CN113419495A - 一种多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，包括模型服务器、虚拟DPU站、教练员站和学员站，所述模型服务器依据物性数据以及自然科学原理建立粉煤气化炉的机理模型，所述虚拟DPU站用于与所述模型服务器通信并将DCS现场控制站的功能移植到所述机理模型将所述机理模型升级为虚拟模型，教练员通过所述教练员站利用所述虚拟模型对在所述学员站的学员进行培训，在所述学员站进行培训的所述学员采用的所述虚拟模型培训软件与现场的DCS操作员站软件一致。通过将模型服务器、虚拟DPU站结合，使用虚拟DPU、真实DCS、模型服务的多喷嘴顶置式粉煤气化炉工艺操作仿真系统，提高了仿真效果以及培训效率。
Description
技术领域
本发明涉及煤气化技术领域，特别是涉及一种多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统。
背景技术
由于现代煤化工的迅速发展，造成了工艺操作技术人员短缺的现象。在大型煤化工装置中，气化炉作为源头为后续工序提供原料合成气，因此气化炉在煤化工中处于龙头地位，然而由于气化炉的控制联锁复杂，对操作人员要求较高，其操作的平稳性直接影响着整个工厂的效益。
传统培训方式基本以理论培训为主，无法进行实操练习，更不要说建立锻炼故障现场处置的能力。多喷嘴顶置式粉煤气化技术是采用干法粉煤加压进料，以氧气作为氧化剂并通过液态排渣的气流床煤粉加压煤气化技术。该技术工艺包括：煤粉制备系统、煤粉输送系统、气化与激冷、合成气净化系统及黑水处理等单元。气化炉是该技术的核心设备，采用3+1顶置下喷烧嘴、水冷壁结构，其具有操作范围广，对煤种适应性广的特性，特别是在贵州开阳三高煤的成功应用，开创了劣质煤气化的先例，市场应用场景较为广泛。
目前国内针对煤气化技术的操作员仿真系统基本上采用“黑箱”模式，即由反应结果推断反应过程，对装置负荷变换的适应性较差。
发明内容
本发明的目的是提供了一种多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，提高了培训效率。
为解决上述技术问题，本发明实例提供了一种多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，包括模型服务器、虚拟DPU站、教练员站和学员站，所述模型服务器依据物性数据以及自然科学原理建立粉煤气化炉的机理模型，所述虚拟DPU站用于与所述模型服务器通信并将DCS现场控制站的功能移植到所述机理模型将所述机理模型升级为虚拟模型，教练员通过所述教练员站利用所述虚拟模型对在所述学员站的学员进行培训，在所述学员站进行培训的所述学员采用的所述虚拟模型培训软件与现场的DCS操作员站软件一致。
其中，所述教练员站包括工况管理模块、故障管理模块和评分管理模块，其中，所述工况管理包括初始工况设定，运行、冻结、存储、调取工况，外部参数控制、模型加减速设置、操作记录查看；所述故障管理模块包括故障程度设置、组故障设置、触发故障、解除故障；所述评分管理模块包括试题选择、自动评分、考试记录。
其中，还包括与所述教练员站连接用于显示所述教练员站教学过程的多媒体模块。
其中，还包括与所述虚拟DPU站、所述教练员站连接的工程师站，所述工程师站采用与现场一致的所述DCS工程师软件，完成软件组态，所述软件组态包括控制逻辑组态、流程图画面组态、报警组态、操作分组、数据库管理、操作权限管理、在线下装。
其中，还包括与所述模型服务器连接的设置模块，用于对所述模型服务器的模型库进行修改、扩充。
其中，还包括与所述教练员站和所述学员站连接的分组模块，所述教练员站通过所述分组模块对多个所述学员站进行任意分组功能，所述教练通过所述教练员站上查看任一操作分组的实际操作，并可触发故障，启动评分。
其中，还包括与所述模型服务器连接的模型优化模块，用于根据反应动力学、反应热力学原理，并结合质量守恒、元素守恒确定反应物和生成物的化学计量数，最后根据能量守恒，带入工业数据、实验数据、科林工艺包数据以及煤燃烧的热值计算反应热，对所述机理模型进行优化。
其中，还包括与所述模型服务器、所述虚拟DPU站反应机理创建模块，用于根据气化炉在不同的温度、区域所发生的反应不同，将复杂的气化炉改为多段反应的组合，根据在不同温度、压力时的反应速率及强度不同，建立气化反应机理模型，实现模拟气化反应。
其中，还包括与所述模型服务器、所述虚拟DPU站粉煤加压输送模型创建模块，用于通过流体力学、动量守恒分析不同气量、不同压差下，粉煤速度、密度的对应关系，建立粉煤加压输送模型。
其中，还包括与所述反应机理创建模块连接的水冷壁渣层厚度控制模块，用于控制所述反应炉的水冷壁前后温差以及根据所述水冷壁冷却水压力与热量之间的关系换算出所述气化炉的所述水冷壁吸收的热量，所述气化炉的所述水冷壁吸收的热量为所述气化炉的热通量。通过控制所述气化炉的热通量实现控制所述水冷壁渣层厚度。
