炼油化工仿真实践教学设计与建设

杜巍　徐建　孟祥海　郭绪强

[摘 要]炼化企业对化工专业人才的工程实践和工程运行能力要求越来越高，而目前高校的生产实习环节难以满足上述人才培养的要求。为此中国石油大学（北京）基于Honeywell先进的ePS（过程知识系统）、DCS控制系统以及UniSim模拟平台建立了具有极高现场模仿和多装置仿真功能的炼油化工仿真实践教学基地。以该基地为平台，加强了仿真实践教学环节的建设。在对炼油化工专业背景理论知识理解的前提下，仿真教学更加突出其实用性和系统性，增加了仿真训练内容的广度与深度，对化工专业学生的工程实践和运行能力培养提供了强有力的支撑。

[关键词]仿真 炼油化工 生产实习 实践教学

[中图分类号] TQ0-4 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2014）15-0083-03

一、前言

伴随我国石油炼制和石油化工行业的快速发展，相关企业对化工人才的素质提出了更高的要求。目前炼化企业需要化工人才在具备扎实、广博的专业知识的基础上，拥有良好的工程创新意识和能力，同时具备较强的工程实践和工程运行能力。因此加强高校的实践教学环节，培养大批高素质、高水平的化工专业人才就具有极其重要的意义。中国石油大学（北京）化工专业对实践教学环节极为重视，并进行了积极探索和尝试。为了提高化工专业学生的工程意识、工程素质和工程实践能力，学校在多家大型炼油企业建立了实习基地，并与燕山石化共建国家级工程实践教育中心。学校每年都安排化工专业学生到实习基地进行认识实习和生产实习，旨在为学生今后的学习和工作打下良好的工程基础。

实习环节在专业培养中着眼于专业理论学习和实践应用的有机结合，然而目前仍存在一些问题。比如目前炼化企业加强了生产安全管理，对进入装置和操作平台的时间和区域均有严格限定，学生在实习过程中“只能看不能动”。由于缺少实际动手操作环节，致使实习效果不理想。此外，部分学生还存在着专业知识的综合应用能力较差、实践经验缺乏等问题。高校培养高素质工程型人才的愿望和企业对专业人才的需求促使我们对生产实习环节进行深入探索和实践。为此中国石油大学（北京）化工学院与信息学院联合建设了具有与实际流程一致的炼油化工与自动化仿真实践教学基地。仿真模型通过工程计算软件UniSim可有效地模拟实际工程运行情况，并允许学生在计算机终端进行生产模拟操作，从而为学生提供了有效的动手实践机会，与企业现场实习形成完整互补，使学生的实践学习更加直观有效，全面提高学生的工程实践和运行能力。学生从仿真实践中积累工程操作经验，掌握工艺过程的原理及动态特性，可有效缩短毕业入职的适应期。

二、仿真基地设置及UniSim软件简介

炼油化工与自动化仿真实践教学基地包含催化裂化工艺装置半实物仿真系统和炼油化工过程仿真培训系统两部分。所有仿真模拟培训系统均基于Honeywell先进的ePS（过程知识系统）、DCS控制系统以及UniSim模拟平台所建立，与目前炼化企业仿真系统保持一致，学生在培训过程中能得到充分的锻炼。炼油化工过程的流程仿真系统由集散控制系统和操作培训系统构成，其中操作培训系统包括5套UniSim仿真模拟系统和5个标准工艺模型：常减压蒸馏装置，连续重整装置，柴油加氢装置，加氢裂化装置以及催化裂化装置。每套仿真系统包括1台仿真模型服务器（兼模型工程师站），1台教员站（兼现场站），3台DCS操作站，1台DCS接口通讯站和1台控制模拟站。以上5套标准仿真工艺可在5套仿真模拟系统上任意切换，可任意选择5套仿真系统同时运行相同或不同的模型。对于催化裂化仿真系统，还包括1套按照某炼油企业催化裂化装置同比例缩小简化的半实物仿真装置。

