虛擬仿真在化學(xué)工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用-以催化裂化開車為例

許書瑞，傅小波，鐘國玉，廖文波，徐勇軍，何運(yùn)兵

(東莞理工學(xué)院化學(xué)工程與能源技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808)

1 化學(xué)工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)的現(xiàn)狀

化學(xué)工程專業(yè)作為工程類專業(yè)，具有強(qiáng)應(yīng)用、重操作的特點(diǎn)[1]?；瘜W(xué)工程專業(yè)的學(xué)生不僅要具有扎實(shí)的理論知識，還要有很強(qiáng)的動手能力，能夠解決實(shí)際生產(chǎn)過程中遇到的問題?；瘜W(xué)工程的專業(yè)特點(diǎn)決定學(xué)生在學(xué)習(xí)期間必須對專業(yè)內(nèi)的典型生產(chǎn)過程，如常減壓精餾、催化裂化、煤制甲醇等中的工藝條件和設(shè)備有清晰的認(rèn)知。因此，化學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生在大三暑假或者大四上學(xué)期需在化工廠里進(jìn)行2-4個(gè)星期的實(shí)習(xí)，以完成本專業(yè)學(xué)分要求。然而諸如常減壓蒸餾、催化裂化和煤制甲醇的生產(chǎn)過程常伴有易燃、易爆、有毒等安全隱患[2]。為了避免這些安全事故的發(fā)生，如今的化工廠很少愿意接受在讀本科生到工廠進(jìn)行實(shí)習(xí)，老師也越來越難為批量學(xué)生找到生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地。即便有部分學(xué)生能在化工廠里進(jìn)行實(shí)習(xí)，但是由于相關(guān)的設(shè)備或裝置正在運(yùn)行，學(xué)生只能走馬觀花的觀察一下，并不能親自動手操作設(shè)備的運(yùn)行。故學(xué)生實(shí)地參觀相關(guān)化工廠面臨著耗時(shí)長、效果差、安全性系列問題，很難深入理解重要化工生產(chǎn)過程的運(yùn)行，這也極大的限制了學(xué)生的實(shí)際操作能力。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)和智能制造業(yè)的深入發(fā)展，全面面向化工生產(chǎn)過程的虛擬仿真軟件相繼出現(xiàn)[3-5]?；ぬ摂M仿真是在學(xué)生具有一定的理論和實(shí)踐積累的基礎(chǔ)上，針對危險(xiǎn)大、毒性高、耗時(shí)長、大型訓(xùn)練，通過仿真系統(tǒng)開展具有一定綜合性質(zhì)的實(shí)訓(xùn)?；ぬ摂M仿真軟件不僅可以逼真的還原重要生產(chǎn)過程還可通過VR模擬危險(xiǎn)事故的處理[6]。學(xué)生借助虛擬仿真系統(tǒng)可對關(guān)鍵步驟進(jìn)行反復(fù)操作、對危險(xiǎn)裝置進(jìn)行有效防范、并積累處理安全事故的經(jīng)驗(yàn)?？傊ぬ摂M仿真成為化工專業(yè)實(shí)訓(xùn)的有效方式，可有效解決在化工廠實(shí)習(xí)“見不到、做不到、防不到”的弊端。

2 重質(zhì)油催化裂化制備輕質(zhì)油的虛擬仿真

2.1 虛擬仿真系統(tǒng)

近年來，北京東方仿真軟件公司針對化工生產(chǎn)中的典型單元操作、大型或綜合生產(chǎn)開發(fā)了具有針對性的化工仿真軟件，如TDC3000系統(tǒng)包括了典型單元操作(精餾，吸收、換熱)、重要部件(間歇反應(yīng)釜、壓縮機(jī))及綜合性訓(xùn)練(重質(zhì)油的催化裂化、合成氨、煤制甲醇等)等等的仿真模擬，細(xì)到調(diào)節(jié)器、儀表、現(xiàn)場閥等的調(diào)節(jié)和操作[8]。東方仿真軟件具有貼近真實(shí)生產(chǎn)操作系統(tǒng)的界面，具有很強(qiáng)的人機(jī)交互性、重復(fù)性。學(xué)生在仿真系統(tǒng)上可反復(fù)操作，操作過程可實(shí)時(shí)跟蹤并由系統(tǒng)給出測評，學(xué)生在學(xué)習(xí)多項(xiàng)操作技能的同時(shí)，也便于老師了解掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況及客觀地評判。故國內(nèi)高校紛紛將化工仿真軟件引進(jìn)課堂和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)。東莞理工學(xué)院作為服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)性的新一批高水平理工科建設(shè)大學(xué)，為學(xué)校的省重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)-化學(xué)工程專業(yè)建立了仿真實(shí)習(xí)基地。

通過《化工仿真》的實(shí)訓(xùn)和教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生面對仿真軟件呈現(xiàn)的復(fù)雜工藝流程和操作步驟，通常會出現(xiàn)手忙腳亂，無從下手的情況。此時(shí)教師應(yīng)在引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)注重講練結(jié)合，教師演示與學(xué)生自我練習(xí)結(jié)合，同時(shí)指導(dǎo)教師要充分調(diào)動學(xué)生的積極性，以達(dá)到較好的實(shí)訓(xùn)效果。下面以重質(zhì)油催化裂化制備輕質(zhì)油的虛擬仿真為例介紹學(xué)生實(shí)訓(xùn)成果。

