煤化工-煤制甲醇行業(yè)的操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)

1、杭州坤天自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司煤化工-煤制甲醇行業(yè)的操作員 培訓(xùn)仿真系統(tǒng)OTS煤化工-煤制甲醇行業(yè)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)1煤制甲醇仿真系統(tǒng)杭州坤天自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司的煤制甲醇仿真系統(tǒng)以實(shí)際工廠60萬(wàn)噸煤制 甲醇生產(chǎn)過(guò)程為原型，基于坤天奧秘仿真回嚴(yán)格機(jī)理模型平臺(tái)開(kāi)發(fā)而成，涵蓋 工藝范圍包括：煤氣化工段、變換工段、凈化工段、甲醇合成工段、甲醇精儲(chǔ) 工段以及二甲醛工段，是國(guó)內(nèi)首套完整的煤化工全流程仿真模擬軟件。坤天煤 制甲醇仿真教學(xué)軟件可用于教學(xué)和工藝培訓(xùn)，包括正常操作、冷態(tài)開(kāi)車、正常 停車、各種故障處理方式等內(nèi)容的培訓(xùn)，已在多家院校及企業(yè)得到應(yīng)用。注：下文中所述OTS (Operator Training S

2、ystem),即仿真系統(tǒng)。1.1 仿真系統(tǒng)部署方式系統(tǒng)采用企業(yè)級(jí)班組制方案進(jìn)行培訓(xùn)，因此部署方式上分為3大部分：服務(wù)器機(jī)房：一般位于整個(gè)仿真培訓(xùn)室的角落，用來(lái)部署仿真服務(wù)器，進(jìn)行 企業(yè)級(jí)流程模型的計(jì)算；教員站：對(duì)仿真服務(wù)器中的模型進(jìn)行操作，如啟停，選擇初始狀態(tài)，進(jìn)行技 能鑒定，干預(yù)受訓(xùn)人員操作，在線設(shè)置各類設(shè)備故障等；學(xué)員操作站：在工廠模式下，由于流程非常復(fù)雜，完成某個(gè)操作或者過(guò)程學(xué) 員之間是相互協(xié)作的，系統(tǒng)的考評(píng)是基于整組學(xué)員總體操作來(lái)評(píng)定的。一般來(lái) 說(shuō)。仿真培訓(xùn)室規(guī)劃可采用下面圖示：下圖是軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和部署圖：工程師站攆作員站操作員站操作員站1.2 仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)采用機(jī)理模型

3、對(duì)整體工藝和各個(gè)工況進(jìn)行模擬。建立的工藝模型 應(yīng)和工廠裝置的穩(wěn)定狀態(tài)完全匹配，并逼真再現(xiàn)工廠裝置的各類動(dòng)態(tài)特性，實(shí) 現(xiàn)對(duì)工廠裝置動(dòng)態(tài)模擬。仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括設(shè)備、裝置、控制和工藝模型四大要素。工藝模型的嚴(yán)格機(jī)理建?；跈C(jī)理模型的建模仿真系統(tǒng)，可幫助工廠人員全面地熟悉的生產(chǎn)裝置和工 藝，掌握動(dòng)態(tài)工藝特性，積累操作經(jīng)驗(yàn)，提高處理異常事故的能力，保證生產(chǎn) 裝置的順利投產(chǎn)，維護(hù)正常的生產(chǎn)操作。平臺(tái)不是一般意義上的穩(wěn)態(tài)過(guò)程模擬 而是全面的動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬?；诰_的化工三傳一反原理，成為了一套可以幫 助工程師研究探索工藝過(guò)程、進(jìn)行工況研究、發(fā)現(xiàn)工藝瓶頸、尋找最佳操作程 序、進(jìn)行故障分析和控制策略研究的工具，

