CN102810283A - 煤气化制甲醇模拟实训平台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤气化制甲醇模拟实训平台，包括实训装置和控制平台，实训装置包括依次由工艺管道连接的焦化炉、气液分离器、煤气初冷塔CO变换单元和甲醇合成与精制单元等多个设备；工艺管道上设有用于测控的阀门和泵体，控制平台包括：安装有仿真系统的上位机、DCS控制系统和显示仪表，其中：DCS控制系统用于接收仿真系统通过数学模型演算得出的数据，并通过IO模块输出控制信号给阀门和泵体；上位机用于接收阀门和泵体的状态信息、建立数据模型、进行工艺参数的计算；显示仪表用于现场显示工艺参数的瞬时值。本发明具有较强的实践性和操作性，将实际操作与计算机仿真有机结合起来，更好地实现了理论与实践一体化的教学目的。

Description

煤气化制甲醇模拟实训平台及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种实装置模拟实训平台，更具体说，涉及一种用于煤气化制甲醇实训系统。

背景技术

甲醇是一种重要的基本有机化工产品，在化工、医药、轻纺、国防等许多工业部门有着广泛用途。此外，甲醇又是一种很好的有机溶剂，是新一代能源的重要原料，是一种易燃的液体，具有良好的燃烧性能，可以应用于运输、工业、厨房和发电用燃料中。

煤气化制甲醇是工业上最常用的甲醇生产方法，也是各类院校化工类及相关专业教学和专业实习的重要内容之一。传统上采用小型的实训装置对学生进行技能培训，但是很难真正地将生产装置移植到教学实训室实现正常开车、稳定运行，为学生提供工厂生产整个流程的认识和实践机会。这一方面是因为实际开车涉及到原料及设备维护等很多实际问题，成本较高，一般院校不会持续提供这部分资金；另一方面即使让学生开车运行，产出的产品合格率也很低，达不到商品化的程度，毕竟学生知识水平及动手能力参差不齐，投入的资金很难获得收益。此外，装置实际运行过程中的安全及“废气、废水、废渣”排放问题突出，普通院校教学实训室这方面的设施均不够完善。近年来，计算机仿真系统被大量引入各类院校的技能培训中，即用计算机模拟DCS控制环境，用其中运行的实时动态数学模型取代真实地生产装置，对学生进行实训装置的操作技能训练。但是这种仿真系统也存在很多弊端，这种系统大多只能以工艺流程图的形式展示或仿真训练，学生只能看到设备大致外形和主要物料走向，直观性差，不能看到生产装置的全貌，工程化概念不突出，无法模拟实际开车过程，不能充分调动学生的积极性，很难让他们对原料到产品的整个生产过程有深刻的印象及清楚的认识，影响了学生对生产过程的认知、感知和实际操作技能的培养。为了提高化工类毕业生的知识、技能及素质，实现学校与企业的“零距离”对接，非常有必要搭建一种实际操作与计算机仿真有机结合的煤气化制甲醇实训系统。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种煤气化制甲醇实训系统，具有较强的实践性和操作性，将实际操作与计算机仿真有机结合起来，更好地实现了理论与实践一体化的教学目的。

为了解决上述技术问题，本发明煤气化制甲醇模拟实训平台予以实现的技术方案是：包括实训装置和控制平台，所述实训装置包括依次由工艺管道连接的焦化炉、气液分离器、煤气初冷塔、氨水澄清槽、氨水槽、焦油中间槽、焦油槽、电捕焦油器、冷却油洗萘塔、氨洗脱硫塔、脱硫塔、终冷塔、脱苯洗涤塔、吸收塔、再生塔、CO变换单元和甲醇合成与精制单元；所述工艺管道上设有用于测控的阀门和泵体，所述控制平台包括：安装有仿真系统的上位机、DCS控制系统和显示仪表，工艺管道上的阀门和泵体均与所述上位机和所述DCS控制系统连接，所述显示仪表与所述上位机连接；其中：所述DCS控制系统用于接收仿真系统通过数学模型演算得出的数据，并通过DCS控制系统的IO模块输出控制信号给阀门和泵体；安装有仿真系统的上位机用于接收用户设定的工艺管路上阀门和泵体状态量及设定的工艺条件及其根据需求所确定的数学关系式，实验过程中，随着各阀门和阀体状态量及工艺条件的改变，仿真系统自动计算出各种条件下对应的参数值，然后将计算结果传送至DCS控制系统及显示仪表；所述显示仪表用于现场显示温度、压力、液位及流量的瞬时值。

