趙雯晴

(中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266100)

與傳統(tǒng)的以柴油、汽油為燃料的汽車(chē)相比，以CNG(Compressed Natural Gas，縮寫(xiě)為CNG)為燃料的汽車(chē)具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。我國(guó)CNG汽車(chē)保有量逐步上升，CNG加氣站數(shù)量也隨之增加，已成為我國(guó)交通系統(tǒng)的重要組成部分【1-2】。CNG加氣站作為組成終端燃?xì)獾囊徊糠?，屬于高危設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行受到高度重視【3-4】。CNG常規(guī)加氣站是從站外天然氣管道取氣，經(jīng)工藝處理并增壓后，由加氣機(jī)給汽車(chē)儲(chǔ)氣瓶充裝CNG的場(chǎng)所【5】。ASPEN HYSYS動(dòng)態(tài)模擬能夠準(zhǔn)確、快速、直觀地分析研究系統(tǒng)各參數(shù)隨時(shí)間的變化【6】。本文運(yùn)用HYSYS軟件，建立CNG常規(guī)加氣站的動(dòng)態(tài)模型，為加氣站的穩(wěn)定運(yùn)行、優(yōu)化節(jié)能提供參考依據(jù)和模擬操作平臺(tái)【7】。

1 CNG常規(guī)加氣站工藝流程

CNG常規(guī)加氣站內(nèi)通常包含調(diào)壓計(jì)量裝置、脫硫裝置、脫水裝置、壓縮機(jī)、程序控制盤(pán)、儲(chǔ)氣設(shè)施、CNG加氣機(jī)及工藝管路等設(shè)備；控制系統(tǒng)包含CNG站級(jí)SCADA系統(tǒng)、CNG站級(jí)銷(xiāo)售管理系統(tǒng)等【8-9】。CNG常規(guī)加氣站工藝流程如圖1所示。

圖1 CNG常規(guī)加氣站工藝流程示意

2 加氣站建模

2.1 模型的搭建

CNG常規(guī)加氣站建模時(shí)，物性方法選擇Peng-Robinson。模型搭建過(guò)程中通用模型簡(jiǎn)化方法如下：

1) 熱量損失模擬為一個(gè)傳熱系數(shù)；

2) 管道阻力壓力降模擬為虛擬閥門(mén)，符合運(yùn)行中的壓降(DP)分布曲線；

3) 管道體積模擬為虛擬罐；

4) 脫硫塔簡(jiǎn)化模擬其壓降。

2.2 建模參數(shù)

2.2.1 邊界條件

CNG常規(guī)加氣站動(dòng)態(tài)建模中涉及入口邊界和出口邊界，如表1所示。

表1 CNG常規(guī)加氣站模型邊界

2.2.2 主要設(shè)備數(shù)據(jù)

CNG常規(guī)加氣站主要設(shè)備數(shù)據(jù)如表2所示。

2.3 關(guān)鍵設(shè)備動(dòng)態(tài)建模方法

CNG常規(guī)加氣站建模過(guò)程中，涉及到的設(shè)備有壓縮機(jī)、脫硫塔、調(diào)壓計(jì)量裝置、脫水裝置、加熱器、儲(chǔ)氣瓶組、管道、閥門(mén)、安全閥等，其中管道、閥門(mén)、安全閥、儲(chǔ)氣瓶組等設(shè)備分別采用軟件中的Pipe Segment、Valve、Relief Valve、Separator等模塊進(jìn)行計(jì)算。

本小節(jié)詳細(xì)介紹其中較復(fù)雜的流量計(jì)、脫水裝置、壓縮機(jī)及汽車(chē)CNG儲(chǔ)氣瓶等設(shè)備的建模方法。

表2 主要設(shè)備數(shù)據(jù)

2.3.1 流量計(jì)

流量計(jì)建模需要采用HYSYS的3個(gè)模塊，包括PID Controller、Spreadsheet和Selector Block。設(shè)計(jì)原理為：

