煉化廠安全生產(chǎn)操作培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用

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摘要：由于煉化過(guò)程具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害等風(fēng)險(xiǎn)，一旦事故發(fā)生，危害較大，因此對(duì)煉化行業(yè)的員工進(jìn)行操作培訓(xùn)十分重要。基于實(shí)際工藝流程，采用西門子SIMIT自動(dòng)化仿真軟件和AspenHysys工藝仿真軟件建立了一套集成的操作培訓(xùn)系統(tǒng)（OTS），該系統(tǒng)具有效果逼真、危險(xiǎn)性低和培訓(xùn)方式靈活等特點(diǎn)，通過(guò)具體應(yīng)用，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的良好應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：操作培訓(xùn)系統(tǒng)；煉化過(guò)程；仿真；數(shù)字化雙胞胎

煉化行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，由于煉化過(guò)程具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害等風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生事故，危害程度較大，為此對(duì)煉化行業(yè)的員工進(jìn)行操作培訓(xùn)十分重要。美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）規(guī)定：必須對(duì)所有操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，以便保證操作人員對(duì)所操作的裝置具有必備的知識(shí)和熟練程度［1］。操作培訓(xùn)系統(tǒng)OTS（operationtrainingsystem）作為一種不影響生產(chǎn)安全，而又與生產(chǎn)實(shí)際相符的培訓(xùn)手段，可以有效保證操作人員的操作技能水平達(dá)到安全規(guī)定要求［2］。OTS是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為手段，通過(guò)建立過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，在以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的硬件環(huán)境上再現(xiàn)真實(shí)過(guò)程系統(tǒng)特性的軟硬件系統(tǒng)。其主要目的是使生產(chǎn)操作人員在實(shí)際生產(chǎn)操作前，了解、熟悉、掌握生產(chǎn)過(guò)程和操作環(huán)境，以培養(yǎng)技術(shù)熟練、經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員［3］。近年來(lái)，中國(guó)的大型煉化一體化項(xiàng)目或大型合資項(xiàng)目均采用OTS進(jìn)行員工培訓(xùn)，應(yīng)用較多的OTS提供商主要有西門子，Aspen，Invensys，Honeywell等外資公司，以及華康達(dá)、東方仿真等國(guó)內(nèi)公司［47］。1985年北京化工大學(xué)與中國(guó)石化燕山石化公司合作研制成功國(guó)內(nèi)第一套通用性的石化OTS。2009年大慶石化公司培訓(xùn)中心開發(fā)出煉油化工安全技術(shù)與技能OTS，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)煉化領(lǐng)域的空白［8］。隨著工業(yè)4．0時(shí)代的到來(lái)，智能工廠成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，OTS也面臨著從傳統(tǒng)模式過(guò)渡到智能模式的新挑戰(zhàn)，因此建立一套基于真實(shí)煉化流程的數(shù)字化OTS，能夠助力企業(yè)達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)，鍛造持久競(jìng)爭(zhēng)力。本文針對(duì)煉化流程采用“數(shù)字化雙胞胎（digitaltwin）”的新思想，建立基于數(shù)字化虛擬工廠的OTS，實(shí)現(xiàn)裝置DCS程序無(wú)縫集成的流程模擬，對(duì)虛擬工廠的操作不會(huì)直接反應(yīng)到真實(shí)工廠，但虛擬工廠對(duì)操作做出的響應(yīng)是對(duì)真實(shí)工廠的模擬。在該基礎(chǔ)上建立的OTS能夠提供虛擬試車、操作員培訓(xùn)、標(biāo)準(zhǔn)操作流程培訓(xùn)、事故預(yù)案虛擬演練等功能，并幫助企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)之前模擬優(yōu)化、仿真和測(cè)試等操作，成為企業(yè)通往智能工廠道路上的鋪路磚。隨后以某煉化廠氣體分餾裝置生產(chǎn)操作為實(shí)際對(duì)象，依托西門子SIMIT平臺(tái)，建立自動(dòng)化控制仿真和工藝仿真相結(jié)合的OTS，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程的“數(shù)字化雙胞胎”。