4、也成為了幫助工廠操作人員積累操 作經(jīng)驗(yàn)、熟悉工藝、提高操作技能的培訓(xùn)工具。1.3 仿真平臺(tái)特點(diǎn)仿真系統(tǒng)保證了下述主要功能： 模型選擇 凍結(jié)和取消凍結(jié) 初始狀態(tài)選擇 快照/回溯和回放 教師變量 故障 遠(yuǎn)程功能 加快和減慢模型操作 實(shí)時(shí)和歷史的趨勢(shì) 自動(dòng)化的培訓(xùn)練習(xí)或情景 操作員和教師事件記錄 操作員培訓(xùn)績(jī)效監(jiān)控模型選擇應(yīng)用鍵盤或鼠標(biāo)，教師可從模型選擇列表中容易地選擇和運(yùn)行任何一個(gè)可 用的模型。凍結(jié)和取消凍結(jié)模擬可十分容易地在任何時(shí)刻暫停，然后再繼續(xù)運(yùn)行。OTS系統(tǒng)模擬架構(gòu)可 確保所有模型的“引擎”是完全時(shí)間同步地從教員站啟動(dòng)和停止模擬，以保證 所有的模型暫停在同一狀態(tài)，為“繼續(xù)”命令做好準(zhǔn)備。初

5、始狀態(tài)選擇教師易于從可用的初始狀態(tài)中為模擬選擇初始狀態(tài)（IC）?？商峁┑某跏紶?態(tài)包括：裝置的穩(wěn)態(tài)模擬設(shè)計(jì)狀態(tài)；“冷啟動(dòng)”狀態(tài)，即假定裝置在周圍環(huán)境 狀態(tài)中且有設(shè)備逐步減壓和逐步清庫(kù)或無(wú)效的和準(zhǔn)備加氣?？蔀镺TS操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)創(chuàng)建和存貯多個(gè)初始狀態(tài)（IC）。除了初始狀 態(tài)之外，OTS操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)還有能力存貯“Backtrack/回溯”?；厮莸?最大數(shù)目及其存貯的頻率是可配置的。初始狀態(tài)和回溯的數(shù)目?jī)H受制于每一個(gè) 建模計(jì)算機(jī)的存貯空間（Snapshots/快照和回溯存貯在本地計(jì)算機(jī)，以減少 重新調(diào)用和保存的時(shí)間）?？煺?回溯記錄了模型引擎的所有內(nèi)在狀態(tài)以及輸入 和輸出，故而系統(tǒng)的性能與

6、當(dāng)初記錄時(shí)的原始進(jìn)程完全相同?？煺瘴募c模型 配置文件獨(dú)立保存，這意味著用先前模型配置拍的模型快照仍然可以在一個(gè)更 新版的模型中使用。快照/回溯教師可在模擬器操作中的任何時(shí)間拍快照。這些快照將作為額外的初始狀 態(tài)保存在磁盤上，以備將來(lái)使用。教師也將能夠根據(jù)預(yù)定的時(shí)間間隔回溯和重 新初始化模擬器，并查看發(fā)生在受訓(xùn)人員的模擬中的特定的過(guò)程事件。模擬器 通過(guò)再現(xiàn)教師和/或受訓(xùn)人員的行動(dòng)，從任何快照狀態(tài)開(kāi)始，為教師回放培訓(xùn) 進(jìn)程。教師變量教師變量用于那些發(fā)生在不在DCS操作工或現(xiàn)場(chǎng)操作工的控制之下的變化 （如進(jìn)口端物流的失壓或物料供應(yīng)組成的變化，以及設(shè)備失效）。教師站可訪問(wèn) 在EzSim架構(gòu)中所配置的

7、任何模擬引擎中的任何參數(shù)。教師可通過(guò)教師站來(lái)激 活過(guò)程模型中的“故障”，或?qū)\(yùn)行中的過(guò)程模型，如現(xiàn)場(chǎng)操作等，進(jìn)行其它 修改。故障教師可以為任一學(xué)員設(shè)置故障經(jīng)典的故障包括：失效（包括以外的開(kāi)和關(guān)）、 零點(diǎn)漂移、控制閥開(kāi)關(guān)、連鎖出口、堵塞、冷卻水等。遠(yuǎn)程功能遠(yuǎn)程功能是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作裝置的模擬，這些裝置可被教肺或擔(dān)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)操作員 的一個(gè)人所激活或失活，如關(guān)閉一個(gè)截止閥，打開(kāi)一個(gè)旁通閥或打開(kāi)/停止一 個(gè)泵。教師將可以選擇和預(yù)選定現(xiàn)場(chǎng)操作裝置，如馬達(dá)的開(kāi)/關(guān)，閥的打開(kāi)/ 關(guān)閉等。加快和減慢模型操作系統(tǒng)允許教師加快或減慢模擬的速度。由于模擬的架構(gòu)在模擬“引擎”中 是完全時(shí)間同步的，在模擬的速度變化后，不論是比實(shí)

