（化学工艺专业论文）VRDS装置培训系统开发.pdf

d e v e l o p m e n to fv r d s u n i tt r a i n i n gs y s t e m at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w a n gs h u f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gc h a o h e c o l l e g eo fc h e m i s t r y & c h e m i c a le n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：嫜 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期： 日期： 年月 日 年月日 摘要 随着石油资源日益紧缺和环保法规日趋严格，含硫原油处理的任务量越来越重， 重油加氢处理技术日益受到人们的青睐。目前新建的大中型炼化企业，大都包含渣油 加氢处理装置，随之而来的是不同层次的人员需要对该过程有深入的认识，以实现优 化操作，岗前培训成为企业的迫切需求。 因此，本文针对某炼油厂1 5 0 0 k t a 减压渣油加氢脱硫装置工艺复杂、操作难度较 大的状况，通过对反应机理、反应动力学的研究和对装置的深入调研，建立了相应过 程模块，利用p s s p 平台开发了该装置的反应部分的仿真培训系统。 重油加氢装置涉及到的反应较为复杂，获取其准确的模型非常困难，鉴于本课题 的任务为开发培训系统，精度要求不高，只要趋势与真实过程一致即可。因此在开发 过程中，对系统进行了适当简化，减少了输入输出变量的总数；对于反应，只研究脱 硫和脱氮两种动力学模型。 开发所用的平台集成了大量模块，系统基于序贯模块法的仿真算法。仿真系统的开 发是通过开发平台调用已有单元模块，并结合新建的单元模块，搭建起v r d s 中反应 部分的仿真培训系统和相应的评分系统，包括开停工操作、常见生产事故的模拟和联 锁控制的实现。 本文建立了几种单元模型，如换热器、压缩机、泵、精馏塔和反应器等，并且比较 详细的阐述了利用p s s p 平台实现仿真的过程。部分反应器采用了简化的模型或者是经 验模型，这种处理方式使研究反应的复杂度大大降低，使运算大大简化，培训系统的 运行速度也大大提高。同时，为了提高计算效率，对于反应器部分的求解，采用了精 度相对较差的显式欧拉法。完成了开、停车，冷态初态，界区原料中断，p 1 3 0 0 a 事故 停车，p 1 3 1 0 高压原料泵停车，循环机k 1 3 1 0 停机，反应器飞温等8 种工况的仿真开 发工作。 目前该系统已经投入使用，可以满足培训需要。 关键词：减渣加氢脱硫，数学模型，动态模拟，仿真培训系统 d e v e l o p m e n to fv r d s u n i tt r a i n i n gs y s t e m w a n gs h u f e n g ( c h e m i c a lt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r y a n gc h a o h e a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gs c a r c i t yo fp e t r o l e u mr e s o u r c e sa n ds t r i c te n v i r o n m e n t a ll a w sa n d r e g u l a t i o n s ，t h et a s ko fd e a l i n g 诵t l lh e a v y c r u d eo i l sw h i c hc o n t a i ns u l p h u ri sb e c o m i n gm o r e a n dm o r eh e a v y , t e c h n o l o g i e so fr e s i d u eh y d r o t r e a t i n ga r ei n c r e a s i n g l ym o r ea n dm o r e p o p u l a r a tp r e s e n t ，l a r g ea n dm e d i u