UniSim是Honeywell旨在提高加工工厂整个生命周期性能的系列仿真软件，其中集成了现有最强大的仿真技术：Hysis模拟软件、Shadow Plant仿真软件和OTISS过程仿真器。UniSim包括UniSim Design Suite（设计套件）、UniSim Operations Suite（操作套件）、UniSim Optimization Suite（优化套件）及Dynamic Engineering Studies services（动态工程研究服务）四部分。它广泛应用于操作员仿真培训、工艺设计、计算与分析、开车方案评估、控制策略调试及APC（Advanced Process Controll，先进控制）实施辅助平台等。其中UniSim Design过程仿真系统是一种交互式建模工具，可以让工程师建立工厂设计、加强性能监视、提高处理故障的操作水平、进行业务计划和资产管理等的稳态模型和动态模型。软件包允许用户离线设计和测试新的过程，在实施新的过程之前训练员工。软件包的动态选项还可以使工厂模型用于评估设计的收益率、可操作性和安全性、提高现有工厂的全寿命期操作性能。UniSim已广泛应用于探索新装置開车方案、进行事故分析、优化生产方案、改造工艺及自控技术等。[1] [2]

三、仿真实践教学课程设置

（一）生产流程以及基本控制系统的认识

以常减压装置为例，生产中一般根据不同的原油性质和不同的产品要求，考虑不同的加工方案和流程，如汽柴油方案、航煤方案、低凝柴油方案等，以达到石油资源的合理利用和最佳经济效益。在不同的加工流程中含有不同的装置、设备和换热网络等，而根据生产装置的自动控制按部位的不同又可分为很多种类。[3] 此外在常减压自动控制中，调节初馏塔底液面串级以及改变原油流量实现原油提降量是蒸馏控制的显著特点。以上工艺流程和自动控制为实习环节的基础，如果学生对此部分内容不能系统理解和掌握，将难以理解理论课程内容，也会使后续的实习变得困难。学生在企业进行现场生产实习中，往往只重视核心部分，即工艺流程以及几个最核心的设备，而对于辅助设备的重视往往不够。此外由于学生尚未学习自动化类课程，在现场生产实习中也易于忽视自控设备的存在。仿真实践装置中采用了与实际生产车间相同的操作界面，全部详细流程以及自控流程均能同时显示，学生可以近距离观察和操作，可以学习在企业实习中无法学习的内容。

（二）故障诊断与处理

实际生产装置中可能会出现各种操作异常的情况，如原油带水、塔顶回流油带水、风机忽然停车、蒸汽喷射器串汽，各种设备（泵、加热炉、电脱盐等）运行注意事项及故障处理。由于目前炼化企业对安全操作控制非常严格，以上事故或异常操作情况较少出现，即便出现，也不允许实习学生接近现场观察。此外在实际生产中，工人根据操作手册中介绍的各种故障的处理方法进行操作，往往不关心设备与上下游的相互影响，因此对不同故障可能造成的下游产品变化或上游设备串联引起设备故障等情况难以系统、准确判断。在仿真实习中，可在仿真模型服务器中人为设置故障，使装置运行出现问题，让学生在发现故障的同时也可直接观测各设备或产品操作参数受影响情况，根据所学理论知识进一步判断其在运行或控制质量上产生的变化，并通过故障排除进一步巩固所学知识，增加工程实践经验。

（三）生产方案与产品质量调节

在常减压蒸馏操作过程中，原油性质变化、环境条件变化、加工量改变、设备不稳等原因会导致生产操作波动，造成油品质量偏离指标等问题，此时需要及时进行调节，消除影响，尽快使操作恢复正常。此外市场需求的变化可能导致某一产品需求旺盛，此时需要改变各产品的收率和分布来最大限度地提高目标产品的收率。对操作的调整，主要根据操作影响因素与操作中出现的现象，通过调整温度、回流量、侧线抽出、汽提蒸汽以及调节塔内气液相分布，使装置在新的条件下重新实现平稳操作，实现产品质量的合格和目标产品收率的提高。在操作中学生如果没有实践操作经验，往往难以判断产品是否偏离指标，而若没有一定的理论基础，则无法根据要求在众多操作参数中进行合理调整。由此可见，该仿真培训能够有效实现理论与实践的有机结合。

