（化学工程专业论文）改建丙烯腈装置仿真培训系统的开发.pdf

人连理j ：人学专业硕士学位论文 摘要 吉化集团公司丙烯腈装置是该公司的主要装置之一，原生产能力为8 力_ 吨年，根 据市场需要，公司决定扩产到1 0 6 力吨年，并再建一套同样的装置。该装置的系统十 分复杂，操作难度大，要求高，为了搞好扩产装置的人员培训，由吉化教育培训中心提 出，并报集团公司批准，决定由吉化教育培训中心仿真室主持开发一套该装置的全流程 仿真培训系统，该培训系统对确保扩产装置的成功开车和平稳高效运行具有重要的意 义。 本文在总结了国内外化工仿真技术发展的基础上，对丙烯腈装置仿真培训系统的结 构、技术原理、设计思想及丌发过程、建模方法和部分单元数学模型的建立与求解进行 了详细的介绍。 该项工作在综合运用国内外最先进的化工仿真培训系统的丌发方法的基础上，针对 装置的实际情况在丌发手段上又有了适当的创新，体系统结构优化合理，灵活，实现了 d c s 的逼真模拟，具有通用且较为- 丌放的运行环境，为技术人员的二次丌发提供了有力 保障，该系统对改进现有的培训方式，提高培训效率具有十分积极的意义。 由于水平和技术条件的限制，该系统一定存在着许多不足，需在今后的应用中不断 的改进和完善。 关键词：丙烯腈生产，仿真系统，过程开发，系统模拟 秦墅君：改建丙烯装置仿真培训系统的开发 d e v e l o p m e n to f s i m u l a t i o ns y s t e m f o rt h er e b u i l d i n gp r o c e s so f a c r y l o n i t r i l e a b s t r a c t a c r y l o n i t r i l ep r o d u c t i o nu n i ti st h em a i np l a n to fj i l i nc h e m i c a lg r o u pc o r p o r a t i o n ( j c g c ) ，w h i c ho l dt h r o u g h p u ti s8 0 ，0 0 0 t y r i no r d e rt oa d a p tt h ed e m a n do ft h em a r k e t , j c g cd e c i d e dt oe n l a r g et h et h r o u g h p u tt o1 0 6 ，0 0 0 t y r b e c a u s et h i sp r o d u c t i o nu n i ti sv e r y c o m p l e xa n dh a r dt ob eo p e r a t e d w ew i l ld e v e l o pas i m u l a t i o ns y s t e mf o rt h ep r o c e s so f a c r y l o n t r i l ep r o d u c t i o n 砸sp r o g r a mi sp u tf o r w a r db yv o c a t i o n a le d u c a t i o na n dt r a i n i n g c e n t e ro fj c g ca n dc o n f o r m e db yp r o g r a md e p a r t m e n to fj c o c 1 1 l i ss y s t e mi sa l l i m p o r t a n tb a s i sf o r t h en e wp l a n t o nt h eb a s i so fab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ed e v e l o po fc h e m i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rg a v eae l a b o r a t ei n t r o d u c t i o nt ot h es t r u c t u r e ，t e c h n i c a lp f i n c i p l e ，d e s i g np h i l o s o p h y a n dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h ee s t a b l i s h i n ga n ds o l v i n go fs o m eu n i t sm a t h e m a t i c a l m o d e l 1 1 l i ss y s t e mu s e dm v a n e e d d e v e l o p i n gm e t h o d a n ds y s t e ma r c h i t e c t u r ei sr a t i o n a l l ya n d f l e x i b l yo p t i m i z e d ，a n dt h u st h ef l