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)和理解、修改和下裝、運行ITCC控制程序，當(dāng)需要修改ITCC程序組態(tài)時，對修改的控制程序，在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行驗證后，再下裝到控制系統(tǒng)中?？梢阅M歷史趨勢分析及事件記錄(SOE)軟件使用。

3) 特殊種類的透平壓縮機組。專門用于動態(tài)模擬石油化工工藝的各種透平壓縮機組的綜合控制操作培訓(xùn)，含P&ID流程、工藝過程、機組設(shè)備和輔助系統(tǒng)密封氣系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、復(fù)水系統(tǒng)、輔操站、汽輪機及壓縮機組等。

4) 壓縮機組的精細(xì)仿真。依照機組的實際情況，按照需求仿真出機組的所有管線，閥門及設(shè)備的功能和操作，真實模擬出機組的所有的閥及設(shè)備的功能和操作。

5) 機組操作規(guī)程在現(xiàn)場站中分解顯示。在現(xiàn)場站的每個設(shè)備上顯示各設(shè)備的操作規(guī)程，使操作人員能在操作中看到正確的操作步驟，理解和熟悉操作規(guī)程。

6) 故障模擬。模擬出現(xiàn)場單一或組合的實際故障，進(jìn)行事故模擬培訓(xùn)，如： 壓力變送器、差壓變送器的常見故障、儀表的異常故障、防喘振控制及儀表故障等，提高維護和故障處理能力。

7) 教員站加學(xué)員站模式。教員站可監(jiān)控各學(xué)員站，教員站選擇培訓(xùn)各機組模型，并對學(xué)員站進(jìn)行不同機組系統(tǒng)切換培訓(xùn)；可對學(xué)員站操作控制設(shè)置故障；可進(jìn)行學(xué)員站運行步長設(shè)定；可以設(shè)置控制變量，可以啟動、關(guān)閉各學(xué)員站。

8) 考核功能。對學(xué)員站的所有操作、操作順序、報警等都可以進(jìn)行考核記錄，OTS的考核系統(tǒng)嚴(yán)格按照操作步驟，按可調(diào)節(jié)步驟及權(quán)重值對培訓(xùn)人員進(jìn)行考核。操作分?jǐn)?shù)實時、獨立地顯示在教員機器上。

3 ITCC-OTS系統(tǒng)培訓(xùn)功能

1) 一般操作培訓(xùn)?？梢阅M機組在停機狀態(tài)下的整個開機過程，包括輔助系統(tǒng)投用、各閥門設(shè)備開關(guān)應(yīng)處于正確的位置及控制系統(tǒng)整個開車、調(diào)整過程。觀察開機、停機過程各工藝變量的變化，學(xué)習(xí)開機啟動、正常運行操作，熟悉緊急停車的條件和動作。

2) 機組操作規(guī)程培訓(xùn)。在對設(shè)備操作時，點擊相關(guān)設(shè)備可以顯示出該設(shè)備的操作規(guī)程，對錯誤的操作給出明確的評判。操作人員需嚴(yán)格按照操作規(guī)程逐步地進(jìn)行仿真操作，從而使操作人員牢記各個控制點的數(shù)據(jù)和各設(shè)備的操作步驟。

3) 故障處理培訓(xùn)。系統(tǒng)自帶的故障包括每個測量儀表的故障、泵故障、控制閥門故障；定制故障包括該裝置常見的事故。這些故障可以單一投入，也可以組合投入進(jìn)行培訓(xùn)，讓操作人員正確操作使機組恢復(fù)到正常。如機組仿真軟件中模擬防喘振控制的儀表故障，造成防喘振閥突然打開，學(xué)員快速找到問題并尋找處理方法。

4) 特殊控制練習(xí)。對于防喘振控制，通過故障或者人為干預(yù)，使機組防喘振控制介入，練習(xí)機組喘振時的正確操作，記錄喘振現(xiàn)象和條件。對于性能控制，結(jié)合喘振閥的動作，理解性能控制的理念，對性能控制的理論進(jìn)行驗證。

5) 工藝研究。在模型開發(fā)完成之后，進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而對仿真模型進(jìn)行優(yōu)化；經(jīng)與實際運行數(shù)據(jù)對比之后，模型精度與機組真實運行數(shù)據(jù)接近，此時模型具有工藝研究價值?？梢园褜嶋H運行中出現(xiàn)的問題先在仿真系統(tǒng)中修改，得到理想的仿真結(jié)果后，再把測得的參數(shù)放入實際控制系統(tǒng)中。