本发明煤气化制甲醇模拟实训平台的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、所述DCS控制系统将采集到的工艺管道上阀门的阀位和泵体的启停状态信号通过以太网传输给安装有仿真系统的的上位机；

步骤二、所述上位机将数据传递给其中的仿真系统，所述仿真系统接收用户设定的工艺管路上阀门和泵体状态量及设定的工艺条件，并根据需求确定阀门和泵体状态量及工艺条件之间的数学关系式；

步骤三、实验过程中，随着各阀门和阀体状态量及工艺条件的改变，仿真系统自动计算出各种条件下的对应参数值；仿真系统通过以太网将上述计算得出的参数值反馈给DCS控制系统；

步骤四、所述DCS控制系统对接收到的仿真系统输出变量中的温度、压力、液位和流量中的一种或几种参数值进行PID调节运算；

步骤五、所述DCS控制系统根据步骤四得出的PID调节运算的结果得出相应的控制信号，从而控制工艺管道上对应的阀门和泵体，以实现功能控制，同时，所述DCS控制系统生成实训仿真DCS控制图；

与此同时，返回步骤三，所述DCS控制系统将步骤四得到的计算结果传回到的仿真系统作为新一轮循环的计算基础，所述仿真系统将得出的新一轮循环的变量值再传给所述DCS控制系统，从而实现动态控制，同时，所述DCS控制系统生成实训仿真DCS控制图；直到选择退出实训平台为止；

在上述步骤一至步骤五的过程中，所述上位机的显示器上显示实训仿真DCS控制图；所述显示仪表进行数据的实时显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所设计的煤气化制甲醇实训装置由工厂实际所用装置等比例缩小而成，工艺流程及装置结构均与工厂基本保持一致，既可进行实物料开车又可通过计算机仿真系统反馈控制设备仪表显示，有利于生产出合格率较高的产品，实现资金循环利用。利用本发明对学生进行技能培训，能够让学生切实了解到真实化工生产装置的构成及大致概况，提高了学生对煤气化制甲醇装置的整体认识及直观感受，增强了学员的实际操作水平，培养了学员的协作能力及团队意识，更好地满足了企业对岗前培训的要求。

附图说明

图1是本发明煤气化制甲醇实训平台工艺流程示意图；

图2是实训装置、DCS控制系统及仿真系统相互作用关系示意图；

图3是煤气化制甲醇实装置模拟实训平台信号传输主流程图。

图4是本发明实施例计算半水煤气气柜高度参数过程示意图。

图中：

1-焦化炉        2-气液分离器        3-煤气初冷塔    4-氨水澄清槽

5-氨水槽        6-焦油中间槽        7-焦油槽        8-电捕焦油器

9-冷却油洗萘塔  10-氨洗脱硫塔       11-脱硫塔       12-终冷塔

13-脱苯洗涤塔   14-吸收塔           15-再生塔       16-CO变换单元

17-甲醇合成与精制单元。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本发明一种煤气化制甲醇模拟实训平台包括实训装置和控制平台。

如图1所示，所述实训装置包括依次由工艺管道连接的焦化炉1、气液分离器2、煤气初冷塔3、氨水澄清槽4、氨水槽5、焦油中间槽6、焦油槽7、电捕焦油器8、冷却油洗萘塔9、氨洗脱硫塔10、脱硫塔11、终冷塔12、脱苯洗涤塔13、吸收塔14、再生塔15、CO变换单元16和甲醇合成与精制单元17；所述工艺管道上设有用于测控的阀门和泵体。所有设备均是按照实际工厂装置等比例缩小而成。在具体的实施过程中，可根据所选实训场地的实际情况，确定各设备大小，并进行装置框架及设备布置等施工图设计。根据工艺流程图将各设备之间用工艺管道连接成整套实训装置，工艺管道与设备间采用法兰连接，管路中的管件如弯头、三通等采用焊接连接，管路中的阀门根据所选用的阀门种类分别采用焊接或螺纹连接，管路中的化工仪表根据所选用不同种类的仪表分别采用焊接或螺纹连接。当然，连接方式并不局限于上述几种，根据现场实际情况，也可采用其他的连接方式。施工过程中严格按照化工装置的各种施工规范进行，确保实训装置与真实化工生产装置完全一致。

