馬國(guó)光+李雅嫻

摘 要 天然氣的液化流程及其相關(guān)計(jì)算是LNG技術(shù)課程教學(xué)的重難點(diǎn)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，從理論教學(xué)、案例教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)三個(gè)方面進(jìn)行探索，不僅有效解決了教學(xué)過(guò)程中工藝流程計(jì)算復(fù)雜、教學(xué)難度大、教學(xué)效果欠佳等問(wèn)題，而且在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、豐富教學(xué)手段、增強(qiáng)教學(xué)效果、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維等方面取得顯著成績(jī)。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)仿真；LNG技術(shù)；HYSYS；理論教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）24-0041-03

Teaching Exploration of LNG Technology Course based on Com-

puter Simulation//MA Guoguang， LI Yaxian

Abstract The liquefaction process and related calculation of natural

gas are the key points in the teaching of LNG Technology. In this

paper， computer simulation technology is used to explore the three

aspects of theory teaching， case teaching and experiment teaching. Not only effective solution to the process of teaching process com-

plexity， the difficulty of teaching a large， poor teaching effective-ness， but also to improve student interest in learning， enrich the tea-ching methods， enhance the teaching effect， Stimulate students cre-ative thinking has made remarkable achievements.

Key words computer simulation； LNG Technology； HYSYS； theory

teaching

1 前言

LNG（液化天然氣）被公認(rèn)為是地球上最干凈的能源，具有汽化潛熱高、儲(chǔ)存效率高、體積僅是同質(zhì)量的天然氣的1/625而方便運(yùn)輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢(shì)[1]，被廣泛應(yīng)用于生活、工業(yè)的各個(gè)方面。自2000年以來(lái)，全球LNG需求年增長(zhǎng)均6%，明顯高于同期天然氣貿(mào)易增速的2.0%。到2020年，LNG全球貿(mào)易量預(yù)計(jì)將達(dá)到4890×108 m3[2]。隨著LNG國(guó)際貿(mào)易量的不斷上升，我國(guó)迫切需要培養(yǎng)一批高質(zhì)量的LNG技術(shù)人才。

LNG技術(shù)課程是西南石油大學(xué)為油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)本科生所開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。中國(guó)石油大學(xué)（北京）、西安石油大學(xué)、東北石油大學(xué)、重慶科技學(xué)院、長(zhǎng)江大學(xué)等17所院校均開設(shè)有LNG技術(shù)課程。該課程主要介紹LNG的特性、LNG的再汽化與冷量利用、天然氣的液化工藝原理及流程等方面的內(nèi)容。其任務(wù)是通過(guò)各教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握天然氣的液化流程、LNG再汽化等方面的基本概念、基本理論及實(shí)際應(yīng)用的知識(shí)，從而提高學(xué)生分析和解決LNG相關(guān)技術(shù)問(wèn)題的能力，使學(xué)生畢業(yè)后在相關(guān)工作崗位上能承擔(dān)天然氣液化工程項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理等工作[3]。

本課程所涉及的天然氣液化工藝流程復(fù)雜、計(jì)算困難，如何讓學(xué)生熟練掌握相應(yīng)的工藝，同時(shí)快速進(jìn)行優(yōu)化求解，是LNG技術(shù)課程在教學(xué)過(guò)程中亟待攻克的難題。

2 目前教學(xué)模式中存在的問(wèn)題

LNG技術(shù)課程教學(xué)工作主要是以教師為主體，利用粉筆和激光筆，采用講授的方式，注重理論教學(xué)，而學(xué)生始終處于被迫接受的過(guò)程。該填鴨式教學(xué)使學(xué)生失去學(xué)習(xí)的主體地位[4]。綜合分析，這種教學(xué)模式主要有兩個(gè)方面的不足和問(wèn)題。

LNG工藝流程煩瑣、計(jì)算復(fù)雜 天然氣的液化流程有多種不同的形式，根據(jù)制冷方式的不同，可分為帶膨脹機(jī)的液化流程、混合制冷劑液化流程、級(jí)聯(lián)式液化流程。以圖1所示利用天然氣分輸站差壓液化天然氣流程工藝為例[5]，該工藝包括分離單元、脫水單元、換熱單元、膨脹單元、壓縮單元，涉及設(shè)備多、工藝復(fù)雜，在模擬計(jì)算時(shí)主要遵循下面三個(gè)平衡方程。

物料平衡：

氣液平衡：

熱力平衡：

式中，Zi—組分i在進(jìn)料氣中的摩爾分?jǐn)?shù)；yi—組分i在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)；xi—組分i在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)；ki—?dú)庖浩胶獬?shù)；—組分i在進(jìn)料氣中的焓，kJ/h；—組分i在氣相中的焓，kJ/h；—組分i在液相中的

