氯堿企業(yè)數(shù)字化工廠培訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建與實(shí)施

黃玉賓，馬 英

（唐山三友氯堿有限責(zé)任公司，河北 唐山 063305）

在石油化工行業(yè)中，數(shù)字化工廠越來越受到追捧。數(shù)字化工廠是在數(shù)字空間中模擬真實(shí)工廠，并將實(shí)際工廠數(shù)據(jù)與數(shù)字工廠聯(lián)系起來。在數(shù)字空間中，數(shù)字化工廠能夠?qū)⑺泄に囘^程可視化，模擬系統(tǒng)開停車，通過PID圖梳理，設(shè)備參數(shù)的錄入，物料組分的輸入模擬每個(gè)裝置內(nèi)反應(yīng)過程，模擬現(xiàn)場(chǎng)裝置無法獲取的工藝變量（如溫度、壓力、流量和成分）數(shù)據(jù)，并1∶1還原現(xiàn)場(chǎng)工藝入料過程，可做到未投產(chǎn)就能模擬現(xiàn)場(chǎng)裝置，熟悉工藝操作流程，實(shí)現(xiàn)人員上崗前培訓(xùn)。

1 Omegaland仿真系統(tǒng)

OmegaLand仿真系統(tǒng)是一款為動(dòng)態(tài)模擬提供集成環(huán)境的軟件產(chǎn)品。以動(dòng)態(tài)模擬器Visual Modeler為核心，提供集成的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境。Visual Modeler結(jié)合各種外圍功能在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建，用于多種目的的虛擬工廠，如操作人員培訓(xùn)、教育、過程設(shè)計(jì)/分析、控制系統(tǒng)驗(yàn)證和操作支持。應(yīng)用Omegaland軟件搭建數(shù)字化工廠，能夠提供一個(gè)高仿真度的工廠操作界面以供操作員仿真培訓(xùn)，建立高精度的工藝流程模型，并可提供各種操作條件下的安全測(cè)試環(huán)境，例如工廠開車、停車、負(fù)荷變化及各種緊急情況處理等。

2 OmegaLand硬件結(jié)構(gòu)

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要由虛擬控制站、工程師站、教員站、操作員站等組成。虛擬控制站是虛擬機(jī)軟件模擬現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，工程師可以不用真實(shí)的連接控制器，就能完成I/O組態(tài)、程序調(diào)試、人機(jī)界面測(cè)試。虛擬控制站可以模擬1～4個(gè)控制站、虛擬I/O卡件、數(shù)據(jù)輸入/輸出、模擬控制程序的運(yùn)算方法。工程師站進(jìn)行I/O組態(tài)、DCS程序組態(tài)、人機(jī)界面繪制。教員站負(fù)責(zé)發(fā)布培訓(xùn)任務(wù)，發(fā)布外接干擾、進(jìn)行考試測(cè)評(píng)。OmegaLand硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 OmegaLand硬件結(jié)構(gòu)

3 搭建模型

搭建燒堿PVC仿真系統(tǒng)，提供準(zhǔn)確的工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)對(duì)于仿真來說至關(guān)重要。工藝參數(shù)包括設(shè)計(jì)單位認(rèn)可的PFD圖、PID圖、詳細(xì)的物料平衡數(shù)據(jù)。物料平衡數(shù)據(jù)具體到每個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，應(yīng)包含各設(shè)備的入、出物流的組分以及工藝指標(biāo)。一般這些數(shù)據(jù)標(biāo)在PFD圖上，如果是經(jīng)過標(biāo)定的裝置，這些數(shù)據(jù)以標(biāo)定數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。裝置邊界條件包括冷卻水壓力、冷卻水溫度、冷凍水壓力、冷凍水溫度等。成套設(shè)備邏輯及操作描述，模擬范圍內(nèi)的成套設(shè)備或黑箱工藝。裝置技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際操作情況編輯，必須包括裝置開車、停車全過程。故障仿真技術(shù)資料由裝置技術(shù)人員根據(jù)裝置情況定出仿真系統(tǒng)所需故障，然后編制出故障發(fā)生的原因，故障發(fā)生后的現(xiàn)象和處理故障的正確方法。