本发明实施例所提供的多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明实施例提供的多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，通过将模型服务器、虚拟DPU站结合，使用虚拟DPU、真实DCS、模型服务的多喷嘴顶置式粉煤气化炉工艺操作仿真系统，提高了仿真效果以及培训效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为发明实施例提供的多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统的一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为发明实施例提供的多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统的一种具体实施方式的结构示意图。
在一种具体实施方式中，所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，包括发明模型服务器10、虚拟DPU站20、教练员站30和学员站40，所述发明模型服务器10依据物性数据以及自然科学原理建立粉煤气化炉的机理模型，所述虚拟DPU站20用于与所述发明模型服务器10通信并将DCS现场控制站的功能移植到所述机理模型将所述机理模型升级为虚拟模型，教练员通过所述教练员站30利用所述虚拟模型对在所述学员站40的学员进行培训，在所述学员站40进行培训的所述学员采用的所述虚拟模型培训软件与现场的DCS操作员站软件一致。
通过将发明模型服务器10、虚拟DPU站20结合，使用虚拟DPU、真实DCS、模型服务的多喷嘴顶置式粉煤气化炉工艺操作仿真系统，提高了仿真效果以及培训效率。
本发明中教练员通过教练员站30对员工行培新，对于其具体结构以及功能不做限定，在一个实施例中，所述教练员站30包括工况管理模块、故障管理模块和评分管理模块，其中，所述工况管理包括初始工况设定，运行、冻结、存储、调取工况，外部参数控制、模型加减速设置、操作记录查看；所述故障管理模块包括故障程度设置、组故障设置、触发故障、解除故障；所述评分管理模块包括试题选择、自动评分、考试记录。
通过工况管理模块、故障管理模块和评分管理模块，教练员可以随意根据现场的工况进行设置以及存储，并进行故障设置，并对学员站40的学员操作进行检测，可以针对各种可能出现的故障，检测学员的故障处理能力，并通过评分管理模块进行直接评分，实现一站化的培训，提高了培训效率。而且由于采用对应站台连接即可实现，因而也可以实现远程培训，提高了培训的效率。
本发明的一个实施例中，模型服务器10基于物性数据库、化工原理、化工热力学、基于质量守恒、能量守恒、动量守恒、传质、传热、流体力学等机理平台；平台目前已经有几千种纯组分物性库、十几种物性方程，同时该平台还支持对模型库进行修改和扩充，以满足客户特殊的需要。
工艺流程搭建采用图形化、模块化设计，方便的图形编辑环境，泵、阀、塔、换热器、反应釜、精馏塔、锅炉等常见设备模块化设计，通过修改参数即可，可以提高建模组态、调试效率。
虚拟DPU站：是将DCS现场控制站的主要功能移植到通用计算机平台.是虚拟DCS的核心,能够读取下装文件的组态策略,并根据控制策略来控制被控对象。和利时虚拟DPU软件的控制逻辑运算功能及通讯功能与真实主控完全一致，支持冗余，可完成诸如I/O输入输出、PID运算、逻辑运算等功能，执行教练员站30运行、冻结、存储、调取工况及工况重演等仿真命令，可实现故障模拟、工况管理。
本发明中对于教练员站30的具体功能不做限定。
为了进一步提高培训效果，在一个实施例中，所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统还包括与所述教练员站30连接用于显示所述教练员站30教学过程的多媒体模块。
通过多媒体模块，可以使得第三者或者其它培训人员实时获得当前教练员站30的培训过程，以及检测学员站40的学员的情况，提高了培训的效果。
本发明对于多媒体模块对应的结构以及功能不做限定。
为了进一步提高培训效果，在一个实施例中，所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统还包括与所述虚拟DPU站20、所述教练员站30连接的工程师站，所述工程师站采用与现场一致的所述DCS工程师软件，完成软件组态，所述软件组态包括控制逻辑组态、流程图画面组态、报警组态、操作分组、数据库管理、操作权限管理、在线下装。
本发明中的工程师模块可以是在培训前完成软件组态，也可以是在培训过程中，临时进行软件组态设置。
为了进一步提高培训效果，避免由于模型老旧而造成培训效果较差，在一个实施例中，所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统还包括与所述发明模型服务器10连接的设置模块，用于对所述发明模型服务器10的模型库进行修改、扩充。