焓，kJ/h。

在對(duì)流程模擬和設(shè)備等進(jìn)行計(jì)算時(shí)，所涉及的公式本身較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用并不方便。而且平衡常數(shù)k是壓力和溫度的函數(shù)，往往需要多次循環(huán)迭代才能計(jì)算求解。龐大的計(jì)算量以及復(fù)雜的計(jì)算方法，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)流程和后期的深入研究帶來(lái)不便。

傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足 首先，LNG工藝流程中涉及許多物料平衡、氣液平衡、熱力平衡等復(fù)雜的計(jì)算。這些計(jì)算在編程過(guò)程中需要多次運(yùn)用迭代、循環(huán)、隨機(jī)等復(fù)雜語(yǔ)句，這就要求學(xué)生有較高的計(jì)算機(jī)編程能力，而部分學(xué)生的編程水準(zhǔn)達(dá)不到要求，從而導(dǎo)致實(shí)際的訓(xùn)練效果欠佳。其次，所編制的程序只能進(jìn)行某一具體的、較為簡(jiǎn)單的小型計(jì)算，而實(shí)際的LNG工藝流程則復(fù)雜得多，所編制的程序無(wú)法滿足LNG工藝流程的實(shí)際需求。

因此，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法時(shí)，學(xué)生不僅普遍感覺興趣低、難度大、理解困難，而且所學(xué)到的理論知識(shí)也難以直接用于解決實(shí)際工程問(wèn)題?，F(xiàn)針對(duì)這兩方面存在的不足和問(wèn)題，在教學(xué)中引進(jìn)計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，這對(duì)于LNG技術(shù)課程教學(xué)質(zhì)量的提高具有促進(jìn)作用。endprint

3 計(jì)算機(jī)仿真軟件的輔助教學(xué)應(yīng)用

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，人們開始利用計(jì)算機(jī)解決油氣過(guò)程中的數(shù)學(xué)問(wèn)題。目前，油氣過(guò)程模擬已成為油氣工程技術(shù)人員普遍采用的技術(shù)手段，并已經(jīng)開發(fā)出大量成熟的商業(yè)軟件，如HYSYS、PROII、Aspen Plus等，這些軟件能夠進(jìn)行油氣生產(chǎn)、氣體處理、流程設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化等模擬[6]，完全能夠用于天然氣液化流程的相關(guān)參數(shù)計(jì)算和優(yōu)化。在教學(xué)過(guò)程中，合理應(yīng)用這些工具進(jìn)行輔助教學(xué)，不僅能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以讓學(xué)生掌握這些軟件解決實(shí)際工程問(wèn)題的方法，有利于強(qiáng)化教學(xué)效果，進(jìn)而全面提升學(xué)生水平。

計(jì)算機(jī)仿真軟件在理論教學(xué)的應(yīng)用 HYSYS軟件中有4000種純組分，25 000個(gè)交互作用參數(shù)，Peng Robinson、PRSV、BKIO等30多個(gè)熱力學(xué)狀態(tài)方程，容器、換熱設(shè)備等15個(gè)單元操作類型，Molecular Weight、Molar Density、Mass Density等45個(gè)物性數(shù)據(jù)[7]，完全能夠滿足理論教學(xué)中涉及的任何組分、狀態(tài)方程及設(shè)備。且該軟件進(jìn)行物料計(jì)算和工藝流程優(yōu)化的基礎(chǔ)是物料平衡方程、氣液平衡方程、熱力平衡方程，這與本課程進(jìn)行物料計(jì)算的方法本質(zhì)上是相同的。因此，該軟件中需要設(shè)置的一些參數(shù)與本課程中需要講解的理論公式是一致的。通過(guò)將理論公式、氣體組分、設(shè)備優(yōu)化、物性特點(diǎn)以及工藝流程的講解與該軟件的應(yīng)用相結(jié)合，既可以加深學(xué)生對(duì)這些參數(shù)具體含義的理解，還可以使學(xué)生掌握這些參數(shù)在軟件中的設(shè)置方法。為學(xué)生下一步獨(dú)立設(shè)計(jì)、優(yōu)化流程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