2.2 催化裂化制備輕質(zhì)油的虛擬仿真

本實(shí)訓(xùn)是以年產(chǎn)量350萬噸的重油催化裂化反應(yīng)再生聯(lián)合裝置為模型開展實(shí)訓(xùn)的。該模型具有很強(qiáng)的代表性，對于實(shí)際生產(chǎn)過程中有很好的指導(dǎo)作用。該裝置主要包括五部分，分別是反應(yīng)器、再生器、取熱器、催化劑儲罐、能量回收機(jī)組。催化裂化裝置是一個(gè)高度非線性、強(qiáng)耦合、和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，相應(yīng)的系統(tǒng)啟動也比較繁瑣和復(fù)雜。冷態(tài)開車啟動是正常開車的前提條件，保證冷態(tài)開車的正常運(yùn)行才能更好的生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)輕質(zhì)油。催化裂化的冷態(tài)開車包括7個(gè)步驟：(1) 催化劑儲罐裝劑；(2) 反再生系統(tǒng)氣密性試驗(yàn)；(3) 熱工崗位準(zhǔn)備工作; (4) 開工爐點(diǎn)火反再生系統(tǒng)升溫過程; (5) 熱拆大盲板趕空氣；(6) 裝催化劑三器流化;(7) 反應(yīng)進(jìn)油并調(diào)整至正常。催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)的總圖如圖1所示。

圖1 催化裂化反應(yīng)再生系統(tǒng)總圖

Fig.1 Overview of catalytic cracking regeneration system

一個(gè)好的冷態(tài)開車狀態(tài)更有利整個(gè)系統(tǒng)的正常啟動，因此帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行仿真訓(xùn)練時(shí)，需要對冷態(tài)開車系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化控制。最優(yōu)化控制是對反再生系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備進(jìn)行系列參數(shù)優(yōu)化。每一個(gè)設(shè)備的最優(yōu)化控制需在DCS控制圖和現(xiàn)場(FIELD)圖上對諸如流量大小、閥門開度、進(jìn)料流量等進(jìn)行調(diào)節(jié)。學(xué)生在實(shí)訓(xùn)時(shí)通過調(diào)節(jié)各設(shè)備相關(guān)的閥門，壓力及溫度，研究這些參數(shù)對設(shè)備運(yùn)行情況的影響。以催化裂化工藝流程中的再生器為例，學(xué)生在練習(xí)操作時(shí)考查了主風(fēng)流量，再生器閥門開度、煙機(jī)入口閥門開度等因素對再生器壓力的影響，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，煙機(jī)入口閥門開度對再生器內(nèi)壓力影響較小，再生器閥門開度對其內(nèi)部壓力影響較為明顯。從圖中紅色曲線的趨勢可以看出，主風(fēng)機(jī)流量對再生器也很顯著，再生器壓力隨主風(fēng)流量增加而增高。通過在虛擬仿真軟件里對各個(gè)設(shè)備的控制調(diào)節(jié)，從而有效控制重質(zhì)油催化裂化制備輕質(zhì)油工藝，學(xué)生將理論知識與實(shí)踐相結(jié)合，達(dá)到掌握影響工藝流程的關(guān)鍵參數(shù)和操作的目的。從此實(shí)訓(xùn)結(jié)果可以看出，仿真模擬一方面可以作為實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)步驟，學(xué)生只有在正確完成相應(yīng)操作的仿真模擬，對小到一個(gè)閥門，一個(gè)開關(guān)的操作都熟練掌握后，才可以更好的投入到未來的化工生產(chǎn)過程中。

圖2 閥門開度和主風(fēng)流量對再生器壓力的影響

3 虛擬仿真實(shí)踐成效

3.1 提高了學(xué)習(xí)積極性

東方仿真軟件提供具有真實(shí)沉浸感與交互性的虛擬環(huán)境，學(xué)生可通過軟件里提供的虛擬場景可以對整個(gè)工藝流程小到一個(gè)閥門大到一個(gè)設(shè)備進(jìn)行交互操作，像游戲一樣的體驗(yàn)的，增加了學(xué)生的興趣。東方仿真里有在線學(xué)習(xí)云課堂，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)共享平臺，靈活調(diào)整自己的學(xué)習(xí)時(shí)間，自行模擬練習(xí)，學(xué)生的積極性得到顯著提高。

3.2 提高了實(shí)踐能力

通過仿真實(shí)驗(yàn)的模擬訓(xùn)練，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理及操作過程能夠清晰的認(rèn)識，虛擬仿真之后再對相應(yīng)訓(xùn)練的工藝流程進(jìn)行操作，操作錯誤率明顯下降。仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)令學(xué)生全面深刻地體驗(yàn)各級操作規(guī)程和裝置原理，將理論知識與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)習(xí)與生產(chǎn)過程無縫對接，大大地提升了化工專業(yè)學(xué)生的動手能力。

3.3 提升了安全意識

學(xué)生通過仿真實(shí)訓(xùn)，對工藝流程進(jìn)行詳細(xì)的了解后，明白哪些過程存在易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn)，再到現(xiàn)場進(jìn)行參觀實(shí)習(xí)，將仿真與現(xiàn)場結(jié)合起來，學(xué)生的安全防患意識明顯得到了提升。

4 結(jié)束語

采用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)對石油化工專業(yè)中復(fù)雜工藝和設(shè)備、危險(xiǎn)變化過程進(jìn)行形象化，虛擬化處理，讓學(xué)生能夠更加直接的進(jìn)行觀察、學(xué)習(xí)和操作，通過模擬仿真軟件構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐環(huán)節(jié)是提升化工類專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的明智選擇。虛擬仿真技術(shù)將目前實(shí)踐教學(xué)形式從一種模式改變?yōu)榱硗庖环N更優(yōu)模式，這是一種技術(shù)進(jìn)步，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。