D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2001.04.021 第23卷第4期 北京科技大学学报 VoL23 No.4 2001年8月 Journal of Univeraity of Scleace and Technology Beijing Ag2001 空分装置操作仿真系统的研究与开发 童莉葛”高远)王立)张延平》李化治) 1)北京科技大学机城工程学院，北京1000832)上海宝钢集团公司，上海201900 摘要从操作和控制两方面确保空分设备运行的安全性和稳定性出发，开发了宝钢空分 操作仿真系统，实现了空分操作的计算机仿真.该系统包括空分正常运行状态和空分启动过程 的操作仿真，可以实现与现场相同的操作过程，并配合有完整的空分的计算机操作画面.系 统采用模块化的设计思路，核心计算程序与界面控制程序完全分离，通过边界模块进行通讯， 缩短了系统的开发周期，降低了调试的难度、 关藏调空气分离：操作；仿真；精馏 分类号TB6257.7;1P391.9 空分操作仿真系统是集物性模型建立、空 程序两部分，其中核心计算程序主要完成空分 分流程计算、工艺操作组织、计算机编程技术和 流程的组织，它主要由模型构造软件依照空分 软件集成技术为一体的高技术含量的开发项 的流程特点组织各组成模块，并完成流程的计 目.它不仅可以模拟空分装置正常运行的各种 算仿真工作.界面程序主要完成界面的显示与 操作（包括阀门的操作和机器的开停操作），而 切换、用户的控制操作、报警、核心计算结果的 且还可以模拟空分装置的启动操作过程，能实 动态反映、趋势曲线显示、文件管理等功能. 现较完整的仿真操作训练过程 通过这两部分程序的合理组合与功能分 配，就可以完成特定流程的组织、操作与控制过 1系统开发方案 程的仿真. 低温法空气分离装置是把空气液化，并通 13数据驱动 过精馏过程分离成氧气、氨气、液氧、液氨、液氩 核心程序与界面程序依照约定协议进行数 和氨、氛、氪等稀有气体的装置，它的工作温度 据传递.不同功能的模块通过一个管理软件和 是100-77K鉴于空分流程的复杂性以及涉及 文件管理器利用数据转换接口实现一体化. 部件的多样性，本文采取了有独具特点的开发 这种开发方法能够最大限度地发挥各开发 方法、 软件的优点和开发人员的优势，缩短了开发周 11意模过程中采用模块化的开发方法 期，简化了调试过程，并为程序的修改和日后的 在模块化建模过程中，以空分的物理结构 升级提供了方便.系统的数据传递是比较复杂 为基础，实现的功能特性为参照，每个模块既有 的，这主要取决于空分流程及其控制的复杂性. 清晰的物理边界和明确的物理意义，又具有功 能特性上的数学独立性；各模块之间相对独立， 用户操作 控制程序 事件触发 计算程序 通过模块构造模块完成流程组织和通讯的任 务.采用这种分解方法便于由控制系统原理图 界面显示… 生成仿真模型.以物理结构为基础划分的模块 包括：精馏塔模块、换热设备模块、液化设备模 图1数据流路图 Fig.I Digram of data fowing structure 块、压缩设备模块、膨胀设备模块等. 12核心计算程序与界面程序的完全剥离 宝钢5#空分是宝钢（集团）公司从美国APCI 该系统大致可划分为核心计算程序和界面 公司引进的大型空分设备.该装置采用了先进 的工艺流程，计算机全自动控制，具有7种工况 收稿日期2000-11-28童莉葛女，28岁，讲师 的设计变工况调节
