煤化工-煤制甲醇行业的操作员培训仿真系统.pdf

杭州 坤 天 煤化工 -煤制甲醇 行业的 仿真培训系统 1 煤制甲醇仿真系统 煤制甲醇仿真系统 以实际工厂 60 万吨煤制甲醇生产过程为原型， 基于机理模型平台开发而成，涵盖工艺范围包括：煤气化工段、变换工段、净化工段、甲醇合成工段、甲醇精馏工段以及二甲醚工段，是国内首套完整的煤化工全流程仿真模拟软件煤制甲醇仿真教学软件可用于教学和工艺培训，包括正常操作、冷态开车、正常停车、各种故障处理方式等内容的培训，已在 多家院校及企业 得到应用 注：下文中所述 OTS（ Operator Training System），即仿真系统 1.1 仿真系统部署方 式 系统采用企业级班组制方案进行培训，因此部署方式上分为 3 大部分： 服务器机房：一般位于整个仿真培训室的角落，用来部署仿真服务器，进行企业级流程模型的计算； 教员站：对仿真服务器中的模型进行操作，如启停，选择初始状态，进行技能鉴定，干预受训人员操作，设置各类设备故障等； 学员操作站：在工厂模式下，由于流程非常复杂，完成某个操作或者过程学员之间是相互协作的，系统的考评是基于整组学员总体操作来评定的一般来说仿真培训室规划可采用下面图示： 讲 台投 影教 师 位学 员 位学 员 位学 员 位学 员 位学 员 位学 员 位学 员 位学 员 位学 员 位学 员 位学 员 位学 员 位学 员 位学 员 位交 换 机 等网 络 设 备 杭州 坤 天 下图 是软件系统的总体结构和部署图： 打 印 机教 师 站场 景 组 态 站模 型 服 务 器以 太 网 ( T C P / I P )操 作 员 站虚 拟 D C S服 务 器工 程 师 站现 场 操 作 员 站交 换 机交 换 机以 太 网 ( T C P / I P )操 作 员 站操 作 员 站1.2 仿真系统的设计 仿真系统采用机理模型对整体工艺和各个工况进行模拟。

建立的 工艺模型应和 工厂 装置的稳定状态完全匹配，并逼真再现 工厂 装置的各类动态特性，实现对 工厂 装置动态模拟 仿真系统的设计包括设备、装置、控制和工艺模型四大要素 工艺模型的严格机理建模 基于机理模型的建模仿真系统，可帮助 工厂 人员全面地熟悉的生产装置和工艺，掌握动态工艺特性，积累操作经验，提高处理异常事故的能力，保证生产装置的顺利投产，维护正常的生产操 作平台不是一般意义上的稳态过 程模拟而是全面的动态过程模拟基于精确的化工三传一反原理 ，成为了一套可以帮助工程师研究探索工艺过程、进行工况研究、发现工艺瓶颈、寻找最佳操作程序、进行故障分析和控制策略研究的工具，也成为了帮助工厂操作人员积累操作经验、熟悉工艺、提高操作技能的培训工具 1.3 仿真平台特点 仿真系统保证了下述主要功能：  模型选择 杭州 坤 天  冻结和取消冻结  初始状态选择  快照／回溯和回放  教师变量  故障  远程功能  加快和减慢模型操作  实时和历史的趋势  自动化的培训练习或情景  操作员和教师事件记 录  操作员培训绩效监控 模型选择 应用键盘或鼠标，教师可从模型选择列表中容易地选择和运行任何一个可用的模型。

冻结和取消冻结 模拟可十分容易地在任何时刻暂停，然后再继续运行 OTS 系统模拟架构可确保所有模型的“引擎”是完全时间同步地从教员站启动和停止模拟，以保证所有的模型暂停在同一状态，为“继续”命令做好准备 初始状态选择 教师易于从可用的初始状态中为模拟选择初始状态（ IC）可提供的初始状态包括： 装置的稳态模拟设计状态；“冷启动”状态，即假定装置在周围环境状态中且有设备逐步减压和逐步清库或无效的 和准备加气 可为 OTS 操作员仿真培训系统创建和存贮多个初始状态（ IC）除了初始状态之外， OTS操作员仿真培训系统还有能力存贮 “Backtrack ／回溯 ” 回溯的最大数目及其存贮的频率是可配置的初始状态和回溯的数目仅受制于每一个建模计算机的存贮空间（ Snapshots／快照和回 溯存贮在本地计算机，以减少重新调用和保存的时间）快照／回溯记录了模型引擎的所有内在状态以及输入和输出，故而系统的性能与当初记录时的原始进程完全相同快照文件与模型配置文件独立保存，这意味着用先前模型配置拍的模型快照仍然可以在一 个更新版的模型中使用 快照 / 回溯 杭州 坤 天 教师可在模拟器操作中的任何时间拍快照。

