甲醇制氢过程装备成套技术课程虚拟仿真实验

程文洁， 廖传华， 周剑锋

（南京工业大学机械与动力工程学院，南京 211816）

0 引 言

在理工科高校教学中，实验起着至关重要的作用［1-3］。但传统的教学方法一方面偏重书本知识的传授，忽视学生对于知识的接受情况［4］，另一方面，由于对实验器材、仪器设备的投入较少，长期得不到更新换代，实验技术水平得不到提高。大多数教学实验课成了看实验、讲实验，学生做实验成了做习题，学生解决实际问题的能力严重缺失。虚拟仿真技术就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术［5］，可以弥补实验装置较复杂、工程规模较大的实验不能以实物形式实现的遗憾。具有自由度高、交互性强、仿真度高，可修改仿真参数等特点［6-9］。

成套过程装备是过程工业生产用的主要设备和各种辅助设备由管道连接组成的一个能完成特定工艺过程的一整套设备［10］。过程装备成套技术课程具有很强的综合性和实践性，目的是培养学生综合运用所学知识解决复杂工程问题的能力。基于此，以甲醇制氢工艺过程为主线，开发了虚拟仿真实验系统，将课程相关的知识点直观展现，提高学生的学习兴趣，进而全面实现课程的知识目标（掌握和理解过程工艺开发及成套装备的综合设计能力）、能力目标（具有良好的经济、安全和环保意识，能正确认识工程对社会、环境的影响，从事过程装备成套技术开发及创新设计能力）和素质目标（具有人文社会科学素养、社会责任感、工程职业道德及国际视野，具备终身学习和跨文化学习能力），为实现经济社会的高质量发展提供高素质人才。

1 过程装备成套技术教学内容

过程装备成套技术是过程装备与控制工程专业的一门综合性专业课程。过程装备成套技术以甲醇制氢过程为主线，分别讲述工艺设计及设备布置、装备设计与选型、装备布置设计、管道设计、控制系统设计、设备及管道的绝热设计、腐蚀与防护方法，并介绍过程装置的安装、试车与验收，力求使学生将本专业所学专业知识系统化，具备处理工程实际问题的能力。同时，为了加强学生在安全、社会责任等方面的培养，还增加了新产品工艺过程评价（包括经济评价、环境影响评价、安全评价、节能评价和水土保持方案等）的内容，力求为学生以后承担过程工业不同生产环节的技术工作进行知识储备［11-15］。

概括起来说，过程装备成套技术涉及的知识领域较为广泛，可较好满足当前社会经济高质量发展对高素质人才的需求。然而，受限于知识视野，学生的学习兴趣索然，而且受社会对化工学科偏颇认识的影响，部分学生的专业思想不正确，学习效果较差。因此，如何在有限的课堂教学内尽可能拓展学生的知识视野，如何在抽象的课堂教学中尽可能提高学生的工程能力是要解决的首要问题。

针对这种不足，结合教材内容和教学需要，自主开发了以甲醇制氢过程为主线的过程装备成套技术虚拟仿真实验。

2 虚拟仿真实验的内容及功能

虚拟仿真实验的目的是将教材内容直观展现给学生，以提高学生的学习兴趣，增强对教学内容的理解与掌握，因此，开发的虚拟仿真实验也是以甲醇制氢过程为主线，表达从事过程工艺开发及成套装备设计所需的各知识点。

甲醇制氢是适用于中小型用氢规模的制氢技术，主要以甲醇、脱盐水为原料，在一定的温度、压力下通过催化转化反应、变压吸附分离而制得氢气的。具体过程为：甲醇和脱盐水按比例计量混合，由泵输送至换热器预热后进入汽化塔，汽化后的水与甲醇蒸汽经过换热器过热，进入转化器进行催化裂解和转化反应，产出的氢气和二氧化碳再经换热、冷却冷凝后进入吸收塔，塔釜收集未转化完的甲醇和水供循环使用，塔顶气送变压吸附装置进行提纯。工艺流程见图1。

图1 甲醇制氢工艺流程

虚拟仿真实验的内容包括工艺流程设计、设备分类与选型、设备布置设计、管道应力分析、管道布置设计和装置投资估算6个方面，实现流程如图2所示。

图2 虚拟仿真系统的实现流程

2.1 工艺流程设计

工艺流程设计首先要确定由原料生产产品的工艺过程、设备构成及其组合方式。绘制工艺流程图时，要图解系统中各个单元生产过程、物料和能量发生的变化及走向、采用的设备、阀门及相应的控制仪表等。

工艺流程包括主物流管线、辅助物流管线、设备名称和位号标注、管道标注、阀门及控制仪表等内容（见图3）。在虚拟仿真软件中，它们分属于不同的层，当其中一层被激活时，其他层则显示为灰色。学生可通过点击位号、管段标注等进入下一层级，有针对性地了解物流管线及附件的标注方式、绘制规范等相关知识，如图4所示。

