1.5　化工工艺仿真的主要用途

本书作为化工工艺虚拟仿真实践课程的教材，将通过对化工单元操作和典型工艺流程的仿真软件的讲解，为大家梳理典型的化工全流程工艺的知识点，如：正常工况下的工艺参数范围、控制系统原理、阀门等控制器的关键操作、开车、停车规程等，并通过仿真操作使学生基本具备典型化工生产过程的开车、停车、运行和排除事故的能力。在仿真操作过程中学生可以根据自己的具体情况进行针对性练习，如自行设计实验不同的开、停车方案，实验复杂控制方案、优化操作方案等。还可以设定各类事故和极限运行状态，以提高学生分析能力和在复杂情况下的决策能力。最终达到加深学生对化工工艺相关知识点的理解，并在此基础上能够进行灵活的应用，提高学生综合分析问题的能力，培养学生工程理念，学会用工程方法思考、解决问题的培养目标。通过化工工艺仿真培训，使学生达到：

①了解化工过程的工艺和控制系统的动态特性、提高对工艺过程的运行和控制能力；

②加深对工厂具体化工设备、化工操作的感性认识，进一步了解所学专业的性质，以便今后更好地学习专业基础课及专业课；

③收集各项技术资料和生产数据，培养理论联系实际的习惯；

④培养学生的学习兴趣和提高学生勇于思考、勇于创新的精神。

1.5.1　工艺开停车

化工工艺仿真的一个重要用途是创造了一个化工仿真环境，学员可以通过这个环境反复模拟在化工厂中的开停车操作。这一功能解决了长期困扰化工专业人员培训的瓶颈，使从业人员在上岗前就具备一定的实操经验，对化工操作有了一定的了解，从而保证了化工生产的稳定与安全。

工艺开停车是化工生产中最重要的操作环节，能否达到“早、严、全、稳、好”的五字方针，既关系到化工生产的最终效益，也关系到化工安全生产，是衡量一个化工专业从业人员水平高低的重要标准。所以了解并熟悉化工装置的开停车技术是每个化工从业人员应该具备的专业技能。

化工生产中的开、停车一般包括基建完工后的第一次开车，正常生产中开、停车，特殊情况（事故）下突然停车，大、中修之后的开车等几类。下面简单介绍相关概念。

（1）基建完工后的第一次开车

基建完工后的第一次开车，一般按四个阶段进行：开车前的准备工作；单机试车；联动试车；化工试车。

①开车前的准备工作　开车前的准备工作大致如下：

施工工程安装完毕后的验收工作；

开车所需原料、辅助原料、公用工程（水、电、汽等），以及生产所需物资的准备工作；

技术文件、设备图纸及使用说明书和各专业的施工图，岗位操作法和试车文件的准备；

车间组织的健全，人员配备及考核工作；

核对配管、机械设备、仪表电气、安全设施及盲板和过滤网的最终检查工作。

②单机试车　此项目的是为了确认转动和待动设备是否合格好用，是否符合有关技术规范，如空气压缩机、制冷用氨压缩机、离心式水泵和带搅拌设备等。

单机试车是在不带物料和无载荷情况下进行的。首先要断开联轴器，单独开动电动机，运转48h，观察电动机是否发热、振动，有无杂音，转动方向是否正确等。当电动机试验合格后，再和设备连接在一起进行试验，一般也运转48h（此项试验应以设备使用说明书或设计要求为依据）。在运转过程中，经过细心观察和仪表检测，均达到设计要求时（如温度、压力、转速等）即为合格。如在试车中发现问题，应会同施工单位有关人员及时检修，修好后重新试车，直到合格为止，试车时间不准累计。

③联动试车　联动试车是用水、空气或与生产物料相类似的其他介质，代替生产物料所进行的一种模拟生产状态的试车。目的是为了检验生产装置连续通过物料的性能（当不能用水试车时，可改用介质，如煤油等代替）。联动试车时也可以给水进行加热或降温，观察仪表是否能准确地指示出通过的流量、温度和压力等数据，以及设备的运转是否正常等情况。

联动试车能暴露出设计和安装中的一些问题，在这些问题解决以后，再进行联动试车，直至认为流程畅通为止。

联动试车后要把测试介质放空，并将设备清洗干净。

④化工试车　当以上各项工作都完成后，则进入化工试车阶段。化工试车是按照已制定的试车方案，在统一指挥下，按化工生产工序的前后顺序进行，化工试车因生产类型的不同而各异。