这些快照将作为额外的初始状态保存在磁盘上，以备将来使用 教师也将能够根据预定的时间间隔回溯和重新初始化模拟器，并查看发生在受训人员的模拟中的特定的过程事件 模拟器通过再现教师和／或受训人员的行动，从任何快照状态开始，为教师回放培训进程 教师变量 教师变量用于那些发生在不在 DCS 操作工或现场操作工的控制之下的变化（如进口端物流的失压或物料供应组成的变化，以及设备失效）教师站可访问在 EzSim 架构中所配置的任何模拟引擎中的任 何参数教师可通过教师站来激活过程模型中的 “ 故障 ” ，或对运行中的过程模型，如现场操作等，进行其它修改 故障 教师可以为任一学员设置故障经典的故障包括：失效（包括以外的开和关）、零点漂移、控制阀开关、连锁出口、堵塞、冷却水等 远程功能 远程功能是对现场操作装置的模拟，这些装置可被教师或担当现场操作员的一个人所激活或失活，如关闭一个截止阀，打开一个旁通阀或打开／停止一个泵教师将可以选择和预选定现场操作装置，如马达的开／关，阀的打开／关闭等 加快和减慢模型操作 系统允许教师加快或减慢模拟的速度由于模拟 的架构在模拟 “ 引擎 ” 中是完全时间同步的，在模拟的速度变化后，不论是比实际的更快，还是更慢， OTS 操作员仿真培训系统均保持完全的步调一致。

模拟运行得比实际更快的能力仅受限于承担模拟的计算机的处理能力 实时和历史趋势 教师站还拥有显示各培训操作员站的不同趋势的功能所有的过程变量和主要测量的模拟变量均可作趋势图 由于 HMI 人机界面是 DCS 系统的一个完全相同的翻版，所有在 DCS的 HMI 中可用的趋势图均可在 OTS 操作员仿真培训系统中可用报警管理及其它的事件管理也可根据需要连接到 OTS 操作员仿真培训系统上，并 将像其在 DCS 上那样完全一样的运作然而，由于 DCS 和 OTS 操作员仿真培训系统运行于不同的时钟（模拟时间与实际时间）， OTS操作员仿真培训系统操作员控制台的趋势／历史并不真正表示模拟所经过的真实时间 在教师站内，任何 OTS 操作员仿真培训系统模型变量均可包含在趋势中而自动地保存在数据服 杭州 坤 天 务器中然后，任何趋势信息可在趋势中或在数据管理器中进行修改比例尺、时间间隔、趋势颜色和符号均可由教师定义和变换教师站的历史趋势信息随每个初始状态和回溯保存，可在 OTS 操作员仿真培训系统操作中查看和恢复由于教师站是连接于 模拟时钟的，故教师的趋势准确地代表了模拟所经过的时间，而与当前的模拟速度无关。

自动化的培训或练习 一个自动化的培训练习或情景是一个可用于自动培训顺序／进程的安排好顺序的教师变量和／或故障自动化培训练习可人工地在可视化建模环境中书写在任何培训进程中，所需的任何数量的情景可在任何时间进行运行 操作员和教师事件记录 操作员和教师事件日志将由教员站功能所承担该功能包括情景、初始状态管理器、培训绩效监控，让教员可在模拟操作的任何时间引入预先选择的培训操作 教员可回溯其所建立的初始状态和回溯的状态教师还 可发起培训 ‘ 情景 ’ ，该情景提供了在设定时间，配置和重复一套教师操作的能力，包括泵失效、阀失灵等故障，装料、时间设置或触发器（或重设）或时间延迟操作 此外，教师还可创建独立的进程，以自动化的或手动地测试操作员在工厂操作中的绩效—— ‘ 自动化的受训人员练习 ’ 操作员培训绩效监控 该功能记录了操作员的绩效，这些绩效是基于若干不同的 ‘ 计分 ’ 机制及权重的 “ 关键绩效指标 ” ，为教师提供了查看操作员绩效的一套客观的 ‘ 记分 ’ 机制这些 ‘ 记分 ’ 也可保存以用于历史数据查看和／或打印以便分析 1.4 煤制甲醇 仿真的 工艺 内容 煤制甲 醇仿真软件模拟的是 60 万吨煤制甲醇全流程的生产过程，建立了如下工艺模型：煤气化工艺模型、变换工艺模型、净化工艺模型、甲醇合成工艺模型、甲醇精馏工艺模型以及二甲醚工艺模型。

