郭曉宏

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南東方 572600）

1 仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)介

仿真系統(tǒng)（Operator Training Simulator，OTS）作為生產(chǎn)裝置的替代，培訓(xùn)員工，是仿真技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要分支，主要用于實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)操作人員進(jìn)行開(kāi)車、停車、事故處理等過(guò)程的操作方法以及操作技能的培訓(xùn)。又因它是以實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程為基礎(chǔ)的，通常新建的工廠自動(dòng)化水平很高，安全保護(hù)系統(tǒng)復(fù)雜，仿真培訓(xùn)系統(tǒng)除了培訓(xùn)操作工人外，還期望通過(guò)建立生產(chǎn)裝置中各種單元操作的動(dòng)態(tài)特性模型及各種設(shè)備的特性模型，模擬生產(chǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程特性，探索新裝置開(kāi)車方案、事故分析、生產(chǎn)優(yōu)化的可能性，工藝及自控技術(shù)改造方案等。

2 霍尼維爾Unisim仿真系統(tǒng)架構(gòu)

中海石油化學(xué)股份有限公司霍尼維爾Unisim仿真系統(tǒng)包括三套裝置（300kt／a合成氨與520kt／a尿素的一期化肥裝置；450kt／a合成氨與800kt／a尿素的二期化肥裝置；600kt／a甲醇裝置及三套裝置配套的公用工程裝置）。

三套裝置分別使用3種不同的DCS控制系統(tǒng)，使項(xiàng)目的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。為使OTS系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全，采取的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 全聯(lián)接OTS總架構(gòu)圖

全聯(lián)接方案的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)同步，仿真服務(wù)器有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和良好的穩(wěn)定性，是OTS系統(tǒng)的核心計(jì)算機(jī)，此方案采用服務(wù)器級(jí)別的計(jì)算機(jī)。三套模型分立于三個(gè)服務(wù)器當(dāng)中運(yùn)行，保證系統(tǒng)的運(yùn)行高效穩(wěn)定，避免相互干擾，保證OTS工程師進(jìn)行客戶化的模型開(kāi)發(fā)，動(dòng)態(tài)仿真工藝過(guò)程的運(yùn)行，同時(shí)滿足工藝培訓(xùn)、生產(chǎn)優(yōu)化的需要。

Unisim仿真模擬系統(tǒng)用于構(gòu)建靜態(tài)、動(dòng)態(tài)工藝模型，以表述工藝過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為，包括工藝生產(chǎn)的操作運(yùn)營(yíng)，以及它的控制和邏輯等等。OTS的靜態(tài)工藝和DCS／ESD的運(yùn)行數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)拷貝，OTS的仿真度達(dá)100%，動(dòng)態(tài)工藝的仿真度也可達(dá)到98%以上。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目背景

中海石油化學(xué)股份有限公司二期裝置是年產(chǎn)450kt合成氨、800kt尿素的大型化肥裝置，是由美國(guó)KBR公司（Kellogg ＆Brown Root公司）總承包，采用KBR公司深冷凈化技術(shù)。

二期合成裝置氨產(chǎn)品向外界輸送主要有兩條線：尿素裝置正常生產(chǎn)時(shí)，熱氨產(chǎn)品通過(guò)氨分離器146D→氨閃蒸槽147D→液氨受槽149D，輸送到尿素裝置，氨增壓機(jī)105J1處于熱備用狀態(tài)；尿素裝置停車時(shí)，冷氨產(chǎn)品通過(guò)146D→147D→冷氨收集槽152D，輸送到氨罐，此時(shí)需105J1為系統(tǒng)提供必要的冷量。二期合成裝置外送氨系統(tǒng)流程示意如圖2所示。

圖2 外送氨系統(tǒng)流程示意圖

最初的設(shè)計(jì)思想是，105J1在正常情況下停運(yùn)。當(dāng)尿素負(fù)荷與合成負(fù)荷匹配時(shí)，是不需要向氨罐送冷氨的。但在我們的實(shí)際生產(chǎn)中，考慮到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，即當(dāng)尿素停車時(shí)，需要立即啟動(dòng)105J1，并輸送大量（100%負(fù)荷為62.5t／h）冷氨到氨罐，所以一直保持105J1運(yùn)行，輸送少量氨（4t／h左右）到氨罐。因105J1采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)105J1的返回閥一直保持80%以上的開(kāi)度，作大量的無(wú)用功，每年消耗電量484.6×104kW·h（一年按330d計(jì)算），造成的直接經(jīng)濟(jì)損失在268萬(wàn)元人民幣以上。若強(qiáng)制把此設(shè)備停下，在合成裝置和尿素裝置都運(yùn)行正常的情況下，一旦尿素裝置突發(fā)停車，為確保合成裝置穩(wěn)定運(yùn)行，就必須把合成產(chǎn)氨儲(chǔ)存起來(lái)或者外送出去。在105J1停運(yùn)后，不具備外送條件，必須把合成裝置產(chǎn)氨暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)并及時(shí)打通冷氨流程，而105J1啟動(dòng)、冷氨泵冷泵等流程的打通需要約50min時(shí)間，而現(xiàn)有的冷凍系統(tǒng)儲(chǔ)存不了該時(shí)間內(nèi)合成氨裝置所產(chǎn)生的氨，因此，需要將液氨受槽149D改造擴(kuò)容。

