管输实训平台实验改进探索与研究_秦菲.pdf

2023 年 第 2 期 化学工程与装备 2023 年 2 月 Chemical Engineering&Equipment 293 管输实训平台实验改进探索与研究管输实训平台实验改进探索与研究9 9 秦 菲，李洪言，孟凡荣，赵子蒙（山东石油化工学院油气工程学院，山东 东营 257000）摘 要：摘 要：通过对管输实训装置的改进，组建数据采集系统，并利用 MCGS 组态软件设计流程动态画面，可实现实时数据显示和存储等功能，克服单独记录数据及读取数据误差大等问题；并选取一组实验方案为例，求解实验工作点和理论工作点，对实验数据进行误差分析，验证实验装置的可靠性；最后对管输实训装置提出几点意见和建议。通过研究，可有效提高管输实训的实验效果。关键词：关键词：管输实训；数据采集;实验方案；误差分析 基金项目：基金项目：中国石油大学胜利学院教学研究项目，项目编号：JGYB201902 前 言 前 言 管输实训平台是模拟长输管道运行的一套综合性实验装置，可以实现管道泵站正常启动工作方案设计与实操、泵的工作特性、管路和泵的特性曲线的测定、异常工况1及事故分析处理等实训项目的操作，有利于加深对 输油管道设计与管理 课程理论的理解。但在实验过程中管输实训平台存在如下问题：流量计、压力表精度低，读数不准确，且每次实验数据需要单独记录，误差大；管径小，设定压力不能过大，装置密封性差，容易出现泄漏；储罐、流量计等处生锈严重，铁锈沉淀与水混合进入管道，流量计前未安装过滤器，易堵塞流量计，使实验数据误差大等问题。由于管输实验平台存在上述问题，使得管输实验效果不理想。本文组建数据采集系统，利用MCGS组态软件设计在线工作流程动画，实现显示和实时数据采集，并以一组实验为例，分析实验工作点和理论工作点，对实验数据进行误差分析，以减少实验误差。1 管输实训平台实验装置 1 管输实训平台实验装置 管输实训平台装置为不锈钢设备框架，整体结构紧凑，操作简单，运行体积小，框架底部带滑轮和禁锢脚，移动方便，总占地约50009003000mm。实验装置主要由2个油品储罐；输送管线，其钢管内径22mm，管道全长50m左右；3座输油泵站，即首站1座1#，中间泵站1座2#，末站1座3#，分上中下三层布置，每座泵站配有两台离心泵，可通过调速改变泵的特性，调节流量，全线采用密闭输送方式；在首站和中间站之间设置控制阀，可实现模拟管路泄漏工况；在末站和终点储罐之间设置清管器收发装置、翻越点操作流程，可通过透明有机玻璃观察实验现象；管路上配有压力表、流量计等仪表2。2 数据采集系统 2 数据采集系统 数据采集系统是通过传感器将管道流量、压力、温度等远程信号量值转换成数字量之后，通过计算机进行存储、计算、输出3-8。数据采集系统由变送器、PLC、高速数据采集卡、主机、控制柜组成，数据采集系统框图如下图4所示。管道全线布置1个PLC输入输出模块，所需测量的压力、温度和流量分别由10个压力传感器、3个温度传感器和3个流量传感器（分别设置在1#、2#、3#泵站出口）模拟信号输出。如图2，总计输入模拟信号16路，输出信号3路，数字量输入/输出6路。总控机PC作为数据采集系统，各站1#泵采用变频控制，泵站的启动既可以通过控制台就地控制，也可以实现远程控制。图1 数据采集系统框图 图1 数据采集系统框图 3 软件系统设计 3 软件系统设计 运用MCGS组态软件系统设计在线工作流程动画，实施监控并控制管道的流量和压力9-10。该软件集数据实时显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、数据与曲线、数据存储等功能，以便更快捷的读取实验数据和进行各工况的演示。4 实验原理及实验项目 4 实验原理及实验项目 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.001294 秦 菲：管输实训平台实验改进探索与研究 在密闭等温输送管输平台中，泵站和管道组成了一个统一的水力系统3-5，管道所消耗的能量（包括摩阻损失、高程差、站内局部摩阻和终点余压）等于首站进站压力与泵站所提供的能量之和，二者必然保持能量供需的平衡关系。