趙雯晴

(中國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、汽油為燃料的汽車相比，以CNG(Compressed Natural Gas，縮寫為CNG)為燃料的汽車具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。我國CNG汽車保有量逐步上升，CNG加氣站數(shù)量也隨之增加，已成為我國交通系統(tǒng)的重要組成部分【1-2】。CNG加氣站作為組成終端燃氣的一部分，屬于高危設備，其安全穩(wěn)定運行受到高度重視【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，由加氣機給汽車儲氣瓶充裝CNG的場所【5】。ASPEN HYSYS動態(tài)模擬能夠準確、快速、直觀地分析研究系統(tǒng)各參數(shù)隨時間的變化【6】。本文運用HYSYS軟件，建立CNG常規(guī)加氣站的動態(tài)模型，為加氣站的穩(wěn)定運行、優(yōu)化節(jié)能提供參考依據(jù)和模擬操作平臺【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)壓計量裝置、脫硫裝置、脫水裝置、壓縮機、程序控制盤、儲氣設施、CNG加氣機及工藝管路等設備；控制系統(tǒng)包含CNG站級SCADA系統(tǒng)、CNG站級銷售管理系統(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，物性方法選擇Peng-Robinson。模型搭建過程中通用模型簡化方法如下：

1) 熱量損失模擬為一個傳熱系數(shù)；

2) 管道阻力壓力降模擬為虛擬閥門，符合運行中的壓降(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 主要設備數(shù)據(jù)

CNG常規(guī)加氣站主要設備數(shù)據(jù)如表2所示。

2.3 關鍵設備動態(tài)建模方法

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

本小節(jié)詳細介紹其中較復雜的流量計、脫水裝置、壓縮機及汽車CNG儲氣瓶等設備的建模方法。

表2 主要設備數(shù)據(jù)

2.3.1 流量計

流量計建模需要采用HYSYS的3個模塊，包括PID Controller、Spreadsheet和Selector Block。設計原理為：

Qn+1=Qn+DiΔt

式中：Qn+1——第n+1步的累計流量， m3；

Qn——第n步的累計流量, m3；

Di——當前瞬時流量, m3/h；

Δt——計算步長。

流量計模型如圖2所示。利用Selector Block(FQI_Temp)作為第n步累計流量的暫存器存儲上一個計算周期的累計流量，并以此為基礎計算當前計算周期的累計流量。

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

B2為瞬時流量FT501的輸出值；

B3為計算步長；

B4為Reset按鈕，當其為1時不進行累計計算，為0時才開始進行累計流量計算；

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

圖2 流量計概覽

圖3 流量計計算方案

D3為暫存器FQI_Temp的輸出值，將暫存器的值送回Spreadsheet中并作為下一步長的計算基礎；

D4為當前計算周期的總累計流量，計算公式為“=@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2臺，1臺進行脫水作業(yè)，1臺進行干燥再生)、壓縮機、加熱器、冷卻器、氣液分離器組成，模型見圖4。

圖4 脫水裝置概覽

1) 干燥塔

干燥塔(模型見圖5)建模采用HYSYS的2個模塊，包括Valve及Separator。通過設置虛擬閥的Cv值，調(diào)整其流動阻力特性來模擬壓降，如圖6所示。

圖5 干燥塔(分A和B兩個干燥塔)

圖6 干燥塔的容積設定

天然氣中不含水，在Spreadsheet中虛擬引入水來計算干燥塔中吸收水分的累計量。干燥塔吸收水量設計原理為：

Qn+1=Qn+CMCTΔt

CM=Fi×k

式中：Qn+1——第n+1步的水分累計量(體積量)，%；

Qn——第n步的水分累計量(體積量)，%；

CM——單位時間內(nèi)水分累計的流量因子；

CT——單位時間內(nèi)水分累計的溫度因子；

Δt——計算步長，s；

Fi——當前瞬時標準體積流量(標準狀態(tài))，m3/s；

k——當前物流中的水分含量(體積分數(shù))，%；

T——當前物流的溫度，℃。

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

圖8給出了干燥塔水分累計量計算的具體設定方法，其中：

B2為當前標準體積流量值；

B3為模型計算步長；

B4為Reset按鈕，當其為1時不進行累計計算，為0時才開始進行累計流量計算；

B6為假定當前物流中水分的體積分數(shù)；

B7為當前物流的溫度；

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

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

D2為計算當前計算周期內(nèi)的瞬時累計水分量，計算公式為“=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中并作為下一步長的計算基礎；

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

圖7 干燥塔水分累計控制概覽

圖8 水分累計量計算的具體設定

2) 壓縮機

壓縮機轉(zhuǎn)速控制邏輯(見圖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模塊控制實現(xiàn)。

圖9 壓縮機概覽

圖10為壓縮機啟動控制設定。圖10(a)中Digital Pt操作PB_Compressor為控制壓縮機啟動的開關，Selector Block操作OS-1用來連接PB_Compressor和傳函TRF-1。圖10(b)中傳函TRF-1用來設置壓縮機全額轉(zhuǎn)速，Rate Limiter作用是控制壓縮機轉(zhuǎn)速增長速度，此處設置為0.5 min 壓縮機啟動完成，轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速。

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

圖10 壓縮機啟動控制設定

圖11 壓縮機轉(zhuǎn)速及性能曲線設定

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)組成加熱器的開關及能耗控制邏輯(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控制實現(xiàn)。Digital Pt操作PB_Heater為控制換熱器啟動的開關，Selector Block操作OS-2用來連接PB_Heater和傳函TRF-2，傳函TRF-2中的系數(shù)用來設置換熱器的能耗。

