煤化工煤制甲醇行业操作员培训仿真系统OTS.docx
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煤化工煤制甲醇行业操作员培训仿真系统OTS
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
杭州坤天自动化系统有限公司的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，基于坤天奥秘仿真®严格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。
坤天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（OperatorTrainingSystem），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，在线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：
下图是软件系统的总体结构和部署图：
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
▪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
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
杭州坤天自动化系统有限公司的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
煤气化工艺模型模拟正常运行、冷态开车、稳态停车的过程，同时还模拟了故障包括：
●故障1高压粉煤仓B的N2调节阀泄漏
●故障2高压粉煤仓A的N2进料降低
●故障3渣池水冷却器的循环水上水阀堵塞
●故障4渣池水冷却器循环水上水阀泄漏
●故障5盐酸进料阀泄露
●故障6回流泵去灰浆气体塔的进样阀堵塞
（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。
变换工艺模型模拟正常运行、冷态开车、稳态停车的过程，同时模拟的故障包括：
●故障1粗煤气进料量过大
●故障2中压蒸汽进汽流量控制阀泄漏
●故障3气液分离器的排液阀堵塞
●故障4气液分离器的排液阀泄漏
●故障5变换气水冷器的进水量过小
●故障6脱盐水槽的排液阀堵塞
●故障7脱盐水槽的排液阀泄漏
（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
净化工艺模型模拟正常运行、冷态开车、稳态停车的过程，同时模拟的故障包括：
●故障1甲醇喷淋阀卡
●故障2泄压阀卡
●故障3排液阀卡
●故障4热再生塔回流液的温度升高
●故障5甲醇富液泵故障
●故障6气提氮气故障
●故障7水分离塔的液位过低
（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。
甲醇合成工艺模型模拟正常运行、冷态开车、稳态停车的过程，同时模拟的故障包括：
●故障1汽包液位过低
●故障2出料自动阀泄露
●故障3汽包压力控制阀泄露
●故障4醇回收塔塔顶压力控制阀堵塞
●故障5醇回收塔塔顶压力控制阀泄露
●故障6粗醇中间罐液位控制阀泄露
●故障7粗甲醇泵故障
（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。
甲醇精馏工艺模型模拟正常运行、冷态开车、稳态停车的过程，同时模拟的故障包括：
●故障1预精馏塔塔顶温度偏高
●故障2塔塔顶压力偏高
●故障3中压精馏塔塔底部温度低
●故障4精甲醇产品不合格
●故障5进料阀堵塞
●故障6阀门泄露
●故障7预精馏塔出换热器温度过高
●故障8紧急停车
（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脱水反应。
（2）精馏工序：
反应出来的粗甲醚（含甲醇、二甲醚、水）用泵送入精馏塔，塔顶得到的二甲醚冷凝液部分回流，部分经分析合格后作为产品采出。
精馏塔釜液贮罐的水甲醇溶液，少量作为洗涤塔吸收液使用，大部分返回反应工段的汽化塔分离甲醇和水，在塔顶得到甲醇返回系统使用。
（3）气提工序：
从汽化塔塔釜来的含醇废水进入汽提塔，经汽提分离后塔顶得到的粗甲醇，冷凝后大部分回流到汽提塔，少量采出送甲醇中间罐循环使用。
汽提塔塔釜的工艺废水，经冷却后去污水系统。
二甲醚工艺模型模拟正常运行、冷态开车、稳态停车的过程，同时模拟的故障包括：
●故障1甲醇进料阀卡
●故障2反应器入口温度调节阀卡
●故障3气化塔中压蒸汽阀开度小
●故障4精馏塔塔釜液位偏低
●故障5洗涤塔液位偏低
●故障6汽提塔去甲醇中间罐的甲醇含量不合格
●故障7反应器漏气
2工厂定制项目实施步骤
2.1综述
所谓工厂定制，即根据工厂实际工艺流程及需要的培训内容进行仿真系统的定制化服务，提供跟工厂实际1:
1定制化的仿真系统。
本章描述定制服务的项目实施步骤，并且针对关键步骤进行详细描述。
下表是项目实施步骤说明：
开工会和开工会前的工作
1）开工会前的工作
✓成立项目小组，确定小组成员和职责
✓初始项目计划制定
✓项目工作分配
✓工艺流程图和工艺审核
✓技术资料数据准备
2）开工会
✓项目工作组介绍
✓审核项目工作范围
✓审核项目计划
✓项目开展需求数据的提交
✓讨论和澄清已获取的资料和数据
数据处理
✓客户企业按要求提供相关数据信息
✓数据可靠性确认与审查
✓稳态工况的确认与审核
建模
✓根据各实施阶段具体装置的不同，对工艺过程进行稳态和动态建模。
模型测试（MAT）
✓模型测试方案的发布
✓模型验收测试
✓静态模型校核
✓动态模型校核
✓模型修正
系统的集成
✓接受经过工厂验收测试后的DCS组态文件（图形+控制+系统）
✓将DCS组态复制到OTS仿真系统中
✓设置系统故障
系统测试
✓系统集成测试
✓系统动态性能测试
✓准备验收测试报告
✓预验收会议
工厂验收测试（FAT）
✓FAT测试方案的发布
✓FAT工厂验收测试
✓修改在FAT中出现的问题
✓FAT完成
现场验收测试（SAT）
✓将在办公室做好的OTS操作员培训系统安装到客户企业现场
✓SAT测试方案的发布
✓SAT现场验收测试
✓修改在SAT中出现的问题
✓SAT完成
培训及其文档发布
✓OTS操作员培训系统正式启用前的教员培训，涉及教员操作、系统维护及系统自定义开发技术等
✓发布培训资料
✓发布使用手册
✓FAT方案
✓SAT方案
2.2所需的工程资料
基本资料
序号
资料描述
1
工艺流程图（PFD）
2
详细工艺管道与仪表图（PID）
3
流程设计数据（工艺包数据）或正常工况操作数据
4
DCS系统组态、控制组态、HMI组态以及DCS界面截图
5
实施环境的网络环境及其结构
6
开、停车步骤以及曲线
7
开、停车操作考评方法和操作轨迹
8
重要设备尺寸参数
9
主要故障描述（故障条件，故障现象，排除步骤）
2.3验收测试和审查
仿真系统的所有组件，功能，表现和可靠性都要经行演示和测试。
完整的OTS应经过：
在杭州坤天自动化系统有限公司的办公室完成模型验收测试（MAT），和针对功能和操作的出厂验收测试（FAT），最后在用户方现场做针对操作的现场验收测试（SAT）。
（注：
可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!
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