m s i z e dr e f i n i n ge n t e r p r i s e a r em o s t l yc o n t a i n i n g h y d r o t r e a t i n gu n i to fr e s i d u e f o rb e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h ed e v i c e ，at r e a t i n gs y s y t e mf o r w o r k e r si sn e e d e dt oi m p r o v et h eo p e r a t i o nl e v e l b e a c a u s et h e15 0 0 k t av a c u u mr e s i d u a lo i lh y d r o d e s u l f u r i z a t i o n ( v r d s ) p l a n ti s c o m p l e x ，d i f f i c u l tt oo p e r a t e ，i no r d e rt ob e t t e ra s s i s tt h eo p e r a t o rf a m i l i a r 埘t l lt h ep r o c e s s a n di m p r o v eo p e r a t i o n s ，t h ec o r r e s p o n d i n gm o d u l e sh a v eb e e ne s t a b l i s h e dt h r o u g ht h e i n d e p t hr e s e a r c ha b o u tt h em e c h a n i s mo f t h er e a c t i o n , r e a c t i o nk i n e t i c sa n dt h ed e v i c e ，a n d t h et r a i n i n gs y s t e mf o rr e a c t i o np a r to ft h ed e v i c eh a db e e nc o m p l e t e d 、7 l ，i t i lt h ep s s ps o f t w a r e p l a t f o r m a sh e a v yo i lh y d r o g e n a t i o nr e a c t i o ni sv e r yc o m p l e x ，d e v e l o p i n ga na c c u r a t em o d e l i sv e r yd i f f i c u l t i nc o n s i d e r a t i o no ft h et a s ki nt h i sp a p e ri st od e v e l o p eat r a i n i n gs y s t e m ， w h i c hd o e sn o tn e e dh i g j ha c c u r a c y , s ot h es y s t e mc a nh es i m p l i f i e di nt h ed e v e l o p m e n t p r o c e s s ，t h et o t a ln u m b e ro fi n p u ta n do u t p u tv a r i a b l e sc a l lh ec u t f o rt h er e a c t i o n ，o n l yt w o k i n d so fk i n e t i cm o d e lf o rd e s u l f u r i z a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o na r ec o n s i d e r e d t h e r ea r eal a r g en u m b e ro fm o d u l e si nt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h e s y s t e ms i m u l a t i o nb a s e e so na l g o r i t h mo fs e q