Qn+1=Qn+DiΔt

式中：Qn+1——第n+1步的累計(jì)流量， m3；

Qn——第n步的累計(jì)流量, m3；

Di——當(dāng)前瞬時(shí)流量, m3/h；

Δt——計(jì)算步長(zhǎng)。

流量計(jì)模型如圖2所示。利用Selector Block(FQI_Temp)作為第n步累計(jì)流量的暫存器存儲(chǔ)上一個(gè)計(jì)算周期的累計(jì)流量，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算當(dāng)前計(jì)算周期的累計(jì)流量。

圖3給出了采用Spreadsheet(SPT_FQI501)的流量計(jì)計(jì)算方案，其中：

B2為瞬時(shí)流量FT501的輸出值；

B3為計(jì)算步長(zhǎng)；

B4為Reset按鈕，當(dāng)其為1時(shí)不進(jìn)行累計(jì)計(jì)算，為0時(shí)才開(kāi)始進(jìn)行累計(jì)流量計(jì)算；

D2為本計(jì)算周期內(nèi)的瞬積流量，計(jì)算公式為“=B2/3600×B3”；

圖2 流量計(jì)概覽

圖3 流量計(jì)計(jì)算方案

D3為暫存器FQI_Temp的輸出值，將暫存器的值送回Spreadsheet中并作為下一步長(zhǎng)的計(jì)算基礎(chǔ)；

D4為當(dāng)前計(jì)算周期的總累計(jì)流量，計(jì)算公式為“=@IF(B4>0.5,0,D3+D2) ”。

2.3.2 脫水裝置

脫水裝置主要由干燥塔(設(shè)2臺(tái)，1臺(tái)進(jìn)行脫水作業(yè)，1臺(tái)進(jìn)行干燥再生)、壓縮機(jī)、加熱器、冷卻器、氣液分離器組成，模型見(jiàn)圖4。

圖4 脫水裝置概覽

1) 干燥塔

干燥塔(模型見(jiàn)圖5)建模采用HYSYS的2個(gè)模塊，包括Valve及Separator。通過(guò)設(shè)置虛擬閥的Cv值，調(diào)整其流動(dòng)阻力特性來(lái)模擬壓降，如圖6所示。

圖5 干燥塔(分A和B兩個(gè)干燥塔)

圖6 干燥塔的容積設(shè)定

天然氣中不含水，在Spreadsheet中虛擬引入水來(lái)計(jì)算干燥塔中吸收水分的累計(jì)量。干燥塔吸收水量設(shè)計(jì)原理為：

Qn+1=Qn+CMCTΔt

CM=Fi×k

式中：Qn+1——第n+1步的水分累計(jì)量(體積量)，%；

Qn——第n步的水分累計(jì)量(體積量)，%；

CM——單位時(shí)間內(nèi)水分累計(jì)的流量因子；

CT——單位時(shí)間內(nèi)水分累計(jì)的溫度因子；

Δt——計(jì)算步長(zhǎng)，s；

Fi——當(dāng)前瞬時(shí)標(biāo)準(zhǔn)體積流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，m3/s；

k——當(dāng)前物流中的水分含量(體積分?jǐn)?shù))，%；

T——當(dāng)前物流的溫度，℃。

干燥塔吸收水分累計(jì)量模型如圖7所示，控制方法為：由Spreadsheet(SPT_AQI001A)、Selector Block(AQI_TempA)和PID Controller(AQI001A)組成水分累計(jì)控制系統(tǒng)(以干燥塔A為例)。Spreadsheet(SPT_AQI001A)中導(dǎo)入了水分累計(jì)計(jì)算中需要的輸入變量，根據(jù)上述的水分累計(jì)計(jì)算公式，計(jì)算出水分累計(jì)量等參數(shù)并輸出。利用Selector Block作為第n步累計(jì)水分量的暫存器，存儲(chǔ)上一個(gè)計(jì)算周期的累計(jì)水分量，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算當(dāng)前計(jì)算周期的累計(jì)水分量。PID Controller則顯示了第n步累計(jì)水分量的值，方便查看及引用。