（ 1） 壳牌煤气化工艺模型 煤气化 工艺模型 采用 壳牌 干煤粉加压气化技术，核心设备是壳牌（ Shell）气化炉煤气化工段主要包括煤气化和合成气冷却工序、除渣工序、飞灰脱除工序、湿洗工序以及初步 杭州 坤 天 水处理工序，该工段应包括煤粉加压及给料系统、气化炉烧嘴 -氧气 /蒸汽 /冷却水进料系统、煤气冷却及洗涤净化系统、除渣系统、除灰 /汽提 /冷却系统、气化剂（氧气 /蒸汽） 系统（含汽包） 、液压系统 其工艺流程依次包括： （ 1） 煤的加压和进料 （ 2） 气化和合成气冷却 （ 3） 渣的除去和处理 （ 4） 飞灰的除去和处理 （ 5） 合成气洗涤系统 （ 6） 废水的气提和澄清 （ 7） 烧嘴循环水系统流程 （ 2） 变换工艺模型 变换工艺模型变换 系统 采用 中低温变换 工艺，模拟的是把气化工序送来的经洗涤塔洗涤冷却后合格的粗煤气送入变换工段，经部分耐硫变换，与未参加变换的粗煤气混合得到有效气 H2/CO≈ 2.2 的变换气，同时回收部分变换反应热 ,副产低压蒸汽、预热锅炉给水及脱盐水等物料 （ 3） 净化工艺模型 净化工艺模型模拟的是 低温甲醇洗系统 ， 以冷甲醇为吸收溶剂，利 用甲醇在低温下对酸性气体溶解度极大的优良特性， 将气化过程产生的经过预洗涤和变换的粗煤气中的酸性气体CO2， H2S 和 COS 去除。

其工艺流程依次包括：（ 1）原料气的预冷（ 2） H2S/CO2 气体脱除（ 3）富液的膨胀闪蒸（ 4） CO2 气体的解吸及 H2S 浓缩（ 5）甲醇再生（ 6）甲醇 /水分离 （ 4） 甲醇合成工艺模型 甲醇合成工艺模型模拟是甲醇合成过程：将原料气通过加压后送入反应器反应合成甲醇来自低温甲醇洗工段的新鲜气进入合成气压缩机压缩升压，与循环气混合，进入塔前预热器，在塔前预热器中被来自甲醇反应器出口的气体加热，合成气预 热后由顶部进入甲醇反应器，在此，氢气、一氧化碳、二氧化碳按照以下反应式转化为甲醇 杭州 坤 天 （ 5） 甲醇精馏工艺模型 甲醇精馏工艺模型模拟的是甲醇系统的粗甲醇的精馏过程，采用三塔精馏工艺 从甲醇合成膨胀槽来的粗甲醇进入精馏系统精馏系统由预精馏塔、加压塔、常压塔组成 预精馏塔塔底出来的富甲醇液经加压后进入加压塔下部，加压塔塔顶气体经冷凝后，一部分作为回流，一部分作为产品甲醇送入贮存系统由加压塔底出来的甲醇溶液自流入常压塔下塔进一步蒸馏，常压塔顶出来的回流液一部分回流，一部分作为精甲醇经泵送入贮存系统常压塔底的含甲醇的废 水送入磨煤工段作为磨煤用水在常压塔下部设有侧线采出，采出甲醇、乙醇和水的混合物，由汽提塔进料泵送入汽提塔，汽提塔塔顶液体产品部分回流，其余部分作为产品送至精甲醇中间槽或送至粗甲醇贮槽。

（ 6） 二甲醚工艺模型 二甲醚工艺模型模拟的是甲醇制二甲醚生产工艺过程：可分为反应、精馏和汽提三大工序 1）反应工序包括甲醇预热、汽化和甲醇脱水反应及粗甲醚收集原料甲醇经预热后在汽化塔内被汽化成甲醇蒸汽，甲醇蒸汽与反应产品进行热交换升温后进入反应器，同时气体换热器还提供 150℃甲醇冷激蒸汽甲醇蒸汽在催化剂和一定温度条件下进行 分子间的。