計(jì)算機(jī)仿真軟件在案例教學(xué)中的應(yīng)用 由于HYSYS軟件可以模擬任何組分下的液化流程，因此可以利用HYSYS軟件對(duì)各種復(fù)雜的液化流程進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。在對(duì)流程熟悉的情況下，模型建立和求解可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成。而在參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中，調(diào)整某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，其他各節(jié)點(diǎn)的計(jì)算在點(diǎn)擊鼠標(biāo)的過(guò)程中就可以瞬間完成，相比于過(guò)去的手工計(jì)算和循環(huán)、迭代求解，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，使學(xué)生有更多的時(shí)間來(lái)理解、設(shè)計(jì)、優(yōu)化流程，可以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性、創(chuàng)新性思維。在加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解的同時(shí)，提高學(xué)生對(duì)各種復(fù)雜、枯燥工藝流程的興趣。

將圖1所示利用天然氣分輸站差壓液化天然氣工藝流程采用HYSYS軟件建立圖2所示計(jì)算模型。設(shè)原料氣處理壓力為8000 kPa，溫度為25 ℃，預(yù)處理后的組分見表1。該計(jì)算模型可以計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的摩爾流量、溫度、壓力、氣相焓、膨脹比、液化率、壓縮機(jī)功率等相關(guān)參數(shù)，部分計(jì)算結(jié)果見表2。還可以通過(guò)調(diào)整天然氣分輸量來(lái)影響LNG產(chǎn)量；通過(guò)改變天然氣分輸站的壓差來(lái)改變液化率，從而達(dá)到優(yōu)化工藝流程的效果。更加形象地說(shuō)明這些參數(shù)在天然氣液化流程中的作用，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解的同時(shí)，升華對(duì)案例的理解。

計(jì)算機(jī)仿真軟件在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用 LNG技術(shù)是一門與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際緊密聯(lián)系的課程。但受教學(xué)手段、教學(xué)條件、教學(xué)資源的限制，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，學(xué)生不可能將自己的設(shè)計(jì)方案應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中。本文提出將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)充分融入實(shí)踐教學(xué)中，通過(guò)搭建LNG技術(shù)課程理論與實(shí)踐相結(jié)合的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，拓展第二課堂，積極開展大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，構(gòu)建以該課程理論為基礎(chǔ)，以中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)大學(xué)生油氣儲(chǔ)運(yùn)工程設(shè)計(jì)大賽綜合訓(xùn)練等實(shí)踐課程為兩翼的特色鮮明的課程體系，將專業(yè)理論知識(shí)與科技創(chuàng)新成果有機(jī)結(jié)合。鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)、優(yōu)化流程，改進(jìn)模擬方法和設(shè)備，啟發(fā)學(xué)生的求知欲望和探索精神，為學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下牢固基礎(chǔ)。在實(shí)踐教學(xué)中，還可以進(jìn)一步融入該課程考核的理論內(nèi)容，在發(fā)散學(xué)生思維、結(jié)合具體工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的前提下，同時(shí)達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的目的。

4 結(jié)論

上述教學(xué)模式在西南石油大學(xué)最近四年的油氣儲(chǔ)運(yùn)工程本科教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐，實(shí)踐結(jié)果表明，這種教學(xué)模式可以將本課程理論教學(xué)內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合，實(shí)用性較強(qiáng)。不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了理論認(rèn)識(shí)，改善了學(xué)習(xí)效果，而且鍛煉了學(xué)生獨(dú)立思考、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生的綜合素質(zhì)和個(gè)人實(shí)踐能力更加符合招聘單位的實(shí)際需求，提升了學(xué)生的社會(huì)認(rèn)可度，為學(xué)生將來(lái)進(jìn)入工作崗位打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

隨著科技的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)取得空前的進(jìn)步。各高校教學(xué)必須跟上社會(huì)快速發(fā)展的步伐。而基于計(jì)算機(jī)仿真模擬的教學(xué)模式將越來(lái)越廣泛應(yīng)用于油氣儲(chǔ)運(yùn)工程本科教學(xué)的各個(gè)學(xué)科中，并將出現(xiàn)更加先進(jìn)、更加非凡的模式，在教學(xué)中發(fā)揮更重要的作用。對(duì)教學(xué)來(lái)講，不管是理論教學(xué)、案例教學(xué)還是實(shí)踐教學(xué)，都應(yīng)更好地利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)提高實(shí)驗(yàn)效率、改善教學(xué)環(huán)境、提升教育質(zhì)量、激發(fā)學(xué)生發(fā)散性與創(chuàng)新性思維，進(jìn)而提高學(xué)生成績(jī)，鍛煉其解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力?；谟?jì)算機(jī)仿真技術(shù)的教學(xué)是LNG技術(shù)課程乃至整個(gè)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程相關(guān)教學(xué)都必不可少的組成部分，將來(lái)也一定會(huì)在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程等專業(yè)的相關(guān)教學(xué)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

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