通过设置模块，对对所述发明模型服务器10的模型库进行修改、扩充，使得可以随时进行参数的设置以及模型的扩容，使得可以采用各类最先进的模型进行培新，提高了培训的可靠性以及有效性。
为了进一步提高培新效果，在一个实施例中，所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统还包括与所述教练员站30和所述学员站40连接的分组模块，所述教练员站30通过所述分组模块对多个所述学员站40进行任意分组功能，所述教练通过所述教练员站30上查看任一操作分组的实际操作，并可触发故障，启动评分。
通过分组模块，一位教练员可以随时对多批次的不同培训进度的学员进行培训，不会由于培训进度不同而不能同时培训，通过分组，轮流培训，提高了培训效率。而且同时为不同学习阶段的人进行培训，某一阶段的错误可能会其它阶段体现，如第一阶段操作错误，可能在第二阶段中出现参数异常，这样进行前后对比能够进一步操作的精准性以及提高对设备的维护效率，使得培训变得更加具有针对性。
本发明对于分组模块的分组方式不做限制，该分组结果可以是固定的，也可以是随机的，即可以随时进行分组。
本发明的多喷嘴顶置式粉煤气化技术提供操作培训仿真系统，仿真范围为全工艺流程仿真，具有仿真精度高，培训效果好的特点。
多喷嘴顶置式粉煤气化技术系统中，模型服务通过专用OPC协议与虚拟DPU进行通讯，虚拟DPU与教练员站30、学员站40及工程师站通过和利时私有协议进行通讯。
为了进一步优化现有模型，提高生产效率，在一个实施例中，所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统还包括与所述发明模型服务器10连接的模型优化模块，用于根据反应动力学、反应热力学原理，并结合质量守恒、元素守恒确定反应物和生成物的化学计量数，最后根据能量守恒，带入工业数据、实验数据、科林工艺包数据以及煤燃烧的热值计算反应热，对所述机理模型进行优化。
多喷嘴顶置式粉煤气化技术的原料为煤，该气化技术对煤种的适应性比较广，原料可为：褐煤、烟煤、石油焦、无烟煤、灰分灰熔点含硫三高煤，因经济性原因灰分＜35％，无助剂时灰熔点可达1500℃。煤的组分比较复杂，工业上通常通过水分、灰分、挥发分和固定碳四项来确定煤的质量、工艺性能及特点；煤中存在的元素有数十种之多，主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素。粉煤在气化炉中经历干燥、热解及化学反应，生产主要成分为CO、H2、CO2的粗合成气。气化过程中主要化学反应是比较复杂的过程，包括燃烧反应、气化反应、甲烷化反应、变换反应以及其他反应。
在确定反应这块基于同一数据库，根据反应动力学，反应热力学等基本化工反应知识，再根据质量守恒、元素守恒确定反应物和生成物的化学计量数，然后根据能量守恒，带入工业数据、实验数据、科林工艺包数据以及煤燃烧的热值等数据计算反应热。
燃烧反应：煤中的碳、氢经过氧化燃烧放热并生成CO2、CO和水，该反应仅限于提供气化反应所必需的热量。
气化反应：这是气化炉中最重要的还原反应，C与CO2反应生产CO，C与H2O反应生成CO和H2。
甲烷化反应：当气化炉中温度在700～800℃时，还伴随以下甲烷化反应。‘
变换反应：当气化炉中随着参加反应的水蒸气的浓度增加，还伴随水煤气平衡反应，也称为变换反应。
由于在不同条件下的反应过程可能不同，因而在一个实施例中，所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统还包括与所述发明模型服务器10、所述虚拟DPU站20反应机理创建模块，用于根据气化炉在不同的温度、区域多发生的反应不同，将复杂的气化炉改为多段反应的组合，根据在不同温度、压力时的反应速率及强度不同，建立气化反应机理模型，实现模拟气化反应。
气化炉上部和中部主要发生C燃烧反应和少量的C与水反应，这是因为进料的C过量而水蒸气的量较少。
合成气进入激冷室后，高温CO和激冷水接触后发生CO与水1:1反应生成氢气和二氧化碳。
为了进一步提高反应率的使用效率，在一个实施例中，所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，还包括与所述发明模型服务器10、所述虚拟DPU站20粉煤加压输送模型创建模块，用于通过流体力学、动量守恒分析不同气量、不同压差下，粉煤速度、密度的对应关系，建立粉煤加压输送模型。
气固输送模拟：
气固输送是气体流量用压差计算，固体在气体中的比例在一定范围内与流速关联
根据密度计算公式ρ＝m/V，质量计算公式m＝f*M以及理想气体状态方程PV＝nRT，假设气体输送煤粉时达到理想的流化状态，然后进行计算。
从模型中可以读取煤粉输送管道气体以及煤粉的单位时间内摩尔流量，摩尔分数经过计算得到气体和煤粉的质量，从而设置最优的煤炭输送参数，实现其最高效的使用。
