拜耳法生产氧化铝工艺仿真培训系统的开发*

徐 征，周怀敏，陈利生，杨德荣

(1．昆明冶金高等专科学校，云南 昆明 650033;2．云南文山铝业有限公司，云南 文山 663000)

拜耳法生产氧化铝工艺仿真培训系统的开发*

徐 征1，周怀敏2，陈利生1，杨德荣2

(1．昆明冶金高等专科学校，云南 昆明 650033;2．云南文山铝业有限公司，云南 文山 663000)

阐述了在拜耳法生产氧化铝工艺仿真培训系统的开发中，进行数学建模，完成控制界面和通讯组态以及操作评价的建立等工作，从而实现工艺装置的开、停车以及事故处理模拟等培训项目的过程。

仿真培训系统;氧化铝生产;数学建模

1 仿真培训系统在氧化铝生产中的作用

拜耳法生产氧化铝生产工艺复杂、流程长，操作要求也较高。工人操作的熟练程度和操作质量的高低将会直接影响到产品的质量和企业的经济效益。

氧化铝工艺仿真培训系统主要用于培训从事氧化铝生产操作的各类人员，以提高他们的操作技能，包括:冷态开车、正常停车、正常工况巡检的操作技能;处理突发事故的能力;对温度、压力、流量等各技术经济指标的控制和调整，从而提高产品质量，实现节能降耗等。

由于仿真培训系统的运行不需要投入物料、不存在任何危险有害因素，而且可以模拟生成各类故障，因此与其他的培训方法相比，不仅可以节省培训经费，缩短培训时间，而且可以大大提高培训效果。经实践证明，这是一种行之有效的培训手段。

2 拜耳法生产氧化铝工艺仿真系统的开发内容

针对拜耳法生产氧化铝的工艺、设备、DCS进行仿真系统的开发。对装置的全流程实际生产过程进行模拟，建立仿真系统，其主要内容如下:

1)原矿浆制备、管道化溶出、赤泥分离洗涤、晶种分解、氢氧化铝煅烧、母液蒸发、苛化等生产过程的工艺模拟与模型开发;

2)单元设备的开、停车及异常事故的模拟;

3)集散控制系统 (DCS)和现场设备模拟仿真。

在上述基本项目的基础上，按照《氧化铝制取工国家职业标准》要求，建立一套科学、客观的仿真操作评价系统。

3 拜耳法生产氧化铝工艺装置

仿真系统的开发首先是确定仿真对象，然后将对象分解为若干个单元，再针对这些单元进行数学建模。根据拜耳法生产的特点，仿真实训系统可分解为原矿浆制备、管道溶出、赤泥分离洗涤、晶种分解、氢氧化铝煅烧、母液蒸发、苏打苛化7个单元。以管道化溶出单元为例，对系统的流程和主要装置及正常工况的操作条件进行整理和提炼。

3.1 管道化溶出工艺流程

原矿浆在预脱硅槽中常压脱硅后，经高压隔膜泵送入9级单套管预热器中。第1～5级用5级矿浆自蒸发器产生的二次蒸汽加热到220℃，第6～9级用熔盐加热到270℃。达到溶出温度的矿浆，在停留罐中充分溶出后，进入5级矿浆自蒸发器，温度降到130℃后，排入稀释槽。5级矿浆自蒸发器的二次蒸汽经单管换热器换热后产生的冷凝水，最终进入冷凝储水罐，可供氧化铝厂洗涤赤泥及氢氧化铝用。图1为管道溶出仿真工艺流程图。

图1 管道溶出仿真工艺流程图Fig.1 Simulation process flow chart of pipeline dissolution reaction

3.2 管道溶出主要设备及操作条件

1)主要设备见表1。

表1 管道溶出仿真实训设备表Tab.1 Simulation training equipment list for pipeline dissolution reaction

2)正常工况操作条件见表2。

表2 管道溶出仿真工艺正常工况值Tab.2 The normal working condition values ofsimulation process for pipeline dissolution reaction

3.3 反应器建模

预热器、溶出器、蒸发器、停留罐等各类反应器是氧化铝生产过程中的主要设备，由于反应器内进行的冶金过程非常复杂，因此需要将模型进行适当的简化处理，在模型中只考虑影响产品质量和生产安全的主要因素，而忽略次要因素。模型的参数可由理论公式或 (半)经验公式推出，也可以利用现场的实际数据，通过多种参数辨识手段得到，从而使获得的模型，既具有机理模型的特征，又符合现场实际。

生产单元模型的建立和求解是过程工程中热力学、传递过程、单元操作和反应工程等分支学科的任务，通过应用质量和能量守恒定律、速率方程、物性关系以及设计和控制要求导出的数学关系式，可以很好地模拟单元设备，同时根据流程的信息，将单元模型有效地组合起来，构成整体模型，满足仿真培训的要求。

下面以高压溶出管道传热过程为例，说明仿真算法中的相关参数。

1)算法功能:由冷热物流的入口条件计算传热量和出口温度。

2)参数见表3。3)参数说明见表4。

表3 高压溶出管道传热过程仿真算法参数表Tab.3 Simulation arithmetic parameter list for pipeline heat transferring of high pressure digestion