d e l i t ys i m u l a t i o no fd c si sa c h i e v e d ，w h i c hh a sag e n e r a l a n dm o r eo p e n i n go p e r a t i n gc o n d i t i o n , a n dw h i c ha l s op r o v i d e sa o p p o r t u n i t yf o rf u r t h e r d e v e l o p m e n t n 地s y s t e mi ss i g n i f i c a n tt ot h ei m p r o v i n go ft h ec u r r e n tt r a i n i n gm e t h o da n d t h ei n c r e a s i n go f t h et r a i n i n ge f f i c i e n c y k e yw o r d ：a e r y l o n i t r i l ep r o d u c t i o n ，s i m u l a t i o ns y s t e m ，p r o e e s sd e v e l o p m e n t ，s y s t e m s i m u l a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：赶丕日期：2 竺f ：! 生 大连理工人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 储繇，奎避 导师张f 盈望丝 丝墨年尘月坐同 人连理i ：大学专业硕士学位论文 引言 在化工实际生产过程中，尤其是大型石化装置，自动化水平很高，技术工人必需经 过严格的岗前培训月能上岗。开发出它们的仿真培训系统，可以大大地缩短培训周期， 降低培训费用，提高培训质量，是一件非常有意义的工作。丙烯腈生产装置是一套比较 复杂的装置，操作难度比较大，由于实际条件的限制，操作人员不可能多次有目的地进 行丌停车和事故处理的训练，本项目就是要根据实际生产过程建立动态仿真模型，丌发 出仿真培训系统，使操作人员利用该系统可随时进行开停车、事故处理等训练，可在短 时间内大大提高他们的操作水平，这是传统的培训方式无法相比的。 我国石油化工行业对生产和技术人员的技能训练一直十分重视，从8 0 年代初中国 石化总公司有关部门开始下力着手仿真培训系统的应用，一方面从国外引进成套仿真培 训系统，另一方面，投资进行开发。 但是，迄今为止，国内尚无用于丙烯腈生产装置的仿真培训系统( d c s 类型为 p r o v o x ) ，因此本课题对丙烯腈装置生产技术人员的培训具有重要的应用价值。 本论文要解决的主要问题有：反应器、精馏塔、吸收塔等数学模型的建立和算法的 编制；根掘实际平衡数据确定仿真物料平衡数据：仿d c s 控制方案的实现；仿o c s 各项 操作功能的实现：仿真工艺流程的简化和仿真范围的确定；信息流图的确定和模块的搭 接；重要参数的获取；系统各组成部分之间的联接；仿真结果的初步验证即仿真培训系 统的调试、完善。 秦墅君：改建丙烯装置仿真培训系统的开发 1 文献综述 1 1 仿真技术的定义： 自从仿真概念出现以来，仿真的定义随着技术和应用的发展不断深化。牛津英文字 典初期的仿真定义是： “t oi m i t a t ec o n d i t i o n so f s i t u a f i o nw i t ham o d e lf o rc o n v e n i e n c eo r t r a i n i n g 后来变为：“t h e t e c h n i q u e o f i m i t a t i n g t h e b e h a v i o r o f s o m es i t u a t i o n o rs y s t e m ( e c o n o m i c ，m e c h a n i c a l ) b ym e a n so f a na n a l o g o u sm o d e l ，s i t u a t i o n , o ra p p a r a t u s ，e i t h e rt o g a i ni n f o r m a t i o nm o r ec o n v e n i e n t l yo rt ot r a i np e r s o n n e l ” 关于仿真技术的定义，国内外学者从不同的角度作了描述，可简单地归纳为：仿真 技术是通过用系统模型对真实系统或设计中的系统进行实验，达到分析、研究和设计该 系统的目的。如果这种系统模型的建立是以计算机为基础手段的，我们就称之为计算机 仿真，本文提到的仿真即属于计算机仿真的范畴。 此定义指明了过程系统仿真所关心的三个主要组成部分。即过程系统、数学模型和 仿真机。三个部分由两个关系沟通。其一，过程系统与数学模型之| 日j 的关系，称建模： 其二，数学模型和仿真机之间的关系，称仿真。 过程系统从范畴定义，即是我们所关注的实际世界的某个部分。