圖8給出了干燥塔水分累計(jì)量計(jì)算的具體設(shè)定方法，其中：

B2為當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)體積流量值；

B3為模型計(jì)算步長(zhǎng)；

B4為Reset按鈕，當(dāng)其為1時(shí)不進(jìn)行累計(jì)計(jì)算，為0時(shí)才開(kāi)始進(jìn)行累計(jì)流量計(jì)算；

B6為假定當(dāng)前物流中水分的體積分?jǐn)?shù)；

B7為當(dāng)前物流的溫度；

B8為單位時(shí)間內(nèi)水分累計(jì)流量因子，計(jì)算公式為“=ABS(B2×B6×0.01)”；

B9為單位時(shí)間內(nèi)水分累計(jì)溫度因子，計(jì)算公式為“=IF(B7<100,2.4×(-1/75) ×(B7-100),(3.95×(-1/120) ×(B7-100)))”；

D2為計(jì)算當(dāng)前計(jì)算周期內(nèi)的瞬時(shí)累計(jì)水分量，計(jì)算公式為“=B8×B9/3 600×B3”；

D3為暫存器FQI_Temp的輸出值，其作用是將暫存器的值送回Spreadsheet中并作為下一步長(zhǎng)的計(jì)算基礎(chǔ)；

D4為計(jì)算當(dāng)前計(jì)算周期的總累計(jì)流量，計(jì)算公式為“=IF(B4>0.5,0,@IF((D3+D2) <=0,0,D3+D2)) ”。

圖7 干燥塔水分累計(jì)控制概覽

圖8 水分累計(jì)量計(jì)算的具體設(shè)定

2) 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制邏輯(見(jiàn)圖9)由Digital(PB_Compressor)、Selector Block(OS-1)和Transfer Function Block(TRF-1)組成，其中Digital的輸出值在0和1之間切換，由下述2.4.3節(jié)中干燥塔的Event Scheduler模塊控制實(shí)現(xiàn)。

圖9 壓縮機(jī)概覽

圖10為壓縮機(jī)啟動(dòng)控制設(shè)定。圖10(a)中Digital Pt操作PB_Compressor為控制壓縮機(jī)啟動(dòng)的開(kāi)關(guān)，Selector Block操作OS-1用來(lái)連接PB_Compressor和傳函TRF-1。圖10(b)中傳函TRF-1用來(lái)設(shè)置壓縮機(jī)全額轉(zhuǎn)速，Rate Limiter作用是控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)速度，此處設(shè)置為0.5 min 壓縮機(jī)啟動(dòng)完成，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。

壓縮機(jī)設(shè)置主要包含2部分，即轉(zhuǎn)速和性能曲線，其設(shè)定如圖11所示。

圖10 壓縮機(jī)啟動(dòng)控制設(shè)定

圖11 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及性能曲線設(shè)定

3) 加熱器

加熱器采用Heater模塊，由Digital Pt(PB_Heater)、Selector Block(OS-2)和Transfer Function Block(TRF-2)組成加熱器的開(kāi)關(guān)及能耗控制邏輯(如圖12所示)，其中PB_Heater的輸出值在0和1之間切換，由下述2.4.3節(jié)中干燥塔的Event Scheduler控制實(shí)現(xiàn)。Digital Pt操作PB_Heater為控制換熱器啟動(dòng)的開(kāi)關(guān)，Selector Block操作OS-2用來(lái)連接PB_Heater和傳函TRF-2，傳函TRF-2中的系數(shù)用來(lái)設(shè)置換熱器的能耗。

4) 冷卻器

冷卻器采用Heat Exchanger模塊，需要設(shè)置Cooler的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、Overall UA、壓降等，Shell壓降采用固定DP方法，而Tube壓降采用固定k的方法。

圖12 加熱器概覽

5) 氣液分離器

氣液分離器采用Separator模塊，需要設(shè)置Separator的結(jié)構(gòu)和容積參數(shù)，包括直徑、高度等。

2.3.3 往復(fù)式壓縮機(jī)