設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖及參數(shù)由設(shè)計(jì)單位提供，在設(shè)備管理部門保存。仿真系統(tǒng)開發(fā)一般只需要主要設(shè)備示意圖及參數(shù)。特定動(dòng)力設(shè)備性能參數(shù)及特性曲線主要指特定泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等動(dòng)力設(shè)備。資料一般由設(shè)備制造廠商提供。

根據(jù)提供的基礎(chǔ)工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，就可以搭建仿真模型。VM高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真，是OmegaLand的核心技術(shù)。

（1）模型的建立基于嚴(yán)格的化工機(jī)理、熱力學(xué)特性以及設(shè)備性能/設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，確保過程響應(yīng)的精確性，具有高保真的優(yōu)點(diǎn)。

（2）圖形化建模工具，單元模塊拖拉式建模，便于建立、修改和維護(hù)模型等。

表1 典型設(shè)備

（3）生產(chǎn)工藝設(shè)備模型具有強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)模型庫（閥門、泵、管道、邊界、罐、換熱器、塔、壓縮機(jī)、透平、加熱爐、反應(yīng)器等）。模型計(jì)算在嚴(yán)格的壓力流量約束下進(jìn)行。

表2 儀表材料

（4）ESD邏輯模型具有便捷的PFD工作界面，正確無誤的仿真SIS/ESD/DCS控制聯(lián)鎖邏輯。

（5）EXEC-執(zhí)行控制模塊：此模塊負(fù)責(zé)管理整個(gè)橫河動(dòng)態(tài)仿真器OmegaLand的執(zhí)行及數(shù)據(jù)，是OmegaLand的指揮部，控制整個(gè)OmegaLand的運(yùn)行，管理模塊和數(shù)據(jù)；運(yùn)行執(zhí)行控制模塊（EXEC）啟動(dòng)OmegaLand應(yīng)用平臺(tái)，根據(jù)用戶需要自由添加應(yīng)用程序。管理模型運(yùn)行及選擇運(yùn)行條件，同時(shí)控制培訓(xùn)進(jìn)度（加速或減速）、狀態(tài)存儲(chǔ)及調(diào)用、狀態(tài)記錄及回放等。DB-數(shù)據(jù)庫模塊提供實(shí)時(shí)的位號(hào)數(shù)據(jù)庫功能?？梢员４孢^程模型運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)記錄、中間計(jì)算數(shù)據(jù)、派生新的位號(hào)等。Graphics-圖形化模塊圖形化模塊Graphics用來提供給終端用戶進(jìn)行DCS操作及現(xiàn)場(chǎng)操作的仿真。PCS-PCS連接模塊提供連接過程控制系統(tǒng)（包括DCS）以連接OTS的功能，使得培訓(xùn)可以在真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)操作界面上進(jìn)行。也可以用來檢驗(yàn)過程控制系統(tǒng)的控制邏輯。

4 單體精餾塔仿真示例

精餾塔精餾過程，是基于不同組分的混合物具有不同的揮發(fā)度，也就是具有不同的蒸氣壓和沸點(diǎn)，在恒定的壓力下溫度升高或降低時(shí)，各組分在氣相里和液位里的組成不同，來獲得分離。 粗氯乙烯中含有低沸點(diǎn)物C2H2、CO2、O2、N2等，及高沸物有二氯乙烯、偏二氯乙烯、二氯乙烯、二氯乙烷、乙烷、乙醛三氯等。

4.1 精餾塔壓力控制

VCM在常壓下的沸點(diǎn)為-13.9℃，壓力升高沸點(diǎn)相應(yīng)上升。當(dāng)提高低沸點(diǎn)塔操作壓力時(shí)，由于VC-C2H2混合沸點(diǎn)升高，使冷卻水循環(huán)量降低，減少了制冷的動(dòng)力消耗。當(dāng)然，壓力太高，由于達(dá)到同樣的分離純度的理論塔板數(shù)增加，而對(duì)VC-C2H2的分離反應(yīng)不利，一般低沸點(diǎn)塔壓力控制在0.50～0.60 MPa（表壓）。粗VCM的液化可采用5℃冷凍水，而尾氣用-35℃冷凍鹽水，在此壓力下分離VCC2H2的理論塔板數(shù)在10塊以下。

對(duì)于分離VC-高沸物的高沸點(diǎn)塔，其混合物沸點(diǎn)在-13.9～57.3℃，為減少分離的理論塔板數(shù)，壓力可適當(dāng)放低些，一般控制高沸點(diǎn)塔壓力在0.3 MPa（表壓）。