这个系统可能是自 然的或是人工的、现在存在的或是未来计划设计的。i l l 我们从事仿真工作的主要注意力是面向过程工业系统。这类系统包括：石油炼制、 石油化工、化学工业、冶会和焦化、污水处理、煤气、天然气加工、火力发电、核动力 发电、造纸、食品加工、制药等工业系统。这些工业系统在国民经济中占有极其重要的 地位，并且具有许多共同的特点。例如，它们都是由一系列单元操作装置通过管道或信 息联系组合成复杂系统。常见的单元装置有：压缩机、离心泵、蒸汽透平机、热交换器、 蒸发器、混合器、分离器。可见它们有着许多共同规律，仿真方法也十分相似。 仿真时，将上述过程系统转化为被关注变量( 如，温度、压力、流量、物位或组成) 对时b j 的行为数据源。 数学模型是依据过程系统数据源由人工建立的数学描述。这种数学描述能够产生与 过程系统相似的行为数据。数学描述常用代数方程法，微分方程法或状态方程法等。 仿真机是以现代高速电子计算机、网络设备、多媒体设备为基础，由人工建造的模 拟实际操作控制或现场装置环境的机器，同时也是数学模型软件实时运行的硬件环境。 经常见到不同的仿真系统的名称，从不同的角度分类可以有不同的仿真系统的名 称。按被仿真对象的性质划分，可分为连续系统仿真、离散事件系统仿真、混合系统仿 真：按仿真系统的结构和实现手段不同可分为数学仿真、硬件在回路仿真( 半实物仿真) 、 人在回路仿真、软件在回路仿真；按仿真应用可分为训练仿真和工程仿真；根据虚实结 2 一 人连理i ：人学专业硕+ 学位论文 合的程序又分为构造仿真、虚拟仿真、实况仿真。还可以有其它一些分类方法。 1 2 国内外化工仿真技术发展情况概述 从八十年代中期开始，计算机技术广泛普及，这大大促进了仿真技术的发展，仿真 技术在过程工业领域中的应用已涉及教育与训练、工程设计、辅助生产和辅助研究等方 面，其社会经济效益r 趋显著。 采用过程仿真技术辅助训练，简而言之就是由人工建造一个与真实系统相似的操作 控制设备，或直接采用真实工业控制设备，如模拟仪表盘、d c s 工作站等，作为学员的 操作控制环境。用计算机及其中运行的实时动态模型取代真实的生产装置，在这样的仿 真环境下学员可以得到非常逼真的操作技能训练。唧 过程仿真技术在操作技能训练方面的应用近十年来在全世界许多国家得到普及，这 是因为过程工业在世界各国国民经济中的地位r 显重要。工艺流程和工厂设备越来越复 杂化、连续化。自动控制水平迅速提高。工业技术发展对操作工人、现场技术人员、管 理人员和仪表工人提出了更高的要求。这种新的形势使得传统的技术培训方式已无法满 足需要。所谓传统的培训方式是先学习技术理论和操作规程，再到生产现场，以师傅带 徒弟的方法进行技能培训。其主要缺点是正常生产的大型装置决不允许操作工人任意 开、停车和制造事故。所以学员动手机会少，独立操作机会更少。这样使得学员掌握操 作技能的时问拉得很长。此外，由于师傅的水平不齐，教学质量很难得到保障。显然这 种传统的培训方式已无法适应现代过程工业的发展。八十年代初，西方发达国家，例如 美国、英国、德国、法国、加拿大以及同本等国的大型石油化工企业相继采用计算机仿 真培训系统训练操作工人，效果十分突出。大量统计结果表明，仿真培训可以使工人在 数周之内取得现场2 5 年的经验。这种仿真培训装置能逼真地模拟工厂开车、停车、正 常运行各种事故状态的现象。无需投料，没有危险性，能节省培训费用，大大缩短培训 时i 日j 。美国称这种仿真培训系统是提高工人技术素质，确保其在世界取得生产技术领先 地位的“秘密武器”和“尖端武器”，并且有许多企业已将仿真培训列为考核操作工人 取得上岗资格的必要手段。1 4 l 掘估计，美国石油化工企业已有上千套仿真培训系统投入使用。八十年代以来有许 多专营石油化工仿真器硬件和软件的公司相继成立。比较著名的仿真系统公司有：a u d y 、 c a e 、s a c d a 、s i m c o n 、a t l a n t i cs i m u l a t i o n 、s i n g e r l i n k 、e n c o r e 、n o r e o n t r o ls i m u l a t i o n 等。其中a u d y 公司在炼油、石油化工企业推出4 0 0 余套仿真培训系统。仿真软件所涉 及的工艺流程包括催化裂化、常压和减压蒸馏、铂重整、合成氨、乙烯、合成纤维、气 体加工、还有纸浆和造纸、发电系统等。美国大西洋仿真公司是专门丌发微型机仿真器 秦墅君：改建丙烯装置仿真培训系统的开发 的公司，美国的深康公司是综合性的仿真技术公司，主要经营石油化工工程设计，设计 方案、可行性分析、先进控制系统及优化控制设计，同时也开发仿真培训系统。 国内近年来新建或扩建了许多现代化石油化工企业。这些公司规模大、技术新、自 动化程度高。新增加职工数以万计，急需技术培训。老企业以化肥工业为例，全国中小 型氮肥厂有一千多个，普遍存在着技术落后、能耗高、工人素质较低等问题。如果不采 用先进的仿真技术进行深层次的技能培训，以上问题将很难得到解决。因此化工部和中 国石化总公司都对计算机仿真培训系统的开发和推广工作给予了极大的关注。