曹顏玉 李想 張笑影 孟繁城 張行

基金項目：海洋石油工程股份有限公司科技創(chuàng)新研發(fā)項目“往復(fù)式天然氣壓縮機成套設(shè)備數(shù)字化交付及數(shù)字孿生建設(shè)（一期）”（E-0822P023）。

曹顏玉，李想，張笑影，等.基于HYSYS的往復(fù)式天然氣壓縮機橇數(shù)字孿生系統(tǒng)53-62

Cao Yanyu，Li Xiang，Zhang Xiaoying，et al.A digital twin system for reciprocating natural gas compressor package based on HYSYS mechanism model53-62

針對海上平臺電驅(qū)往復(fù)式天然氣壓縮機橇工藝機理分析映射難、運行監(jiān)測不夠全面、智能化運維水平較低等問題，創(chuàng)建了一套基于HYSYS機理模型的整橇數(shù)字孿生系統(tǒng)。設(shè)計了數(shù)字孿生系統(tǒng)驅(qū)動方法，為HYSYS機理模型的輸入?yún)?shù)采集和計算結(jié)果映射，以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)循環(huán)傳輸和功能執(zhí)行提供理論基礎(chǔ)。針對整體建模較為復(fù)雜的整橇天然氣2級壓縮流程進行了簡化，并以此為基礎(chǔ)進行了HYSYS軟件仿真模型構(gòu)建，將HYSYS模型冷卻水流量的仿真計算結(jié)果與設(shè)備設(shè)計性能參數(shù)進行分析對比，驗證了模型的映射性能?；贛ySQL數(shù)據(jù)庫和MATLAB編程構(gòu)建了HYSYS與數(shù)據(jù)庫的通信接口。搭建了數(shù)字孿生系統(tǒng)可視化軟件操作平臺，配套了硬件系統(tǒng)并進行了功能驗證和有效性、實時性測試。研究結(jié)果表明：基于HYSYS機理模型的整橇數(shù)字孿生系統(tǒng)可實時有效地實現(xiàn)天然氣2級壓縮流程較為全面的狀態(tài)參數(shù)計算、在線監(jiān)測和工藝機理分析映射。

海上平臺；電驅(qū)往復(fù)式天然氣壓縮機橇；數(shù)字孿生；HYSYS機理模型；智能化運維

TE952

A

008

A Digital Twin System for Reciprocating Natural Gas

Compressor Package Based on HYSYS Mechanism Model

Cao Yanyu1? Li Xiang2，3? Zhang Xiaoying2，3? Meng Fancheng1? Zhang Hang2，3

（1.COOEC Special Equipment Branch;2.College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum （Beijing）;3.Center of Advanced Oil and Gas Equipment，China University of Petroleum （Beijing））

The motor-driving reciprocating natural gas compressor package used on offshore platform has the limitations such as difficult analysis and mapping of the process mechanism，incomplete operation monitoring，and low level of intelligent operation and maintenance.Therefore，a digital twin system based on the HYSYS mechanism model was created for the package.Firstly，a digital twin system driving method was designed to provide a theoretical basis for collecting the input parameters and mapping the simulation results of the HYSYS mechanism model，as well as for the data cyclic transmission and functional execution of the system.Then，the two-stage natural gas compression process of the package，which is relatively complex in overall modeling，was simplified.On this basis，a HYSYS mechanism model was constructed.The simulation results of the HYSYS model for the cooling water flow rate were compared with the designed performance parameters，verifying the mapping performance of the model.A communication interface between HYSYS and the database was built by using the MySQL database and MATLAB programming environment.Finally，a visualization software operation platform and supporting hardware system for the digital twin system were constructed，and the functionality verification and effectiveness/real-time testing were performed on the system.The results indicate that the digital twin system for reciprocating natural gas compressor package based on the HYSYS mechanism model can effectively achieve comprehensive state parameter calculation，online monitoring，and process mechanism analysis/mapping for the two-stage natural gas compression process in real time.

offshore platform;motor-driving reciprocating natural gas compressor package;digital twin;HYSYS mechanism model;intelligent operation and maintenance

0? 引? 言

曹顏玉，等：基于HYSYS的往復(fù)式天然氣壓縮機橇數(shù)字孿生系統(tǒng)

往復(fù)式壓縮機是石油天然氣開發(fā)的心臟裝備，其應(yīng)用日益廣泛，一旦發(fā)生故障停機會造成重大經(jīng)濟損失［1］。在海上鉆井平臺天然氣實際生產(chǎn)過程中，往復(fù)式壓縮機與驅(qū)動機、洗滌罐、換熱器、緩沖罐、管線系統(tǒng)、閥門和各型傳感器等共同組成往復(fù)式壓縮機橇用于天然氣的生產(chǎn)和運輸。其設(shè)備價值高而智能化監(jiān)測水平普遍較低，整橇可布置的傳感器數(shù)量和種類有限，無法對整橇壓縮流程進行全面的在線監(jiān)測和機理分析映射，亟需對其提升智能化運維能力［2-5］。