往復(fù)式壓縮機(jī)采用Compressor-Reciprocating模塊(如圖13所示)，計(jì)算原理為如實(shí)輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)及物流參數(shù)。通過(guò)改變、調(diào)整參數(shù)去擬合目標(biāo)參數(shù)，其中各類(lèi)參數(shù)分別包括：

圖13 往復(fù)式壓縮機(jī)概覽

1) 結(jié)構(gòu)參數(shù)——?dú)飧最?lèi)型、氣缸直徑、沖程長(zhǎng)度、活塞桿直徑、容積效率損失、壓縮機(jī)速率；

2) 物流參數(shù)——進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力、出口壓力；

3) 目標(biāo)參數(shù)——出口溫度及設(shè)計(jì)流量；

4) 調(diào)整參數(shù)——空隙率及壓縮機(jī)效率。

2.3.4 汽車(chē)CNG儲(chǔ)氣瓶

汽車(chē)CNG儲(chǔ)氣瓶采用Separator、Valve、Pipe Segment、Digital Point和Selector Block模塊(如圖14所示)，計(jì)算原理為：

1) 將實(shí)際汽車(chē)氣瓶容積輸入模型中模擬汽車(chē)氣瓶；

2) 通過(guò)流入一股設(shè)定好溫度和壓力的初始物流對(duì)汽車(chē)氣瓶進(jìn)行初始化；

3) 通過(guò)輪換打開(kāi)A/B兩個(gè)氣瓶模擬汽車(chē)切換操作并滿足汽車(chē)氣瓶初始化的時(shí)間要求。

圖14 CNG汽車(chē)氣瓶模擬概覽

圖15給出了汽車(chē)CNG儲(chǔ)氣瓶切換的具體設(shè)定方法，其中：

圖15 汽車(chē)CNG儲(chǔ)氣瓶切換設(shè)定

B2為汽車(chē)氣瓶切換按鈕Car_Switch的Output，為脈沖模式Pulse On，脈沖周期為1 s；

B3為汽車(chē)切換判斷，通過(guò)公式判斷給CarA充氣還是給CarB充氣，計(jì)算公式為“=@IF(B4>1,0,B2+B4)”；

B4為汽車(chē)切換判斷暫存器，用來(lái)暫存上一個(gè)操作是給哪輛車(chē)充氣(0為給A充氣，1為給B充氣)；

D2為CarA的氣瓶初始化入口閥開(kāi)度；

D3為CarA的氣瓶初始化出口閥開(kāi)度；

D4為CarA的氣瓶與加氣槍連接口開(kāi)度；

E2為CarB的氣瓶初始化入口閥開(kāi)度；

E3為CarB的氣瓶初始化出口閥開(kāi)度；

E4為CarB的氣瓶與加氣槍連接口開(kāi)度。

2.4 典型工況動(dòng)態(tài)建模

2.4.1 氣瓶充氣

氣瓶充氣工況邏輯是模擬加氣機(jī)給汽車(chē)氣瓶加氣的過(guò)程，主要過(guò)程為：汽車(chē)加氣時(shí)，加氣機(jī)首先從低壓儲(chǔ)氣設(shè)施取氣，取氣過(guò)程中檢測(cè)加氣的流量和壓力，如果低壓儲(chǔ)氣設(shè)施的壓力可以使汽車(chē)氣瓶的壓力達(dá)到20 MPa，則加氣機(jī)按照低壓、中壓、高壓切換一次即完成充氣。如果低壓儲(chǔ)氣設(shè)施的壓力不足以使汽車(chē)氣瓶的壓力達(dá)到20 MPa，當(dāng)加氣流量<2 kg/min時(shí)，加氣機(jī)切換到中壓儲(chǔ)氣設(shè)施加氣，若中壓儲(chǔ)氣設(shè)施的壓力可以使汽車(chē)氣瓶的壓力達(dá)到20 MPa，則加氣機(jī)再按照中壓、高壓切換一次即完成充氣；若中壓儲(chǔ)氣設(shè)施的壓力也不足以使汽車(chē)氣瓶的壓力達(dá)到20 MPa，如果加氣的流量<2 kg/min，則加氣機(jī)切換到高壓儲(chǔ)氣設(shè)施加氣，同時(shí)檢測(cè)管線的壓力和流量，當(dāng)壓力達(dá)到20 MPa或流量>2 kg/min時(shí)，加氣機(jī)停機(jī)，若流量<2 kg/min且壓力未達(dá)到20 MPa，加氣機(jī)也停機(jī)。