摘 卷 第 期 创月 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 创扮 衍 目 留卜 。 俩盯 加 人 肠 如 脚 空分装置操作仿真系统的研究与开发 童莉葛 ” 高 远 刀 王 立 ” 张延平 ” 李化治 ” 北京科技大学机械工程学院 ， 北京 以】 上海宝钢集团公司 ， 上海 摘 共 从操作和控制两方面确保空分设备运行的安全性和稳定性出发 ， 开发 了宝钢 ’ 空分 操作仿真系统 ， 实现了空分操作的计算机仿真 该系统包括空分正常运行状态和空分启动过程 的操作仿真 ， 可以实现与现场相同的操作过程 ， 并配合有完整 的 ’ 空分的计算机操作画面 系 统采用模块化的设计思路 ， 核心计算程序与界面控制程序完全分离 ， 通过边界模块进行通讯 ， 缩短 了系统的开发周期 ， 降低了调试的难度 关扭询 空气分离 操作 仿真 精馏 分类号 拍 冲 空分操作仿真系统是集物性模型建立 、 空 分流程计算 、 工艺操作组织 、 计算机编程技术和 软件集成技术 为一体 的高技术含量 的开 发项 目 它不仅可 以模拟空分装置正常运行的各种 操作 包括阀门的操作和机器的开停操作 ， 而 且还可 以模拟空分装里的启动操作过程 ， 能实 现较完整 的仿真操作训练过程 系统开发方案 低温法空气分离装置是把空气液化 ， 并通 过精馏过程分离成氧气 、 氮气 、 液氧 、 液氮 、 液笼 和氮 、 氖 、 氛等稀有气体的装置 ， 它 的工作温度 是 卜， 鉴于空 分流程 的复杂性 以及涉及 部件的多样性 ， 本文采取了有独具特点的开发 方法 建模过程中采用模块化的开发方法 在模块化建模过程 中 ， 以空分的物理结构 为基础 ， 实现的功能特性为参照 ， 每个模块既有 清晰的物理边界和 明确的物理意义 ， 又具有功 能特性上 的数学独立性 各模块之间相对独立 ， 通 过模块构造模块完成流程组 织 和 通讯 的任 务 采用这种分解方法便于 由控制系统原理 图 生成仿真模型 以物理结构为基础划分的模块 包括 精馏塔模块 、 换热设备模块 、 液化设备模 块 、 压缩设备模块 、 膨胀设备模块等 核心计算程序与界面程序的完全刹离 该系统大致可划分为核心计算准序和界面 程序两部分 其 中核心计算程序主要完成空分 流程 的组织 ， 它主要 由模型构造软件依照空分 的流程特点组织各组成模块 ， 并完成流程的计 算仿真工作 界面程序主要完成界面的显示与 切换 、 用户 的控制操作 、 报警 、 核心计算结果的 动态反映 、 趋势曲线显示 、 文件管理等功能 通 过这两 部分程 序的合理组 合 与功能分 配 ， 就可 以完成特定流程的组织 、 操作与控制过 程的仿真 数据驭动 核心程序与界面程序依照约定协议进行数 据传递 不 同功能的模块通过一个管理软件和 文件管理器利用数据转换接 口 实现一体化 这种开发方法能够最大限度地发挥各开发 软件的优点和开发人员 的优势 ， 缩短 了开发周 期 ， 简化 了调试过程 ， 并为程序的修改和 日后的 升级提供 了方便 系统的数据传递是 比较复杂 的 ， 这主要取决于空分流程及其控制的复杂性 数 日事件触发 据 接 · 口 界面显示 收稿 日期 沁 ， 】 宜莉葛 女 ， 岁 ， 讲师 圈 橄据流路圈 嗯 馆 加 加皿由， 加花 宝钢 空分是宝钢 集团 公司从美国八卫 公司引进 的大型 空 分设备 该装置采用 了先进 的工艺流程 ， 计算机全 自动控制 ， 具有 种工况 的设计变工况调节 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．04．021
