化工仿真技术在教学及实训中的应用.pdf
孟石++苏创
[摘 要]本文研究了将三维技术应用与化工专业教学相结合。探讨了利用三维仿真作为化工厂现场实习的补充。经过试用，结果表明，三维仿真系统能够充分调动学员积极性，培训效果取得显著提高，并为新的教学方法提供了新的平台。
[关键词]石化装置；三维模型；专业教育；现场教学；化工厂模拟
中图分类号：G712.0；G434 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）06-0231-02
1 引言
石油化工行业属于典型的连续生产过程工业，在国民经济中占有举足轻重的地位。生产过程靠严格的调节工艺操作参数实现，生产装置大多是连续作业，处理的介质具有高压、高热、易燃易爆的特性，介质在储存、运输、加工过程甚至到成为产品都要求严密的与外界隔离开。这种特点使高等院校和企业在对学生或学员进行工艺培训的过程中对现场教学这个最能给受训者带来理论与实际结合的环节非常重视。完整的化工专业培训包括两个部分即化工工艺教学和生产装置现场实习。工艺培训现在大多采用DCS仿真，能很好的模拟化工操作调节过程。现场实习就是要将理论与实际装置统一起来，对生产过程形成整体的概念。将工艺流程图与实际的生产装置结合起来并且理解不是一件容易的事情，需要在装置内对所有管线、设备逐个的去对照工艺流程，才能在头脑中形成对生产装置的概念。因此现场教学这个环节对高等院校来说风险很大，学生对生产装置没有认识，装置内管线、设备错综复杂，极易发生安全事故；对于生产企业来说很难有足够的人力和时间对新员工统一在装置现场统一培训。如何提升培训效果并且安全降低风险，是本文关注的重点。
2 化工三维仿真在化工专业教学中的应用
利用三维模拟技术开展化工厂实践教学是一种全新的探索，化工专业教学注重“理实一体化”，利用三维仿真，可以使学生在非常逼真的环境中获得对工艺流程以及化工设备的理解。
2.1 化工三维仿真教学可以增强实践教学效果
化工生产实训对培养学生的动手能力与实际生产结合紧密，有很强的工程特点。其中，化工原理单元操作的实训可在小型实训装置上开展，工艺实训通常在DCS仿真平台上开展，这两种方式的组合已经为学生将理论知识与实践相结合提供了良好的模式。但小型实训装置的体量和设计目的无法比拟真实的生产装置，DCS则是生产过程模拟工艺控制，学生在经历这两个实训环节后得到的还是对理论的认识，无法对真实生产装置有真实的认识，难以将理论和真实生产装置对应起来。
化工三维仿真技术的应用可以很好的解决这种问题。首先，化工三维仿真系统完全按照生产装置1：1建立，完全忠于真实，这就为虚拟漫游提供了可靠的依据。教师和学生一同沉浸在化工装置的三维环境中最大限度做到了模象直观，从而使得讲授过程的清晰度大幅提升，教学效果十分明显。其次化工三维仿真使得现场教学不依赖于真实生产装置，不必花大量时间在厂里，这样培训的时间就有了保证。方便组织教学，使得培训能力与效果都大幅提升。最后，化工三维仿真在计算机为运行平台，学校和企业最担心的安全问题得到了彻底的解决，三维技术能满足对装置、设备任意角度，方向的观察，比实地参观更清晰，更有自由度，同时又没有任何安全隐患。
笔者开发的聚丙烯装置三维仿真系统将聚丙烯装置的原料预处理区和反应区完全包括在内，能够实现第一人称视角的三维虚拟漫游，经过在高等院校和企业一段时间的试用，收到十分积极的回应。过去，因为在装置现场受到地形因素、现场环境的影响，视线经常被阻挡，很难完整地对逐个管道进行观察，学员熟悉工艺流程的时间往往很长，并且由于专心于跟管道而被磕碰的事时有发生。在使用三维仿真系统后，学员可以自由的在三维生产装置内漫游，视野清晰，直观。图1展示了系统的第一人称视角。教师可以带领学员在任意位置停留，做详细介绍，如图2所示。
2.2 化工三维仿真为实践教学提供了新的平台
在实践教学环节中，讲求“身临其境”、“工学结合”。请企业中有生产经验的工程师做校外导师可以使得学生获得来自生产一线的信息。但是企业导师来到学校的课堂里脱离了工作环境，只能通过PPT和视频来介绍生产装置，效果不是很明显。由于学生对实际装置没有概念，大量需要结合现场探讨的问题离开生产装置后难以与学生交流，而这恰恰是企业导师本身最大的价值所在。图3与图4反映了企业使用化工三维仿真的场景。
化工三维仿真的应用将企业真实的生产装置带到了学校的课堂里，将课堂变成生产一线，学校的教师可以以之为平台，深入开展理论教学；来自企业的导师也能够找到熟悉的工作环境，将生产中的知识通过讲授、讨论传递给学生。整个教学过程以教师为主导，以工艺流程为主线，采用在生产装置中虚拟漫游的形式展开。学生针对生产装置的任何工段，任何区域都可以和教师前往真实的“现场”，采用现场问答的方式完成教学讨论企业导师更可以带领学员在三维环境中边走边看，介绍日常的生产工作，高效而安全。
2.3 化工三维仿真在其他相关课程教学中的应用
化工专业的课程還包括化工设计，化工设备，化工仪表及自动化等课程。化工三维仿真可以提供一个真实的样板，利用三维仿真平台开展化工设计的教学也有独到的优势。教师可以结合实例，介绍化工设备布置，管道布置，主要设备内部结构展示，仪表设置，采样流程等具体的细节，使教学内容更加丰富。此外，土木工程专业也可以利用化工三维仿真系统对真实装置的框架钢结构，混凝土结构以及设备基础等内容进行参观。
3 结论
从学校与企业的使用可以总结出：通过三维仿真，学员的理论知识与生产现场得到统一，加强了学员对专业知识的理解。整个学习过程气氛活跃，易容易接受。学校和企业都可以利用计算机房就可开展装置现场教学，实践周期明显缩短，教学效果大幅提升，培训强度和密度都可以增加而成本大为减少。由于有了新的三维仿真做平台，校企合作办学可以更紧密的进行。学校提供场所、师资而企业则提供生产环境与技术专家。值得一提的是：三维仿真并不能替代学员在生产现场的实习，因为虚拟的三维环境与真实现场终究是有区别的，责任心与安全意识的培养不能完全依赖计算机技术。笔者认为在教学组织上应该先进行三维仿真实训，达到熟悉装置工艺流程与工艺管道位置后再到装置现场，进行现场实训，对照现实印证学到的知识。这样即提高了教学效果，又节约了宝贵的培训时间。
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作者简介
孟石，1983年生（男），讲师职称，工程硕士研究生，教师；研究方向为石油化工教育培训。
