基于计算机仿真的LNG技术课程教学探索

马国光+李雅娴

摘 要 天然气的液化流程及其相关计算是LNG技术课程教学的重难点。应用计算机仿真技术，从理论教学、案例教学、实践教学三个方面进行探索，不仅有效解决了教学过程中工艺流程计算复杂、教学难度大、教学效果欠佳等问题，而且在提高学生学习兴趣、丰富教学手段、增强教学效果、激发学生创新性思维等方面取得显著成绩。

关键词 计算机仿真；LNG技術；HYSYS；理论教学

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）24-0041-03

Teaching Exploration of LNG Technology Course based on Com-

puter Simulation//MA Guoguang， LI Yaxian

Abstract The liquefaction process and related calculation of natural

gas are the key points in the teaching of LNG Technology. In this

paper， computer simulation technology is used to explore the three

aspects of theory teaching， case teaching and experiment teaching. Not only effective solution to the process of teaching process com-

plexity， the difficulty of teaching a large， poor teaching effective-ness， but also to improve student interest in learning， enrich the tea-ching methods， enhance the teaching effect， Stimulate students cre-ative thinking has made remarkable achievements.

Key words computer simulation； LNG Technology； HYSYS； theory

teaching

1 前言

LNG（液化天然气）被公认为是地球上最干净的能源，具有汽化潜热高、储存效率高、体积仅是同质量的天然气的1/625而方便运输等方面的优势[1]，被广泛应用于生活、工业的各个方面。自2000年以来，全球LNG需求年增长均6%，明显高于同期天然气贸易增速的2.0%。到2020年，LNG全球贸易量预计将达到4890×108 m3[2]。随着LNG国际贸易量的不断上升，我国迫切需要培养一批高质量的LNG技术人才。

LNG技术课程是西南石油大学为油气储运工程专业本科生所开设的一门专业基础课。中国石油大学（北京）、西安石油大学、东北石油大学、重庆科技学院、长江大学等17所院校均开设有LNG技术课程。该课程主要介绍LNG的特性、LNG的再汽化与冷量利用、天然气的液化工艺原理及流程等方面的内容。其任务是通过各教学环节，使学生掌握天然气的液化流程、LNG再汽化等方面的基本概念、基本理论及实际应用的知识，从而提高学生分析和解决LNG相关技术问题的能力，使学生毕业后在相关工作岗位上能承担天然气液化工程项目规划、设计、建设和管理等工作[3]。

本课程所涉及的天然气液化工艺流程复杂、计算困难，如何让学生熟练掌握相应的工艺，同时快速进行优化求解，是LNG技术课程在教学过程中亟待攻克的难题。

2 目前教学模式中存在的问题

LNG技术课程教学工作主要是以教师为主体，利用粉笔和激光笔，采用讲授的方式，注重理论教学，而学生始终处于被迫接受的过程。该填鸭式教学使学生失去学习的主体地位[4]。综合分析，这种教学模式主要有两个方面的不足和问题。

LNG工艺流程烦琐、计算复杂 天然气的液化流程有多种不同的形式，根据制冷方式的不同，可分为带膨胀机的液化流程、混合制冷剂液化流程、级联式液化流程。以图1所示利用天然气分输站差压液化天然气流程工艺为例[5]，该工艺包括分离单元、脱水单元、换热单元、膨胀单元、压缩单元，涉及设备多、工艺复杂，在模拟计算时主要遵循下面三个平衡方程。

物料平衡：

气液平衡：

热力平衡：

式中，Zi—组分i在进料气中的摩尔分数；yi—组分i在气相中的摩尔分数；xi—组分i在液相中的摩尔分数；ki—气液平衡常数；—组分i在进料气中的焓，kJ/h；—组分i在气相中的焓，kJ/h；—组分i在液相中的

焓，kJ/h。

在对流程模拟和设备等进行计算时，所涉及的公式本身较为复杂，实际应用并不方便。而且平衡常数k是压力和温度的函数，往往需要多次循环迭代才能计算求解。庞大的计算量以及复杂的计算方法，对学生学习相关流程和后期的深入研究带来不便。

传统教学方法的不足 首先，LNG工艺流程中涉及许多物料平衡、气液平衡、热力平衡等复杂的计算。这些计算在编程过程中需要多次运用迭代、循环、随机等复杂语句，这就要求学生有较高的计算机编程能力，而部分学生的编程水准达不到要求，从而导致实际的训练效果欠佳。其次，所编制的程序只能进行某一具体的、较为简单的小型计算，而实际的LNG工艺流程则复杂得多，所编制的程序无法满足LNG工艺流程的实际需求。

因此，采用传统教学方法时，学生不仅普遍感觉兴趣低、难度大、理解困难，而且所学到的理论知识也难以直接用于解决实际工程问题。现针对这两方面存在的不足和问题，在教学中引进计算机模拟仿真技术，这对于LNG技术课程教学质量的提高具有促进作用。endprint

3 计算机仿真软件的辅助教学应用

自20世纪50年代以来，人们开始利用计算机解决油气过程中的数学问题。目前，油气过程模拟已成为油气工程技术人员普遍采用的技术手段，并已经开发出大量成熟的商业软件，如HYSYS、PROII、Aspen Plus等，这些软件能够进行油气生产、气体处理、流程设计、参数优化等模拟[6]，完全能够用于天然氣液化流程的相关参数计算和优化。在教学过程中，合理应用这些工具进行辅助教学，不仅能提升学生的学习兴趣，而且可以让学生掌握这些软件解决实际工程问题的方法，有利于强化教学效果，进而全面提升学生水平。