在HYSYS中，以上邏輯通過(guò)Event Scheduler模塊實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)邏輯如圖16所示。

2.4.2 壓縮機(jī)充氣

壓縮機(jī)充氣工況是模擬當(dāng)儲(chǔ)氣設(shè)施或充氣管線的某一個(gè)壓力小于其設(shè)定壓力時(shí)，壓縮機(jī)開(kāi)啟向儲(chǔ)氣設(shè)施充氣或通過(guò)加氣機(jī)直接向汽車(chē)氣瓶充氣的過(guò)程。加氣站內(nèi)通過(guò)順序控制盤(pán)實(shí)現(xiàn)該功能，優(yōu)先順序依次是直充優(yōu)先于高壓、高壓優(yōu)先于中壓、中壓優(yōu)先于低壓。其主要過(guò)程為：當(dāng)檢測(cè)到任何一路的壓力低于設(shè)定值時(shí)，壓縮機(jī)均會(huì)啟動(dòng)。壓縮機(jī)啟動(dòng)后，會(huì)首先給檢測(cè)到壓力低于設(shè)定值的那一路管線充氣，這一路管線的壓力達(dá)到壓縮機(jī)的停機(jī)值時(shí)，順序檢測(cè)直充、高壓、中壓、低壓的壓力，若這幾路的壓力低于停機(jī)值壓力，則壓縮機(jī)會(huì)按照直充、高壓、中壓、低壓的順序依次給這幾路充氣，然后再按照這個(gè)順序檢測(cè)一遍；當(dāng)這幾路的壓力均高于停機(jī)值時(shí)，壓縮機(jī)停機(jī)。當(dāng)車(chē)輛集中加氣時(shí)，加氣機(jī)的高壓管線需要的氣量很大，導(dǎo)致順序盤(pán)直充管線的壓力始終不能達(dá)到停機(jī)值，這樣壓縮機(jī)會(huì)維持直充管線加氣，保證一直是大排量、高壓力輸出。

圖16 HYSYS加氣機(jī)邏輯

在HYSYS中，以上邏輯通過(guò)Event Scheduler實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)邏輯如圖17所示。

2.4.3 干燥塔脫水

干燥塔脫水工況是模擬干燥塔正常運(yùn)行、天然氣脫水過(guò)程中，當(dāng)氣體的水露點(diǎn)高于某值時(shí)，在2組不同的干燥塔之間進(jìn)行切換并進(jìn)行干燥塔再生的過(guò)程。主要過(guò)程為：如果氣體的水露點(diǎn)高于-55 ℃，干燥塔需要切換至干燥塔B，同時(shí)干燥塔A進(jìn)入再生流程。

在HYSYS中，以上邏輯及其補(bǔ)充邏輯通過(guò)Event Scheduler實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)邏輯如圖18所示。

圖17 HYSYS優(yōu)先順序控制系統(tǒng)邏輯

圖18 HYSYS干燥劑脫水邏輯

3 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了CNG常規(guī)加氣站HYSYS全流程模型，可作為同類(lèi)CNG常規(guī)站項(xiàng)目流程模擬的計(jì)算基礎(chǔ)和優(yōu)化平臺(tái)。該平臺(tái)僅通過(guò)修改基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)和調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)就能很快完成整站的計(jì)算，既能比較準(zhǔn)確地模擬各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行工況，又可用來(lái)優(yōu)化操作條件，對(duì)生產(chǎn)操作進(jìn)行實(shí)際的指導(dǎo)。