丁志蛟，張繼晟，鄭建榮

（華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

反應(yīng)釜作為承壓類特種設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、煉油、冶金、輕工等工業(yè)部門，由于其涉及到高壓高溫、易燃易爆、有毒氣體等，具有很大的危險(xiǎn)性。近年來(lái)由于操作失誤引起的事故越來(lái)越多，造成了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)中華人民共和國(guó)《特種設(shè)備作業(yè)人員監(jiān)督管理辦法》規(guī)定：從事特種設(shè)備作業(yè)的人員應(yīng)當(dāng)按照本辦法的規(guī)定，經(jīng)考核合格取得《特種設(shè)備作業(yè)人員證》，方可從事相應(yīng)的作業(yè)或者管理工作。因此對(duì)于反應(yīng)釜操作人員的培訓(xùn)和考核是避免事故發(fā)生的首要環(huán)節(jié)。

然而傳統(tǒng)的特種設(shè)備（包括反應(yīng)釜）培訓(xùn)考核都是紙質(zhì)或口頭，考試內(nèi)容主要是理論考試，沒(méi)有做到對(duì)學(xué)員的實(shí)際操作步驟的考核。這就造成了很多拿到作業(yè)證的人員，只具備理論知識(shí)，不具有實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，很容易引起安全事故。究其原因，主要是反應(yīng)釜等特種設(shè)備本身就具有危險(xiǎn)性，不適合新學(xué)員進(jìn)行操作學(xué)習(xí)。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文以反應(yīng)釜作為研究重點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)反應(yīng)釜的仿真培訓(xùn)考核系統(tǒng)。要做到對(duì)學(xué)員的實(shí)物考核的培訓(xùn)和考核，必然要有實(shí)物操作，因此本文重點(diǎn)之一是研究半實(shí)物仿真系統(tǒng)的構(gòu)建。本文的另一個(gè)重點(diǎn)是對(duì)反應(yīng)釜模型的研究，以達(dá)到模擬仿真的效果。

1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)的構(gòu)建

半實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要從硬件和軟件兩部分著手。硬件部分包括物理效應(yīng)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、計(jì)算機(jī)。軟件部分基于VB編程語(yǔ)言，采用面向?qū)ο蟮姆椒?，進(jìn)行模塊化編程。設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)等。

1.1 物理效應(yīng)設(shè)備

物理效應(yīng)設(shè)備是半實(shí)物仿真系統(tǒng)可操作部分，可將真實(shí)的物理量與仿真模型中的數(shù)字量相互轉(zhuǎn)換，使實(shí)物裝置能夠與計(jì)算機(jī)仿真同步進(jìn)行。本系統(tǒng)以反應(yīng)釜原始比例的模型作為物理效應(yīng)設(shè)備，主要包括各類閥門開(kāi)關(guān)、儀表顯示、攪拌電機(jī)、管路系統(tǒng)等。對(duì)其閥門開(kāi)關(guān)等進(jìn)行電信號(hào)改裝，在原來(lái)閥門的基礎(chǔ)上加裝電感式接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)手動(dòng)操作閥門時(shí)，電感式接近開(kāi)關(guān)即可輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，作為計(jì)算機(jī)的輸入信號(hào)。壓力表、液位計(jì)等儀表顯示作為模擬量輸出元件，采用自行研制的單片機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓力表指針和液位計(jì)發(fā)光二極管的顯示。

另外為了構(gòu)建逼真的仿真環(huán)境，物理效應(yīng)設(shè)備中加入音響系統(tǒng)，可模擬反應(yīng)釜運(yùn)行時(shí)的各種聲音。

1.2 數(shù)據(jù)采集和處理模塊

數(shù)據(jù)采集和處理模塊采用基于微處理器的方式，完全自主開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)接收物理效應(yīng)設(shè)備上的各類操作和傳感元件的操作信號(hào)，即輸入信號(hào)。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)將輸入經(jīng)調(diào)理轉(zhuǎn)換后，發(fā)送至上位客戶端。仿真系統(tǒng)將仿真結(jié)果送回?cái)?shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，控制對(duì)應(yīng)的結(jié)果輸出到物理效應(yīng)設(shè)備的顯示儀表上。