计算机仿真软件在理论教学的应用 HYSYS软件中有4000种纯组分，25 000个交互作用参数，Peng Robinson、PRSV、BKIO等30多个热力学状态方程，容器、换热设备等15个单元操作类型，Molecular Weight、Molar Density、Mass Density等45个物性数据[7]，完全能够满足理论教学中涉及的任何组分、状态方程及设备。且该软件进行物料计算和工艺流程优化的基础是物料平衡方程、气液平衡方程、热力平衡方程，这与本课程进行物料计算的方法本质上是相同的。因此，该软件中需要设置的一些参数与本课程中需要讲解的理论公式是一致的。通过将理论公式、气体组分、设备优化、物性特点以及工艺流程的讲解与该软件的应用相结合，既可以加深学生对这些参数具体含义的理解，还可以使学生掌握这些参数在软件中的设置方法。为学生下一步独立设计、优化流程打下坚实的基础。

计算机仿真软件在案例教学中的应用 由于HYSYS软件可以模拟任何组分下的液化流程，因此可以利用HYSYS软件对各种复杂的液化流程进行相关计算。在对流程熟悉的情况下，模型建立和求解可以在很短的时间内完成。而在参数优化过程中，调整某个节点的数据后，其他各节点的计算在点击鼠标的过程中就可以瞬间完成，相比于过去的手工计算和循环、迭代求解，大大提高了学生的学习效率，使学生有更多的时间来理解、设计、优化流程，可以培养学生的发散性、创新性思维。在加深学生对理论知识理解的同时，提高学生对各种复杂、枯燥工艺流程的兴趣。

将图1所示利用天然气分输站差压液化天然气工艺流程采用HYSYS软件建立图2所示计算模型。设原料气处理压力为8000 kPa，温度为25 ℃，预处理后的组分见表1。该计算模型可以计算出各节点的摩尔流量、温度、压力、气相焓、膨胀比、液化率、压缩机功率等相关参数，部分计算结果见表2。还可以通过调整天然气分输量来影响LNG产量；通过改变天然气分输站的压差来改变液化率，从而达到优化工艺流程的效果。更加形象地说明这些参数在天然气液化流程中的作用，加深学生对理论知识理解的同时，升华对案例的理解。

计算机仿真软件在实践教学中的应用 LNG技术是一门与现场实际紧密联系的课程。但受教学手段、教学条件、教学资源的限制，在当前实验教学、课程设计、毕业设计等环节，学生不可能将自己的设计方案应用到实际的工程项目中。本文提出将计算机仿真技术充分融入实践教学中，通过搭建LNG技术课程理论与实践相结合的创新实验平台，拓展第二课堂，积极开展大学生科技创新实践活动，构建以该课程理论为基础，以中国石油工程设计大赛、全国大学生油气储运工程设计大赛综合训练等实践课程为两翼的特色鲜明的课程体系，将专业理论知识与科技创新成果有机结合。鼓励学生自己设计、优化流程，改进模拟方法和设备，启发学生的求知欲望和探索精神，为学生进行课程设计和毕业设计打下牢固基础。在实践教学中，还可以进一步融入该课程考核的理论内容，在发散学生思维、结合具体工程项目设计的前提下，同时达到提高学生学习成绩的目的。

4 结论

上述教学模式在西南石油大学最近四年的油气储运工程本科教学中进行了实践，实践结果表明，这种教学模式可以将本课程理论教学内容与生产实际紧密结合，实用性较强。不仅提高了学生的学习兴趣，增强了理论认识，改善了学习效果，而且锻炼了学生独立思考、解决实际问题的能力，使学生的综合素质和个人实践能力更加符合招聘单位的实际需求，提升了学生的社会认可度，为学生将来进入工作岗位打下坚实基础。

随着科技的不断发展，计算机仿真技术取得空前的进步。各高校教学必须跟上社会快速发展的步伐。而基于计算机仿真模拟的教学模式将越来越广泛应用于油气储运工程本科教学的各个学科中，并将出现更加先进、更加非凡的模式，在教学中发挥更重要的作用。对教学来讲，不管是理论教学、案例教学还是实践教学，都应更好地利用计算机仿真模拟技术提高实验效率、改善教学环境、提升教育质量、激发学生发散性与创新性思维，进而提高学生成绩，锻炼其解决实际工程问题的能力。基于计算机仿真技术的教学是LNG技术课程乃至整个油气储运工程相关教学都必不可少的组成部分，将来也一定会在油气储运工程等专业的相关教学领域获得广泛应用。

参考文献

[1]马国光，吴晓南，王元春.液化天然气技术[M].北京：石油工业出版社，2012：34-42.

[2]马昌峰，刘申奥艺.全球LNG贸易新趋势与中国LNG行业发展[J].国际石油经济，2016（6）：38-44.

[3]贾文龙，吴瑕，李长俊.基于仿真技术的“城市配气”课程辅助教学方法探索[J].石油教育，2016（6）：52-54.

[4]李强，章大海，许伟伟，等.基于工程实践能力培养的计算流体力学课程教学改革实践与探索[J].化工高等教育，2017（1）：36-40.

[5]高俊.利用天然气管网压力能生产LNG技术研究[D].成都：西南石油大学，2015.

[6]谢书圣.Aspen软件在天然气净化过程中的模拟与优化[D].上海：华东理工大学，2011：13-15.

[7]李士富，韩志杰.基本负荷型天然气液化HYSYS软件计算（一）[J].石油与天然气化工，2009，38（4）：271-274.endprint