·366· 北京科技大学学报 2001年第4期 宝钢5空分的操作仿真系统具有与5空分 及其混合物的物性计算、精馏计算和常规空分 完全相同的操作画面和相同的流程仿真计算部 流程的仿真计算等3个关键环节，还要仿真5 件.经过实际应用证明，该仿真系统可以实现预 空分的所有新工艺与新技术， 期的综合结果，能达到预期的培训效果，具有令 氧、氩、氮及其混合物的物性计算是空分流 人满意的仿真趋势 程计算的基础，由于以往空分流程计算大量运 用图表为计算依据，准确性差，不能满足计算机 2系统总体结构 操作仿真的需要，而且空分设备中任何一个单 2.1系统功能结构 元的热力计算，都要用到氧、氩、氨及其混合物 该空分装置操作仿真系统由正常运行模式 的物性数据.采用改进的Harmens方程作为数 和启动运行模式组成，分别仿真空分正常运行 学模型的基础. 时的操作与空分启动操作，包含了大部分的故 精馏计算是空分流程计算中最重要的组成 障操作、连锁（开车、停车、故障连锁）关系和报 部分，它涉及到氧、氩、氮及其混合物的物性计 警判定消息，能对相应的操作过程实现报警显 算、相平衡关系及各种流程组织的影响.精馏塔 示与连锁反馈 是多组分、多进出料的复杂塔，每一层塔板以及 正常运行模式包括7种不同标准运行工况 精馏塔均要满足物料平衡、热量平衡和组分平 (以设计工况为标准)，每种工况都可以手动调 衡，每一块理论塔板上的汽相和液相满足相平 整到其他运行工况.操作人员既可以在这种运 衡.我们把设计型算法和校核型算法结合起来， 行模式进行操作训练，增强感性认识，熟悉操作 同时完成上、下塔的精馏计算田，特别需要指出 过程，也可以进行重现故障操作，比较不同操作 的是5空分上塔为规整填料塔结构，采用全精 方案等 馏制氩工艺 启动运行模式是对空分由常温状态启动到 2.3系统的测试 正常运行状态的操作过程的仿真，由启动演示 空分流程仿真的可靠性与准确性，是保证 模式、启动训练模式和启动考核模式3个模式 该仿真系统可靠性与准确性的关键，而核心计 组成.启动演示模式自动演示空分的启动及各 算程序与界面操作、显示与控制程序的完美组 个状态参数的变化过程，使用户熟悉空分启动 合是保证仿真系统整体性能的重要环节，只有 的各步骤.启动训练模式需要操作者按照提示 通过不断的测试才能达到准确仿真的目的. 框的提示内容，逐步启动空分达到正常运行状 为此，该系统经历了2个多月的测试工作 态.启动考核模式需要操作者在没有提示的情 才最终成形，不仅在空分流程仿真准确性方面 况下，逐步启动空分达到正常运行状态；操作者 投人了相当的精力，还对整个系统功能采取不 可以查看相应启动步骤的操作提示；该模式对 同方法进行测试，从而保证了系统的可靠性. 操作者的启动操作进行评判.操作人员可以在 精馏塔测试 启动模式下逐步熟悉空分的操作启动过程，并 换热设备测试 分析每步操作的参数变化，进行启动操作过程 连锁测试 造 液化设备测试 的训练. 有效性测试 压缩（增压）设备测试 2.2空分流程的仿真 侧试 整体 信息功能要求 宝钢5空分采用了以下的先进工艺和技术： 膨胀设备测试 测试 PSA分子筛前端净化系统；上塔、氩塔采用规整 界面模块测试 界面 填料技术；采用规整填料技术基础上的全精馏 控制设备、机构测试 报著测试 控制 漠块 制氩；利用液柱静压力提高液氧压力和氧压机 文件管理测试 设计信息 入口压力；液氩采用内升压蒸发以回收冷量；主 连接模块测试 冷、粗氩冷凝器采用降膜式冷凝蒸发器，以降低 边界模块测试 ☐单元测试 整体测试 温差. 控制模块测试 因此，在5空分操作仿真系统中，难度最大 图2测试步骤 的是空分流程的仿真，它不仅要包括氧、氮、氩 Fig.2 Testing procedure