6) 儀表組態(tài)訓(xùn)練。儀表與工藝人員可通過修改ITCC控制程序，模擬設(shè)計變更組態(tài)練習(xí)，然后在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行驗證。如設(shè)計變更需要增加顯示或控制回路，修改量程、增加聯(lián)鎖邏輯等，在ITCC系統(tǒng)修改后經(jīng)過仿真驗證后，再對相應(yīng)的程序修改。

7) 事故分析訓(xùn)練和儀表維護。在OTS系統(tǒng)設(shè)置故障造成機組運行事故，操作人員模擬練習(xí)，利用報警記錄、歷史數(shù)據(jù)記錄、SOE等找到停車原因，分析這些事故的原因。通過仿真練習(xí)，可以提高人員對機組故障的分析判斷能力，如儀表故障使機組啟動條件不能滿足，應(yīng)迅速找到這個故障并做出正確的處理。

4 定制版動態(tài)仿真系統(tǒng)開發(fā)

為了提高操作人員大機組操作以及事故處理能力，該公司確定對2套催化裝置主風(fēng)及煙機機組、富氣壓縮機和加氫裂化裝置循環(huán)氫壓縮機組開發(fā)定制版的動態(tài)仿真系統(tǒng)，完全模擬現(xiàn)場機組、工藝設(shè)備及儀表設(shè)備，采用裝置機組在用的控制程序。

4.1 開發(fā)內(nèi)容

依據(jù)該公司催化裝置特點，開發(fā)催化主風(fēng)及煙機機組、富氣壓縮機與反應(yīng)器，再生器、分餾塔的相關(guān)工藝和機組的仿真系統(tǒng)。開發(fā)加氫裂化裝置循環(huán)氫壓縮機組與加氫反應(yīng)器、高低分等工藝設(shè)備相關(guān)的工藝與機組仿真系統(tǒng)，其中機組精確仿真，仿真機組要模擬出現(xiàn)場所有的管線和閥門及設(shè)備，能顯示現(xiàn)場可見到的所有儀表參數(shù)，能模擬現(xiàn)場所有可以操作的設(shè)備、閥門的動作及相應(yīng)的工藝反應(yīng)，機組控制程序和操作畫面與實際使用的相同，包括故障分析使用的SOE和趨勢記錄。

4.2 開發(fā)目標(biāo)

1) 在與機組操作界面相同的界面上，模擬出機組開停機及運行過程。

2) 實現(xiàn)各種工藝波動的模擬及相應(yīng)操作的反應(yīng)。

3) 模擬裝置故障或停產(chǎn)對機組的影響。

4) 實現(xiàn)控制程序驗證的功能，能模擬控制參數(shù)調(diào)整。

5) 達(dá)到操作人員培訓(xùn)需要的機組操作和事故模擬，操作規(guī)程提示，操作指導(dǎo)提示，相關(guān)機組波動或故障，本機組的操作等。

6) 滿足一般維護人員對控制程序操作、修改；控制參數(shù)的整定練習(xí)和利用相關(guān)軟件分析機組事故的練習(xí)。

4.3 系統(tǒng)配置

1) 軟件配置。iSIMV2.0，InTouch/TRI_VIEWⅡ，TriStation1131，TriconexSOE。

2) 學(xué)員站。運行仿真需要的程序，用于學(xué)員現(xiàn)場操作和控制室操作，程序和畫面組態(tài)練習(xí)。

a) 適用于內(nèi)操和外操2個人同時練習(xí)培訓(xùn)。將仿真模型站與操作站分別安裝在2臺電腦上，仿真模型站在后臺運行iSIMV2.0模型，顯示現(xiàn)場站畫面；操作站在后臺運行1131軟件及事件記錄SOE軟件，顯示操作畫面。

b) 適用于內(nèi)外操作由1個人完成的練習(xí)培訓(xùn)。采用1臺電腦，模型站和操作站在同1臺電腦上，切合畫面分別操作現(xiàn)場站和操作站。

3) 教師站。用于多個學(xué)員練習(xí)或考試時，對站仿真模型進(jìn)行統(tǒng)一的故障設(shè)置，讓學(xué)員進(jìn)行獨立的事故處理操作或事故分析，對每個學(xué)員進(jìn)行考核評比。

4) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置最少可使用1臺電腦，也可以采用多臺電腦供多人使用，該項目采用10個學(xué)員站和1個教員站的配置，可滿足10名學(xué)員單獨練習(xí)或成對進(jìn)行內(nèi)、外操作配合練習(xí)。