自1 9 9 5 年丌始，我国化工和石油化工企业投资约5 0 0 万美元曾引进了7 套美国a u d y 公司和 s i m c o n 公司的仿真培训系统。在吸收引进国外仿真培训技术的基础上，1987 年北 京化工大学与燕山石化公司合作研制成功我国第一套通用型石油化工仿真培训系统。并 且在燕山石化公司炼油厂催化裂化烟机余热发电引进装置上取得丌车方案论证及操作 工技术培训的成功。p 1 自此，我国石油化工仿真培训技术得到了迅速的发展。目的国内已有专业丌发公司 或科技实体十多个，能够为用户设计制造适合于任何国家、任何厂商、任何型号的集散 控制系统( d c s ) 仿真器硬件以及我国独创的高集成度、触摸键、光显示模拟仪表盘式 仿真培训器硬件。仿真培训软件开发也达到了很高的水平。据不完全统计，我国自行丌 发的仿真软件已经覆盖了炼油、化肥、乙烯、合成纤维与合成橡胶等五十多种工艺过程。 其中大型乙烯全流程仿真软件有多项赶在新装置开车前投入使用。我国第一套实物仿真 工厂经过十个月的试运行通过技术验收。至1 9 9 5 年底，国内约有6 0 个炼油、化工和石 油化工企业使用国产仿真培训系统。总计七十多套仿真器投入使用。参加仿真培训的学 员约十力人次，效果很好。有关技术成果多次获省、部级科技进步奖、国际博览会会奖。 1 9 9 5 年被国家科委列入国家级重点推广的优秀科技成果。国产化仿真培训系统已有部分 软件与硬件达到国际同类系统的先进水平，其价格却大大低于进口产品，加之后续服务 方便快捷、软件及全部技术说明汉字化等优势，目前国产化石油化工仿真培训装置几乎 完全取代了进口系统。 国产化仿真培i jj l 系统的推广应用为我国炼油、化工和石油化工领域职业技术训练丌 辟了一条新的有效的途径。可以预料，随着仿真培训技术在我国推广应用，将在保障安 全生产、降低操作成本、节省丌车费用、节能、节省原料、提高生产率、保障人身安全、 保护生态环境、延长设备使用寿命、减少或避免停产所造成的损失、避免工厂装置破坏 所造成的经济损失等与操作人员素质有关的方方面面发挥有效作用。 人连理一i ：人学专业硕+ 学位论文 1 3 仿真领域的研究成果分析： 化工过程仿真是仿真技术领域的一个重要分支，其仿真技术的发展直接推动整个仿 真技术领域的发展。近几年来，国内外仿真技术领域取得了丰硕的成果列举如下： 1 3 1 仿真支撑系统的发展： 七十年代木，国际上的一些国家在实现仿真技术产业化过程中，强化了仿真支持系 统的概念。因此仿真支撑系统已经不仅是仿真领域关键的技术之一，而且是“解放”仿 真系统丌发者和使用者的最重要的手段。它不仅赋予仿真系统以生命力，同时也是实现 仿真技术产业化的基础。在应用过程中，它是实现仿真目标和解决问题的概括和总结， 它支撑了仿真系统的整个生命周期，包括对仿真对象分析、仿真模型的表达、仿真模型 的生成和运行、仿真过程的调试和修改、实时运行、仿真数据的存储、恢复及跨平台的 联合运行。因此，近几年来，国内外十分重视对仿真支撑系统的研究，出现了不少成果。 从科技进步的角度来分析，主要表现为： ( 1 )丌放性和构件的概念，包括：构件命名服务( c o m p o n e n tn a m es e r v i c e s ) 、 构件对象服务( c o m p o n e n to b j e c ts e r v i c e s ) 等为构件客户服务。 ( 2 )提供通用数据表示方法，让集成工具之间共享信息。 ( 3 )支撑范围扩大，表示在支撑仿真应用在网络上的实现。 支撑多媒体技术的应用，使仿真系统的人机界面得以改善。嘲 1 ，3 2 面向对象的仿真技术 面向对象的仿真技术( o b j e c t - o r i e n t e ds i m u l a t i o n ) 是当前仿真研究领域最为活跃的 研究方向之一。它在理论上突破了传统的仿真方法的概念，根据组成系统的对象及其相 互作用关系构造仿真模型，且仿真模型的对象表示实际系统中相应的实体，从而拉近了 模型与实际系统之间的距离，使建模仿真的思想方法与人们认识客观世界的自然思维方 式相一致。因而增强了仿真模型的直观性和易理解性，且具有内在的可扩充性和可重复 性，为仿真大型系统提供了极为方便的手段。但是，面向对象仿真的研究尚处于发展阶 段，目酊的研究大多集中在利用面向对象的程序设计语言实现系统的仿真等应用方面， 而面向对象仿真的实现机理和仿真逻辑等理论还需要进一步研究。州 面向对象方法学认为：客观世界是由各种“对象”所组成的，任何事物都是对象， 每一个对象都有自己的运动规律和内部状态，每一个对象都属于某个对象“类”，都是 该对象类的一个元素。复杂的对象可以是由相对比较简单的各种对象以某种方式而构成 的。不同对象的组合及相互作用就构成了我们要研究、分析和构造的客观系统。应用面 向对象技术开发系统时一般分为两个阶段：面向对象分析和面向对象设计。 秦墅君：改建丙烯装置仿真培训系统的开发 面向对象分析是建立在对象及其属性、类及其成员、整体及其部分等基本要领的基 础上的。面向对象分析由五个主要步骤组成，即确定对象、识别结构、识别主题、定义 属性和定义方法。一旦建立了分析模型，就可以用五个层次来表示，它们是：主题层、 对象层、结构层、属性层和方法层。 主题层。主题给出分析模型的总体概貌。 