u e n t i a lm o d u l a ra p p r o a c h s e v e r a lc e l lm o d e l s ， s u c ha sh e a te x c h a n g e r s ， c o m p r e s s o r s ，p u m p s ，d i s t i l l a t i o nc o l u m n sa n dr e a c t o r s a r e e s t a b l i s h e d ，a n dam o r ed e t a i l e de x p o s i t i o no ft h eu s eo fp s s pp l a t f o r ms i m u l a t i o np r o c e s si s g i v e n p a r t so ft h er e a c t o r su s eas i m p l i f i e dm o d e lo re m p i r i c a lm o d e l ，w h i c hs i g n i f i c a n t l y r e d u c e st h ec o m p l e x i t yo fs t u d y i n gt h er e a c t i o n ，a n dg r e a t l ys i m p l i f i e so p e r a t i o n s ，t h et r e a t i n g s p e e do ft r a i n i n gs y s t e mi sa l s og r e a t l yi m p r o v e d m e a n w h i l e ，i no r d e rt oi m p r o v ee f f i c i e n c y , t h er e a c t o rp a r to ft h e s o l u t i o n , u s i n gar e l a t i v e l yp o o ra c c u r a c y 、析t l lt h ee x p l i c i te u l e r m e t h o d e i g h ts i t u a t i o n ss i m u l a t i o nm o d u l e sa r ed e v e l o p e di nt h ev r d ss i m u l a t i o nt r a i n i n g s y s t e ms u c ha ss t a r t - u p ，p a r k i n g ，c o l di n i t i a ls t a t e ，b o u n d a r yr e g i o ni n t e r r u p t i o no fr a w m a t e r i a l s ，p13 0 0 aa c c i d e n t sp a r k i n g ，p1310h i g h - p r e s s u r er a wm a t e r i a l sp u m ps h u t d o w n , r e c y c l i n gm a c h i n ek 1310s h u t d o w n , a n dr e a c t o ro p e r a t i o nr u n a w a y a tp r e s e n t ，t h es y s t e m h a v ea l r e a d yb e e np u ti n t ou s e ，a n dm e e tt h et r a i n i n gn e e d k e yw o r d s ：v i e s ，p r o c e s ss i m u l a t i o n , t r a i n i n gs y s t e m ，m a t h e m a t i cm o d e l 目录 第一章绪论13 1 1v r d s 在炼油过程中的地位13 1 2 化工过程系统模拟与仿真概述1 3 1 2 1 过程系统仿真及相关概念1 4 1 2 2 化工过程的建模方法1 5 1 3 化工过程系统仿真技术的应用2 0 1 3 1 生产操作培训2 1 1 3 2 辅助设计2 2 1 3 3 辅助生产2 3 1 3 4 辅助研究。