全线的能量供需平衡关系式如下：221()mmsjszHn ABQfLQnhZH+=+（公式1）式中：Q全线工作流量，m3/s；n全线运行的泵站数；A、B、m泵站特性方程系数；f单位流量的水力坡降，（m3/s）m-2；Hs1管道首站进站压头，m液柱；Hsz管道终点剩余压头，m液柱；L管道总长度，m；Z管道终点与起点高程差，m；hj每个泵站的站内损失，m液柱。m-5mdf=（公式2）式中：与输油管道流动状态有关的系数，s/；d输油管道的，m；输送流体的运动粘度/s；m与输油管道流动有关的常数，无量纲。f单位流量的水力坡降。根据上述能量平衡方程式，可以求出管道的输量Q及各个站进、出站压力，分析当发生事故工况时各运行参数的变化趋势。依据本实验装置可实现油品储罐参数监控、特性曲线测定、异常工况及事故分析处理、收发清管器、翻越点设计及等温输油管道全线运行调度综合实训等。5 实验方案示例 5 实验方案示例 选取3个泵站各开一台泵的实验方案，以管输实训平台为基础进行实验操作11，记录数据并利用图解法求管泵系统工作点。按照实验方案预设的流量值依次改变流量，利用MCGS软件记录数据如图3所示。图 2 MCGS流程记录界面 图 2 MCGS流程记录界面 依据实验数据和泵特性，利用图解法求出管路和泵站配合工作的工作点，如图4所示。图3 工作点确定 图3 工作点确定 在选取的0.22m3/h的流量范围内管路和泵的特性曲线交于一点，泵的特性曲线随着流量的增加扬程逐渐减小，管路的特性曲线随着流量的增加扬程逐渐变大。由图可知，工作点为（1.9m3/h，22.6m）。表1 计算雷诺数确定流区 表1 计算雷诺数确定流区 流量 m3/h 0.2 2 雷诺数 Re 3194.52（3000Re105）31945.2（3000Re105）流区 紊流水力光滑区 紊流水力光滑区 6 解析法求工作点 6 解析法求工作点 解析法是利用数学方法来解决问题的方法，用数学计算的方式求得装置的工作点4。首先取流量为0.22m3/h的范围进行计算。计算雷诺数确定流区得表1。可见，流量在0.22m3/h范围内，处于紊流水力光滑区：m=0.25。秦 菲：管输实训平台实验改进探索与研究 295 求泵的特性方程：由泵的特性方程m-2bq-ah=，根据最小二乘法计算：nqbham-2ii+=（公式3）()=2m2i2m-2im2iim2iiqnqqhqhnb）（公式4）式中：n计算时所取实验数据的组数，组；第i组实验数据的离心泵扬程，m；第i组实验数据的离心泵输量，m3/s；m与输油管道流动有关的常数。计算得：a=10.1；b=2106。可得泵的特性方程为。75.16q102-1.10h=由流态为紊流水力光滑区，可知=0.0246，由（公式2）得：f=58278.4。由（公式1）计算得：hfLnBm/m01.2H-Z-nh-nAQ321szm=|+=则：m13.18bq-a3Hm-2=）（可得该装置的理论工作点为（2.01m3/h，18.13m）。7 误差分析 7 误差分析 本实验中，直接或间接测量实验数据的仪器设备有流量计、压力传感器等，由此导致的系统误差不可避免。因此，通过误差分析，比较实验与理论工作点的误差。实验误差的间接不确定度为：()=+=n1i2in1i2iBBBPPPP （公式5）根据图5流程，（公式5）可简化为：()()()22BP3P+=（公式6）压力传感器及压力表具体参数见下表。表2 压力传感器与压力表参数 表2 压力传感器与压力表参数 名称 量程/MPa 精度/Fs 误差 MPa 压力传感器 B 00.6MPa 0.2%0.0012 耐震压力表 P 00.6MPa 2.5%0.015 由式（公式6）可得()MPa026.0P=。可知：计算压力误差范围为：-0.026MPa+0.026MPa。