受空間限制，初步設(shè)計(jì)149D直徑由原來(lái)的1 700mm增加到2 600mm，長(zhǎng)度由原來(lái)的8 400mm增加到16 700mm。由于149D分冷氨、熱氨以及氣氨三部分，需重點(diǎn)考慮熱氨儲(chǔ)存以及設(shè)備容積擴(kuò)大是否給閃蒸帶來(lái)變化。

3.2 模擬條件

工藝系統(tǒng)條件設(shè)定 裝置負(fù)荷設(shè)定為77 000 kg／h（滿負(fù)荷），水碳比控制在1.8，空碳比控制在1.38，天然氣CH4含量控制在61%，脫碳出口微量控制在0.05%以下，低變出口微量0.1%以下，冷凍系統(tǒng)冷量控制在設(shè)計(jì)值。

設(shè)備149D設(shè)定條件 149D初始設(shè)定液位控制在30%。

3.3 實(shí)際模擬

實(shí)驗(yàn)時(shí)間 1h

試驗(yàn)次數(shù) 3次

實(shí)驗(yàn)步驟

（1）停運(yùn)氨增壓機(jī)105J1，合成裝置在滿負(fù)荷運(yùn)行，尿素裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）記錄實(shí)驗(yàn)初始時(shí)間，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為1h，記錄149D、146D、147D、152D液位。

（3）停運(yùn)尿素裝置，此時(shí)合成裝置產(chǎn)氨儲(chǔ)存在149D中。

（4）準(zhǔn)備啟動(dòng)105J1，并打通冷氨流程。

（5）啟動(dòng)105J1以及打通冷氨流程安排時(shí)間為50min，目的是測(cè)試在50min內(nèi)，新149D是否滿足儲(chǔ)存要求。

（6）在仿真模擬系統(tǒng)中啟動(dòng)氨增壓機(jī)105J1，準(zhǔn)備將冷氨外送到氨罐，同時(shí)記錄149D、146D、147D、152D的液位。

（7）把裝置全部產(chǎn)氨送往液氨儲(chǔ)罐，穩(wěn)定系統(tǒng)。

（8）記錄仿真模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2010年6月在模擬系統(tǒng)按方案進(jìn)行了三次模擬，其數(shù)據(jù)如表1。

表1 三次模擬實(shí)驗(yàn)記錄

3.4 模擬評(píng)價(jià)

仿真模擬實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于測(cè)試新149D容積是否能滿足生產(chǎn)實(shí)際，以及參數(shù)是否變化較大。從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，新設(shè)計(jì)的149D容積能滿足生產(chǎn)實(shí)際，而整個(gè)冷凍系統(tǒng)負(fù)荷以及泵的運(yùn)行均未出現(xiàn)異常。通過(guò)三次仿真模擬實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了擴(kuò)容方案在仿真模擬系統(tǒng)（OTS）中運(yùn)用的可行性。

該改造項(xiàng)目于2012年4月大修中予以實(shí)施，105J1在正常工況下已停運(yùn)。仿真模擬系統(tǒng)模擬了一個(gè)真實(shí)的工藝環(huán)境，設(shè)定真實(shí)的工藝條件，建立一個(gè)擴(kuò)容模型，模擬了149D改造后真實(shí)的工藝環(huán)境，使得149D擴(kuò)容改造項(xiàng)目在理論和實(shí)際運(yùn)用中有了強(qiáng)有力的支持。

4 結(jié) 語(yǔ)

中海石油化學(xué)股份有限公司在建立OTS模擬仿真系統(tǒng)之初，就不單單作為培訓(xùn)考慮，還考慮了應(yīng)用于工藝分析、工藝優(yōu)化、技術(shù)方案改造等研究性項(xiàng)目，因而選擇主體技術(shù)強(qiáng)，即建模實(shí)力強(qiáng)、硬件設(shè)施與公司現(xiàn)有生產(chǎn)裝置一致的單位承建OTS系統(tǒng)，具體的功能模塊和系統(tǒng)構(gòu)架根據(jù)要求與中標(biāo)方磋商確定，跟蹤實(shí)施。建成之后，無(wú)論軟硬件都能順利升級(jí)，不牽涉到版權(quán)和硬件的問(wèn)題，確保系統(tǒng)的先進(jìn)性，因而選擇了霍尼維爾Unisim仿真系統(tǒng)。隨著這套系統(tǒng)的逐步開(kāi)發(fā)和完善，必將實(shí)現(xiàn)更多的功能，更好地為企業(yè)服務(wù)。