为了保证气化炉的使用可靠性，在一个实施例中，所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统还包括与所述反应机理创建模块连接的水冷壁渣层厚度控制模块，用于控制所述反应炉的水冷壁前后温差以及根据所述水冷壁冷却水压力与热量之间的关系换算出所述气化炉的所述水冷壁吸收的热量，所述气化炉的所述水冷壁吸收的热量为所述气化炉的热通量。通过控制所述气化炉的热通量实现控制所述水冷壁渣层厚度。
本发明对于水冷壁渣层厚度控制模块在实际中的参数加权过程以及调控过程不做限定。
综上所述，本发明实施例提供的多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，通过将模型服务器、虚拟DPU站结合，使用虚拟DPU、真实DCS、模型服务的多喷嘴顶置式粉煤气化炉工艺操作仿真系统，提高了仿真效果以及培训效率。
以上对本发明所提供的多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，其特征在于，包括模型服务器、虚拟DPU站、教练员站和学员站，所述模型服务器依据物性数据以及自然科学原理建立粉煤气化炉的机理模型，所述虚拟DPU站用于与所述模型服务器通信并将DCS现场控制站的功能移植到所述机理模型将所述机理模型升级为虚拟模型，教练员通过所述教练员站利用所述虚拟模型对在所述学员站的学员进行培训，在所述学员站进行培训的所述学员采用的所述虚拟模型培训软件与现场的DCS操作员站软件一致。
2.如权利要求1所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，其特征在于，所述教练员站包括工况管理模块、故障管理模块和评分管理模块，其中，所述工况管理包括初始工况设定，运行、冻结、存储、调取工况，外部参数控制、模型加减速设置、操作记录查看；所述故障管理模块包括故障程度设置、组故障设置、触发故障、解除故障；所述评分管理模块包括试题选择、自动评分、考试记录。
3.如权利要求2所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，其特征在于，还包括与所述教练员站连接用于显示所述教练员站教学过程的多媒体模块。
4.如权利要求3所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，其特征在于，还包括与所述虚拟DPU站、所述教练员站连接的工程师站，所述工程师站采用与现场一致的所述DCS工程师软件，完成软件组态，所述软件组态包括控制逻辑组态、流程图画面组态、报警组态、操作分组、数据库管理、操作权限管理、在线下装。
5.如权利要求4所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，其特征在于，还包括与所述模型服务器连接的设置模块，用于对所述模型服务器的模型库进行修改、扩充。
6.如权利要求5所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，其特征在于，还包括与所述教练员站和所述学员站连接的分组模块，所述教练员站通过所述分组模块对多个所述学员站进行任意分组功能，所述教练通过所述教练员站上查看任一操作分组的实际操作，并可触发故障，启动评分。
7.如权利要求6所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，其特征在于，还包括与所述模型服务器连接的模型优化模块，用于根据反应动力学、反应热力学原理，并结合质量守恒、元素守恒确定反应物和生成物的化学计量数，最后根据能量守恒，带入工业数据、实验数据、科林工艺包数据以及煤燃烧的热值计算反应热，对所述机理模型进行优化。
8.如权利要求7所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，其特征在于，还包括与所述模型服务器、所述虚拟DPU站反应机理创建模块，用于根据气化炉在不同的温度、区域所发生的反应不同，将复杂的气化炉改为多段反应的组合，根据在不同温度、压力时的反应速率及强度不同，建立气化反应机理模型，实现模拟气化反应。
9.如权利要求8所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，其特征在于，还包括与所述模型服务器、所述虚拟DPU站粉煤加压输送模型创建模块，用于通过流体力学、动量守恒分析不同气量、不同压差下，粉煤速度、密度的对应关系，建立粉煤加压输送模型。
10.如权利要求9所述多喷嘴顶置式粉煤气化技术工艺仿真系统，其特征在于，还包括与所述反应机理创建模块连接的水冷壁渣层厚度控制模块，用于控制所述反应炉的水冷壁前后温差以及根据所述水冷壁冷却水压力与热量之间的关系换算出所述气化炉的所述水冷壁吸收的热量，所述气化炉的所述水冷壁吸收的热量为所述气化炉的热通量。通过控制所述气化炉的热通量实现控制所述水冷壁渣层厚度。
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