综上所述，一个化工生产装置的开车是一个非常复杂也很重要的生产环节。开车的步骤并非一样，要根据具体地区、部门的技术力量和经验，制定切实可行的开车方案。正常生产检修后的开车和化工试车相似。

（2）停车及停车后的处理

在化工生产中停车的方法与停车前的状态有关，不同的状态，停车的方法及停车后处理方法也就不同。一般有以下三种方式。

①正常停车　生产进行一段时间后，设备需要检查或检修进行的有计划停车，称为正常停车。这种停车，是逐步减少物料的加入，直至完全停止加入，待所有物料反应完毕后，开始处理设备内剩余的物料，处理完毕后，停止供汽、供水，降温降压，最后停止转动设备的运转，使生产完全停止。

停车后，对某些需要进行检修的设备，要用盲板切断该设备上物料管线，以免可燃气体、液体物料漏过而造成事故。检修设备动火或进入设备内检查，要把其中的物料彻底清洗干净，并经过安全分析合格后方可进行。

②局部紧急停车　生产过程中，在一些想象不到的特殊情况下的停车，称为局部紧急停车。如某设备损坏、某部分电气设备的电源发生故障、某一个或多个仪表失灵等，都会造成生产装置的局部紧急停车。

当这种情况发生时，应立即通知前步工序采取紧急处理措施。把物料暂时储存或向事故排放部分（如火炬、放空等）排放，并停止入料，转入停车待生产的状态（绝对不允许再向局部停车部分输送物料，以免造成重大事故）。同时，立即通知下步工序，停止生产或处于待开车状态。此时，应积极抢修，排除故障。待停车原因消除后，应按化工开车的程序恢复生产。

③全面紧急停车　当生产过程中突然发生停电、停水、停汽或发生重大事故时，则要全面紧急停车。这种停车事前是不知道的，操作人员要尽力保护好设备，防止事故的发生和扩大。对有危险的设备，如高压设备应进行手动操作，以排出物料；对有凝固危险的物料要进行人工搅拌（如聚合釜的搅拌器可以人工推动，并使本岗位的阀门处于正常停车状态）。

对于自动化程度较高的生产装置，在车间内备有紧急停车按钮，并和关键阀门锁在一起。当发生紧急停车时，操作人员一定要以最快的速度去按这个按钮。为了防止全面紧急停车的发生，一般的化工厂均有备用电源。当第一电源断电时，第二电源应立即供电。

从上述可知，化工生产中的开、停车是一个很复杂的操作过程，且随生产的品种不同而有所差异，这部分内容必须载入生产车间的岗位操作规程中。但是在实际的岗位操作培训中，由于成本及安全等问题，几乎无法给培训人员提供实际操作练习的机会，使被培训人员缺乏实际操作经验。化工工艺虚拟仿真系统的出现，很好地解决了这一行业难题，化工工艺虚拟仿真软件通过构建过程动态数据模型实现了对各典型工艺流程开停车操作过程的动态模拟。学员在软件上的操作被反馈给后台数据模型，数据模型通过计算，会给予极为近似真实生产线各项参数反馈，使操作者获得与工厂实际操作极为近似的操作体验，从而获得实操经验。学员可以通过对软件的操作练习，熟悉不同工艺流程中不同岗位在开车、停车及紧急停车中的操作要点和流程。理解工艺特点及设备特征，深层次理解化工工艺内部机理。本书将在后面的章节中对不同的工艺流程的开停车操作做详细讲解。

1.5.2　工艺分析

对化工工艺设计及改造进行工艺分析，是化工工艺虚拟仿真系统的又一重要功能。化学工业是资本密集型产业，通过分析化学品生产的成本构成，人们发现基本建设投资以及原材料在总成本中占有极大的份额，因而工艺设计的失误往往会造成巨大的经济损失。而化工工艺设计是一个将实验室里的化学反应放大到化工工业生产的复杂的工程问题，在化学反应规模不断扩大的过程中，需要解决设备选型、管路布置、热负荷、分离、能耗、环保、安全及经济效益等诸多方面的问题。这使得工艺分析在化工工艺设计中具有重要的意义。而传统的分析方法只能从理论上论证设计方案的可行性，对实际工程建设和生产中会遇到的问题缺乏预见性。化工虚拟仿真系统为工艺分析提供了良好的解决方案。我们可以通过构建设计方案的数学模型及三维场景在计算机中虚拟出化工工艺设计方案，并进行生产过程模拟。通过三维虚拟厂区的建设和生产过程模拟，可以有效完成化工工艺设计的分析与优化工作。同时，这种方法在时间效益和经济效益上也具有明显优势。