对象层。对象是数据及其处理抽象，它反映了系统保存现实世界中某些事物的信息 的能力。 结构层。结构表示问题域的复杂性。分类结构反映了泛化一特化关系，组装结构反 映了整体部分关系。 属性层。属性就是数据元素，用来描述对象或分类结构的实例。 方法层。方法是在受到信息后必须实行的一些处理。 从面向对象分析到面向对象设计是一个累进的模型扩充过程。面向对象分析的五个 层次模型化了问题空问，而面向对象设计通过对面向对象分析五个层次的扩充，模型化 了一个特定的实现空问。面向对象设计主要扩充四个组成部分：人机交互、问题域、任 务管理和数掘管理。 人机交互部分包括有效的人机交互所必需的实际显示和输入。 问题域部分需要管理面向对象的某些对象、结构、属性和方法的组合和分解。 任务管理部分包括任务定义、通讯和协调，也包括硬件分配、外部系统以及装置协 议等。 数据管理部分包括对永久性数据的访问和管理。 经过对面向对象技术和仿真技术的研究和应用，特别是对面向对象的基本思想和仿 真的基本概念的研究，我们提出如下的面向对象仿真的基本要领框架： 面向对象的分析面向对象的实验 其一，面向对象的分析是指利用面向对象的分析技术对所要仿真的实际系统进行分 析，建立起仿真的问题域模型和数学模型：其二，面向对象的建模是指用面向对象的设 计技术和面向对象的程序设计技术设计并建立系统的仿真模型；其三，面向对象的实验 是指用面向对象的思想构造具体的仿真实验框架，运行仿真模型，产生模型行为并对其 进行存贮、分析和显示。p 】 这罩提出的面向对象仿真的基本概念框架，其核心思想就是强调“模型”在仿真中 的中心地位。它主要基于以下几个方面的认识： ( 1 ) 仿真概念认识的不断深化。众所周知，仿真主要包含“模型”和“实验”两部分内 容，重点可以是“模型”，也可以是“实验”。由仿真定义的发展可以看出：早期 的仿真着重“实验”，也即着重于如何获 ；导系统中有关变量的时间响应，而近年来 一6 一 人连理l ：人学专业硕十学位论文 重点已有所转移，对“模型”的研究和如何来建立“模型”已成为越来越多的人所 关心的问题，“模型”的中心地位已逐步形成并被人们所认识。 ( 2 ) 仿真三要素的进一步认识。数学建模活动是通过对实际系统的观测和检测，忽略次 要因素及不可检测变量的基础上，用数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简 化近似数学模型。这里应该注意数学模型的实验性质，即数学模型同实际系统的功 能与参数之间应具有某些相似性和对应性。仿真建模活动就是对系统的模型进行一 定的算法处理，使其变成合适的形式，并能在计算机上进行数字仿真的可计算模型。 仿真模型反映了系统数学模型与计算机之间的关系，它应能为计算机所接收，并能 进行运行。仿真实验活动是对仿真模型的运转，为了使仿真模型能够运转，需要设 计一个合理而方便的服务于系统研究的实验步骤和构件。 ( 3 ) 面向对象是一种符合自然思维方式的建模思想。所谓面向对象就是指着眼于对象的 一种方法，也就是把现实世界模型化的一种方法。众所周知，现实世界是由各种不 同的事物所构成的，事物之间通过互相发出信息进行联系。因此面向对象不是以过 程为中心，而是以对象为中心。面向对象首先在建模和仿真中得到重视和应用，越 是大型的、复杂的系统仿真，越能体现出面向对象方法的优越性。采用面向对象的 仿真方法，可以解决仿真遇到的许多问题： 由于对象具有继承性和重用性，因此提高了建模型效率，缩短了建模导前时 间( ? ) 。 由于对象具有独立性，因此建立的仿真模型易于修改和扩充。 由于面向对象是根据人们对实际系统自然认识来建立仿真模型的，因此可以 消除仿真模型同最终用户之间的间隙。 可见，以“建模”为中心是面向对象仿真的属性。 随着科学技术的迅速发展，人们对所建系统性能的要求越来越高，从而使系统朝着 大型化、复杂化方向发展。大型复杂系统的仿真越来越成为仿真研究的主要对象。由于 系统规模的增大和复杂程度的提高，使得系统建模的难度和工作量都显著增大，建模在 仿真中的重要性r 益突现出来。唧 1 3 3 基于稳态数据的化工过程动态模型的关键参数的确定 在化工过程仿真培训系统的刀= 发过程中，建模者所能得到的数据是十分有限的，对 于新建装置丌发的培训系统更是如此( 其中平衡参数表是一个重要的来源) 。如何由有 限的数据出发，去建立起满足仿真培训系统一般要求的模型( 如全流程仿真、动态偏差 小于5 、稳念偏差小于3 等) ，无疑是每一个丌发者所要面f 临的课题。 对于化工过程设计者来说，存在着同样类似情况。如果设计者能在初步设计的时候， 就能建立起过程的基本动态模型，通过对所设计的多种方案( 包括控制方案) 的反复比 秦墅君：改建丙烯装置仿真培训系统的开发 较，在设计的初始阶段，即剔除不合理的方案，这样可大大加快设计过程，缩短设计时 日j 。 客观地说，每一个化工过程的设计都是基于某一个平衡点展丌，因此，充分利用稳 态数据，建立起过程的动态模型，是模型开发成功的关键。丽其中单元设备关键参数的 确立则是一种重要方法。1 ”j 基于稳态数据的动态模型给出了对象在时日j 域中对系统输入的响应的简化描述。它 具有如下特点：建模所需的数据量少，丌发周期短，能满足一定精度。