2 4 1 3 5 工业过程安全的应用2 5 1 4 化工仿真技术的展望2 5 1 5 本文的主要工作2 6 第二章v r d s 装置及工艺分析2 7 2 1v r d s 装置现状2 7 2 2 生产原理2 8 2 2 1 加氢脱硫反应2 8 2 2 2 加氢脱氮反应2 8 2 2 3 烯烃饱和一2 8 2 2 4 芳烃饱和2 9 2 2 5 加氢裂化反应2 9 2 2 6 脱金属( h d m ) 2 9 2 2 7 脱残碳( h d m c r ) 2 9 2 3 产品说明及物料平衡3 0 2 3 1 物料平衡3 0 2 3 2 产品说明3 1 2 4v r d s 工艺流程简介31 2 4 1 工艺流程说明3 1 2 4 2 工艺流程图3 6 2 5 主要原材料及动力消耗3 8 2 5 1 主要原材料3 8 2 5 2 动力消耗3 9 2 6 主要设备3 9 2 7 本章小结4 0 第三章主要单元模型构建和仿真系统开发4 1 3 1 仿真系统的构成4 1 3 1 1 开发平台4 2 3 1 2 运行平台4 3 3 2 建模的基本要求和步骤4 4 3 2 1 建模的基本要求4 4 3 2 2 建模的基本步骤4 5 3 3v r d s 仿真系统开发过程概述4 6 3 4 各单元级模型及实现4 7 3 4 1p i d 控制器模型4 7 3 4 2 自动控制阀模型4 8 3 4 3 离心泵特性建模5 0 3 4 4 列管式热交换器传热过程建模5 0 3 4 5 精馏塔系统动态建模5 3 3 4 6 反应器建模5 6 3 5 本章小结5 8 第四章p s s p 中v r d s 全流程仿真的实现5 9 4 1 算法库管理5 9 4 1 1 算法管理5 9 4 1 2 算法库管理6 0 4 2 流程图组态6 0 4 3 建模管理组态与开停工的实现6 1 v 4 3 1p s s p 算法变量类型6 1 4 3 2 基于序贯模块法的仿真算法。6 2 4 3 3v r d s 全流程仿真模拟的实现6 3 4 4 事故与联锁的实现6 4 4 5 评分的实现6 6 4 5 1 组态思路。6 6 4 5 2 评分的实现6 6 4 6 本章小结6 8 第五章仿真结果和分析6 9 5 1 模型求解与讨论6 9 5 1 1 模型求解6 9 5 1 2 结果讨论7 0 5 2 常见事故模拟与分析7 l 5 2 1 反应器出现飞温7 1 5 2 2 界区来原料部分中断7 3 5 2 3p 1 3 0 0 a 故障停车7 5 5 2 4p 1 3 1 0 高压原料泵停车7 6 5 2 5 循环机k 1 31 0 停机7 8 5 3 本章小结81 第六章结论及展望8 2 参考文献8 3 附录8 6 附勇专a 8 6 附录b 9 1 b 1 开车过程涉及到的模型9 1 b 2 离心泵的程序模块9 3 b 3r - 1 3 3 0 反应器模块9 8 b 4 温升算法1 0 6 v l 附勇之c 10 9 c 1 评分操作过程及规则10 9 c 2 操作质量评分规则1 10 攻读学位期间取得的成果1 1l 致谢。1 l2 符号说明 加速度，m s 2 f 集总组分中的硫化物所占比例 列管总内表面积，i n 2 执行器膜头薄膜面积，m 2 控制阀开度， 进料渣油中的硫化物质量分数， 阀杆与填料间的摩擦系数 加氢渣油中f 集总组分中的硫化物质量分数， 进料渣油中f 集总组分中的硫化物质量分数， 1 2 壳程处管壁热容，k j 瓜 冷却水热容，k j 热流热容，k j k 塔板上的热容，k j k 加氢渣油中的硫化物质量分数， 阀杆与填料间的磨擦力( - ) ，n 控制阀流通能力 列管平均直径，m 列管内径，m 列管外径，m 反应活化能，k j m o l 集总组分中的硫化物加氢反应活化能，k j m o l 当前给定值与输入值之差 前一步给定值与输入值之差 前两步给定值与输入值之差 微元段内的总热能，k j m o l 流经离心泵的流体体积流量，m v s 标准状态下最大流量，m 3 l l 热流流量，m v s 冷却水流量，m 3 s 口 伪如4岛g g锄q劬嘞g盯劬旃磊e 鄙 历f 九肿 乃 合力，n 最大流量，m v h 控制阀的加热蒸气流量，m 3 s 重力加速度，r n s 2 积分步长 微元段内物质的焓值，k j m o l 离心泵总压头，m 列管内流体传热系数，w m 2 k 微元段内组分i 的进口焓值，k j m o l 微元段内组分i 的出口焓值，k j m o l 持液量，m 3 列管外流体传热系数，k ；( m 2 s k ) 微元段内的总反应热，k j m o l 管壁对塔釜液相的热流通量，w m 2 壳程边对管壁的热流通量，w m 2 正反作用状态( 正作用l 阱1 ，反作用k _ 1 ) 反应指前因子 馏分的特性因数 f 集总组分中的硫化物加氢反应速率常数 f 集总组分中的硫化物加氢反应指前因子 比例放大的倍数 力平衡弹簧刚度，n m 弹簧的作用力( ) ，n 样本个数 相对开度， 塔底液相采出流量，m v s 液时空速，h - 1 由塔底最邻近的塔板溢流到塔釜的液相流量，m v s 第1 1 板下降液体量，m 3 s 压力影响因子 b 凡 g 办 日 忍胁魄m k如研凰k 后 勘岛昂墨取， 纪 助册 厶厶 m 微元段内组分f 的积累量，蚝 f 集总组分中的硫化物加氢反应压力影响因子 微元段内组分i 的进料量，蚝 微元段内总物料的进料量，k g 微元段内组分j 的出料量，埏 微元段内总物料的出料量，埏 控制阀运动部分的质量，k g 微元段内物质总质量，蚝 输出值( 规定在0 10 0 变化) 集总个数 离心泵功率，w 馏分中的氮含量， 反应压力，m p a 大流量时控制阀进口压力，m p a 大流量时控制阀进口压力，m p a 薄膜上部的压力( + ) ，n ； 大流量时绝对进口压力，m p a 大流量时绝对进口压力，m p a 冷凝蒸气压力，k p a 纯组分的蒸气压，k p a 加热蒸气压力，k p a 阀门定位器输出到执行器的压力信号，m p a 输入值( 上下限与艘值一样) 气相的焓，u 液相的焓，l 【j 组分的热焓，k j 相对误差， 气体常数，8 314 j ( m 0 1 i o 列管外垢层热阻，i n 2 幻w 芳烃饱和的速率，m o l ( m s ) 尬 慨坛必抄 聆m 坛p n乃以如鹏bq g 9 r 尺 砌 砌 芳烃开环的速率，m o l ( m 3 s ) 列管内垢层热阻，m 2 k w 脱氮反应速率，m o l ( m 3 s ) 脱氮的速率，m o l ( m 3 s ) 环烷烃开环的速率，m o l ( m 3 s ) 烯烃饱和的速率，m o l ( m s ) 脱硫的速率，m o l ( m 3 s ) 列管壁热阻，m 2 k w 给定值 温度，k 反应时间，h 冷却水入口温度，k 热流入口温度，k ； 冷凝温度，k 微分时间常数，s 积分时间常数，s 管壁温度，k 反应温度，k 采用周期，s 总传热系数；w m 2 k 阀杆位移速度，m s 第1 1 板上升蒸气量，m 3 塔底蒸出蒸气的流量m v s 阀杆位移，m 微元段内组分f 的进料组成 微元段内组分i 的出料组成 第刀板液相组成 待解的独立变量 】，的初值 第”板气相组成 n h h 锄 m 憎 肛 r r 砣 死乃乃乃瓦踢y 圪x 撬甄y 场k z 可以由独立变量】，导出的状态变量 希腊符号 a f回归系数 屈回归系数 h a芳烃饱和的反应热，k j h a r芳烃开环的反应热，l 【j h n脱氮反应热，k j 删r n f环烷烃开环的反应热，k j a h o 烯烃饱和的反应热，l 【j a h 。脱硫的反应热，u 当前输出的增量 叮离心泵效率， 砀塔板上气相总压力，k p a p流体密度，k g m 3 q质量分数， 抛活度系数 始 积分步长( 系统中的时间因子) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1v r d s 在炼油过程中的地位 随着原油重质化、劣质化的日趋严重，市场对轻质油品的旺盛需求以及人们环境 保护意识的增强，渣油改质j j n m 得到了越来越广泛的应用，对其反应过程的理论研究 也在不断深入【。在这种情况下，为满足加工进口高含硫原油的需要，提高轻油收率 和减少环境污染，某炼油厂于1 9 8 9 年1 0 月由美国c h e v r o n 公司引进了设计能力为8 4 万讹的减压渣油加氢脱硫装置。该装置1 9 9 2 年5 月份建成投产，1 9 9 9 年l o 月装置 进行了扩能改造，2 0 0 0 年1 月7 日完成并投产。装置改造后的设计处理能力1 5 0 万讹 ( 其中包括1 2 0 万讹减压渣油及3 0 万讹减压蜡油) ，主要对进口减压渣油进行脱硫、 脱氮、脱金属并部分裂解为石脑油、柴油和蜡油。