1操作培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

作為煉化流程的OTS需要滿足以下功能：動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真系統(tǒng)，基于精確的熱、動(dòng)力學(xué)方程和傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)煉油裝置進(jìn)行流程模擬；能夠?qū)?dòng)態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的自動(dòng)化仿真控制，保持參數(shù)一致；有一套虛擬控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)培訓(xùn)服務(wù)器與客戶端的控制；系統(tǒng)的各部分之間能夠?qū)崟r(shí)通信。為此本文提出一種基于西門子SIMIT自動(dòng)化仿真軟件和AspenHysys工藝仿真軟件無(wú)縫集成的OTS，能夠在虛擬的數(shù)字化系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際操作的各種模擬，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程“數(shù)字化雙胞胎”。1．1SIMIT自動(dòng)化仿真軟件SIMIT是西門子開發(fā)用于模擬工藝狀況和控制器執(zhí)行的仿真軟件平臺(tái)，可以保證操作員培訓(xùn)盡可能地具有真實(shí)性。所有仿真的過(guò)程數(shù)據(jù)包括P＆ID圖、工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、儀表數(shù)據(jù)和DCS數(shù)據(jù)，在仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中均可模擬顯示與操作。該軟件平臺(tái)有以下特點(diǎn)：操作員站和服務(wù)器使用和實(shí)際DCS／SIS相同的硬件和軟件包；安裝在仿真站上的軟控制器軟件包用于仿真控制器的邏輯運(yùn)行，和實(shí)際DCS控制器有相同操作方式；安裝于服務(wù)器上的SIMIT軟件包還可以創(chuàng)建相應(yīng)用于連續(xù)過(guò)程的模塊。1．2AspenHysys工藝仿真軟件AspenHysys是大型的專家系統(tǒng)軟件，主要用于油田地面工程建設(shè)設(shè)計(jì)和石油、石化、煉油工程設(shè)計(jì)計(jì)算分析。AspenHysys在油氣加工模擬領(lǐng)域功能強(qiáng)大，擁有數(shù)量龐大、功能齊全的單元操作模塊和物性計(jì)算包，計(jì)算精度高，收斂速度快，在國(guó)內(nèi)外各大煉油設(shè)計(jì)院應(yīng)用非常廣泛。在煉油過(guò)程中的模擬功能也很強(qiáng)大，動(dòng)態(tài)模擬準(zhǔn)確，原油數(shù)據(jù)更加齊全［9］。在OTS中，AspenHysys動(dòng)態(tài)模型可以導(dǎo)入AspenOTSFramework中，作為OPCServer為培訓(xùn)提供和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)一致的仿真服務(wù)。1．3自動(dòng)化控制仿真與工藝仿真集成通過(guò)仿真控制器將SIMIT自動(dòng)化控制仿真與AspenHysys工藝仿真相集成得到的OTS構(gòu)架如圖1所示，其中各組成部分及其功能見(jiàn)表1所列。在數(shù)據(jù)通信方面，由AspenOTSFramework提供OPCServer，SIMIT作為OPCClient，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制仿真和工藝仿真之間的通信。通過(guò)仿真控制器與DCS“直接”連接，一方面可以將組態(tài)好的DCS數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入到連接OTS的模擬控制器中，保證控制方案一致性，同時(shí)操作員在OTS上使用的人機(jī)界面環(huán)境與實(shí)際的DCS一樣，培訓(xùn)效果會(huì)有很大提高。另一方面儀表工程師在OTS上可以及早發(fā)現(xiàn)控制方案的組態(tài)錯(cuò)誤和邏輯錯(cuò)誤，特別是有些錯(cuò)誤可能要在開車時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，這樣可以減少開車時(shí)間，提高一次開車成功率。

2氣體分餾裝置安全生產(chǎn)操作培訓(xùn)系統(tǒng)

該氣體分餾裝置的OTS基于圖1所示的結(jié)構(gòu)開發(fā)，系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。該系統(tǒng)采用PCS7DCS控制軟件，SIMIT自動(dòng)化仿真軟件，以及Hysys流程模擬軟件，通過(guò)SIMIT仿真控制器進(jìn)行控制。啟動(dòng)AspenOTSFramework，有穩(wěn)態(tài)和冷態(tài)兩個(gè)模擬流程。穩(wěn)態(tài)模型可以仿真氣體分餾裝置平穩(wěn)運(yùn)行及停車操作，冷態(tài)模型可以仿真氣體分餾裝置冷態(tài)開車操作。啟動(dòng)SIMIT軟件后，SIMITSP與AspenOTSFramework通過(guò)SIMIT軟件的AOTS（OPCClient）與AspenHysys軟件的模型數(shù)據(jù)連接。連接順序?yàn)椋合葐?dòng)AspenOTSFramework并運(yùn)行OPCServer，然后啟動(dòng)SIMITSP并運(yùn)行，仿真程序進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)虛擬控制器在SIMIT虛擬控制器站也運(yùn)行起來(lái)?？稍赟IMIT軟件中實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作的模擬，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)泵或風(fēng)機(jī)的操作界面如圖3所示。

3操作培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果分析

通過(guò)該氣體分餾裝置OTS的應(yīng)用，操作員能夠熟悉煉化過(guò)程的各種操作模式：正常操作、開車、停車、設(shè)備故障和緊急情況的處理。通過(guò)自動(dòng)化與工藝仿真集成的OTS，培訓(xùn)效果較傳統(tǒng)培訓(xùn)大幅提高，解決了煉化企業(yè)由于連續(xù)生產(chǎn)不能進(jìn)行實(shí)際操作演練的難題，涵蓋安全知識(shí)與技術(shù)、安全技能、事故案例分析、事故應(yīng)急預(yù)案演練四個(gè)方面內(nèi)容，能夠迅速提高崗位操作員工的安全技能和處理事故的能力。

4結(jié)束語(yǔ)

本文基于生產(chǎn)流程“數(shù)字化雙胞胎”的思想，建立了自動(dòng)化和工藝仿真集成的OTS，實(shí)現(xiàn)了工廠生產(chǎn)流程和自動(dòng)控制的同步虛擬工廠，借助數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了OTS的升級(jí)。目前中國(guó)有許多新建煉化企業(yè)或煉化裝置擴(kuò)能改造項(xiàng)目，必將有大批的裝置管理人員和操作人員需要通過(guò)模擬仿真培訓(xùn)。通過(guò)推廣實(shí)際工業(yè)“數(shù)字化雙胞胎”的OTS，將在煉油人才培養(yǎng)方面提供有力的支持，也為傳統(tǒng)流程工業(yè)邁入智能工廠時(shí)代做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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［8］廖和明．國(guó)內(nèi)首套煉化安全仿真培訓(xùn)軟件開發(fā)成功［J］．石油工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009（01）：53．

［9］孫蘭義．化工流程模擬實(shí)訓(xùn)———AspenPlus教程［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012．

作者：陳鑫 張曉 戴維 單位：中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司