北 京 科 技 宝钢 娜空分的操作仿真系统具有与 ’ 空 分 完全相 同的操作画面 和相同的流程仿真计算部 件 经过实际应用证明 ， 该仿真系统可 以实现预 期的综合结果 ， 能达到预期的培训效果 ， 具有令 人满意 的仿真趋势 系统总体结构 系统功能结构 该空分装置操作仿真系统 由正常运行模式 和启动运行模式组成 ， 分别仿真空分正 常运行 时 的操作与空分启动操作 ， 包含 了大部分的故 障操作 、 连锁 开车 、 停车 、 故 障连锁 关系和报 警判定消息 ， 能对相应 的操作过程实现报警显 示 与连锁反馈 正常运行模式包括 种不 同标准运行工况 以设计工况为标准 ， 每种工况都可 以手动调 整 到其他运行工况 操作人员既可 以在这种运 行模式进行操作训练 ， 增强感性认识 ， 熟悉操作 过程 ， 也可 以进行重现故障操作 ， 比较不 同操作 方案等 启动运行模式是对空分 由常温状态启动到 正常运行状态 的操作过程 的仿真 ， 由启动演示 模式 、 启动训 练模式和 启动考核模式 个模式 组成 启动演示模式 自动演示空 分的启动及各 个状态参数的变化过程 ， 使用户熟悉空分启动 的各步骤 启动训练模式需要操作者按照提示 框的提示 内容 ， 逐步启动空分达到正常运行状 态 启动考核模式需要操作者在没有提示 的情 况下 ， 逐步启动空分达到正常运行状态 操作者 可 以查看相应启动步骤 的操作提示 该模式对 操作者的启动操作进行评判 操作人员可 以在 启动模式下逐步熟悉空分的操作启动过程 ， 并 分析每步操作的参数变化 ， 进行启动操作过程 的训 练 空分流程的仿真 宝钢 口空分采用 了以下 的先进工艺和技术 分子筛前端净化系统 上塔 、 氨塔采用 规整 填料技术 采用 规整填料技术基础上 的全精馏 制氢 利用 液柱静压力提高液氧压力和氧压机 人 口 压力 液氢采用 内升压蒸发 以 回收冷量 主 冷 、 粗氢冷凝器采用降膜式冷凝蒸发器 ， 以降低 温差 因此 ， 在 ’ 空分操作仿真系统 中 ， 难度最大 的是空分流程 的仿真 ， 它 不 仅要包括氧 、 氮 、 氢 大 学 学 报 年 第 翔 及其混合物 的物性计算 、 精馏计算 和 常规空 分 流程 的仿真计算等 个关键环节 ， 还要仿真 ’ 空分的所有新工艺与新技术 氧 、 氢 、 氮及其混合物的物性计算是空分流 程计算 的基础 ， 由于 以往空分流程计算大量运 用 图表为计算依据 ， 准确性差 ， 不能满足计算机 操作仿真的需要 ， 而且空分设备 中任何一个单 元的热力计算 ， 都要用到氧 、 氮 、 氮及其混合物 的物性数据 采用 改进的 方程作为数 学模型 的基础 精馏计算是空分流程计算中最重要 的组成 部分 ， 它涉及到氧 、 氢 、 氮及其混合物的物性计 算 、 相平衡关系及各种流程组织的影响 精馏塔 是多组分 、 多进 出料的复杂塔 ， 每一层塔板以及 精馏塔均要满足物料平衡 、 热量平衡和组分平 衡 ， 每一块理论塔板上的汽相和液相满足相平 衡 我们把设计型算法和校核型算法结合起来 ， 同时完成上 、 下塔的精馏计算 【” ， 特别需要指出 的是 毋空 分上塔为规整填料塔结构 ， 采用全精 馏制氢工艺 系统的侧试 空分流程仿真的可靠性与准确性 ， 是保证 该仿真系统可靠性与准确性 的关键 ， 而核心计 算程序与界面操作 、 显示与控制程序的完美组 合是保证仿真系统整体性能 的重要环节 ， 只有 通过不断的测试才能达到准确仿真的 目的 为此 ， 该系统经历 了 个多月 的测试工作 才最终成形 ， 不仅在空 分流程仿真准确性方面 投人了相 当的精力 ， 还对整个系统功能采取不 同方法进行测试 ， 从而保证了 系统的可靠性 换热设备测试 连锁测试 液化设备测试 膨胀设备测试 报番测试 控制设备 、 机构测试 控制模块测试 圈 侧试步 ， 血 峨比 代
