液化天然氣工廠操作仿真系統(tǒng)的開發(fā)

胡德棟，孫子貽

(青島科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266100)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活水平得到了大幅度的提高，而對各種能源的需求量也隨之上升。目前，地球上的不可再生資源都處于急劇減少的緊缺狀態(tài)，如何對這些不可再生能源進(jìn)行更好的開采和合理的利用是目前整個世界都極為關(guān)注的一件事。天然氣作為目前礦藏資源最為豐富的全球不可再生資源之一，不僅儲藏量大且使用過程中產(chǎn)生的污染較小，是我國使用較為普遍的一種能源[1]。

目前，我國居民對天然氣的使用率極高，不僅日常生活中會使用到天然氣，以天然氣為能源的交通工具如今也成為了人們生活的重要組成部分。而我國對于天然氣的極大需求量，也使得對天然氣工廠的液化工藝提出了更高的要求，只有對天然氣液化工廠的工藝安全設(shè)計進(jìn)行不斷提升，才能滿足我國人民對天然氣的大量需求且保障天然氣的使用安全性，同時使天然氣在使用過程中更為潔凈，帶來更少的污染[2]。而天然氣的液化工藝安全設(shè)計研究不僅僅是人民群眾所極為關(guān)注的一件事，天然氣液化工藝的提升也可以為天然氣液化工廠創(chuàng)造更大的利潤，促進(jìn)我國經(jīng)濟的發(fā)展。

由于液化天然氣工廠的操作過程復(fù)雜，對員工素質(zhì)要求較高，具有合格上崗資質(zhì)的員工相對稀少，為了滿足日益增多的液化天然氣工廠用工需求，現(xiàn)在迫切需要培養(yǎng)大批具有高素質(zhì)的液化天然氣工廠員工，而借助液化天然氣工廠仿真系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)是一種有效途徑。因此開發(fā)本系統(tǒng)不僅對員工培訓(xùn)有價值，還對促進(jìn)我國液化天然氣工廠快速發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義[3-4]。

1 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線

液化天然氣工廠操作仿真系統(tǒng)，可對液化天然氣工廠日常運行工況進(jìn)行模擬。根據(jù)實際生產(chǎn)中液化天然氣工廠系統(tǒng)主要將液化天然氣工廠日常運行工況分為天然氣凈化、天然氣液化、儲存與運輸、BOG回收四個模塊，在每個模塊當(dāng)中基于實際生產(chǎn)中的壓力、溫度、質(zhì)量流量、組分等工藝參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行操作仿真[5]。軟件開發(fā)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 軟件開發(fā)技術(shù)路線

2 系統(tǒng)框圖構(gòu)建

圖2 仿真系統(tǒng)框架

液化天然氣工廠操作仿真系統(tǒng)由基礎(chǔ)知識模擬仿真作兩個部分構(gòu)成?；A(chǔ)知識部分包括工藝流程、操作演示、設(shè)備簡介等內(nèi)容，對液化天然氣工廠主要設(shè)備的操作步驟以及注意事項進(jìn)行詳細(xì)介紹，此外對液化天然氣工廠的工藝流程進(jìn)行分部展示以及理論知識講解，使學(xué)員快速掌握液化天然氣工廠操作流程。模擬仿真部分將液化天然氣工廠日常運行工況詳細(xì)分為天然氣凈化、天然氣液化、儲存與運輸、BOG回收四個模塊，由學(xué)員動手操作，操作過程中，學(xué)員可查看本次操作狀態(tài)下的參數(shù)變化以及歷史數(shù)據(jù)趨勢記錄，同時，操作考核系統(tǒng)對學(xué)員的操作打分，從而判斷學(xué)員是否已經(jīng)掌握液化天然氣工廠的工藝流程。仿真系統(tǒng)框架如圖2所示。

3 系統(tǒng)開發(fā)

3.1 創(chuàng)建界面

打開軟件進(jìn)入主界面，上面顯示有基礎(chǔ)知識與模擬仿真兩大模塊，基礎(chǔ)知識模塊包括流程界面(見圖3(a))、參數(shù)列表、歷史數(shù)據(jù)趨勢記錄、設(shè)備簡介(見圖3(b))四個部分。在每個模擬系統(tǒng)里面有天然氣凈化、天然氣液化、儲存與運輸、BOG回收四個部分的詳細(xì)工藝介紹及工藝模擬流程。

圖3 基礎(chǔ)知識子界面

在流程界面中選擇相應(yīng)的工藝，即可進(jìn)入液化天然氣工廠操作界面，界面中詳細(xì)展示了不用工藝下的具體工藝流程，點擊對應(yīng)編號即可對相應(yīng)閥門、管線、泵和壓縮機發(fā)出開車/停車指令，系統(tǒng)自動對閥門的開關(guān)、泵和壓縮機的啟動/關(guān)閉等進(jìn)行仿真模擬。天然氣液化工廠的生產(chǎn)過程中，因天然氣自身的基本特性和生產(chǎn)過程的操作需要，往往會帶來很多的危險因素[6]。因此，在對天然氣液化工廠的生產(chǎn)進(jìn)行模擬設(shè)計的過程中，尤其是在對設(shè)備進(jìn)行設(shè)計校核時，充分考慮承受裝置異常時可能產(chǎn)生的極端溫度或壓力情況，結(jié)合其危險指數(shù)針對異常工況進(jìn)行緊急停車系統(tǒng)的設(shè)計。此外對儲罐的液位、溫度、壓力，泵的流量等進(jìn)行監(jiān)控。