实训过程中，来自焦化炉1的荒煤气，带着焦油和氨水沿着吸煤气管道至气液分离器2，气液分离后荒煤气进入煤气初冷塔3，煤气初冷塔3是一个多管程多壳程立管间接煤气冷却器，其作用是降温并析出部分水分，排出的冷凝液可反复循环使用，多余部分送入氨水澄清槽4，分离出的氨水进入氨水槽5，进一步分离出焦油至焦油中间槽6，当达到一定液位时，用焦油泵将其送至焦油槽7。氨水澄清槽4分离完氨水的剩余部分进入电捕焦油器8，除掉其中夹带的焦油雾后送至冷却油洗萘塔9，除萘后进入氨洗脱硫塔10除去其中的含硫成分硫化氢及氰化氢，然后进入终冷塔12冷却至室温再进入脱苯洗涤塔13将苯含量洗至4mg/m³以下，最后经过吸收塔14、再生塔15、CO变换单元16、甲醇合成与精制单元17得到了纯度较高的甲醇。

整个实训过程中，采用计算机仿真DCS操作，如图2所示，所述控制平台包括：安装有仿真系统21的上位机、DCS控制系统22和显示仪表24，工艺管道上的阀门和泵体均与所述上位机和所述DCS控制系统22连接，所述显示仪表24与所述上位机连接；其中：所述DCS控制系统22用于接收仿真系统21通过数学模型演算得出的数据，并通过DCS控制系统22的IO模块输出控制信号给阀门和泵体23；安装有仿真系统21的上位机用于接收阀门和泵体23的状态信息；并根据阀门和泵体的状态量及工艺条件等已知变量，结合用户根据自己所要计算的参数而输入的一系列数学关系式，最终建立起一个完整的数据模型，实验过程中，随着各状态量及工艺条件的改变，可以由此模型自动计算出各种条件下的参数值，然后将计算结果传送至DCS控制系统22及显示仪表24；所述显示仪表24用于现场显示温度、压力、液位及流量的瞬时值。

如图2所示，实训过程的控制包括以下步骤：

步骤一、所述DCS控制系统22将采集到的工艺管道上阀门的阀位和泵体的启停状态信号通过以太网传输给安装有仿真系统的21的上位机；

步骤二、所述上位机将数据传递给其中的仿真系统，所述仿真系统接收用户设定的工艺管路上阀门和泵体23状态量及设定的工艺条件，并根据需求确定阀门和泵体23状态量及工艺条件之间的数学关系式；

步骤三、实验过程中，随着各阀门和阀体状态量及工艺条件的改变，仿真系统21自动计算出各种条件下的对应参数值；仿真系统21通过以太网将上述计算得出的参数值反馈给DCS控制系统22；

步骤四、所述DCS控制系统22对接收到的仿真系统21输出变量中的温度、压力、液位和流量中的一种或几种参数值进行PID调节运算；即，所述DCS控制系统22根据实现功能不同，如需实现温度的准确控制，则需对接收到的温度数值进行PID调节运算，同理，要实现压力、液位、流量等数值的准确控制，则需分别对这些参数值进行PID调节，实现精确调节。

步骤五、所述DCS控制系统22根据步骤四得出的PID调节运算的结果得出相应的控制信号，从而控制工艺管道上对应的阀门和泵体，以实现功能控制，同时，所述DCS控制系统22生成实训仿真DCS控制图；

与此同时，返回步骤三，所述DCS控制系统22将步骤四得到的计算结果传回到的仿真系统21作为新一轮循环的计算基础，所述仿真系统21将得出的新一轮循环的变量值再传给所述DCS控制系统22，从而实现动态控制，同时，所述DCS控制系统22生成实训仿真DCS控制图；直到选择退出实训平台为止；

在上述步骤一至步骤五的过程中，所述上位机的显示器上显示实训仿真DCS控制图；所述显示仪表24进行数据的实时显示。在上位机上显示的仿真画面与工厂DCS控制室中的实际操作画面一致，在DCS图中显示出了所有工艺参数值，同时还能操作自控阀门，并对现场手动阀做出了特别标注。

