生物质气体液化过程的虚拟实验开发

华 洁， 林圣涛， 陈 琳， 钱 皓， 马晨波， 於秋萍

(1.南京林业大学 机械电子工程学院， 南京 210037； 2.南京智诚月光信息科技有限公司, 南京 210039)

0 引 言

实习、实训的困难，已成为高校人才培养的瓶颈。2016年，教育部副部长林蕙青[1]在中国高等教育学会与厦门大学联合主办的“一流大学本科教学建设高峰论坛”上指出：实验、实习、实训环节相对薄弱，是一些学校包括高水平大学在人才培养方面存在的问题。建设一流本科教育，要着力深化教学改革，也是“双一流”建设的重要任务。

造成这一现状的主要原因是：缺乏政策的引导，企业缺乏激励制度，积极性不高。对于过程装备与控制工程专业，实习、实训困难的主要因素还在于操作过程安全风险较高。工艺操作条件高温、高压，介质有毒、有害，管道和设备连接处容易跑、冒、滴、漏，生产现场本身就必须时刻严密监控各项参数，以确保生产安全进行。在校大学生没有经过系统全面的操作培训，贸然进入生产实践环节，必然带来重大的安全隐患。

虚拟仿真实验[2]的开发为解决这一矛盾提供了可能，充分使用虚拟现实技术，促进大数据时代下网络教学平台[3]的发展。虚拟技术的使用在行业内也有各种尝试[4-5]。本文通过生物质气体液化过程这一虚拟实验的开发，实现了对过程装备与控制工程专业知识在虚拟世界的融会贯通，有效地避免了工程实践中可能遇到的各种风险，打通了课堂教学、实习、实训、毕业设计等各个教学环节，是一次有效的新工科实践创新的尝试。

1 生物质气体液化过程工艺开发

生物质气，也称沼气，来源于有机废物。其本身含有大量的杂质而很难充分利用，多数直接作为燃料燃烧，造成了大量的浪费。去除杂质以后，生物甲烷在应用中比其他可再生能源更为灵活，利用生物甲烷作为能源是实现可持续能源供应的关键一环。近年来，对生物甲烷的生产和利用已经成为研究的热点。生物甲烷经过液化后可以很好的存储和运输，是一种有效的利用方式。工艺上生物甲烷液化过程是在液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)技术[6]的基础上针对生物甲烷的处理量小[7]和具备季节性的特点发展起来的。工艺开发的过程主要包括以下3个方面：

(1) 工艺流程。在自主开发的超低温自复叠式制冷装置[8]基础上开发生物质气体液化过程的虚拟实验。图1对工艺过程进行了描述。该制冷系统由3个循环构成，分别为预冷循环、混合制冷剂循环两个闭式循环以及生物甲烷液化开式循环；预冷循环和混合制冷剂循环构成复叠式制冷循环。开机前，将闭式循环抽真空，灌装入制冷剂，预先把制冷剂在闭式循环中冲装完成。当生产现场符合液化生物甲烷的条件时，随时打开压缩机便可驱动制冷机组。当制冷机组启动一段时间后，连接开式循环液化换热器达到液化温度，即可打开连接生物甲烷的截止阀通入气态甲烷，出口可以得到液化的产品。

图1 液化制冷系统流程简图

(2) 典型设备。液化过程的工艺流程中可以看出，虽然是可撬装式的小型装置，但是包含了多种典型设备和机器：换热器、冷凝器、压缩机、膨胀阀、截止阀、气液分离器、毛细管以及过滤器等。这些设备的选型和设计几乎涵盖和综合利用了过程装备与控制工程专业的专业课程《过程设备设计》、《过程流体机械》、《过程装备控制技术》、《过程装备成套技术》等各门功课的学科知识。

(3) 设备及管道布置。设备型号和规格选择之后，需要确定各个设备的相互位置关系，可以通过设备布置图进行规划。为有效利用空间，设备布置成两层：动设备布置在下层，便于保持底座的稳定；静设备和低温设备布置在上层，便于后期保温材料的包裹。完成设备布置之后，下一步的工作就是用管道连接各个设备，使介质的流通符合工艺流程图的要求。

工艺开发的过程复杂，各个环节之间连接错综复杂，牵一发而动全身。开发完成后还需要对其中的仪器仪表进行设计，达到对系统的工艺参数实时监控的目的，以确保生产的安全进行。将这一过程可以用虚拟仿真实验的方式来完成，对于学生综合专业技能的培训会非常有利。