因此，它可以应 用于新建装置的工艺、控制方案的可行性分析，装置开停车方案论证，以及新丌工操作 工人技术培训等需要较短开发周期的领域中。 建立动念模型的过程包括：确定建模目的、确定建模对象、搜集资料、工程分析、 关键变量的导出、建立仿真程序、动态模型评价。 ( 1 ) 确定建模目的 模型的精度要求，是由其目的所决定。我们必须根据建模耳的，采用合适的建模方 法，获取精度适中的数学模型，并加以实现。因此必须首先确定建模目的，从而确定是 否可以采用由稳态数据出发，建立动态模型的方法。 通常对于工程放大及设计用的数学模型，精度要求较高，建模时不仅基于机理推导， 还要积累相当多的实践数据加以校正。上述基于稳态数据的建模方法并不适用。 一般在仿真培训系统或者在设计初期的多种设计方案的比较中，由于对模型精度要 求不是太高，都可采用基于稳念数据的建模方法。 ( 2 ) 确立建模的对象 这罩的建模对象，通常指化工过程中的单元设备，如：泵、换热器、精馏塔等。建 模对象规模的选择要适当。规模过大，关键变量的选择困难；规模过小，关键变量就失 去存在的意义。 ( 3 ) 资料的搜集 根掘设计、开发的要求，确定操作对象属于何种设备，并收集该设备的有关计量学、 动力学、热力学的资料，对该操作对象的各种性质作全面的了解。 ( 4 ) 工程分析、选定关键变量 从物理化学特性及外部特性出发，对建模对象进行详细分析，建立其机理、半机理 或经验的数学模型，并在此基础上，选择那些关键变量，使得该变量能方便地从稳念数 掘导出。1 5 1 3 4 化工流程模拟的基本方法： 从数学的角度来看，化工流程模拟实质上就是整个化工系统的模型进行求解。到目 前为止，典型化工流程模拟方法有以下三种； ( 1 ) 序贯模块法： 序贯模块法一直是最常用的流程模拟方法，特别是在全流程模拟方面。其基本思 想是：从系统入口物流丌始，通过接受该物流的单元模块计算得到输出流股变量，依次 进行计算，经过过程系统的各个单元，最终达到系统的输出流，从而可以解出系统中所 有股的变量值。对于单元模块而言，信息的流动方向是固定的，只能根掘模块的输入流 般信息计算输出流股信息若有再循环流存在，则需要切断再循环流殷，确定断裂的流股 一8 一 大连理i ：大学专业硕士学位论文 集与运算顺序，然后给定全部设备参数向量，按排定的顺序逐个单元进行模拟计算，各 单元的输出流股向量就作为下一个单元的输入，逐个单元计算并迭代使各断裂的流股收 敛。其优点是：在模块水平上，可以使用一种或多种专门的算法来求解描述某种单元设 备的模型方程。模块计算可以达到很高的效率：在模块水平上，无论直接迭代还是加速 迭代，一般都稳定收敛：程序中的信息流和生产中的物流或能流能互相对应，易于为工 程师理解；当计算不收敛或出现错误时，便于进行诊断。缺点是再循环引起的收敛迭代 及进行设计型计算和解决过程优化问题时需要增加相应的收敛块和控制块，加大了设计 工作量且很费机时，影响其计算效率。【l 。1 ( 2 ) 联立方程法 联立方程法就是将整个过程系统中所涉及到的各个单元模块的方程以及模块之f b j 的连接方程，组成一个庞大的方程组联立求解。 应用联立方程法的途径进行化工流程模拟，实际上是把实际过程问题的求解转变成 求解一个大型方程组的数学问题。这们一束，不论是设计型问题还是模拟型问题，不论 流程中是否含有再循环方程组的问题，在这种方法面i i i ，都变得没有什么区别。模拟过 程中不再需要设置控制块或收敛块。 但作为描述整个复杂化工系统的庞大方程组，如何j 下确无误地建立起来，本身就不 简单，而且对于这样一个庞大的方程组进行求解所遇到的种种困难无疑是联立方程法的 一大缺点。对较小系统的稳态和动态闯题使用联立方程法建立模型系统己丌发出来，但 对大规模问题，仍有待发展。该方法的另一些缺点是要给定较好的初值，否则可能得不 到解、若计算失败，诊断错误所在相当困难、形成通用化工程序有困难，难以继承已有 的单元模块等。 ( 3 ) 联立模块法 联立模块法的基本思想是：一方面，为流程中的每个单元都选取一个常规的单元模 块，这样就有了一个出常规模块组成的“严格模型”，另一方面，又同时为每个单元提 供一个简化了的模型。模拟时先用简化模型解得各单元上的输入数据，然后连同其它已 知的输入数据一起作为严格模型的输入。由严格模型求得输出数据，再按简化模型的方 程形式，重新计算其中各项系数的数值。这样逐轮迭代直到简化模型的系数达到收敛， 最后再进行一次严格模型各单元模块的运算，取得整个流程模拟的结果。 这种方法又被称作双层法，它把整个计算分成了模块水平和流程水平的两个层次， 模块水平计算利用常规模型，而流程水平计算则用筒化方程缀联立求解。由于使用了简 化模型，一方面减少了调用严格模型次数而减少了工作量；另一方面就有可能在迭代求 解时使用高阶的或更为有效的算法，提高计算效率。 联立模块法兼有序贯模块法和联立方程法的优点，可以利用前人开发的单元操作模 块，比较容易实现通用化。嗍 秦墅君：改建丙烯装置仿真培训系统的开发 2 丙烯腈生产工艺与装置 2 1 生产工艺原理 原料丙烯、氨和空气在流化床反应器内，在催化剂c - - 4 9 m c c - - 4 9 1 m c 的作用下、 在0 0 5 5 m p a ( g ) 左右、4 2 0 _ - 4 5 0 的条件下，氨氧化生成丙烯腈、乙腈、丙烯酸及丙 烯醛等，并副产高压蒸汽。 