图3 虚拟仿真软件中工艺流程图

图4 虚拟仿真软件中工艺流程图的学习示例

2.2 设备分类与选型

过程工业大都在非常规条件下进行，生产过程一般包括原料的制备、温度条件和压力条件的创造、反应过程的发生、产品的分离与精制，所涉及设备的种类繁多，而且各自的功能、型号、规格各不相同，如何选择合适的机型、规格是一个十分重要而又复杂的问题。对于没有任何实践经验的初学者来说，更是无从下手。

针对这种情况，在仿真软件中，将机器和设备按其在生产过程中的作用进行了分类，并预置了多种不同类型设备的模型动画。学生可在图5所示的设备分类选型界面点击设备名称以了解每台设备的作用，并观看设备的内部结构和工作原理，以增强学生对复杂设备的直观认识与了解。

2.3 设备布置设计

设备布置设计是采用俯视的方法表达生产过程中所有设备的投影，并通过标注三维尺寸确定其相对位置。

为了实现这一功能，仿真系统首先使用仿DCS（Distributed Control System）系统及虚拟现实HMI（Human Machine Interface）技术搭建一个三维的虚拟化工场景，并内置模型标准库，采用层级展示方式，引导学生按给定的计划任务书进行工艺计算以得到设备的主要参数（如换热面积、直径、高度等），同时根据设备的功能按相关标准或规范的规定进行布置，即可得到三维模式的设备布置，如图6所示。

图6 虚拟仿真软件中三维模式的设备布置

采用与水平面平行的平面将三维场景进行切割，将切割之后的设备截面形状表示出来，即可得到设备平面布置图。在图中，水平面内的设备位置用数字直接表示，垂直面内的位置用标高表示，从而确定各设备的相对位置。

2.4 管道应力分析

由于过程工业的运行特点，管道系统都是在一定的温度和压力下运行，需要按照相关标准或规范进行设计。

三维模式的设备布置完成后，学生可继续通过选择、拖动等操作，将预置的各条管线连接到相关设备的接管上，从而完成管道连接。通过管道连接可以了解管线的空间走向，为管道空视图的绘制提供指导。如图7所示，在场景里点击直管时，右下角跳出管道位置参数界面，可以调整管件沿X、Y、Z轴向旋转、长度设置、直径设置等。智能评分系统跟踪评定搭建过程，在右上角显示管道连接正确与否的得分情况，以利于学生了解自己对知识点的掌握程度，进一步激发学生的学习热情。管道连接后，学生可使用系统嵌入的FAOP软件对指定的管道进行应力分析，以确定设计是否合理，从而培养综合应用所学知识解决实际问题的能力。

图7 虚拟仿真软件中管道选择及连接

2.5 管道布置设计

在将所有与设备相关的管道连接完毕后，即可采用与生成设备平面布置图相同的方法，采用一水平面对包含有全部管道连接的设备布置进行切割，将切割之后的管道用实线表示出来，即可得到管道平面布置图，如图8所示。

图8 虚拟仿真软件中管道平面布置

在管道平面布置图中，水平面内的管道长度用数字直接标注，垂直面内的管道尺寸为两不同水平面内管道的标高之差表示。

2.6 装置投资估算

在三维场景搭建完成、所有设备和管道都已完整表达的条件下，即可对全部装置的总投资进行估算，以加强学生在经济、社会责任等方面的培养。

装置投资估算以所有设备的总成本为基准，采用系数连乘法进行。动设备（如泵、风机、压缩机等）一般已由专业厂家形成系列产品，其成本可通过市场询价得到，而静设备（业界一般称其为非标设备）的成本可根据初步设计的结果而得。将各设备的成本相加，即可得到所有设备的总成本。

以此总成本为基准，根据不同行业的取费标准确定取费系数，即可采用系数连乘法依次估算设备安装费、管道工程费、电气工程费、仪表工程费、建筑工程费等。上述各项费用的总和，即为全套装置的总投资。

装置总投资是进行过程经济核算、评价项目经济效益的重要依据，要求在保证完成生产任务的基础上，尽量优化工艺流程与操作参数，尽可能降低装置总投资，为国民经济高效、高质量发展贡献一份力量。

3 结 语

自行开发的基于甲醇制氢的过程装备成套技术虚拟仿真实验在新工科人才培养方面具有以下意义：

（1）以甲醇制氢过程为主线，将工艺流程设计、设备分类与选型、设备布置设计、管道应力分析、管道布置设计和装置投资估算等知识点动态展示，增强了学生对教材内容的理解与掌握。

（2）虚拟仿真实验将枯燥的课堂知识生动直观展现给学生，能激发学生的学习兴趣和自主学习能力，提高学习效果。

（3）虚拟仿真实验将工厂的工作模式有机融入教学流程之中，提高了学生的空间构思能力，能更有效地培养学生解决复杂工程问题的能力。

（4）通过虚拟仿真实验，可以加强学生在经济、安全、社会责任等方面的培养。