设计运转初期，3 4 9 c 产品馏分的 m c r 为 8 5 ( m ) ，s 0 5 ( m ) ，末期m c r 9 2 ( m ) 、s 一z匝 第二章v r i ) s 装置及工艺 2 5 主要原材料及动力消耗 2 5 1 主要原材料 u f r v r d s 以阿拉伯轻质油与科威特原油以1 ：l 混合的减压渣油( 占渣油量的 5 8 - 6 6 ) 和孤岛减压渣油( 占渣油量的4 2 0 0 , - , 3 4 ) ，孤岛减压蜡油作为外部稀释油， 常压过汽化油及内部v g o 可作为装置内部稀释油。进料的原料油来自常减压装置和 罐区。其进料性质见表2 4 表2 _ 4 进料分析数据 t a b l e 2 - 4t h ea n a l y t i c a ld a t ao fi n c o m i n gf e e d 附注1 ：该数据是一组设计基础数据，基于原料是沙轻、科威特和孤岛三个油种按比例混合 的产物，不是一种稳定的比例，所以很多数据难于准确获得，空白处皆为此类情况。 稀释油部分：内部稀释油利用重质常压瓦斯油( h a g o ) 、轻质减压瓦斯油( l v g o ) 、 重质减压瓦斯油( i - i v g o ) , 外部稀释油利用常减压装置三线和重质减压斯油( h v g o ) 、 轻质减压瓦斯油( l v g o ) 。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 u f r f v r d s 的补充氢是由补充氢压缩机组提供的，其中包括制氢装置来的新氢、 本装置冷低压闪蒸罐回收的氢气以及氢提浓装置( p r i s m ) 回收的高纯度氢气。新氢纯 度9 9 5 ，( c 0 + c 0 2 ) 含量牛5 0 1 0 。6 ，氮气含量牛1 0 0 0 x l o 。6 。 反应部分其它的进料物流包括贫胺液( m d e a ) 、净化水等。 2 5 2 动力消耗 主要项目见表2 5 表2 5 动力消耗情况 t a b l e2 - 5s t a t u so fp o w e rc o n s u m p t i o n 代号名称规格型号m m 第二章v r d s 装置及工艺 表2 6 主要设备情况( 续) t a b l e2 - 6 s t a t u so fm a i ne q u i p m e n t ( c o n t ) 代号名称 规格型号，m m f - 1 3 1 0 反应进料加热炉 f 1 3 1 1 k - 1 3 1 0 循环氢压缩机 k - 1 3 1l 循环氢压缩机 v 1 3 2 0 热高压分离器 v - 1 3 2 1 v _ 1 3 3 0 冷高压分离器 v 1 3 31 冷高压分离器 c - 1 5 0 0 常压分馏塔 c - 1 6 0 1 减压分馏塔 f 一1 6 0 1 减压炉 p 1 3 0 1 p 1 3 1 0 急冷油泵 反应进料泵 p 1 3 1 0 b 反应进料泵 p 1 3 1 1 p 1 3 4 0 高压注水泵 高压贫液泵 3 2 8 8 x1 7 3 9 0 x 2 8 0 0 0 3 x 1 0 6 k c a l h 热负荷 b c a - 3 0 7 ，a b c a 3 0 7 a 1 6 4 5 x 6 1 4 7 x 5 0 1 0 0 2 3 0 0 3 2 9 8 7 7 1 4 7 0 2 4 0 0 x 4 61i ( t - t ) 0 2 2 0 0 x 2 8 7 0 0 ( t - t ) 0 2 0 0 0 x1 6 0 4 2 0 0 x 1 8 0 2 6 0 0 x1 6 x 3 5 0 1 6 4 6 8 8 x 8 7 0 0 x 2 7 7 0 0 热负荷3 3 x1 0 6 k c a l h h m 旷3 51 2 3 x l l c b t d r l 2 0 - 2 5 0 x 9 h 皿3 51 2 4 x 1 2 c b p 3 4 0 b高压贫液泵td701 3 5 x1 2 2 7 本章小结 本章介绍了加氢脱硫的生产原理，并概述了调研过程中收集到的v r d s 装置的基 本情况，主要包括：装置现状、物料平衡、工艺流程、产品说明、动力消耗和主要设 备情况说明等，为下面的系统开发提供依据和基础数据。