换算成扬程，误差范围为：-2.65m+2.65m。流量计及基本参数见下表。表3 流量计参数 表3 流量计参数 名称 型号 流量范围 m3/h 精度 Fs 智能涡轮流量计 LWGY-15C0.66 1%误差允许范围是1%，将数据带入不确定度公式得：hmQ/06.001.063=。可知：流量Q误差范围为：-0.06m3/h+0.06m3/h。考虑误差后，根据实验数据可得工作点的误差范围，如图9所示。图4 工作点误差分析图 图4 工作点误差分析图 分析可知由实验可得工作点流量范围为（1.742.06m3/h），工作点扬程范围为（17.3522.65m），包含理论工作点（2.01m3/h，18.13m），证实实验数据可靠。（下转第306页）（下转第306页）306 武丽琴：基于职业能力培养的“煤质分析与煤化工产品检测”课程教学策略研究 生的主体性，活化教学。比如，当前流行的教学方法有项目教学法、分层教学法、翻转课堂、四步教学法、自主学习法等。解决复杂问题的能力是当前雇主最看重的能力之一。而项目教学法是提高学生解决问题能力的有效方式。为此，我们将煤化工产品检测划分为四个大项目，18 个小项目，让学生轮流当项目负责人，项目负责人的职责是：提前熟悉项目，主导正在展开的项目，汇报项目结果。这有助于锻炼学生的合作能力与沟通表达能力。教师负责项目作业指导书的修订与注意事项的提醒，为项目负责人不能解决的问题提供帮助。3.5 选用科学合理的考核办法 传统的考核体系略显滞后，各种问题也逐渐暴露出来。第一，传统考核方式单一，偏向于理论知识的考核，对实践能力的考核不足。第二，仅重视结果的考核，而不注重学习过程的考核，对学生的成长与可持续发展有不利影响。第三，传统考核不符合个体化原则，未考核到学生的个体差异性，也未突出专业特点，对学生的成长不利。基于上述原因，在创新“煤质分析与煤化工产品检测”专业教学手段时教师需积极探索新的教学考核体系，构建一套科学、全面、合理的教学考核评价制度。要注重对学生理论知识与实操能力的考核，也要增加对学习过程的考核占比。这样才能对学生的整体学习情况作出客观、全面的评价，便于教师改进后续的教学方式，也便于学生清楚自己的进步与不足，找到学习目标，提高学习效率。4 结 语 4 结 语 综上所述，在职业教育快速发展的今天，职业院校应高度重视对学生职业能力的培养，以期提升其就业竞争力，为他们今后的职业发展奠定好基础。就“煤质分析与煤化工产品检测”这门专业课来说，教师需要围绕职业能力这一导向，并结合学生的实际情况创新教学方式与手段，重视理论与实践相结合，不断提高教学效率，让学生成长为德才兼备的技能型人才。参考文献 参考文献 1 董娟娟,方 遒,郑美琴.高职学生专业课教学中职业素养的提升路径研究J.中国包装,2021(12):77-80.2 杨艳丽,薛科创,邹静.情境教学法在 煤化工产品检验技术课程中的应用J.云南化工,2018,45(1):255-256.3 孙焕红,李霞.基于现代煤化工仿真教学工厂的煤炭气化技术课程教学改革J.化工管理,2021(36):100-102.4 苏晓云,侯侠.信息化技术对煤化工实训教学的影响J.现代职业教育,2018(20):147-147.5 孙婷婷.煤化工的教学现状和改革刍议J.科技视界,2013(22):261-263.6 杨登攀,周夏雨.高职院校专业课教学中职业素养教育存在的问题及对策J.开封教育学院学报,2013(7):203-204.（上接第 295 页）_（上接第 295 页）_ 8 结 论 8 结 论（1）数据采集系统可以使实验现象更直观、实验操作更灵活，提高实验效率。（2）通过实验工作点和理论工作点比较，验证实验装置的可靠性。（3）分析实验产生误差的原因有：测量仪表误差，如流量计前未进行过滤，导致流量计接收感应信号不精确；装置密闭性差，管道生锈导致流量计精度下降；理论计算产生的误差，主要由于管道内局部摩阻和站内摩阻不能准确计算，造成理论值和实验值有一定的偏差。参考文献 参考文献 1 董俊博,付井琦,单城浩.