新型化工实训产品的设计

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文章以真实的化工厂生产流程为蓝本，进行适当的设计剪裁，配以仿真培训软件，并对设备和管道进行巧妙的内部结构改造，使实训产品具有单元操作齐全、工艺技术先进、体现现代化的过程自动控制理念、无危险、无污染、低能耗、低成本、投资省、维护简单等特点。

根据教育部关于职业教育的若干意见，各类职业技术院校面临着两个主要的任务：第一，将学生培养成合格的技术工人，满足现代企业的需要。由于化工、石化和炼油企业多，装置种类繁杂，学生分配的选择也多，所以要求学生毕业后的适应性比较强。第二，和企业联合，结合行业特色，建立中国一流的化工技术工人岗位培训基地，满足企业员工岗位再培训的需要。为此，高职、高专、高等院校相关专业的教师们一直期待着一种理想的多功能化工系统实训产品，这种产品能够兼容多种典型的化工流程，具有工业级规模精准的静态与动态特性，危险性最低（甚至没有危险），无污染，不消耗物料，消耗最少的能源，投资省、运行和维护费用低等。为达成以上的产品性能，我公司在为国内几十所大学和专业技术学校的大型综合实训产品的设计开发中进行了有益的探索。

选择大型现代化真实的化工厂生产流程为蓝本进行实训产品的设计剪裁

大型现代化的真实生产流程具有单元操作齐全、工艺技术先进、工艺过程复杂、能体现现代化的过程自动控制理念等。可以让学生了解先进的主流的工艺技术；可以帮助学生建立完整的现代化大型化工厂的感性认识；可以培养学员对复杂系统的认知能力，培养学员在处理复杂系统工作中的合作精神和协调能力，掌握复杂系统的开停车、非正常工况的处理、尤其是在事故状态下的紧急处理能力；可以对学员进行各种化工单元的操作训练；可以让学生掌握现代化工企业中普遍使用的DCS操作系统、EPA现场总线技术等现代化的系统操作控制技术。

当然在设计实训产品中也不能照搬工业流程，对工业流程的一些细节有必要进行合理的剪裁和丰富。例如，工厂中为了充分利用系统本身的能量，往往会使用数量很多的换热器，而且这些换热器往往都是同样形式的换热器，对此在不违反设计大原则的前提下我们会减少换热器的总数，增加换热器的种类，让学生尽可能多地认识各种换热器并掌握它们的操作要领。对检测仪表的处理方法也是类似，通过这样的设计剪裁后，使实训产品的教学功能大大增强了，同时也不失对原工艺的学习。

半实物仿真工厂和仿真软件相结合，保证实训产品的安全、环保和低成本运行

化工厂都具有易燃、易爆、有毒、有害的特点，如果让学员在有真实物料系统的化工装置中进行实操训练，势必会有火灾、爆炸、中毒等恶性事故的担忧，半实物仿真工厂和仿真软件的引入使实训产品从根本上解决了此类隐忧。

半实物仿真工厂的设备与真实设备在外形上是一致的，设备尺寸一般按10∶1缩微，这样既可以帮助学生实现对现场装置的几何空间概念的把握和对操作设备和部件的操作力度、动态时机的把握，保证实训的教学功能，又使仿真工厂的有效占地比较经济合理，一次性硬件投资不会太大。

半实物仿真工厂选择水代替液体物料，用空气代替气体物料，用石英砂代替固体物料，这些替代物料在运行过程中性能稳定，水和石英砂还可以循环使用，物料安全、稳定并且低成本。

仿真软件可以模拟真实的化工过程，再现过程数据，可以实训现场操作和中控室DCS控制，操作信号将实时进入仿真软件系统，仿真软件经过复杂的数学计算，得出新状态下的温度、压力或流量、液位等系统参数值。仿真软件还可以借助于复杂的附加控制系统和流程系统实现多种物理化学现象和事故现象的模拟再现。可以在有限的教学时空内实现更大的教学功能。

精巧的内缩结构，极大地节约实训运行成本，缩短操作响应时间

半实物仿真工厂的设备尺寸根据实际设备的尺寸按10∶1的比例作缩微处理的，缩小后的设备外形能满足规模化、工业级的感官要求，但是在实际使用过程中缩小后的设备仍然觉得尺寸太大，操作响应时间太长，使用的替代物料投入量也嫌过多，为了克服这些缺点又不影响外观尺寸，我们在设计中采取了精巧的内缩结构，例如，管道和储槽的内缩结构如图1所示：

图 1

替代物料在管道的内管中流动，到储槽的有效容积内储存，采用了这样的内缩结构后，替代物料的用量大大减少了，而且操作响应时间也缩短了很多。有利于提高仿真操作培训的效率。其他类管道的设备可以采取类似管道内缩结构设计，类储槽的设备采取储槽内缩结构设计。

动设备半真运行，降低动设备的运行和维护成本

动设备半真运行概念有两个层次：第一，动设备电机是真实运行的，但是通过对动设备进行适当改造，使动设备的始终处于零负荷状态运行。第二，动设备只是一个模型，在DCS界面上显示其运行状态，现场配有模拟声音，营造动设备运行的环境声音效果。由于储槽、类储槽、管道、类管道都采取了内缩结构，增压泵的需求量大大减少了，现场的许多化工用泵可以不投用，为了取得最佳的仿真效果，最大限度地降低仿真工厂的运行和维护成本，在设计中采取了动设备半真运行的设计手段，实践结果表明能收到预期的效果。

多种设计方法应用于半实物仿真工厂的设计开发，使仿真工厂具有工业级的尺寸感官效果，真实的三维空间位置，真实的操作力度，实现了集多种教学和实训功能于一身、全工况可操作、无需真实物料投入、没有产物和副产物、维修简单、节能、安全、环保、投资省、见效快的优点。到目前为止我公司已经成功开发了煤制合成氨、煤制甲醇、合成尿素、石油常减压催化裂化和硅酸盐水泥生产等大型的现代化半实物仿真工厂。

（作者供职于浙江中控科教仪器设备有限公司）