反应器出口气体经除氨、冷却、水吸收后得到富含丙烯腈等有机物的水溶液，再经 共沸精馏得粗丙烯腈、粗乙腈。 粗丙烯腈经两塔减压蒸馏，脱除水、氢氰酸等轻组份及重组份，得到合格的产品， 并副产9 9 5 的氢氰酸。 装置废水采用蒸发浓缩工艺一四效蒸发，从废水中提取较纯的水回收利用，含氰污 水采用化学处理方法脱出氰根并进行预处理。 空气经过滤后进入由蒸汽作动力的压缩机压缩后送往反应式工序。 制冷是以丙烯为制冷剂，蒸汽作动力的冷冻机作用下获得的乙二醇水溶液为载冷剂的冷 却水，送往各用户。 主反应方程式： 1 ，i f 叫2 = 1 2 h - c h 3 + n h 3 + 量0 2 赤c h 2 = c h - c n + 3 h 2 0 + 5 1 4 8 k j 反应机理： 丙烯氨氧化催化反应机理：丙烯分子中的a 一碳原子上的c _ 一h 键被进攻形成中日j 物 “烯丙基”，然后被氧化成丙烯醛，再氨化成丙烯腈。 c i - h c h c h 2 = t l 【c i - h c h - - c h 2 【c i - h c h - - c i - h + 0 2 c h 2 5 4 c h c h o - c h 2 一c h c h o 鬯粤c h 2 一c h c n + h ；p 2 2 生产工艺过程简述 丙烯腈装置工艺流程共分四个部分：反应部分，精制部分，空压制冷部分、焚烧和火炬 部分。 反应部分： 2 2 1 反应系统 原料液氨和原料液态丙烯从外厂送入本车间的丙烯和氨储罐并保持足够的压力。 液氨和液态丙烯先分别进入氨和丙烯蒸发器，和吸收塔来的贫水换热，再经除沫器 除沫后经换热器过热进入反应器，原料空气经空压机压缩后进入丌工空气加热炉，预热 后进入反应器，丙烯、氨、空气的进料比为l ：1 1 5 ：9 5 ( 摩尔比) 。 在反应器中，当达到一定的反应条件时，丙烯、氨和空气在催化剂的作用下，发生 人连理i ：人学专业硕十学位论文 氧化反应生成丙烯腈，同时还生成氰化氢、乙腈、一氧化碳、二氧化碳、水、丙烯酸、 丙烯醛等副产物，反应气体流出物中还包括未反应的丙烯、丙烷、氨、氧和氮等。该反 应为放热反应，反应过程中放出的热量由反应器中垂直安装的u 形蒸汽盘管及过热盘管 带走同时产生高压蒸汽，高压蒸汽供空压机和冰机的透平使用，过剩的送入蒸汽管网。 反应后的气体经反应器内设置的旋风分离器，脱除夹带的催化剂后进入反应气体冷 却器，气体冷却到2 0 0 后送到急冷塔。 2 2 2 蒸汽发生系统 自界外来的脱赫水和后段工序来的冷凝水进入脱盐水罐，再送入除氧器，在除氧器 中用低压蒸汽使水升温脱除在水中溶解的氧气和其它气体。除氧水由供水泵送到反应气 体冷却器与反应气体换热后进入蒸汽发生器。蒸汽发生器底部的饱和水经反应器冷却水 泵将大部分送到反应器的u 形撤热管产生高压蒸汽，然后再返回到蒸汽发生器分离蒸汽 并将冷却水循环回反应器的撤热管。 2 2 3 催化剂加料系统 催化剂在丌车自口一次性从催化剂贮槽加入到反应器中，由反应气体不断带走的催化 剂出催化剂补加系统补充。 2 2 4 急冷与回收系统 经部分冷却的温度大约在2 0 0 y ! 左右的反应气体进入急冷塔下段，通过急冷塔下段 时与下段循环泵送出经喷嘴喷淋的循环废水逆向接触，绝热骤冷至8 0 c ，经下段骤冷后 的气体经升气管升入上段，反应气体中末反应的氨与加到上段循环物料中的h 。s o , 反应 生成硫酸铵，硫酸铵溶液经上段循环泵送出分成两股：一股送急冷塔顶部与h ：s o | 混合 对上段的反应气体进行均匀喷淋，另一股连续定量地送上段汽提罐或硫铵回收工段。急 冷塔的上下段分别用后序工段产生的工艺水作为喷淋水。 急冷塔顶部出来的气体进入急冷塔后冷器顶部除沫器除去气体中挟带的少量液体 后，进入急冷后冷却器，用循环水冷却到3 8 ，凝液进入吸收塔下部填料的上面，气体 经再冷却后进入吸收塔的底部，与吸收塔中的喷淋水逆流接触，回收丙烯腈和其它可溶 于水的有机物，未被吸收的气体通过吸收塔顶放空。 吸收塔顶的喷淋水来自于回收塔第一块板抽出的贫水，在吸收塔上段填料层与上升的蒸 汽换热后被冷却到约2 8 从上升气管板上抽出，被吸收塔侧线冷却器冷却到2 2 c ，然 后经过氨蒸发器和丙烯蒸发器温度降至4 c 左右返田回吸收塔第三十块板作为吸收水。 吸收塔底的吸收液经换热后进入回收塔的第六十四块板，作为回收塔进料。 精制系统 2 2 5 精制系统 由吸收塔底束的富水经贫水，富水换热器换热后被加热后进入回收塔的第六十四块 秦墅君：改建丙烯装置仿真培训系统的开发 板，在回收塔中用水作溶剂用萃取精馏的方法将乙腈和丙烯腈分离。 作为萃取剂的水来自于回收塔底的循环水，回收塔下部有两台再沸器用低压蒸汽作 为热源对塔釜液进行加热。 回收塔塔顶的蒸汽进入塔顶冷凝器用循环水冷却后进入回收塔分层器进行相分离， 分层器的水相送到回收塔的进料板，油相送脱氢氰酸塔的第四十二块板。 贫水溶剂水从回收塔的一块板引出，流经贫水溶剂水缓冲罐后送到脱氢氰酸塔再沸 器和成品塔再沸器作为热源。