4) 冷卻器

冷卻器采用Heat Exchanger模塊，需要設置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 往復式壓縮機

往復式壓縮機采用Compressor-Reciprocating模塊(如圖13所示)，計算原理為如實輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)及物流參數(shù)。通過改變、調(diào)整參數(shù)去擬合目標參數(shù)，其中各類參數(shù)分別包括：

圖13 往復式壓縮機概覽

1) 結(jié)構(gòu)參數(shù)——氣缸類型、氣缸直徑、沖程長度、活塞桿直徑、容積效率損失、壓縮機速率；

2) 物流參數(shù)——進口溫度、進口壓力、出口壓力；

3) 目標參數(shù)——出口溫度及設計流量；

4) 調(diào)整參數(shù)——空隙率及壓縮機效率。

2.3.4 汽車CNG儲氣瓶

汽車CNG儲氣瓶采用Separator、Valve、Pipe Segment、Digital Point和Selector Block模塊(如圖14所示)，計算原理為：

1) 將實際汽車氣瓶容積輸入模型中模擬汽車氣瓶；

2) 通過流入一股設定好溫度和壓力的初始物流對汽車氣瓶進行初始化；

3) 通過輪換打開A/B兩個氣瓶模擬汽車切換操作并滿足汽車氣瓶初始化的時間要求。

圖14 CNG汽車氣瓶模擬概覽

圖15給出了汽車CNG儲氣瓶切換的具體設定方法，其中：

圖15 汽車CNG儲氣瓶切換設定

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

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

B4為汽車切換判斷暫存器，用來暫存上一個操作是給哪輛車充氣(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度；

D3為CarA的氣瓶初始化出口閥開度；

D4為CarA的氣瓶與加氣槍連接口開度；

E2為CarB的氣瓶初始化入口閥開度；

E3為CarB的氣瓶初始化出口閥開度；

E4為CarB的氣瓶與加氣槍連接口開度。

2.4 典型工況動態(tài)建模

2.4.1 氣瓶充氣

氣瓶充氣工況邏輯是模擬加氣機給汽車氣瓶加氣的過程，主要過程為：汽車加氣時，加氣機首先從低壓儲氣設施取氣，取氣過程中檢測加氣的流量和壓力，如果低壓儲氣設施的壓力可以使汽車氣瓶的壓力達到20 MPa，則加氣機按照低壓、中壓、高壓切換一次即完成充氣。如果低壓儲氣設施的壓力不足以使汽車氣瓶的壓力達到20 MPa，當加氣流量<2 kg/min時，加氣機切換到中壓儲氣設施加氣，若中壓儲氣設施的壓力可以使汽車氣瓶的壓力達到20 MPa，則加氣機再按照中壓、高壓切換一次即完成充氣；若中壓儲氣設施的壓力也不足以使汽車氣瓶的壓力達到20 MPa，如果加氣的流量<2 kg/min，則加氣機切換到高壓儲氣設施加氣，同時檢測管線的壓力和流量，當壓力達到20 MPa或流量>2 kg/min時，加氣機停機，若流量<2 kg/min且壓力未達到20 MPa，加氣機也停機。

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

2.4.2 壓縮機充氣

壓縮機充氣工況是模擬當儲氣設施或充氣管線的某一個壓力小于其設定壓力時，壓縮機開啟向儲氣設施充氣或通過加氣機直接向汽車氣瓶充氣的過程。加氣站內(nèi)通過順序控制盤實現(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。其主要過程為：當檢測到任何一路的壓力低于設定值時，壓縮機均會啟動。壓縮機啟動后，會首先給檢測到壓力低于設定值的那一路管線充氣，這一路管線的壓力達到壓縮機的停機值時，順序檢測直充、高壓、中壓、低壓的壓力，若這幾路的壓力低于停機值壓力，則壓縮機會按照直充、高壓、中壓、低壓的順序依次給這幾路充氣，然后再按照這個順序檢測一遍；當這幾路的壓力均高于停機值時，壓縮機停機。當車輛集中加氣時，加氣機的高壓管線需要的氣量很大，導致順序盤直充管線的壓力始終不能達到停機值，這樣壓縮機會維持直充管線加氣，保證一直是大排量、高壓力輸出。

圖16 HYSYS加氣機邏輯

在HYSYS中，以上邏輯通過Event Scheduler實現(xiàn)，具體實現(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行、天然氣脫水過程中，當氣體的水露點高于某值時，在2組不同的干燥塔之間進行切換并進行干燥塔再生的過程。主要過程為：如果氣體的水露點高于-55 ℃，干燥塔需要切換至干燥塔B，同時干燥塔A進入再生流程。

在HYSYS中，以上邏輯及其補充邏輯通過Event Scheduler實現(xiàn)，具體實現(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)場實際數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗數(shù)據(jù)，建立了CNG常規(guī)加氣站HYSYS全流程模型，可作為同類CNG常規(guī)站項目流程模擬的計算基礎和優(yōu)化平臺。該平臺僅通過修改基礎輸入數(shù)據(jù)和調(diào)整關鍵參數(shù)就能很快完成整站的計算，既能比較準確地模擬各個設備的運行工況，又可用來優(yōu)化操作條件，對生產(chǎn)操作進行實際的指導。