生物質氣體液化過程的虛擬實驗開發(fā)

華 潔， 林圣濤， 陳 琳， 錢 皓， 馬晨波， 於秋萍

(1.南京林業(yè)大學 機械電子工程學院， 南京 210037； 2.南京智誠月光信息科技有限公司, 南京 210039)

0 引 言

實習、實訓的困難，已成為高校人才培養(yǎng)的瓶頸。2016年，教育部副部長林蕙青[1]在中國高等教育學會與廈門大學聯(lián)合主辦的“一流大學本科教學建設高峰論壇”上指出：實驗、實習、實訓環(huán)節(jié)相對薄弱，是一些學校包括高水平大學在人才培養(yǎng)方面存在的問題。建設一流本科教育，要著力深化教學改革，也是“雙一流”建設的重要任務。

造成這一現(xiàn)狀的主要原因是：缺乏政策的引導，企業(yè)缺乏激勵制度，積極性不高。對于過程裝備與控制工程專業(yè)，實習、實訓困難的主要因素還在于操作過程安全風險較高。工藝操作條件高溫、高壓，介質有毒、有害，管道和設備連接處容易跑、冒、滴、漏，生產現(xiàn)場本身就必須時刻嚴密監(jiān)控各項參數(shù)，以確保生產安全進行。在校大學生沒有經過系統(tǒng)全面的操作培訓，貿然進入生產實踐環(huán)節(jié)，必然帶來重大的安全隱患。

虛擬仿真實驗[2]的開發(fā)為解決這一矛盾提供了可能，充分使用虛擬現(xiàn)實技術，促進大數(shù)據(jù)時代下網(wǎng)絡教學平臺[3]的發(fā)展。虛擬技術的使用在行業(yè)內也有各種嘗試[4-5]。本文通過生物質氣體液化過程這一虛擬實驗的開發(fā)，實現(xiàn)了對過程裝備與控制工程專業(yè)知識在虛擬世界的融會貫通，有效地避免了工程實踐中可能遇到的各種風險，打通了課堂教學、實習、實訓、畢業(yè)設計等各個教學環(huán)節(jié)，是一次有效的新工科實踐創(chuàng)新的嘗試。

1 生物質氣體液化過程工藝開發(fā)

生物質氣，也稱沼氣，來源于有機廢物。其本身含有大量的雜質而很難充分利用，多數(shù)直接作為燃料燃燒，造成了大量的浪費。去除雜質以后，生物甲烷在應用中比其他可再生能源更為靈活，利用生物甲烷作為能源是實現(xiàn)可持續(xù)能源供應的關鍵一環(huán)。近年來，對生物甲烷的生產和利用已經成為研究的熱點。生物甲烷經過液化后可以很好的存儲和運輸，是一種有效的利用方式。工藝上生物甲烷液化過程是在液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)技術[6]的基礎上針對生物甲烷的處理量小[7]和具備季節(jié)性的特點發(fā)展起來的。工藝開發(fā)的過程主要包括以下3個方面：

(1) 工藝流程。在自主開發(fā)的超低溫自復疊式制冷裝置[8]基礎上開發(fā)生物質氣體液化過程的虛擬實驗。圖1對工藝過程進行了描述。該制冷系統(tǒng)由3個循環(huán)構成，分別為預冷循環(huán)、混合制冷劑循環(huán)兩個閉式循環(huán)以及生物甲烷液化開式循環(huán)；預冷循環(huán)和混合制冷劑循環(huán)構成復疊式制冷循環(huán)。開機前，將閉式循環(huán)抽真空，灌裝入制冷劑，預先把制冷劑在閉式循環(huán)中沖裝完成。當生產現(xiàn)場符合液化生物甲烷的條件時，隨時打開壓縮機便可驅動制冷機組。當制冷機組啟動一段時間后，連接開式循環(huán)液化換熱器達到液化溫度，即可打開連接生物甲烷的截止閥通入氣態(tài)甲烷，出口可以得到液化的產品。

圖1 液化制冷系統(tǒng)流程簡圖

(2) 典型設備。液化過程的工藝流程中可以看出，雖然是可撬裝式的小型裝置，但是包含了多種典型設備和機器：換熱器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥、截止閥、氣液分離器、毛細管以及過濾器等。這些設備的選型和設計幾乎涵蓋和綜合利用了過程裝備與控制工程專業(yè)的專業(yè)課程《過程設備設計》、《過程流體機械》、《過程裝備控制技術》、《過程裝備成套技術》等各門功課的學科知識。

(3) 設備及管道布置。設備型號和規(guī)格選擇之后，需要確定各個設備的相互位置關系，可以通過設備布置圖進行規(guī)劃。為有效利用空間，設備布置成兩層：動設備布置在下層，便于保持底座的穩(wěn)定；靜設備和低溫設備布置在上層，便于后期保溫材料的包裹。完成設備布置之后，下一步的工作就是用管道連接各個設備，使介質的流通符合工藝流程圖的要求。

工藝開發(fā)的過程復雜，各個環(huán)節(jié)之間連接錯綜復雜，牽一發(fā)而動全身。開發(fā)完成后還需要對其中的儀器儀表進行設計，達到對系統(tǒng)的工藝參數(shù)實時監(jiān)控的目的，以確保生產的安全進行。將這一過程可以用虛擬仿真實驗的方式來完成，對于學生綜合專業(yè)技能的培訓會非常有利。