8、際的更快，還是更慢， OTS操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)均保持完全的步調(diào)一致。模擬運(yùn)行得比實(shí)際更快的能力 僅受限于承擔(dān)模擬的計(jì)算機(jī)的處理能力。實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)教師站還擁有顯示各培訓(xùn)操作員站的不同趨勢(shì)的功能。所有的過(guò)程變量和 主要測(cè)量的模擬變量均可作趨勢(shì)圖。由于HMI人機(jī)界面是DCS系統(tǒng)的一個(gè)完全 相同的翻版，所有在DCS的HMI中可用的趨勢(shì)圖均可在OTS操作員仿真培訓(xùn)系 統(tǒng)中可用。報(bào)警管理及其它的事件管理也可根據(jù)需要連接到OTS操作員仿真培 訓(xùn)系統(tǒng)上，并將像其在DCS上那樣完全一樣的運(yùn)作。然而，由于DCS和OTS操 作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)行于不同的時(shí)鐘（模擬時(shí)間與實(shí)際時(shí)間），OTS操作員仿真 培訓(xùn)系統(tǒng)操作員控

9、制臺(tái)的趨勢(shì)/歷史并不真正表示模擬所經(jīng)過(guò)的真實(shí)時(shí)間。在 教師站內(nèi)，任何OTS操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)模型變量均可包含在趨勢(shì)中而自動(dòng)地 保存在數(shù)據(jù)服務(wù)器中。然后，任何趨勢(shì)信息可在趨勢(shì)中或在數(shù)據(jù)管理器中進(jìn)行 修改。比例尺、時(shí)間間隔、趨勢(shì)顏色和符號(hào)均可由教師定義和變換。教師站的 歷史趨勢(shì)信息隨每個(gè)初始狀態(tài)和回溯保存，可在OTS操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)操作 中查看和恢復(fù)。由于教師站是連接于模擬時(shí)鐘的，故教師的趨勢(shì)準(zhǔn)確地代表了 模擬所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，而與當(dāng)前的模擬速度無(wú)關(guān)。自動(dòng)化的培訓(xùn)或練習(xí)一個(gè)自動(dòng)化的培訓(xùn)練習(xí)或情景是一個(gè)可用于自動(dòng)培訓(xùn)順序/進(jìn)程的安排好 順序的教師變量和/或故障。自動(dòng)化培訓(xùn)練習(xí)可人工地在可視化建模環(huán)境中

10、書 寫。在任何培訓(xùn)進(jìn)程中，所需的任何數(shù)量的情景可在任何時(shí)間進(jìn)行運(yùn)行。操作員和教師事件記錄操作員和教師事件日志將由教員站功能所承擔(dān)。該功能包括情景、初始狀 態(tài)管理器、培訓(xùn)績(jī)效監(jiān)控，讓教員可在模擬操作的任何時(shí)間引入預(yù)先選擇的培 訓(xùn)操作。教員可回溯其所建立的初始狀態(tài)和回溯的狀態(tài)。教師還可發(fā)起培訓(xùn)情 景，該情景提供了在設(shè)定時(shí)間，配置和重復(fù)一套教師操作的能力，包括泵失 效、閥失靈等故障，裝料、時(shí)間設(shè)置或觸發(fā)器(或重設(shè))或時(shí)間延遲操作。此外，教師還可創(chuàng)建獨(dú)立的進(jìn)程，以自動(dòng)化的或手動(dòng)地測(cè)試操作員在工廠 操作中的績(jī)效一一自動(dòng)化的受訓(xùn)人員練習(xí)。操作員培訓(xùn)績(jī)效監(jiān)控該功能記錄了操作員的績(jī)效，這些績(jī)效是基于若干不同的