4.4 開發(fā)情況

1) 機組工藝流程的模擬。催化裝置的仿真系統(tǒng)模擬了催化主風(fēng)機組、煙機機組、富氣壓縮機與反應(yīng)器，再生器、分餾塔的相關(guān)工藝。模擬出了機組間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，使機組模擬控制更接近實際操作。通過現(xiàn)場站模擬現(xiàn)場操作，控制站模擬控制室操作實現(xiàn)了主備風(fēng)機切換等復(fù)雜操作過程的模擬，使技術(shù)人員能通過多次的模擬，完善操作步驟。通過練習(xí)使操作人員相互配合更加熟練和默契。結(jié)合相關(guān)工藝模擬，實現(xiàn)了性能控制等復(fù)雜控制的模擬投用，通過可能的故障模擬操作，實現(xiàn)了在實際操作中故障操作預(yù)案完善和操作練習(xí)。

2) 汽輪機模擬。汽輪機相關(guān)工藝模擬，可滿足汽輪機的暖管操作，密封蒸氣操作，排氣背壓控制，啟、停機和運行操作。汽輪機控制油系統(tǒng)，調(diào)速機構(gòu)模擬，復(fù)水系統(tǒng)等機組部分的詳細(xì)模擬，使操作人員能對這些復(fù)雜系統(tǒng)有了直觀認(rèn)識，結(jié)合現(xiàn)場能深刻理解并熟練操作，對可能出現(xiàn)的問題有針對性的練習(xí)，提高了機組操作和問題處理的能力。

3) 潤滑油系統(tǒng)。模擬了潤滑油泵啟動、備用油泵自動啟動、壓力控制、油箱溫度控制、過濾器差壓、高位油箱上油操作等的現(xiàn)場操作和控制。

4) 輔操臺等外圍設(shè)備模擬。操作臺所有的報警燈和操作按鈕的真實模擬，使這些很少使用的緊

急操作按鈕得到練習(xí)使用。模擬出機械狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的振動、位移高報警和停車輸出及報警聯(lián)鎖值的設(shè)置和復(fù)位等操作。

4.5 項目投用情況

該項目投運以來，該系統(tǒng)實現(xiàn)了當(dāng)初制訂的技術(shù)目標(biāo)，達(dá)到了項目的技術(shù)要求。項目完成后對工藝操作人員進(jìn)行了機組開車、運行操作、機組故障處理等內(nèi)容的培訓(xùn)，使操作人員熟悉了機組的操作和事故處理，為取消機組專職操作員打下了堅實基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

ITCC-OTS系統(tǒng)采用機組模型與實際的機組控制程序結(jié)合，真實模擬機組控制的全過程，實現(xiàn)了機組操作員培訓(xùn)、工藝參數(shù)變化時相應(yīng)的操作練習(xí)，機組故障現(xiàn)象再現(xiàn)和處理培訓(xùn)，機組特殊控制程序檢驗和投用練習(xí)，機組控制參數(shù)調(diào)整訓(xùn)練和預(yù)整定，機組事故分析練習(xí)，控制程序組態(tài)訓(xùn)練和程序驗證等功能。在當(dāng)前壓縮機控制技術(shù)逐步趨向全自動控制和節(jié)能控制的今天，一個輔助的程序驗證和操作培訓(xùn)系統(tǒng)，是實現(xiàn)控制目標(biāo)的可靠保障。

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Compressor Unit Dynamic Simulation System Development and Application

FangQunwei1，MengXianhu2

(1.SinopecWuhanCompany，Wuhan， 430082，China; 2.BeijingConsenAutomationControlCo.Ltd.，Beijing， 101318，China)

Aimingatproblemsofsafeandhighoperationefficiencyofcompressorunitformanufactureinstallationforrefineryenterprise，unitdynamicsimulationtrainingsystemITCC-OYCisdevelopedaccordingtopracticaldemand.Thesystemconstruct，technicalcharacteristicsandfunctionareintroduced.Thetailor-madeITCC-OTSsystemdevelopmentandapplicationforcatalyticandhydrogencrackingreactionandsoonareaccomplished.Thebigunitoperationtrainingdemandforoperatorsismet.Itcanalsobeusedtosatisfyfaultsimulationfortechnicianandinstrumentengineer.

bigcompressorunitdynamicsimulation;operatorsimulationtrainingsystem;operationtraining

方群偉(1965—)，男，1987年畢業(yè)于武漢工程大學(xué)生產(chǎn)過程自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于中國石化股份有限公司武漢分公司，從事儀表設(shè)備管理工作，任機動處儀表電氣科長，高級工程師，公司高級專家。

TP

B

1007-7324(2016)06-0043-04

稿件收到日期： 2016-06-30，修改稿收到日期： 2016-08-29。