在上述步骤二中，以半水煤气气柜高度参数的计算为例，数学关系式（数学模型）的建立与完成如图4所示。

（一）流量计算：

（1-1）单位采样周期气体增量：△V_i=(F₁-F₂）÷3600xk；

（1-2）气柜剩余气体体积计算：V₁＝ΔV_i；

（1-3）压力校正：V₂=V₁XP₀÷P₁；

（二）高度计算：H=V₂/D

式中：△V_i―单位采样周期气体增量，单位：m³；

F₁―入气柜半水煤气量，单位：Nm³/h；

F₂―为出气柜半水煤气量，单位：Nm³/h；

K―系统采样周期，单位：S（是秒吗，是否区分大写？小写）；

V₁―气柜内气体体积，单位：Nm³；

V₂―气柜内工况条件下气体体积，单位：m³；

P₀―大气压，单位：kPa；

P₁―工况状态压力，单位：kPa；

H―气柜高度，单位，m；

D―气柜直径，单位：m；

如上所示，整个计算过程所用到的数学关系式是本领域内的公知常识，本发明中仿真系统的作用是将F1，F2作为变量，实时监测出这两个变量的瞬时值，然后根据上述有关数学关系式，给出△V_i、V1、V2及H的值，并通过以太网将上述计算结果反馈给DCS控制系统，DCS控制系统根据此变量值给出相应的控制信号，调节现场对应阀门的开度，从而完成变量控制；

现场阀门及泵等设备23与DCS控制系统22及仿真系统21之间均采用通讯电缆进行信号传递，而DCS控制系统22与仿真系统21之间则通过以太网传输数据，其信号传输的主流程图如图3所示，实训过程中，首先由仿真系统采集现场设备信号31，如现场阀门及泵等设备23的阀位及泵的启停状态等信号。接着仿真系统进行数据运算32，运算过程中借助仿真计算机的计算能力，用数学模型替代实际的化工生产装置，计算出相应的变量输出值。然后仿真系统输出计算结果33，DCS控制系统接收计算结果34，接收到的数据可以在DCS控制系统中显示及记录。此外，对于流量等可控变量还需在DCS控制系统中进行PID调节运算，根据设定值与瞬时值之间的差值计算出输出值，经由DCS控制系统中的IO模块传输信号35，最后现场设备接收并响应相应信号36，同时也将其状态值传回到仿真系统21中，开始下一轮的循环控制。例如当流量设定值高于流量瞬时值时，DCS控制系统就会通过IO模块向现场电动调节阀发出增大阀门开度的信号，从而使流量值增大，更加接近设定值，完成可控变量的控制过程。

本实装置模拟实训平台具备设定各种事故状态和极限运行状态，提高了学生分析能力和在复杂情况下处理事故的能力，利用本实训平台可以对学生进行煤气化制甲醇的相关工艺、流程及设备结构和运行的教学和实训。实训过程中，借助计算机的计算能力，用数学模型替代实际的化工生产装置，实时仿真实际化工生产工艺过程。此外，也可借助于现场电动调节阀及仿真检测仪表，实现在模拟工艺装置上进行仿真阀门的操作与现场仿真检测仪表的参数检测，学生可在计算机上和装置现场进行仿真工艺装置的多工序协同开车；掌握生产工艺的控制、计算、企业管理的基本能力；掌握装置的开、停车、操作运行、维护、事故处理能力，达到对学生进行操作实训和岗前培训的目的。

利用本发明煤气化制甲醇实装置模拟实训平台可进行以下技能培训：

煤气处理系统现场及仿真教学；

炼焦炉工艺、结构现场及仿真教学；

粗煤气处理工艺的现场及仿真教学；

煤气深度净化工艺现场及仿真教学；

合成气变换工艺的现场及仿真教学；

合成甲醇工艺的现场及仿真教学；

CO变换反应器的认识与实训；

填料塔和板式塔的认识与实训；

精馏塔、吸收塔及萃取塔的认识与实训等。

实训过程中可让学生在现场操作手动开关阀、调节阀及各种动设备的开启与停止，也可在控制室界面上观测现场仪表阀门状态、各种生产工艺参数和工艺曲线、关键数据的变化趋势等。此外，教师还可通过调整各阀门的开、关状态以及开度大小等，开放性地设置各种事故，训练学生对事故的判断及处理能力。

综上所述，本发明煤气化制甲醇的实装置模拟实训平台将实际操作与计算机仿真有机地结合起来，能够让学生切实了解到真实化工生产装置的构成及大致概况，提高了学生对煤气化制甲醇装置的整体认识及直观感受，增强了学员的实际操作水平，培养了学员的协作能力及团队意识，更好地满足了企业对岗前培训的要求。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种煤气化制甲醇模拟实训平台，其特征在于，包括实训装置和控制平台，所述实训装置包括依次由工艺管道连接的焦化炉（1）、气液分离器（2）、煤气初冷塔（3）、氨水澄清槽（4）、氨水槽（5）、焦油中间槽（6）、焦油槽（7）、电捕焦油器（8）、冷却油洗萘塔（9）、氨洗脱硫塔（10）、脱硫塔（11）、终冷塔（12）、脱苯洗涤塔（13）、吸收塔（14）、再生塔（15）、CO变换单元（16）和甲醇合成与精制单元（17）；所述工艺管道上设有用于测控的阀门和泵体，