11、計(jì)分機(jī)制及 權(quán)重的“關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)”，為教師提供了查看操作員績(jī)效的一套客觀的記 分機(jī)制。這些記分也可保存以用于歷史數(shù)據(jù)查看和/或打印以便分析。1.4 煤制甲醇仿真的工藝內(nèi)容杭州坤天自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司的煤制甲醇仿真軟件模擬的是60萬(wàn)噸煤制甲 醇全流程的生產(chǎn)過(guò)程，建立了如下工藝模型：煤氣化工藝模型、變換工藝模型、 凈化工藝模型、甲醇合成工藝模型、甲醇精館工藝模型以及二甲醛工藝模型。(1)殼牌煤氣化工藝模型煤氣化工藝模型采用殼牌干煤粉加壓氣化技術(shù)，核心設(shè)備是殼牌(Shell) 氣化爐。煤氣化工段主要包括煤氣化和合成氣冷卻工序、除渣工序、飛灰脫除 工序、濕洗工序以及初步水處理工序，該工段應(yīng)包括煤粉加壓及

12、給料系統(tǒng)、氣 化爐燒嘴-氧氣/蒸汽/冷卻水進(jìn)料系統(tǒng)、煤氣冷卻及洗滌凈化系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、除 灰/汽提/冷卻系統(tǒng)、氣化劑(氧氣/蒸汽)系統(tǒng)(含汽包)、液壓系統(tǒng)。其工藝 流程依次包括：(1)煤的加壓和進(jìn)料(2)氣化和合成氣冷卻(3)渣的除去和處理(4)飛灰的除去和處理(5)合成氣洗滌系統(tǒng)(6)廢水的氣提和澄清(7)燒嘴循環(huán)水系統(tǒng)流程煤氣化工藝模型模擬正常運(yùn)行、冷態(tài)開(kāi)車、穩(wěn)態(tài)停車的過(guò)程，同時(shí)還模擬了 故障包括： 故障1高壓粉煤倉(cāng)B的N2調(diào)節(jié)閥泄漏 故障2高壓粉煤倉(cāng)A的N2進(jìn)料降低 故障3渣池水冷卻器的循環(huán)水上水閥堵塞 故障4渣池水冷卻器循環(huán)水上水閥泄漏 故障5鹽酸進(jìn)料閥泄露 故障6回流泵去灰漿氣體塔的

13、進(jìn)樣閥堵塞（2）變換工藝模型變換工藝模型變換系統(tǒng)采用中低溫變換工藝，模擬的是把氣化工序送來(lái)的經(jīng) 洗滌塔洗滌冷卻后合格的粗煤氣送入變換工段，經(jīng)部分耐硫變換，與未參加變 換的粗煤氣混合得到有效氣H2/CO2.2的變換氣，同時(shí)回收部分變換反應(yīng)熱, 副產(chǎn)低壓蒸汽、預(yù)熱鍋爐給水及脫鹽水等物料。變換工藝模型模擬正常運(yùn)行、冷態(tài)開(kāi)車、穩(wěn)態(tài)停車的過(guò)程，同時(shí)模擬的故障 包括： 故障1粗煤氣進(jìn)料量過(guò)大 故障2中壓蒸汽進(jìn)汽流量控制閥泄漏 故障3氣液分離器的排液閥堵塞 故障4氣液分離器的排液閥泄漏 故障5變換氣水冷器的進(jìn)水量過(guò)小 故障6脫鹽水槽的排液閥堵塞 故障7脫鹽水槽的排液閥泄漏（3）凈化工藝模型凈化工藝模型模擬的