与此同时，化工工艺虚拟仿真系统还是化工厂的工艺改造方案优化的良好途径。化工生产装置由于建设成本较大，一般都运用多年，在一些化工企业中，有很大一部分装置已经运转了五十多年，设备及生产工艺相对落后。但相比重新建造厂区和生产线来说，将这些使用已久的装置进行改造、解决装置中存在的薄弱环节，要远比重新购置一套装置更加便宜划算。还有部分化工企业的生产装置使用的时间较长，会在一定程度上影响化工产品的生产效率以及不利于现代社会的环保要求，因此也要对这些装置进行性能的改造、扩大生产能力以及确保其生产过程中的环保达标。因而工艺改造也是化工生产的重要组成。通过对化工工艺现状的分析，对原有装置进行改进，提高原有装置的生产能力，可以有效地减少化工生产过程中的投资，显著地提高其经济效益。通过化工虚拟系统可以在计算机中构建一个虚拟的待改造工厂，并对其进行分析。还可以对虚拟厂区进行相应改造，以验证和优化工艺改造方案。这为化工工艺改造提供了新的方法。

1.5.3　控制方案研究

化工工艺虚拟仿真系统的第三个主要功能是为控制方案研究提供途径。对于现代化工企业来说，基本都依赖于高度自动化生产，控制系统就相当于整个生产线的指挥系统和神经系统，关系着化工生产的成败。控制系统在化工生产中的作用可以概括为以下三个方面。

①抑制外部扰动对过程的影响。扰动意味着周围环境（外界）对反应器、分离器、热交换器和压缩机等设备有影响，它是客观存在的，不可避免的。因而，需要引入控制机构，使过程产生适当的变化，以消除扰动对化工生产可能造成的不良影响。

②确保过程的稳定性。系统由于受到某些外部因素的影响而使系统中的状态变量发生变化，如温度、压力、浓度等。如果随着时间的推移，在没有外界干预的情况下这些变量能够逐渐回复并最终稳定数值，则我们就称这样的系统是稳定的或自平衡的，如果系统的状态变量不能自动回复到初始值，则这样的系统就称为不稳定系统，它需要外部的控制来保持系统的稳定。

③使化工生产过程最优化。安全性和满足生产指标是化工厂的两个基本生产目标，一旦达到，下一个目标即是如何使工厂获得更多的利润。假定影响工厂生产的操作条件是变化的，显然，就需要按经济目标（利润）总是最大值的方式去改变工艺操作参数（流量、压力、浓度和温度）。这项任务由工艺操作人员和自动控制装置来完成。

不同的工艺流程及化工设备，使得不同的生产线对控制系统的要求也不尽相同。对控制方案及自控系统元器件的选择要考虑的因素很多。虚拟仿真系统为控制方案研究提供了可靠的方法。

1.5.4　安全分析

化工生产往往伴随着高温、高压、易燃易爆、腐蚀及剧毒等情况，安全隐患大。且现代化工企业生产规模日益扩大，一旦发生事故后果严重。例如，印度在1984年发生的博帕尔毒气泄漏事故，该事件造成了数十万的人员伤亡，并造成了难以恢复的生态破坏。因此，对化工生产系统的可靠性、稳定性与安全性等进行严格的控制是十分必要的。20世纪60年代，道化学公司已经采用了安全工程的评价方法。70年代末，我国也开始运用了系统安全工程的化工安全评价方法。近年来，随着工业自动化程度的日益提高，各种新式仪表、测量设备不断投入使用，为安全生产提供了第一道防线。各种仪表从现场获得实时数据，如果数据没有超过DCS设置的报警上下限，即认为状态是正常的。但是正常区间的选择往往是依据大量的生产经验来决定，界限并非十分精确。实际的生产流程是一个大的系统，如果某一个或几个变量出现微弱的趋势变化，经过长期的积累，系统中可能会出现放大效应，致使整个系统偏离正常状态，最终导致事故的发生。为了切实保障运行系统的可靠性和有效性，需要建立一个监控系统对整个系统的运行状态进行实时监测，及时采取有效的措施来避免重大事故的发生。此外，如果能够通过对历史数据的分析，掌握装置未来的运行趋势，就可以及早地发现故障苗头并找出故障原因，避免事故的发生。故障诊断技术和预测技术正是通过对装置的生产数据进行分析，达到诊断故障和预测未来状态趋势的目的。因此这两种方法对化工安全生产有着重要的意义，故障诊断技术和预测技术也成为国内外的研究热点。化工虚拟仿真系统为化工安全分析提供了方法。