2 虚拟仿真实验开发思路

虚拟仿真实验是在工艺流程的开发基础上进行的，其过程思维导图如图2所示。拟开发出两个并联进行的实验，分别为实验1，装置搭建过程的虚拟仿真；实验2，装置运行过程的虚拟仿真。其中搭建的过程包含设备的三维造型、设备位置布置、配管和仪器仪表，对应于过程装备成套技术中各个不同的设计步骤,运行过程包含之前的电磁阀全部打开，管道内抽真空、加制冷剂过程、开机过程、正常运行过程和关机过程。

图2 虚拟仿真实验开发思维导图

以上步骤中，装置搭建过程的主要数据来源于工艺设计的几个成果平面图形，并且要进行三维可视化模拟，检查设备布置和配管过程中存在的不合理和干涉的现象；装置运行过程中关于制冷剂的介质、配比问题和运行工艺参数的数值问题是前期工艺开发过程中的工艺参数计算结果，该计算过程复杂往往需要利用专业的工艺计算软件如Aspen、Hysis、Chemcad等。因此虚拟仿真实验的开发必须是在专业的基础之上才能进行，仿真软件的开发需要不断利用和提取工艺流程开发的数据。

3 技术方法与手段

虚拟仿真实验的开发需要用到各种类型的软件和程序的编写调试。主要包括三维造型，场景的搭建，交互动作的设计，脚本程序的编写调试等，可以利用的软件和手段也很多。

杨宁等[9]分析和展望了化学工程中介尺度科学与虚拟过程工程的联系；周斌等[10]在虚拟过程控制实验中实现了组态王和虚拟的A3000进行数据的交换；张颖等[11]选用 MultiGen Creator/Vega 和 Flash MX 2004 实现了过程流体机械的网络虚拟实验室的建设。近年来，使用Unity 3D来开发虚拟实验[12-15]已经成为主流方法，易于实现设计者的虚拟操作过程。

经过对比与实践，本虚拟实验的开发选用3D Studio Max用于三维造型和效果的制作， 该软件可以非常方便的实现设备、机器、阀门等化工装置的三维造型，对其位置布置和相互之间管道连接的干涉检查也做的非常清晰。由图3和图4可见,工程实践中借助这个详细图，可以非常方便生成所有管道的三维正等轴侧视图，便于预制和焊接管道的弯头、3通，减少现场的组焊失败率。

图3 总体规划图

图4 设备及配管详图

选用专业开发引擎Unity3D用于完成虚拟场景的搭建和交互动作的设计。实验1和实验2的脚本都是通过该引擎进行编程，最终发布成虚拟仿真实验系统。该系统能够适应各种使用环境，不需要下载任何插件可以在网页运行，克服了早期的虚拟实验由于软件的限制而不能够广泛使用的弊端。

4 结 语

通过生物质气液化虚拟仿真实验的开发和实践，初步完成了实验设计的思路和三维模型的构建，学习了专业的开发引擎并且把设计思想在其中实现，取得了较好的实习、实训效果。在虚拟仿真实验即将完成之际，以下两点体会提出来讨论，为开发新的虚拟过程参考。

虚实结合很必要。虚拟实验是在专业知识的基础之上来开发的，如果没有实际的实验过程或者装置，就只是纸上谈兵。本课题组的生物质气液化过程已经有了多年的积累与沉淀，并且有小型撬装式的实验装置，但是基于安全操作的考虑，以及整个深冷装置外包了厚厚的发泡保温层，没法直接观察到其内部的设备外形，开发了仿真虚拟实验。虚实结合，能够使学生在学习的过程中更好的掌握专业知识，并且加以实践升华。

打通各个教学环节。该实验装置的开发过程贯穿整个专业学习过程。对工艺流程的开发和设备机器的选型以及控制系统的设计是主干学科在课堂教学环节需要完成的重要教学内容之一；整个虚拟实验过程的操作是实习、实训环节对生产实习很好的补充；对虚拟实验的开发过程则可以完成优秀的毕业设计作品。因此，该项目的开发和利用，可以很好的打通各个专业教学环节，巩固学生学习的专业知识，极大的调动了学习的积极性，是一次成功的尝试。