數(shù)據(jù)采集和處理模塊主要包括MCU芯片、開(kāi)關(guān)量輸入和輸出，模擬量的輸入（AD）和輸出（DA）。此外，增設(shè)隔離通訊模塊，與MCU采用RS422進(jìn)行通訊，隔離模塊通過(guò)USB與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通訊。

2 仿真系統(tǒng)模型

2.1 反應(yīng)釜建模分析

如圖1所示，為反應(yīng)釜模型。氣相或液相物料由進(jìn)料閥進(jìn)入反應(yīng)室，反應(yīng)生成物可能為氣相、液相或氣液相混合物，反應(yīng)性質(zhì)可能為放熱、吸熱或恒溫反應(yīng)，液相反應(yīng)生成物由出料閥排出，氣相反應(yīng)生成物由排氣閥排出。反應(yīng)釜通過(guò)夾套中冷源介質(zhì)或熱源介質(zhì)進(jìn)行溫度控制，冷卻階段，冷源一般為冷卻水，在夾套循環(huán)回路中由夾套下閥進(jìn)入夾套，由夾套上閥流出；在加熱階段，熱源一般為飽和蒸汽，在夾套循環(huán)回路中由夾套上閥進(jìn)入夾套，從夾套下閥排出。

圖1 反應(yīng)釜示意圖

為簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，做如下基本假設(shè)：1）所涉及液相為不可壓縮流體且忽略溫度影響，即密度不隨溫度、壓強(qiáng)變化；2）所涉及氣相為理想氣體，即在任何情況下都嚴(yán)格遵守氣體三定律；3）進(jìn)出料時(shí)，氣相、液相按一定比例平穩(wěn)進(jìn)入或離開(kāi)反應(yīng)室；4）理想混合流動(dòng)模型：由于強(qiáng)烈攪拌，反應(yīng)釜內(nèi)物料質(zhì)點(diǎn)返混程度為無(wú)窮大，所有控件位置物料的各種參數(shù)完全均勻一致。反應(yīng)物料以穩(wěn)定的流量進(jìn)入反應(yīng)釜，剛進(jìn)入反應(yīng)釜的新鮮物料與存留在其中的物料瞬間達(dá)到完全混合，而且出口處物料性質(zhì)與反應(yīng)釜內(nèi)完全相同；

為簡(jiǎn)化公式，下文所涉及的物質(zhì)的密度和摩爾質(zhì)量均為混合物的平均密度和平均摩爾質(zhì)量，即，單位為kg/m3，其中iρ為混合物中各組分的密度，Vi為混合物中各組分的體積；，單位為kmol，其中iχ為混合物中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)，單位為kg/kmol。

2.2 反應(yīng)釜液位模型

將反應(yīng)釜液位模型簡(jiǎn)化為圖2所示，液相由進(jìn)料/進(jìn)水閥進(jìn)入反應(yīng)室，由出料/排液閥排出。

圖2 反應(yīng)釜液位模型示意圖

忽略液相和氣相密度的變化，假設(shè)液相和氣相的平均密度分別為L(zhǎng)ρ和Gρ，反應(yīng)室的高度和橫截面積分別為H和A。設(shè)t時(shí)刻反應(yīng)室內(nèi)液位的高度為h(t)，進(jìn)料/進(jìn)水閥和出料/排液閥的質(zhì)量流量分別為WS4(t)和WS5(t)。由液相質(zhì)量衡算：考慮任意微小時(shí)間段，液相質(zhì)量的變化=進(jìn)料中液相的質(zhì)量-出料量-反應(yīng)掉的液相質(zhì)量，如式(1)所示。

將公式(2)代入式(1)可得反應(yīng)釜液位模型的遞推式：

式中，hn+1為當(dāng)前水位，m；hn為前一周期水位，m。

2.3 反應(yīng)釜內(nèi)壓力模型

假設(shè)反應(yīng)釜內(nèi)的氣相為理想氣體，其狀態(tài)方程的微分形式如式(4)所示。

式中，pG為反應(yīng)釜內(nèi)氣相的壓強(qiáng)，MPa；VG為反應(yīng)釜內(nèi)氣相的體積，m3；mG為反應(yīng)釜內(nèi)氣相的質(zhì)量，kg；TG為反應(yīng)釜內(nèi)氣相的溫度，K。

根據(jù)質(zhì)量衡算有：氣相質(zhì)量變化=進(jìn)料中氣相的質(zhì)量+反應(yīng)生成的氣相量-排氣量，其表達(dá)式如式(5)。