模擬仿真模塊包括考核模塊(見圖4(a))、參數(shù)列表、歷史數(shù)據(jù)趨勢記錄、成績查詢(見圖4(b))四個部分。在考核界面中，學(xué)院需要對每項閥門的開關(guān)、泵和壓縮機的啟動/關(guān)閉等進(jìn)行仿真操作，操作考核系統(tǒng)對學(xué)員的每次操作打分，成績查詢界面會顯示針對每一部分(如氮氣吹掃、溶劑循環(huán)、天然氣、停車)的具體分值，從而判斷學(xué)員是否已經(jīng)掌握液化天然氣工廠的工藝流程[7]。

圖4 模擬仿真子界面

表1 各步操作分類標(biāo)識表

為了考核學(xué)員是否已經(jīng)掌握操作技能，本仿真系統(tǒng)開發(fā)了操作考核系統(tǒng)。該系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)庫和控制系統(tǒng)組成。標(biāo)準(zhǔn)庫用于存放各個評估標(biāo)準(zhǔn)，控制系統(tǒng)用于規(guī)定產(chǎn)生式規(guī)則和匹配方法。根據(jù)學(xué)員的操作對其各步進(jìn)行識別，采用正向推理策略將學(xué)員的得分計入評價系統(tǒng)中，如表1所示。整個評估過程按操作工況分成不同的子集，考生選中一個工況后，就選擇了相對應(yīng)的子集，運算只在這一子集下進(jìn)行。根據(jù)考生的操作，正確完成一個操作總分加一分，執(zhí)行一個錯誤操作將扣一分，不操作不得分，最后將分?jǐn)?shù)匯總得出考核總分[8-11]。

3.2 數(shù)學(xué)建模

圖5 數(shù)學(xué)建模流程圖

為了更好的結(jié)合液化天然氣工廠實際生產(chǎn)過程，本仿真系統(tǒng)對儲罐的液位、溫度、壓力建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)在滿足控制要求的情況下，選用單回路反饋控制系統(tǒng)，單回路反饋控制系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象(簡稱對象)或被控過程(簡稱對象)、測量變送裝置、控制器和控制閥。以儲罐的液位為例，數(shù)學(xué)建模流程如圖5所示。

3.3 數(shù)據(jù)庫開發(fā)

為了讓所繪制的靜態(tài)圖擁有動態(tài)效果，需要將圖上所示各個管路以及閥門等進(jìn)行定義和關(guān)聯(lián)。首先給其命名，并選擇其默認(rèn)的顏色和開關(guān)時的顯示方式。其次，應(yīng)在數(shù)據(jù)庫組態(tài)中建立數(shù)字點和模擬點，成為每一條管路和閥門的控制量。之后，將管路閥門等控件與已經(jīng)定義好的數(shù)字點模擬點相連接。以此方式完成對所有管路閥門各個設(shè)備的基本控制。并設(shè)置各管路的流動屬性。數(shù)據(jù)庫組態(tài)設(shè)置如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫組態(tài)設(shè)置

3.4 報表輸出

液化天然氣工廠操作仿真系統(tǒng)可對每項工況模擬狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行保留并形成報表，操作人員可根據(jù)需要隨時查看參數(shù)列表(見圖7(a))，為方便操作人員更好觀察各項數(shù)據(jù)實時變化趨勢，本系統(tǒng)開發(fā)了更為直觀的歷史數(shù)據(jù)趨勢記錄表(見圖7(b))。

圖7 報表輸出記錄

4 仿真系統(tǒng)的功能

本仿真系統(tǒng)具備以下3項功能：

1)操作仿真系統(tǒng)可實現(xiàn)液化天然氣工廠中天然氣凈化、天然氣液化、儲存與運輸、BOG回收的實際生產(chǎn)工藝模擬開/停車工況模擬，此外仿真系統(tǒng)也可以實現(xiàn)在液化天然氣工廠在實際生產(chǎn)過程中可能遇到的各種緊急工況的模擬。

2)操作考核系統(tǒng)可以對學(xué)員的每次操作打分，最終得分可作為評估的依據(jù)，判斷學(xué)員是否已經(jīng)掌握液化天然氣工廠的工藝流程[12-13]。

3)設(shè)備管理系統(tǒng)既可以對設(shè)備進(jìn)行有效管理，又可以用來對學(xué)員講解設(shè)備的基本信息、工作原理、操作規(guī)程，讓學(xué)員熟練操作設(shè)備。

5 結(jié)論

本文開發(fā)設(shè)計了一套用于培訓(xùn)液化天然氣工廠員工的操作仿真系統(tǒng)，學(xué)員能夠親手操作，模擬液化天然氣工廠的大部分工況。仿真系統(tǒng)結(jié)合基礎(chǔ)知識和模擬仿真兩個部分，功能齊全，使用方便，可節(jié)省大量人力、物力和財力，本系統(tǒng)采用實際生產(chǎn)與虛擬仿真相結(jié)合的方式，具有專業(yè)性強、節(jié)約培訓(xùn)成本、安全性高、培訓(xùn)效率高等優(yōu)點。