3D虛擬仿真技術在“化工安全工程”實驗教學中的應用

葛秀坤　邵輝　郝永梅

摘 要：為了解決“化工安全工程”傳統實驗教學危險性大、成本高等問題，文章構建了基于3D虛擬仿真技術的“化工安全工程”實驗教學模式，并以常減壓蒸餾實驗中的典型實驗為例，闡述了3D虛擬仿真技術在“化工安全工程”實驗中的應用。

關鍵詞：3D；虛擬仿真技術；“化工安全工程”；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）05-0015-02

大多化工工藝過程涉及到易燃、易爆、有毒、有害等物質，且在高溫、高壓等極端苛刻的條件下進行?！盎ぐ踩こ獭睂嶒炦^程如果直接進行真實實驗，危險性大，破壞性強，耗材大，成本高。3D虛擬現實技術可以利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時、無限制地觀察三維空間內的事物。3D虛擬現實技術的出現為解決“化工安全工程”實驗過程的安全與經濟問題提供了有力的技術支撐[1-3]。

一、3D虛擬仿真技術應用于“化工安全工程”實驗教學的優勢

“化工安全工程”實驗教學主要基于常州大學國家級化工虛擬仿真實驗教學示范中心的3D虛擬仿真技術完成的[4]，3D虛擬仿真技術實驗結合計算機圖形學、仿真技術、人工智能技術等多種先進科技，采用具有豐富后臺數據支撐和強大仿真計算能力的化工流程模擬ASPEN PLUS軟件[5-7]。傳統的“化工安全工程”實驗教學與3D虛擬仿真技術實驗教學對比分析見表1。

二、“化工安全工程”3D虛擬仿真實驗教學的主要內容

“化工安全工程”3D虛擬仿真實驗教學主要包括兩部分內容：常減壓蒸餾實驗、甲醇合成與精制實驗。

（一）常減壓蒸餾實驗

以大慶石化一套270萬t/a常減壓裝置為原型建立3D現場，后臺仿真操作界面采用DCS控制界面，3D現場的閥門、儀表等操作與后臺DCS二維仿真實時通訊，操作者有很強的沉浸感，操作性強?？蓪崿F虛擬開停車等初態模擬，沖塔、著火、泄漏等事故處理操作[9]，具體見表2。

（二）甲醇合成與精制實驗

甲醇合成與精制實驗以煤化工產業為背景，以真實化工廠甲醇項目為基礎，選取煤制甲醇工藝中“合成氣制甲醇”及“甲醇精制”部分進行開發，可進行開停車實驗、反應塔溫度高報警等異常情況處理操作，具體見表3和表4。

三、3D虛擬仿真技術在“化工安全工程”實驗教學中的應用

本文以常減壓蒸餾實驗中的典型實驗“P108A離心泵端面呲開著火” 事故處理實驗為基礎介紹3D虛擬仿真技術在“化工安全工程”實驗中的應用。在實驗過程中學生可以分別以外操員和內操員的身份完成實驗，要求學生不僅能在生產現場應對突發狀況，也能在DCS控制室進行相應處理。整個實驗操作過程學生按照操作規程完成每一步驟電腦后臺都會記錄打分，直至完成所有步驟，否則學生就是未成功完成實驗。實驗過程如下。（1）發現P108A離心泵端面呲開著火：外操員在巡檢過程發現離心泵端面呲開著火，內操員從DCS系統界面可以看到泵出口流量顯著下降，同時塔內液面顯著上升。（2）關閉事故泵電源和出入閥：外操員發現離心泵著火后首先關閉事故泵的電源、入口閥、出口閥，內操員發現后在DCS控制系統頁面關閉事故泵的入口閥和出口閥。（3）滅火：外操員大致判斷火勢大小，如果火勢不大直接采用滅火器材現場滅火，否則應立即向班長報告。班長聽到外操員報告后應立即宣布啟動預案。使用電話，撥打119，并聯系電工對其斷電。同時告訴現場外操員，打開消防消蒸汽幕閥門，取滅火器滅火。命令另一外操員迅速關閉常二線抽出閥門和換熱器E119入口閥門。告知其他外操員打開消防通道，引導消防車進入事故現場。班長確認部署完畢，迅速用電話向調度室和車間領導匯報情況。（4）恢復生產過程：滅火完畢后，班長聯系相關單位進行維修，恢復正常生產。設備維修正常后，首先打開備用泵的泵前閥和泵后閥，然后打開備用泵入口閥進行灌泵，然后打開泵的電源開關，最后打開備用泵出口閥，各項參數恢復正常。

通過調研近幾年學生對“化工安全工程”基礎知識和技術的掌握情況以及學生對該實驗課程的反饋意見可知，基于3D虛擬仿真技術開展“化工安全工程”實驗教學，將3D生產裝置場景、任務引導系統與評價系統相結合，3D虛擬環境真實感強、無需物料、可重復利用、節能、安全、環保、節省投資。大大激發了學生的學習興趣，提高了學生的實踐動手能力、實驗設計能力和舉一反三的創新能力。

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