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章主要单元模型构建和仿真系统开发 石化仿真系统的开发与应用从1 9 9 9 年开始进入了一个新的发展阶段，国内石化企业 对仿真的需求进一步增大，不仅对于新建和改造装置，已经投产的装置也要求开发仿真 系统；结合国内企业的特点，对仿真系统的功能提出了更高的需求，在这样的背景下， 中国石化总公司委托北京东方仿真控制技术有限公司和长岭炼化总厂联合开发“过程系 统仿真平台( p s s p ) ，这是国内第一套石化仿真的系统开发平台，该平台的推出提高 了仿真系统的开发效率、质量保障，用户可以深入地参与仿真系统的开发、升级，为用 户改进仿真系统、更好地应用仿真系统，提供了技术保障 3 4 1 。 本课题采用p s s p 仿真平台，在此基础上，开发仿真平台需要做以下几方面工作【3 5 】： ( 1 ) 实地考察v r d s 装置情况，收集数据，分析工艺流程，并绘制工艺信息流图； ( 2 ) 收集有关数据，对整个装置及每个单元设备进行物料衡算( 包括组份衡算) 和能 量衡算； ( 3 ) 基于工艺数据分析并合理简化，绘制全局模块流图； ( 4 ) 若某些模块要求的算法在算法库中没有，则根据规则开发新的算法； ( 5 ) 依据全局模块流图以序贯法建立模型； ( 6 ) 在建模过程中，每建立一个模块，根据相应工艺数据进行参数辨识； ( 7 ) 运行调试模型和各个模块，确保仿真模型的运行正确； ( 8 ) 确认仿真模型满足建模目标。 3 1 仿真系统的构成 仿真系统构成如图3 1 所示，总体监控软件和工艺仿真软件组成上位机，组成系 统核心。在实时数据库基础之上开发现场站和d c s 操作站，组成下位机f 3 6 1 。 第三章主要单元模型构建和仿真系统开发 图3 1仿真系统结构示意图 f i g3 - 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f s i m u l a t i o ns y s t e m ss t r u c t u r e 本课题基于p s s p 平台( p r o c e s ss y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r m ) 的开发平台，该平台是 基于面向对象的建模与仿真方法的先进仿真系统开发与运行环境体系，其运行环境为 标准计算机，支持m i c r o s o f tw i n d o w s 全系列操作系统，可在网或脱网运行。p s s p 平台采用分布交互式实时数据库及分布式计算模式的设计，其原理构架如下： 图3 - 2 软件平台的层次和架构 f i g3 - 2 l e v e la n ds t r u c t u r eo fs o f t w a r ep l a t f o r m 3 1 1 开发平台 ( 1 ) 工艺仿真软件建模：算法库管理和建模管理 在此平台上能够针对具体实际生产装置，搭接其仿真模型( 建模管理) ，以实现对 某一具体生产流程的工艺仿真软件开发。为了能实现以上功能，必须具有足够的工艺 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 过程或设备的“工艺算法 ，而且在此平台上能够进行“算法”的建立、修改等管理功 能( 算法库管理) 。 ( 2 ) 仿学员站系统( 仿d c s 系统) 的组态： 过程仿真培训系统的操作环境是指受训学员所面对的操作使用环境，它要求尽量 与实际生产装置的操作环境保持一致。目前过程工业中应用最多的是d c s 控制系统， 而d c s 的类型是多样的，所以过程仿真系统平台，要具有逼真的仿d c s 系统作为学 员操作环境，并且仿d c s 的类型足够齐全。仿d c s 系统必须具有组态功能( 即真实 d c s 的工程师功能) 以实现在仿d c s 系统上针对实际生产装置的各种界面和控制方 案、算法进行组态定义，保证学员站操作环境的逼真性。 ( 3 ) 仿真系统功能组态： 包括对过程仿真培训系统监控的各种培训指令的组态、定义，以实现对已开发的 过程仿真培训系统进行监控、调度和各种培训功能设置。 ( 4 ) 操作评分系统组态： 过程仿真培训系统要求能够跟踪记录学员的操作动作和操作表现，并按组态定义 的信息库( 知识库) 和操作规程( 推理规则) 进行评判给出学员的操作成绩。 3 1 2 运行平台 ( 1 ) 工艺仿真软件运行： 将在此平台上运行针对实际生产装置建立工艺仿真模型，以实现模拟实际生产装 置的运行。 ( 2 ) 仿学员站( 仿d c s ) 运行系统： 依据仿d c s 系统组态的各项结果和各种画面，运行仿d c s 系统，以实现对实际 生产装置操作环境的仿真运行。 ( 3 ) 模型运行管理： 将已组态定义的各种培训功能运行，以实现对整个仿真过程的监控和各种培训指 令。 ( 4 ) 操作评价系统运行： 跟踪记录学员的操作动作和操作结果，调用己组态完成的信息库，按组态定义的 操作规程进行评价，动态给出学员的操作效果与成绩。 3 1 第三章主要单元模型构建和仿真系统开发 3 2 建模的基本要求和步骤 在p s s p 系统中，用于培训的仿真模型是基于序贯模块方法来建立的。其基本思 想是：对工艺流程中的每一类单元设备进行设计、建立计算模块，并按实际流程的顺 序进行组织；各个模块的输出流和参数作为输入流和参数连续进行运算，从而获得流 程状态的变化信息。 序贯模块法一直是最常用的流程模拟方法，特别在工业应用方面。从建立仿真模 型的角度，此方法具有如下特点： 对某种单元设备可以使用一种或多种算法来描述，因此模块的计算可以达到很高 的效率，有利于满足实时和精度要求。 模型中的信息流和工艺流程中的物流或能流相互对应，便于模型验证。 模型计算中出现异常时，容易进行诊断和维护。 模型及模块算法具有良好的重用性，可提高模型开发效率，缩短开发周期，降低 开发费用。 3 2 1 建模的基本要求 仿真培训系统是以提供培训服务为目的，所以仿真模型应针对性强，宜精则精， 宜粗则粗，满足用户的需求。在建模时，对各单元设备的算法要进行合理的选择或开 发，以满足模型的需要。建模如有多人参加，则应有很好的组织。仿真培训系统数学 模型的特点： 化工过程仿真培训系统要求其数学模型：实时性、有良好的逼真度、仿真数值稳 定。因此，化工仿真培训所采用的数学模型一般有以下几个特点： ( 1 ) 采用集中参数模型。实际化工设备大多是分布参数需用偏微分方程来描述，而偏 微分方程的数值算法较为繁琐，耗时较多，不能满足系统实时性要求，可将偏微分转 化为集中参数模型来描述。 ( 2 ) 模型应能反应全工况。除正常生产，还要能偶描述开、停车过程及异常事故，参 数变化范围大，要求数学模型适合大范围工况变化。 ( 3 ) 模型应具有引入故障的能力。模型开发是要具有引入故障模型的能力，通常定性 表示。 ( 4 ) 模型应易于扩充和修改。 3 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 2 2 建模的基本步骤 单就建模工作而言，一般来说通常要经历以下几个步骤： ( 1 ) 基础模块的开发 基础模块是指在同类过程中可以共用的最基本的过程模块，如换热类中的热传递 模块、塔类的塔板计算模块、控制模块等开发基础模块，就是使这个模块可以适用于不 同的设备、不同介质、不同的操作条件，而且保证调用过程炼油设计中不出现死锁、死 循环或者上溢下溢等错误。同一类基础模块可以提供不同的基础模块，供选择使用，如 塔板计算模块，既提供实际板计算方法模块，又提供理论板计算方法模块。基础模块 的准确度和精度对于平台来说很重要，因为它们在计算过程中调用次数较多，对仿真 计算结果影响很大。 ( 2 ) 物性数据模块的完善 由于炼油化工装置处理的介质是多种多样的，因此要求平台中物性数据范围宽， 最好能覆盖所有装置，但一般地物性数据模块很难做到这一点，最好的办法就是逐步 完善和积累。另外，对于物性计算方法也可以提供多种不同计算途径尽量避免迭代算 法，若无法避免迭代计算时，一定要保证迭代方式在规定的计算次数内收敛，否则这 种算法就不能用于仿真平台开发。 ( 3 ) 反应模块的开发 在炼油化工装置中，不仅反应器结构各不相同，而且反应机理也不尽相同， 因此 在平台中，尽可能分别开发出来，如催化裂化反应器和再生器、催化重整反应器和再生 器、加氢裂化反应器、加氢精制反应器、烷基化反应器等这几类反应器基本上可分成固 定床、移动床和流化床等，针对这几种不同的反应环境，应该分别开发出固定床、移动 床和流化床等传质模块及各反应过程的动力学模块。 ( 4 ) 控制回路模块的开发 在炼油化工装置中，控制系统也是特别重要的一部分，它为装置安全稳定生产提 供可靠的保障在仿真平台中，这部分也应该开发相应的模块根据实际分工可分为单回 路控制子系统、串级控制子系统、分程控制子系统以及安全自动保护子系统，可分别 开发成基础模块。 3 3 第三章主要单元模型构建和仿真系统开发 ( 5 ) 画面组态模块的开发 在仿真平台上，应该提供画面生成模块，当调用画面组态模块时，可绘制仿真 所需的动态画面、修改已有画面、删除不必要的画面 (