2 虛擬仿真實驗開發(fā)思路

虛擬仿真實驗是在工藝流程的開發(fā)基礎上進行的，其過程思維導圖如圖2所示。擬開發(fā)出兩個并聯(lián)進行的實驗，分別為實驗1，裝置搭建過程的虛擬仿真；實驗2，裝置運行過程的虛擬仿真。其中搭建的過程包含設備的三維造型、設備位置布置、配管和儀器儀表，對應于過程裝備成套技術中各個不同的設計步驟,運行過程包含之前的電磁閥全部打開，管道內抽真空、加制冷劑過程、開機過程、正常運行過程和關機過程。

圖2 虛擬仿真實驗開發(fā)思維導圖

以上步驟中，裝置搭建過程的主要數(shù)據(jù)來源于工藝設計的幾個成果平面圖形，并且要進行三維可視化模擬，檢查設備布置和配管過程中存在的不合理和干涉的現(xiàn)象；裝置運行過程中關于制冷劑的介質、配比問題和運行工藝參數(shù)的數(shù)值問題是前期工藝開發(fā)過程中的工藝參數(shù)計算結果，該計算過程復雜往往需要利用專業(yè)的工藝計算軟件如Aspen、Hysis、Chemcad等。因此虛擬仿真實驗的開發(fā)必須是在專業(yè)的基礎之上才能進行，仿真軟件的開發(fā)需要不斷利用和提取工藝流程開發(fā)的數(shù)據(jù)。

3 技術方法與手段

虛擬仿真實驗的開發(fā)需要用到各種類型的軟件和程序的編寫調試。主要包括三維造型，場景的搭建，交互動作的設計，腳本程序的編寫調試等，可以利用的軟件和手段也很多。

楊寧等[9]分析和展望了化學工程中介尺度科學與虛擬過程工程的聯(lián)系；周斌等[10]在虛擬過程控制實驗中實現(xiàn)了組態(tài)王和虛擬的A3000進行數(shù)據(jù)的交換；張穎等[11]選用 MultiGen Creator/Vega 和 Flash MX 2004 實現(xiàn)了過程流體機械的網(wǎng)絡虛擬實驗室的建設。近年來，使用Unity 3D來開發(fā)虛擬實驗[12-15]已經成為主流方法，易于實現(xiàn)設計者的虛擬操作過程。

經過對比與實踐，本虛擬實驗的開發(fā)選用3D Studio Max用于三維造型和效果的制作， 該軟件可以非常方便的實現(xiàn)設備、機器、閥門等化工裝置的三維造型，對其位置布置和相互之間管道連接的干涉檢查也做的非常清晰。由圖3和圖4可見,工程實踐中借助這個詳細圖，可以非常方便生成所有管道的三維正等軸側視圖，便于預制和焊接管道的彎頭、3通，減少現(xiàn)場的組焊失敗率。

圖3 總體規(guī)劃圖

圖4 設備及配管詳圖

選用專業(yè)開發(fā)引擎Unity3D用于完成虛擬場景的搭建和交互動作的設計。實驗1和實驗2的腳本都是通過該引擎進行編程，最終發(fā)布成虛擬仿真實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠適應各種使用環(huán)境，不需要下載任何插件可以在網(wǎng)頁運行，克服了早期的虛擬實驗由于軟件的限制而不能夠廣泛使用的弊端。

4 結 語

通過生物質氣液化虛擬仿真實驗的開發(fā)和實踐，初步完成了實驗設計的思路和三維模型的構建，學習了專業(yè)的開發(fā)引擎并且把設計思想在其中實現(xiàn)，取得了較好的實習、實訓效果。在虛擬仿真實驗即將完成之際，以下兩點體會提出來討論，為開發(fā)新的虛擬過程參考。

虛實結合很必要。虛擬實驗是在專業(yè)知識的基礎之上來開發(fā)的，如果沒有實際的實驗過程或者裝置，就只是紙上談兵。本課題組的生物質氣液化過程已經有了多年的積累與沉淀，并且有小型撬裝式的實驗裝置，但是基于安全操作的考慮，以及整個深冷裝置外包了厚厚的發(fā)泡保溫層，沒法直接觀察到其內部的設備外形，開發(fā)了仿真虛擬實驗。虛實結合，能夠使學生在學習的過程中更好的掌握專業(yè)知識，并且加以實踐升華。

打通各個教學環(huán)節(jié)。該實驗裝置的開發(fā)過程貫穿整個專業(yè)學習過程。對工藝流程的開發(fā)和設備機器的選型以及控制系統(tǒng)的設計是主干學科在課堂教學環(huán)節(jié)需要完成的重要教學內容之一；整個虛擬實驗過程的操作是實習、實訓環(huán)節(jié)對生產實習很好的補充；對虛擬實驗的開發(fā)過程則可以完成優(yōu)秀的畢業(yè)設計作品。因此，該項目的開發(fā)和利用，可以很好的打通各個專業(yè)教學環(huán)節(jié)，鞏固學生學習的專業(yè)知識，極大的調動了學習的積極性，是一次成功的嘗試。