原油常减压蒸馏的一项重要工作是产品质量和操作分析与调节，使理想组分收率最大，或提高馏分间分离精度，减少馏分重叠。以常减压某侧线产品头轻为例，头轻导致初馏点低、闪点低。说明前一馏分未充分蒸出，不仅影响本侧线油品的质量，还影响上一侧线油品的收率。调节方法是提高上一侧线油品的抽出量，使向下的液相回流减少，温度提高，或者加大本侧线油品的汽提量，均可使轻组分含量降低，解决头轻的问题。若馏分尾重，则表现为本馏分的95%馏出温度和干点偏高，产品质量差，还会影响下一側线的收率，调节办法是适当减少本侧线馏分抽出，增大液相内回流，或加大下一侧线抽出。通过仿真训练可使学生更深入了解常减压蒸馏产品的特性、质量要求以及调节控制方法。

（四）开停工处理

装置的开停工操作是生产过程的重要组成部分，对开停工过程的熟悉可使学生更加深入理解装置运行的基本原理和概念，熟悉工业装置的运行要求，从而为日后在企业工作打下良好的基础。但由于仿真模拟的限制，实际开停工过程中有部分项目无法实现。以常减压开工过程为例，实际开工过程中前期的基本准备工作、开工前各种设备与管道检查、单机试运转、工艺流程贯通试压、抽真空试验、柴油冲洗等过程均无法进行仿真模拟，因此该部分内容应当单独列出并向学生说明其详细步骤以及原理、原则或原因等。而可实现的开工过程则可分为柴油置换、建立循环、升温循环、恒温脱水、升温切换原油、减压抽空开侧线以及最后的调整阶段等，其中各侧线及中段循环需遵循从上至下的原则，最终进入正常生产操作调节。

四、课程优势及结语

针对目前高校学生企业实习与企业生产结合不紧密的现状，中国石油大学（北京）加强了工程实践环节的课程建设，其中仿真培训已经成为学生学习的重要手段。通过仿真培训，可大大加强学生的工程实践和运行能力，并进一步加深学生对理论知识的掌握和认知程度。

仿真课程的内容以专业背景理论知识为基础，强调其实用性和系统性，拓展学生学习的广度与深度。仿真课程还可调动学生学习的积极性和主动性，启发学生思考问题的解决方法，促使学生综合运用所学的理论知识，将理论与实践结合起来，融会贯通。在企业实习中，因各种限制使得学生的实习效果不佳，但在仿真学习过程中，由于其具有极强的可视性和可操作性，学生可直接操作虚拟装置，感受生产操作过程。仿真培训可使学生在综合运用专业知识的基础上进行动态的分析和操作，学习环境更加接近生产实际，更加面向工程应用。

中国石油大学（北京）建立的炼油化工与自动化仿真实践教学基地具有极高的现场模仿性，操作画面及手段、报警系统等均与现场一致，并具有多装置仿真能力。仿真基地容量较大，为化工相关专业学生的技能培训提供了强有力的支撑，在专业课程建设和学生培养过程中发挥了重要作用。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 郭晓宏.霍尼维尔UniSim仿真系统在实际生产中的应用[J].化工设计通讯，2012（4）：30-32.

[2] 郭宏远，左信，罗雄麟，曲德伟.基于UniSim的催化裂化分馏塔的模拟与优化[J].化学工程与装备，2008（3）：1-6.

[3] 唐梦海，胡兆灵.原油蒸馏[M].北京：中国石化出版社，2007.

[4] 董锐，何建玲.绿色化学理念在有机化学及实验教学中的应用[J].大学教育，2013（23）：90.

[责任编辑：覃侣冰]