所述控制平台包括：安装有仿真系统（21）的上位机、DCS控制系统（22）和显示仪表（24），工艺管道上的阀门和泵体均与所述上位机和所述DCS控制系统（22）连接，所述显示仪表（24）与所述上位机连接；其中：

所述DCS控制系统（22）用于接收仿真系统（21）通过数学模型演算得出的数据，并通过DCS控制系统（22）的IO模块输出控制信号给阀门和泵体（23）；

安装有仿真系统（21）的上位机用于接收用户设定的工艺管路上阀门和泵体（23）状态量及设定的工艺条件及其根据需求所确定的数学关系式，实验过程中，随着各阀门和阀体状态量及工艺条件的改变，仿真系统（21）自动计算出各种条件下对应的参数值，然后将计算结果传送至DCS控制系统及显示仪表；

所述显示仪表用于现场显示温度、压力、液位及流量的瞬时值。

2.一种如权利要求1所述煤气化制甲醇模拟实训平台的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、所述DCS控制系统（22）将采集到的工艺管道上阀门的阀位和泵体的启停状态信号通过以太网传输给安装有仿真系统的（21）的上位机；

步骤二、所述上位机将数据传递给其中的仿真系统，所述仿真系统接收用户设定的工艺管路上阀门和泵体（23）状态量及设定的工艺条件，并根据需求确定阀门和泵体（23）状态量及工艺条件之间的数学关系式；

步骤三、实验过程中，随着各阀门和阀体状态量及工艺条件的改变，仿真系统（21）自动计算出各种条件下的对应参数值；仿真系统（21）通过以太网将上述计算得出的参数值反馈给DCS控制系统（22）；

步骤四、所述DCS控制系统（22）对接收到的仿真系统（21）输出变量中的温度、压力、液位和流量中的一种或几种参数值进行PID调节运算；

步骤五、所述DCS控制系统（22）根据步骤四得出的PID调节运算的结果得出相应的控制信号，从而控制工艺管道上对应的阀门和泵体，以实现功能控制，同时，所述DCS控制系统（22）生成实训仿真DCS控制图；

与此同时，返回步骤三，所述DCS控制系统（22）将步骤四得到的计算结果传回到的仿真系统（21）作为新一轮循环的计算基础，所述仿真系统（21）将得出的新一轮循环的变量值再传给所述DCS控制系统（22），从而实现动态控制，同时，所述DCS控制系统（22）生成实训仿真DCS控制图；直到选择退出实训平台为止；

在上述步骤一至步骤五的过程中，所述上位机的显示器上显示实训仿真DCS控制图；所述显示仪表（24）进行数据的实时显示。

3.根据权利要求2所述煤气化制甲醇模拟实训平台的控制方法，其中，步骤二中，计算半水煤气气柜高度参数，包括以下项目：

（一）流量计算：

（1-1）单位采样周期气体增量：△V_i=(F₁-F₂）÷3600xk；

（1-2）气柜剩余气体体积计算：V₁＝ΔV_i；

（1-3）压力校正：V₂=V₁XP₀÷P₁；

（二）高度计算：H=V₂/D；

式中：△V_i―单位采样周期气体增量，单位：m³；

F₁―入气柜半水煤气量，单位：Nm³/h；

F₂―为出气柜半水煤气量，单位：Nm³/h；

K―系统采样周期，单位：s；

V₁―气柜内气体体积，单位：Nm³；

V₂―气柜内工况条件下气体体积，单位：m³；

P₀―大气压，单位：kPa；

P₁―工况状态压力，单位：kPa；

H―气柜高度，单位，m；

D―气柜直径，单位：m；

仿真系统（21）通过以太网将上述计算得出的气柜高度反馈给DCS控制系统（22），DCS控制系统（22）根据此变量值给出相应的控制信号，调节现场对应阀门的开度，从而完成变量控制。

4.根据权利要求2所述煤气化制甲醇实训平台的控制方法，其特征在于，所述DCS控制系统（22）的控制界面显示指定实训功能的所有工艺参数值，所述工艺参数值由仿真系统（21）传送至DCS控制系统（22），并显示在控制界面上。

Images