表4 高压溶出管道传热过程仿真算法参数说明Tab.4 Simulation arithmetic parameter illustration for pipeline heat transferring of high pressure digestion

4 系统控制界面开发

4.1 仿DCS点组态

点组态是将DCS仿真和现场仿真中的控制点、运算点、模入点、模出点、计时器、逻辑点和选择器的属性加入到DCS仿真动态数据库中。在点组态基础上完成DCS系统的各种控制算法的组态。所有点的属性和各种算法均包含在仿真动态数据库中以供仿真软件调用。

4.2 图形组态

仿真控制系统的所有操作画面，包括DCS仿真流程图和现场仿真流程图都是在图形开发环境下制作生成的。进行静态和动态组态，静态组态即利用绘图工具，绘制氧化铝生产设备连接图的各种静态图形对象。动态组态则在静态流程图上增加棒图、交互按钮、数值显示、PID控制器等动画图形对象。

4.3 通讯组态

DCS仿真画面以及现场仿真画面的动态数值与数学模型之间的数据交换是由通讯组态来实现的。在完成DCS仿真画面以及现场仿真画面的组态后，要将各画面的逻辑点与对应的数学模型进行链接，建立流程图中对象与数据变量的对应关系，之后，在图形界面运行环境下，根据点的属性和数据变量的变化，动画图形对象就可以按数据链接的要求进行改变，以直观地显示温度、压力、流量、液位等数值的变化。

5 知识点和操作评价子系统

5.1 知识点子系统

知识点子系统用于对学员进行理论知识的培训，主要包括多媒体素材和单元操作的技能要求两部分知识。

1)多媒体素材。系统以动画、课件等多种展现形式，介绍氧化铝生产过程中的各种设备的内部结构和工作原理。使学员能够形象、直观地认识氧化铝生产的基本原理、工艺过程、技术经济指标、设备结构、工作原理、操作要求等知识。

2)单元操作的技能要求。仿真培训系统根据《国家职业标准—氧化铝制取工》中对各级职业资格的技能要求，整理出相应单元的操作能力要求，并作为学员在进行仿真实训时必须学习的内容加入到氧化铝仿真实训系统中，使仿真实训系统能够充分满足职业技能培训、鉴定的要求。

5.2 操作评价子系统

系统操作评价的主要依据有:

①《氧化铝制取工国家职业技能标准》;

②氧化铝生产过程的技术经济;

③氧化铝生产的技术操作规程和安全操作规程。

操作评价软件系统分为操作过程评分和操作质量评分两部分。根据上述依据制定操作评价标准，建立操作评价规程库，包含在仿真系统的数据库中。仿真系统将根据制定的评价原则，对学员的操作过程进行评判。

操作评分系统通过对用户的操作过程进行跟踪，实时对操作过程进行检查，并根据用户操作结果对其进行诊断;实时对操作过程进行评定，对每一步进行评分，并给出整个操作过程的综合得分，还可根据需要生成评分文件，以备存档。

6 结语

本文从拜耳法生产氧化铝工艺和设备入手，通过收集整理和分析相关技术资料、建立全流程物料衡算和能量衡算、并绘制出仿真工艺流程图，应用国内成熟的仿真开发平台完成了拜耳法生产氧化铝工艺和设备的仿真模拟。并根据职业技能培训的需要开发完成了装置开车、停车及典型事故处理等培训项目。

本系统通过实际运行，参加培训的学员对系统给予积极肯定，认为通过进行反复的开、停车以及排除故障的训练，可以使学员熟练掌握生产过程的各项有关技能，特别是在防止与处理事故方面的技能，从而对装置的安全平稳运行奠定坚实基础。

［1］侯晓望，许跃敏，童水光．化工过程系统的研究和开发 ［J］．化工自动化及仪表，2004，31(4):10－12．

［2］徐 征，周怀敏，等．氧化铝生产仿真实训系统的开发 ［J］．昆明冶金高等专科学校学报，2010，26(6):92－94．

［3］胡上序，陈 海．化工过程的建模、仿真和优化 ［M］．浙江:浙江大学出版社，1997．

［4］李芹玉．DCS常减压仿真培训系统动态模型研究 ［J］．安庆师范学院学报 (自然科学版)，2001，(5):50－52．

［5］苟 勇，秦秀倦，陈宗海．面向过程工业的DCS仿真培训系统 ［J］．微计算机信息，1999，14(3):40－42．

The Development of Simulation Training System for Bayer Process Alumina Production

XU Zheng1，ZHOU Huai－min2，CHEN Li－sheng1，YANG De－rong2
(1．Kunming Metallurgy College，Kunming，Yunnan 650033，China;2．Yunnan Wenshan Aluminum Industry Co．，Ltd．，Wenshan，Yunnan 663000，China)

In the development of simulation training system for Bayer process alumina production，mathematical modeling were carried out，the control interface and configuration of communication were done，and the operation evaluation has been built，so the training items were realized，including the start and stop of process device，and accident management etc．

simulation training system;alumina production;mathematical modeling

TF821

A

1006－0308(2011)06－0065－04

2011－06－03

徐 征 (1972－)，男，云南宣威人，副教授。