回收塔底的采出送到四效系统进行废水处理。 乙腈在回收塔的下段被汽提，含有乙腈、水和少量的氢氰酸的汽相侧线从回收塔的 第三十块板抽出进入乙腈塔中，塔顶的蒸汽被冷凝后一部分回流一部分送到乙腈装置， 乙腈塔底液被送回回收塔的第二十九块板。 脱氢氰酸塔是六十二块板的浮阀塔，负压操作，脱氢氰酸塔塔顶气体进入脱氢氰酸 冷凝器换热被冷凝冷却到7 ，少量未凝汽经氢氰酸排气冷凝器进一步冷凝，两换热器 凝液汇合后经泵送出，一部分作为回流，一部分送氢氰酸车间或送往火炬。 丙烯腈和水相侧线自脱氢氰酸塔第二十一块板抽出，经两次换热后进入脱氢氰酸塔 分层器，分层后的油相送回脱氢氰酸塔第二十块塔板，水相送急冷塔下部或回收塔，脱 氢氰酸塔釜液送入成品塔第十二块塔板作为进料。 成品塔是一台具有五十块塔板的浮阀塔，负压操作，塔顶的丙烯腈、水及易挥发物 质经成品塔顶冷凝器冷凝后，凝液进入成品塔回流罐，未凝气体经成品塔排气冷凝器进 一步冷凝，两部分冷凝液汇合后一部分回流一部分循环返回到回收塔第六十四块板作进 料。成品塔的塔底物料送往回收塔第五十四块板。产品丙烯腈从第四十四块板侧线采出。 由回收塔底送来的回收塔底废水进入第一效蒸发器上部，第一效蒸发器的热量由低 压蒸汽强制循环提供：第一效蒸发器未气化的液体大部分送回蒸发器，小部分流入第二 效蒸发器上部，该蒸发器的热量由第一效蒸发器产生的蒸汽提供，蒸汽进入蒸发器的壳 程，壳程凝液汇同第三蒸发器壳程凝液、第四蒸发器壳程凝液以及第四蒸发器馏出物凝 液一起进入轻有机物汽提塔顶部。 以后每一效的未气化的液体都是一部循环一部分送到下一效，下一效的热量都是山 上一效的二次蒸汽提供。 在轻有机汽提塔中大部分有机物和氨从塔顶汽提出来，顶部气体一部分送回收塔作 补充蒸汽，一部分送上段汽提罐作为汽提蒸汽， 幺塔的第一块板的塔底物料被全部抽出 进入封水槽，然后一部分返回塔底，一部分送生化处理，一部分送封水系统。“” 人连理：i ：人学专业硕士学位论文 3 丙烯腈生产过程仿真系统 3 1 仿真系统体系结构 3 1 1 仿真系统硬件结构 图3 1 仿真培训系统硬件构成 f i g u r e3 1t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo f t h es i m u l a t i o ns y s t e m 仿真培训系统硬件结构如图3 1 所示，其主要由教师指令台、学员操作站及其相互 联系的中心服务器组成。 该仿真系统采用微机作教师指令台，学员操作站兼具仿d c s 的仿现场功能，理论 上可以无穷多个，但从网络通讯容量和通讯速度考虑( 一般网络通讯速度为1 0 m ) ，建 议学员操作站的数目不超过十个。 教师站配备一台打印机，主要目的是打印学员的成绩、工艺参数报表等。 教师站和学员站采用m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s9 5 或9 8 对等网。 根据仿真培训系统的需要，教师站和学员站的最低配置如表3 1 所示，用户可以根 据自己的情况确定硬件的配置。 秦墅君：改建丙烯装置仿真培训系统的开发 表3 1 硬件最低配置 t a b l e3 1n kl o w e s tc o l l o c a t eo f t h eh a r d w a r e 项目配簧 c p u 内存 硬盘 显示卡 网卡 打印机 c p u 内存 硬盘 显示卡 显示器 网卡 仿d c s 机柜 仿d c s 键盘及配 件 触屏 p e n t i u m i i i 8 6 6 1 2 8 m b 2 1 g b 2 m 以上显存 l 卟l o o m 以上以太网卡 根据报表选用合适型号的打印机 p e n t i u m i i i 8 6 6 或赛扬1 g 1 2 8 m b 2 1 g b 2 m 以上显存 1 0 2 4 7 6 8 分辨率 l o m l o o m 以上以太网卡 可选 依d c s 类型不同选用不同的d c s 操作 键盘 可选 3 1 2 仿真培训系统软件结构 f 一恸l 由豳 匝丹。圃 t * 撮怍* 幽3 2 仿真培训系统软件结构 f i g u r e3 2t h es o f t w a r es t r u c t u r eo f t h es i m u l a t i o ns y s t e m 人连理i ：人学专业硕+ 学位论文 仿真培训系统软件结构主要由教师指令台总体监控软件、通讯软件、工艺仿真软件、 仿d c s 软件以及仿d c s 组态软件构成，如图3 2 所示。 ( 1 ) 总体监控软件 教师指令台总体监控软件具有总体监控功能。主要包括以下三个方面： 培训内容选择功能：根据不同的教学环节选择不同的培训方式和内容： 监视功能：监视系统的运行状念和学员的操作情况； 指令功能：通过时标设置、事故设置等指令，控制教学的内容进行。 ( 2 ) 通讯软件 仿真系统通讯软件主要实现教师站与学员操作站之间的实时通信，即实现化工装置 仿真系统所要求的仿真运算主机与仿d c s 操作站之阃的实时动念数据交互。仿真运算 主机所产生的工艺模型运算数据结果实时传送到各学员操作站，各学员操作站的操作、 运算数