14、是低溫甲醇洗系統(tǒng)，以冷甲醇為吸收溶劑，利用甲醇在 低溫下對(duì)酸性氣體溶解度極大的優(yōu)良特性，將氣化過(guò)程產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)預(yù)洗滌和變 換的粗煤氣中的酸性氣體CO2, H2s和COS去除。其工藝流程依次包括：（1） 原料氣的預(yù)冷（2） H2S/CO2氣體脫除（3）富液的膨脹閃蒸（4） CO2氣體的 解吸及H2s濃縮（5）甲醇再生（6）甲醇/水分離凈化工藝模型模擬正常運(yùn)行、冷態(tài)開(kāi)車、穩(wěn)態(tài)停車的過(guò)程，同時(shí)模擬的故障 包括： 故障1甲醇噴淋閥卡 故障2泄壓閥卡 故障3排液閥卡 故障4熱再生塔回流液的溫度升高 故障5甲醇富液泵故障 故障6氣提氮?dú)夤收?故障7水分離塔的液位過(guò)低(4)甲醇合成工藝模型甲醇合成工藝模型模擬

15、是甲醇合成過(guò)程：將原料氣通過(guò)加壓后送入反應(yīng)器反 應(yīng)合成甲醇。來(lái)自低溫甲醇洗工段的新鮮氣進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)壓縮升壓，與循 環(huán)氣混合，進(jìn)入塔前預(yù)熱器，在塔前預(yù)熱器中被來(lái)自甲醇反應(yīng)器出口的氣體加 熱，合成氣預(yù)熱后由頂部進(jìn)入甲醇反應(yīng)器，在此，氫氣、一氧化碳、二氧化碳 按照以下反應(yīng)式轉(zhuǎn)化為甲醇。甲醇合成工藝模型模擬正常運(yùn)行、冷態(tài)開(kāi)車、穩(wěn)態(tài)停車的過(guò)程，同時(shí)模擬的 故障包括： 故障1汽包液位過(guò)低 故障2出料自動(dòng)腳泄露 故障3汽包壓力控制閥泄露 故障4醇回收塔塔頂壓力控制閥堵塞 故障5醇回收塔塔頂壓力控制閥泄露 故障6粗醇中間罐液位控制閥泄露 故障7粗甲醇泵故障(5)甲醇精餌工藝模型甲醇精儲(chǔ)工藝模型模擬的是甲醇

16、系統(tǒng)的粗甲醇的精儲(chǔ)過(guò)程，采用三塔精館工 藝。從甲醇合成膨脹槽來(lái)的粗甲醇進(jìn)入精儲(chǔ)系統(tǒng)。精儲(chǔ)系統(tǒng)由預(yù)精儲(chǔ)塔、加壓 塔、常壓塔組成。預(yù)精館塔塔底出來(lái)的富甲醇液經(jīng)加壓后進(jìn)入加壓塔下部，加 壓塔塔頂氣體經(jīng)冷凝后，一部分作為回流，一部分作為產(chǎn)品甲醇送入貯存系統(tǒng)。 由加壓塔底出來(lái)的甲醇溶液自流入常壓塔下塔進(jìn)一步蒸儲(chǔ)，常壓塔頂出來(lái)的回 流液一部分回流，一部分作為精甲醇經(jīng)泵送入貯存系統(tǒng)。常壓塔底的含甲醇的 廢水送入磨煤工段作為磨煤用水。在常壓塔下部設(shè)有側(cè)線采出，采出甲醇、乙 醇和水的混合物，由汽提塔進(jìn)料泵送入汽提塔，汽提塔塔頂液體產(chǎn)品部分回流, 其余部分作為產(chǎn)品送至精甲醇中間槽或送至粗甲醇貯槽。甲醇精儲(chǔ)工藝模型