VoL23 No.4 意莉葛等：空分装置操作仿真系统的研究与开发 ·367· 3软件设计 程和前辈的经验.实际操作经验的获得比较困 难.使用该仿真系统可以让操作人员反复上机 31系统软件环境及编程语言 操作实践，不仅可进行正常的操作训练（如用于 该仿真系统在中文或英文WINDOW98操 设备和装置变工况能力及运行参数和运行状况 作系统下运行；核心计算程序使用Visual Fortran 的分析)，还可以进行破坏性的试验操作并向操 5.0语言编制，界面程序使用Visual C+5.0语言 作者提供系统运行过程中可能出现的问题或现 实现. 象，从而保证决策的可靠性和安全性.将操作仿 32应用软件 真系统与现场操作进行对比后，就可以扩展该 该系统采用结构化的设计方法，各功能模 操作仿真系统的应用领域，如图3所示. 块相互独立，可移植性和可扩展性强。 ()菜单模块.存盘功能：可以保存当前的 不可重复 运行数据，只有输人正确的密码才可以副除该 现场 操作手册 操作 障分析 操作模式.动态显示功能：操作者可以自行设 应用 故障诊断 定动态显示的时间.PSA分子筛故障操作模式： 观案观看 操作预测 比较 变工况分析 可进行PSA分子筛故障时的一系列操作仿真训 事故分析 亲自操作 操作分析 练.退出功能：退出空分操作仿真系统 仿真 可重复性 系统 操作考核 (2)控制模块.控制模块是操作者的操作与 核心计算程序的桥梁，还具有报警和联锁的功 图3空分装量操作仿真暴统的应用 能.查看报警画面即可查看报警信息. Fig.3 AppHcation of air-separation equipment operation (3)输出模块.操作者的操作完成后，由核心 simulation system 计算程序进行仿真计算，计算结果通过输出模 5结束语 块按照操作者设定的动态显示时间在相应的操 作画面上进行显示， 空分装置操作仿真系统作为计算机仿真技 (4)启动过程的操作评价.根据操作者对启 术在大型空分领域的应用，取得了较好的具有 动过程的操作，该系统可以作出评价，内容包括 实用性的成果和难得的开发经验.该操作仿真 操作正确步数、操作错误步数、查看提示信息次 系统的开发采用了模块化的开发策略和内部核 数等信息，可作为启动操作的考核之用. 心程序与界面开发的完全剥离的开发技术，使 得系统的开发速度加快，调试难度降低，并具有 4系统应用领域 升级方便、可扩充性好的优点， 空分装置操作仿真系统的应用领域是非常 参考文献 广泛的，具有传统员工培训不可比拟的优点.传 】张延平.空分装置精馏过程的计算机仿真：[硕士学 统的培训方法依靠言传身教、操作手册、操作规 位论文]北京：北京科技大学，1999 Research and Development of the Simulation System for Air-separation Equipment TONG Lige,GAO Yuan,WANG Li,ZHANG Yanping,LI Huazhi) 1)Mechanical Engineering School,UST Beying,Beijing100083,China 2)Shanghai Baosteel Group Corp,Shanghai 201900,China ABSTRACT In order to improve operators'skill,USTB and Shanghai Baosteel Group Corp.cooperatively developed an operation simulation system for Baosteel's No.5 air-separation equipment.The system includes normal