4.2 精餾塔溫度控制

低沸點(diǎn)塔塔頂或塔釜溫度過低，易使塔頂餾分中的C2H2組分冷凝或塔釜液中C2H2蒸出不完全，使塔底餾分中C2H2含量增加。如果塔頂溫度或塔釜溫度過高，會(huì)導(dǎo)致塔頂餾分中VC濃度增加，從而增加尾氣冷凝器的運(yùn)行負(fù)荷。

高沸塔塔釜溫度過高，會(huì)導(dǎo)致塔釜餾份中的高沸物蒸出，出現(xiàn)塔頂餾分中的高沸物含量增加，影響VCM質(zhì)量。

4.3 回流比控制

回流比是精餾段內(nèi)液體回流量與塔頂餾出液量的比值，回流比主要靠調(diào)節(jié)塔頂冷凝器的溫度來控制。加大回流比，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，但相應(yīng)的增加了塔頂冷凝器的用冷量和塔釜加熱量，故選擇最佳的回流比。低沸點(diǎn)塔回流比一般控制在5～7，高沸點(diǎn)塔回流比控制在0.3～0.5。

4.4 塔釜液位

塔釜液位要控制在一定范圍內(nèi)。液位過低，易蒸干；液位過高，塔板失效，造成產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)。一般控制塔釜液位為塔釜高度的2/3。

通過VM編程器能夠完成精餾塔裝置的搭建，通過對(duì)物料組分的設(shè)定充分還原物料在精餾塔中通過物理特性進(jìn)行物料分離的過程。

4.5 低沸塔

低沸塔由8節(jié)塔體、1個(gè)變徑段和裙座組成。在第2～7節(jié)塔體內(nèi)分別裝有5層立體傳質(zhì)塔盤，第8節(jié)塔體內(nèi)裝有2層塔盤，每塊塔盤上裝有7個(gè)圓柱形噴射罩和1個(gè)降液板，噴射罩直接焊接在塔盤上。

精餾操作為多次部分氣化和冷凝的過程，工業(yè)上采用含多層塔板的塔設(shè)備來實(shí)現(xiàn)此目的。低沸塔共有32層新型垂直篩板塔盤，共計(jì)56層塔盤，以加料口為界，低塔1～52層為提留段，53～56層為精餾段，提留段塔盤孔經(jīng)為9.5 mm，精餾段塔盤孔徑為9 mm，粗氯乙烯液態(tài)單體在塔內(nèi)與其組分相同的部位加入。每層塔盤上都開有7個(gè)圓形孔，安裝7個(gè)圓柱形噴射帽罩；1個(gè)月牙形開孔，用以安裝降液板。

4.6 高沸塔

高沸塔由11節(jié)塔體、1個(gè)變徑段和裙座組成。在第2～5節(jié)和7～11節(jié)塔體內(nèi)分別裝有4層立體傳質(zhì)塔盤，第6節(jié)塔體內(nèi)裝有2層塔盤，總計(jì)38塊徑向側(cè)導(dǎo)噴射塔板，每塊塔盤上裝有7個(gè)梯形噴射罩和1個(gè)降液板，噴射罩直接焊接在塔盤上。

高塔共計(jì)63層塔盤，以加料口為界，粗氯乙烯液態(tài)單體在塔內(nèi)與其組分相同的部位加入。每層塔盤上都開有7矩形孔，安裝7個(gè)梯形噴射帽罩；1個(gè)月牙形開孔，用以安裝降液板。

低沸塔和高沸塔液體被氣體經(jīng)過拉膜提升→破碎→碰頂返回→噴射→互噴→分離6個(gè)步驟，在塔板至罩頂?shù)牧Ⅲw空間中和氣體完成傳熱和傳質(zhì)。