17、模擬正常運(yùn)行、冷態(tài)開(kāi)車、穩(wěn)態(tài)停車的過(guò)程，同時(shí)模擬的 故障包括： 故障1預(yù)精儲(chǔ)塔塔頂溫度偏高 故障2塔塔頂壓力偏高 故障3中壓精福塔塔底部溫度低 故障4精甲醇產(chǎn)品不合格 故障5進(jìn)料閥堵塞 故障6閥門泄露 故障7預(yù)精儲(chǔ)塔出換熱器溫度過(guò)高 故障8緊急停車（6）二甲醛工藝模型二甲醛工藝模型模擬的是甲醇制二甲醛生產(chǎn)工藝過(guò)程：可分為反應(yīng)、精儲(chǔ) 和汽提三大工序。（D反應(yīng)工序包括甲醇預(yù)熱、汽化和甲醇脫水反應(yīng)及粗甲醛收 集。原料甲醇經(jīng)預(yù)熱后在汽化塔內(nèi)被汽化成甲醇蒸汽，甲醇蒸汽與反應(yīng)產(chǎn)品進(jìn) 行熱交換升溫后進(jìn)入反應(yīng)器，同時(shí)氣體換熱器還提供150甲醇冷激蒸汽。甲醇 蒸汽在催化劑和一定溫度條件下進(jìn)行分子間的脫水反應(yīng)。（

18、2）精儲(chǔ)工序：反應(yīng)出 來(lái)的粗甲酸（含甲醇、二甲酸、水）用泵送入精館塔，塔頂?shù)玫降亩兹├淠?液部分回流，部分經(jīng)分析合格后作為產(chǎn)品采出。精儲(chǔ)塔釜液貯罐的水甲醇溶液, 少量作為洗滌塔吸收液使用，大部分返回反應(yīng)工段的汽化塔分離甲醇和水，在 塔頂?shù)玫郊状挤祷叵到y(tǒng)使用。（3）氣提工序：從汽化塔塔釜來(lái)的含醇廢水進(jìn)入汽 提塔，經(jīng)汽提分離后塔頂?shù)玫降拇旨状?，冷凝后大部分回流到汽提塔，少量?出送甲醇中間罐循環(huán)使用。汽提塔塔釜的工藝廢水，經(jīng)冷卻后去污水系統(tǒng)。二甲醛工藝模型模擬正常運(yùn)行、冷態(tài)開(kāi)車、穩(wěn)態(tài)停車的過(guò)程，同時(shí)模擬的故障包括：障障障障障障障 故 故故故 故故故1甲醇進(jìn)料閥卡2反應(yīng)器入口溫度調(diào)節(jié)閥卡3氣化塔中

19、壓蒸汽閥開(kāi)度小4精福塔塔釜液位偏低5洗滌塔液位偏低6汽提塔去甲醇中間罐的甲醇含量不合格7反應(yīng)器漏氣2 工廠定制項(xiàng)目實(shí)施步驟2.1 綜述所謂工廠定制，即根據(jù)工廠實(shí)際工藝流程及需要的培訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行仿真系統(tǒng) 的定制化服務(wù)，提供跟工廠實(shí)際1:1定制化的仿真系統(tǒng)。本章描述定制服務(wù)的項(xiàng) 目實(shí)施步驟，并且針對(duì)關(guān)鍵步驟進(jìn)行詳細(xì)描述。下表是項(xiàng)目實(shí)施步驟說(shuō)明：開(kāi)工會(huì)和開(kāi)工會(huì)前的工作1）開(kāi)工會(huì)前的工作,成立項(xiàng)目小組，確定小組成員和職責(zé),初始項(xiàng)目計(jì)劃制定/項(xiàng)目工作分配/工藝流程圖和工藝審核,技術(shù)資料數(shù)據(jù)準(zhǔn)備2）開(kāi)工會(huì),項(xiàng)目工作組介紹,審核項(xiàng)目工作范圍 ,審核項(xiàng)目計(jì)劃 ,項(xiàng)目開(kāi)展需求數(shù)據(jù)的提交 ,討論和澄清已獲取的資料和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理,客戶企業(yè)按要求提供相關(guān)數(shù)據(jù)信息,數(shù)據(jù)可靠性確認(rèn)與審查,穩(wěn)態(tài)工況的確認(rèn)與審核建模,根據(jù)各實(shí)施階段具體裝置的不同,對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)建模O模型測(cè)試（MAT）,模型測(cè)試方案的發(fā)布/模型驗(yàn)收測(cè)試/靜態(tài)模型校核,動(dòng)態(tài)模