operation and start-up state simulation.All computer operation interfaces in real operation are included in the system and similar operation procedures can be proceeded.Module method is used and the key compu- tation program is separated from the interface control program in the system. KEY WORDS air-separation;operation;simulation;rectify
、 勺 公 童莉葛等 空分装置操作仿真系统的研究与开发 软件设计 系统软件环境及编租语官 该仿真系统在 中文或英文 … 操 作系统下运行 核心计算程序使用 巧 回 邝口 语言编制 ， 界面程序使用 劝 一 语言 实现 应用软件 该系统采用结构化的设计方法 ， 各功能模 块相互独立 ， 可移植性和 可扩展性强 菜单模块 存盘功能 可 以保存 当前的 运行数据 ， 只有输人正确 的密码才可 以删除该 操作模式 动态显示 功能 操作者可 以 自行设 定动态显示 的时间 分子筛故障操作模式 可进行 分子筛故障时的一系列操作仿真训 练 退 出功能 退 出空 分操作仿真系统 控制模块 控制模块是操作者的操作与 核心 计算程序的桥梁 ， 还具有报警和联锁 的功 能 查看报警画 面 即可查看报替信息 输出模块 操作者的操作完成后 ， 由核心 计算程序进行仿真计算 ， 计算结果通过输 出模 块按照操作者设定的动态显示时间在相应的操 作 画面上进行显示 启动过程 的操作评价 根据操作者对启 动过程的操作 ， 该系统可 以作出评价 ， 内容包括 操作正确步数 、 操作错误步数 、 查看提示信息次 数等信息 ， 可作为启动操作的考核之用 系统应用领域 空分装置操作仿真系统的应用领域是非 常 广泛的 ， 具有传统员工培训不可 比拟 的优点 传 统的培训方法依靠言传身教 、 操作手册 、 操作规 程和前辈的经验 实际操作经验的获得 比较 困 难 使用该仿真系统可 以让操作人员反 复上机 操作实践 ， 不仅可进行正常的操作训练 如用 于 设备和装置变工况能力及运行参数和运行状况 的分析 ， 还可 以进行破坏性的试验操作并 向操 作者提供系统运行过程 中可能出现的问题或现 象 ， 从而保证决策的可靠性和安全性 将操作仿 真系统与现场操作进行对 比后 ， 就可 以 扩展该 操作仿真系统 的应用领域 ， 如 图 所示 不可重复 亲 自操作 可重复性 ’ 操作考核 圈 空分袭 操作仿班系统的应用 抢 即“ 。 柱。 山明 勿 。 衅 目心 加 肠 叮时 结束语 空 分装置操作仿真系统作为计算机仿真技 术在大型 空 分领域 的应用 ， 取得 了较好的具有 实用性 的成果和难得 的开发经验 该操作仿真 系统的开发采用 了模块化的开发策略和 内部核 心 程序与界面开发 的完全剥离的开发技术 ， 使 得系统的开发速度加快 ， 调试难度降低 ， 并具有 升级方便 、 可扩充性好的优点 参 考 文 献 张延平 空分装 精馏过程的计算机仿真 【硕士学 位论文」北京 北京科技大学 ， 刃口那 ，气 口 为口刀 ， 环 刀召 ， 刀剔刀召 扮即 ， 乙了月认左几 ， 助 唱 幻明 女 肠 ， 助 姐 的比 印 ， 加川 目 沁 ， 加 ， 加垃砂 抚冷 脚丽 】叨珍 姆拍 加 ’ 心 印叮爪 址 】回 】句珍邝心 公吐 】 扰 叩 触 】侧加 加 叮 例 加 旧 翅 到触 叩 吐
