LNG接收站虚拟仿真创新实验平台建设_阎凤元.pdf

-32-教学革新创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期LNG接收站虚拟仿真创新实验平台建设阎凤元，荣广新，孙恒，李兆慈（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249）摘要：液化天然气（LNG）接收站因其低温高压、介质易燃易爆，令现场教学培训困难。因此，该文提出基于典型站场工艺搭建虚拟仿真系统。首先，进行真实场景还原、流程操作模拟、设备拆装等，满足学生基本实践需求。其次，利用 AspenHYSYS 软件建立站场运行的动态模拟引擎，将工艺操作控制响应的动态模拟结果同步显示，引导学生将知识与工程实践操作结合。最后，开发了多种冷能回收利用模块，预留接口，培养学生根据需求解决复杂工程问题的思维和能力。关键词：LNG 接收站；虚拟仿真；动态工艺模拟；交互操作；冷能利用；创新实践中图分类号：TE832;G642 文献标识码：A 文章编号：2096-5206(2023)03(b)-0032-04Construction of Virtual Simulation Innovative Experimental Platform for LNG Receiving StationYAN Fengyuan,RONG Guangxin,SUN Heng,LI Zhaoci(School of Mechanical and Storage Engineering,China University of Petroleum,Beijing,102249,China)Abstract:Liquefied natural gas(LNG)receiving station is difficult to teach and train on site due to its low temperature and high pressure,inflammable and explosive media.Therefore,a virtual simulation system was built based on typical station processes.First,real scene restoration,process operation simulation,equipment disassembly and assembly were carried out to meet students basic practical requirements.Secondly,Aspen HYSYS software was used to build a dynamic simulation engine for station operation,and dynamic simulation results of process operation control response were synchronically displayed.Guided students to combine knowledge with engineering practice,finally developed a variety of cold energy recycling modules,reserved interfaces,training students to solve complex engineering problems according to the needs of the thinking and ability.Key words:LNG receiving station;Virtual simulation;Dynamic process simulation;Interactive operation;Cold energy utilization;Practice of innovation基金项目：教育部产学合作协同育人项目（XM10720210239）；中国石油大学（北京）教学改革项目（XM10720210274）。作者简介：阎凤元（1981-），女，河北唐山人，硕士，工程师，研究方向：实验室建设及管理，E-mail：。终端工艺流程，分析了外输负荷、储罐压力和压缩机功率发生扰动时工艺系统的动态特性10。为获得最接近真实情况的仿真培训效果，本系统从多个维度开发、完善相关功能，提升站场的拟真度，与商业软件结合模拟工艺背后的瞬态流动过程，让学生获得可靠的操作运行经验，扩展冷能利用方式，灵活创新平台使用方法。1系统框架LNG 接收站虚拟仿真实验平台依托中国石油大学（北京）的国家级虚拟仿真中心，主要用于油气储运专业学生仿真实训，并可用于站场操作人员培训，系统分基本功能和创新功能两部分，平台架构及逻辑关系如图 1所示，将演示和基本操作所蕴含的工作原理同时展示出来，引导学生思考在设计上如何解决问题、设计相应流程和设备，在操作上应该如何避免风险，实现安全运行。2 LNG接收站实景建模对大连、唐山以及宁波 3 个不同的 LNG 接收站进我国沿海地区液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）接收站发展迅速，培养具有扎实理论功底，并能适应 LNG 接收站设计、建设、运行需求的综合型人才，成了石油高等院校的重要任务之一1-3。LNG 接收站不仅是易燃易爆场所，低温介质及高压力设备也具有相当的危险性，高校相关专业学生开展现场实习实训十分困难4-7。开发 LNG 接收站操作仿真系统能提高培训效率，提升相关专业学生的工程素养。2015 年，刘松开发了液化天然气仿真培训系统中仿真子系统，设计了算法库、模型操作数据管理和模型数据文件三个系统8。2018 年，张卓以 VB 为开发语言，并结合数据库 SQL Server 2008，开发了 LNG 接收站运行仿真系统9。