式中，D3(t)為排氣閥的閥門狀態(tài)，打開(kāi)時(shí)=1，關(guān)閉時(shí)=0；WS3(t)為排氣閥的質(zhì)量流量，根據(jù)需要的系統(tǒng)仿真速度，可取不同的常數(shù)，kg/s。

如圖2所示，反應(yīng)室內(nèi)氣相體積如式(6)所示。

將式(4)并轉(zhuǎn)換為微分方程形式如式(6)，代入式(5)、 式(6)并進(jìn)行離散化后的反應(yīng)釜內(nèi)壓力仿真模型的遞推式如式(8)所示。

2.4 反應(yīng)釜溫度模型

反應(yīng)釜內(nèi)的熱量是由夾套冷熱源（飽和蒸汽或冷卻水）以及反應(yīng)中的吸熱或放熱決定的，根據(jù)能量守恒定律，進(jìn)行熱量衡算：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，反應(yīng)釜內(nèi)熱量變化量=進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)流體所放出的熱量+夾套提供的熱量（或-夾套吸收的熱量）+反應(yīng)放出的熱量（或-反應(yīng)吸收的熱量），其表達(dá)式如式(9)所示。

式中，QR為反應(yīng)釜的熱負(fù)荷，kJ/s；c4為進(jìn)入反應(yīng)釜流體的比熱容，kJ(kg.℃)；Tamb,TJ,TR為環(huán)境、夾套和反應(yīng)釜的溫度，℃；U為總傳熱效率，；h為傳熱膜系數(shù)；為與批次有關(guān)的雜質(zhì)因數(shù)；AJ為夾套傳熱面積，m2；為夾套每單位溫度的熱損失速率，為一常數(shù)，kW/S.℃； Qrea(t)為為反應(yīng)放熱速率，，kJ/S； - ΔH 為反應(yīng)熱焓，kJ/mol。

夾套平均溫度TJ為夾套進(jìn)口與出口溫度的平均值，即TJ=(T1+T2)/2；反應(yīng)釜壁溫度TW為反應(yīng)釜內(nèi)溫度與夾套溫度的平均值，即TW=(TR+TJ)/2。

由于反應(yīng)的熱量是由夾套提供的，因此，夾套的出口溫度T2(t)和入口溫度T1同樣遵循能量守恒，如式(10)所示。

式中，WS1(t),WS2(t)為夾套上閥和夾套下閥的質(zhì)量流量，kg/s；cJ為夾套內(nèi)流體的比熱容，kJ/(kg.oC)；θ1為夾套與傳熱回路的時(shí)滯，S。

3 仿真系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

反應(yīng)釜仿真培訓(xùn)系統(tǒng)基于VB編程語(yǔ)言，采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎM(jìn)行模塊化編程。設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)等。

因?yàn)檫@是一套培訓(xùn)考核系統(tǒng)，軟件基本結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含如下幾個(gè)基本模塊：題庫(kù)管理模塊、培訓(xùn)模塊、考核模塊、反應(yīng)釜模型模塊、操作評(píng)分模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、硬件檢測(cè)模塊、通訊接口模塊、信息設(shè)置模塊以及輔助模塊等。根據(jù)各個(gè)模塊間的關(guān)系，軟件基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

在對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行編程后，按照觸發(fā)過(guò)程中的系統(tǒng)仿真模型，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行合成， 其程序運(yùn)行的主框圖如圖4所示。

圖3 仿真系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

圖4 程序運(yùn)行主框圖

軟件最終實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)釜培訓(xùn)考核的功能，運(yùn)行界面如圖5所示。

圖5 軟件界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是以反應(yīng)釜為模型，采用半實(shí)物仿真的方法，構(gòu)建反應(yīng)釜實(shí)物物理模型，實(shí)現(xiàn)了培訓(xùn)考核的可操作性。并通過(guò)對(duì)反應(yīng)釜模型的分析，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)釜液位、壓力和溫度的建模，達(dá)到了模擬仿真的效果。最后基于VB編程，利用模塊化的編程方法實(shí)現(xiàn)了軟件的運(yùn)行。本仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可以集培訓(xùn)和考核于一體，并給出最終操作步驟得分。在特種設(shè)備反應(yīng)釜考核中具有重要的意義，可應(yīng)用于特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院等場(chǎng)所。

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