4.7 建立仿真模型

在VM編程器中新建項(xiàng)目，設(shè)置物料組分及選擇熱力學(xué)方法，搭建工藝流程，繪制閥門設(shè)置閥門的流通能力（最大流量下的CV）、閥門類型（線性或等百分比）閥門的壓降。搭建換熱器，設(shè)置管程數(shù)、管數(shù)、殼程、管外徑、管長度、管程出、入口溫度、壓力、流量、殼程出、入口溫度、壓力、流量、總傳熱負(fù)荷、換熱面積、換熱器類型（冷熱物流同向或逆向流動(dòng)）、冷、熱物流密度、冷、熱物流傳熱系數(shù)。設(shè)置搭建精餾裝置模型，設(shè)置塔板的直徑、板間距、總板數(shù)、進(jìn)料及采出板層數(shù)、靈敏板測(cè)量層數(shù)、堰高及塔釜高度、逐層塔板的溫度分布、逐層塔板的壓力分布、液位變送器的高度、塔的總重量。設(shè)置邊界壓力溫度參數(shù)。完成VM編程界面。

4.8 模擬開車調(diào)試

該裝置搭建完成后，待壓縮工序開車后，VC管道系統(tǒng)有壓力后，由DCS手動(dòng)打開尾氣冷凝器上的-35℃水氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，逐漸調(diào)節(jié)其開度，控制尾氣冷凝器的溫度，使其達(dá)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)要求后設(shè)定排氣壓力在0.50～0.55 MPa（表壓），由DCS自動(dòng)控制。由DCS上手動(dòng)打開低沸點(diǎn)塔冷凝器上的5℃水氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，逐漸調(diào)節(jié)5℃水循環(huán)量，使低沸點(diǎn)塔冷凝器的控制溫度達(dá)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)要求。

當(dāng)?shù)头悬c(diǎn)塔液位計(jì)上顯示其物料液位達(dá)1/2時(shí)，逐漸調(diào)節(jié)低沸點(diǎn)塔再沸器的熱水循環(huán)水進(jìn)口氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，使熱水循環(huán)，控制低沸點(diǎn)塔再沸器的溫度達(dá)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)要求。

當(dāng)?shù)头悬c(diǎn)塔見液位時(shí)開啟低塔再沸器熱水，控制再沸器出口溫度42℃左右，將低塔液位自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門由手動(dòng)改為自動(dòng)操作。

當(dāng)DCS上顯示高沸點(diǎn)塔液位達(dá)1/2時(shí)，DCS操作人員在DCS上手動(dòng)逐漸打開低沸點(diǎn)塔5℃水進(jìn)口氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥及高塔再沸器熱水進(jìn)口氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)其開度使高塔再沸器、高塔冷凝器的控制溫度達(dá)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)要求。

逐漸打開成品冷凝器的5℃水進(jìn)口氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)其開度使5℃水循環(huán)，并控制成品冷凝器的溫度達(dá)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)要求，真實(shí)還原精餾塔蒸餾全過程。

5 結(jié)語

燒堿PVC仿真系統(tǒng)能夠模擬燒堿系統(tǒng)中二次鹽水精制，模擬樹脂塔全自動(dòng)運(yùn)行，電解槽鹽水進(jìn)料循環(huán)過程，電解槽電解精鹽水，燒堿系統(tǒng)壓差控制，氯氣、氫氣輸送系統(tǒng)，氯壓機(jī)、氫壓機(jī)開停車過程，合成爐燃燒反應(yīng)。單體系統(tǒng)轉(zhuǎn)化器反應(yīng)，精餾塔精餾，氣柜控制、VCM壓縮機(jī)開停車。PVC系統(tǒng)模擬單體打料過程，聚合釜涂壁、聚合原料入料過程、釜反應(yīng)過程、聚合釜出料、回收系統(tǒng)，出料后汽提、流化床干燥過程。

仿真系統(tǒng)的開發(fā)是氯堿數(shù)字化工廠的一部分，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝進(jìn)行仿真、流程優(yōu)化和效果評(píng)估工作。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能夠完成企業(yè)開工前、后對(duì)員工的培訓(xùn)。提高操作人員知識(shí)水平和技術(shù)水平，反復(fù)熟悉崗位操作規(guī)程，使更多的操作員對(duì)工藝過程有更深入的了解，提高企業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性，減少產(chǎn)品不合格率。培訓(xùn)操作人員遇到緊急工況的反應(yīng)；對(duì)操作員進(jìn)行整個(gè)裝置各種操作狀況的操作培訓(xùn)：冷態(tài)開車、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、正常停工、各種突發(fā)原因造成的停車事故；不同原因造成的操作異常調(diào)節(jié)、緊急狀態(tài)處理、設(shè)備故障處理、常見事故處理等；完成人員正常操作、改進(jìn)生產(chǎn)方案等操作培訓(xùn)。