2019 年，朱建鲁利用 HYSYS 模拟了 LNG 接收-33-教学革新创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期行 1:1 全模型仿真，平面布置、设备配置、管路走向以及外观与实际场景一致，使学生产生“沉浸式”培训体验。其中唐山 LNG 接收站仿真系统如图 2 所示。通过实景模型实现站场认识、工艺流程动画演示、流程操作考核功能。在实景模型基础上，建立了与站控仿真操作的交互系统，包括卸船工艺流程、BOG 处理流程和 LNG 气化外输流程三个子系统，当平台学习人员进行操作培训时，可在实景界面或仿真站控SCADA 界面（见图 3）进行操作，二者是同步联动的，学习人员通过两个界面切换来观察学习站场设备与站控工艺流程的对应关系，从而对 LNG 全站的工艺、设备和操作有深入的站控一体化认识11。3 LNG接收站动态模拟引擎的开发通过 Aspen HYSYS 软件搭建站场全流程的动态工艺模型，学生操作时后台实时仿真模拟 LNG 接收站的工艺运行状态变化并交互到三维界面中，实现 LNG接收站的物理特性仿真，并通过软件接口与仿真平台实现交互，展示工艺动态变化过程。3.1 动态工艺模拟的理论基础3.1.1储罐的动态模型质量守恒公式：12,v2,LddVWWWt=（1）能量守恒公式：1 12,v2,v2,L2,Ld()dhVW hWhWht=（2）式中：下标 1 为进口，2 为出口；V 是储罐容积，m3；h 是流体比焓，J/kg，其中下标 V 是气相，下标 L 为液相；是液体密度，kg/m3；W 是质量流量，kg/s。3.1.2 BOG压缩机的动态模型能头计算公式：(1)/121P11(1)/nnpphnnp=（3）温度计算公式：(1)/2211nnpTTp=（4）式中：p1为进口压力，Pa；p2为出口压力，Pa；p1为压缩机入口密度，kg/m3；n 为多变系数；P为多变效率。3.1.3低温泵的动态模型能头计算公式：21pph=（5）式中：为泵的效率。3.1.4气化器的动态模型流量守恒公式：图 1 LNG 接收站虚拟仿真教学系统框架图 2 唐山 LNG 接收站模型图-34-教学革新创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期()121VWCpp=（6）能量守恒公式：()()212ddVhW hhQt+=（7）式中：CV为流通系数；Q 为气化器换热量，J/s。3.1.5节流阀的动态模型()V121WC kpp=（8）式中：k 为阀门开度。3.2 仿真平台与 HYSYS 动态模拟的联接仿真平台的功能模块主要通过 VB（6.0 版本）连接 HYSYS 进行后台的实时计算，在开发过程中，功能模块通过在 VB 菜单栏中的“工程”选择“引用”，在弹出的对话框中选择 HYSYS 11 Type Library，即可实现HYSYS 软件与仿真平台的连接与交互。3.3 工艺流程的动态模拟以及交互操作平台通过 HYSYS 软件的接口交互技术，实现工艺模拟、仿真运行以及操作的实时交互，并将典型工艺流程的操作动态响应曲线同步到软件界面中。以卸船工艺流程为例，首先调用 HYSYS 软件搭建的卸船流程动态模型，学习人员在实景界面或站控界面进行卸船操作后，仿真平台产生相应的工况参数，并通过软件接口传递给 HYSYS 软件，开始启动对卸船工艺的动态模拟，计算出各参数的动态响应曲线，其中卸船开始时储罐液位的变化趋势以及卸船结束时进口流量变化的动态响应曲线如图 4 和图 5 所示，可在虚拟仿真平台的操控界面同时显示，并可以实时修改操控界面中相应仪表的显示数据，重新模拟计算。学习人员可以观察卸船工艺中各节点工艺参数的变化，从而对 LNG 站的操作特性有充分了解和深入分析，并掌握相应操作的要点。4 LNG接收站冷能利用模块LNG 本身携带大量的冷能，每千克 LNG 气化能释放出约 830kJ 的冷能，而且 LNG 温度很低，因而冷能品质很高12。回收利用 LNG 冷能可以有效节能降耗，减少天然气使用成本，具有可观的经济效益和社会效益，这在“双碳”背景下得到了高度重视13。此前 LNG 冷能利用的方式主要是用于空分14-15，但不同的 LNG 站情况不同，所适用的冷能利用方式也不一样。为了实现所有 LNG 站冷能的充分利用，就需要发展多样化的冷能利用方式，因此在 LNG 站虚拟仿真平台中进行“冷能”拓展，建立了空分、轻烃分离和联合氢液化三种冷能利用仿真模块，并可以分别与大连、唐山和宁波 LNG 站的冷能输出接口进行对接，使学生掌握多样化的冷能利用方式，学习不同冷能利用的原理图 3 工艺流程站场控制操作界面图 4 卸船开始时的动态响应曲线-35-教学革新创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期和工艺流程。图 6 是 LNG 冷能利用联合液化氢气的站控操作界面。针对 LNG 接收站冷能利用工艺，应用HYSYS 对其运行和操作特性进行动态模拟，观察冷能利用过程中的流量、效率相关曲线，使能量量化对比，促进学生树立节约能源的环保意识，掌握冷能利用单元的各项操作。5结语LNG接收站虚拟仿真创新实验平台通过搭建大连、唐山和宁波 LNG 接收站的三维实景模型，提升学生学习兴趣，强化了学生对站场布局和设备的认知分析能力，为学生学习站场工艺控制、设备操作提供了形象的虚拟现实场地。引入仿真计算软件，实时计算动态响应曲线，使学生深入理解 LNG 站的运行和操作特性，提升了学生分析复杂工程问题的能力。“双碳”背景下新增多种形式的冷能利用模块，拓宽了学生知识面，激发了学生创新动力，提升了学生多路径解决复杂工程问题的思维能力。该仿真系统已成为专业教学的重要组成部分，有效提升了教学质量，丰富了液化天然气技术等课程的教学内容，在实践教学中受到学生的一致好评。参考文献1 李传,王振波,刘欣梅,等.石油化工与装备国家级虚拟仿真实验教学中心的构建与实践 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