數(shù)字孿生（Digital Twin）是通過構(gòu)建物理實體設(shè)備的數(shù)字化鏡像模型，對物理設(shè)備進行實時映射來實現(xiàn)智能監(jiān)測與控制的新興技術(shù)。其最早由Grieves提出并被定義為三維模型，隨著智能制造、大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的提出與發(fā)展，數(shù)字孿生的概念進一步被完善深化。陶飛等［6］提出了數(shù)字孿生五維模型理論，即包含物理實體、虛擬模型、服務(wù)系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)和連接在內(nèi)的完整系統(tǒng)模型。虛擬模型是物理實體的忠實映射，而實現(xiàn)這一點的關(guān)鍵就是要建立系統(tǒng)的機理模型，并配合軟硬件數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的連接來驅(qū)動虛擬模型的實時更新變化［7-13］。

往復(fù)式壓縮機橇對海上平臺采出天然氣的壓縮輸送是典型的過程工業(yè)流程，對其狀態(tài)參數(shù)和實時工藝機理進行監(jiān)測對于提高生產(chǎn)安全性和經(jīng)濟效益至關(guān)重要。Aspen HYSYS是功能強大的過程模擬仿真軟件，內(nèi)嵌多種組分?jǐn)?shù)據(jù)庫和物性方法，輸入計算所需的流體和單元操作參數(shù)后，可快速運行相關(guān)邏輯方程進行閃蒸物性計算來獲得流體和單元操作的其他信息；同時可對整個工藝流程進行整體和局部的可行性、性能、優(yōu)化分析，能夠良好地反映氣體壓縮、運輸、換熱等工藝流程的內(nèi)在機理，可對整橇流程中無傳感器監(jiān)測的關(guān)鍵位置各項狀態(tài)參數(shù)進行仿真補充［14-17］。HYSYS還具備豐富的OLE功能，用戶可通過Python、VB、C#等多種語言，利用COM技術(shù)和ActiveX構(gòu)建自動化服務(wù)器等進行外部軟件接口的開發(fā)，使HYSYS模型的計算分析數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳輸至外部的存儲、分析、可視化軟件中［18-21］。

當(dāng)前對于往復(fù)式壓縮機橇運行監(jiān)測分析方面的研究仍集中于設(shè)計特定軟、硬件監(jiān)測方案或進行特定設(shè)備的離線機理分析［22-24］，缺乏集合整橇流程數(shù)據(jù)實時采集與機理實時分析映射的全面在線運維系統(tǒng)。工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)的研究集中于制造業(yè)裝備或特定裝備部件，對石油天然氣流程工業(yè)領(lǐng)域的裝備級數(shù)字孿生技術(shù)探索較少［25-26］。為提升對壓縮機橇的工藝機理實時分析映射能力和在線監(jiān)測的全面性，本文以用于海上鉆井平臺的電驅(qū)2級往復(fù)式天然氣壓縮機橇為研究對象，設(shè)計數(shù)字孿生驅(qū)動方法，創(chuàng)建了一套基于HYSYS機理模型的整橇數(shù)字孿生系統(tǒng)。建立天然氣2級壓縮的整橇HYSYS軟件仿真模型作為系統(tǒng)的機理模型，并通過LCP盤通信將傳感器的實時采集數(shù)據(jù)作為機理模型的輸入?yún)?shù)來驅(qū)動機理模型實時更新，利用機理模型計算結(jié)果與傳感器實時采集數(shù)據(jù)，共同實現(xiàn)對整橇壓縮流程較為全面的在線監(jiān)測和機理映射，并最終可在Unity3D數(shù)字孿生系統(tǒng)軟件操作平臺上進行可視化顯示。

1? 電驅(qū)往復(fù)式天然氣壓縮機整橇數(shù)字

孿生系統(tǒng)驅(qū)動方法

電驅(qū)往復(fù)式天然氣壓縮機整橇數(shù)字孿生系統(tǒng)由壓縮機整橇物理實體、壓縮機整橇虛擬模型、數(shù)據(jù)連接和可視化軟件操作平臺4部分組成，驅(qū)動方法如圖1所示。

1.1? 壓縮機整橇物理實體

壓縮機整橇物理實體由電驅(qū)往復(fù)式天然氣壓縮機橇的各個實體模塊和其配置的感知通信硬件設(shè)備

組成，是數(shù)字孿生系統(tǒng)的實時映射對象。實體模塊主要包括壓縮機主機、驅(qū)動電機、洗滌罐、緩沖罐、換熱器、LCP盤等關(guān)鍵部分；以潤滑油泵、回流調(diào)節(jié)閥、緊急泄放閥等泵和閥門為節(jié)點的管線系統(tǒng)；以及用于安裝設(shè)備與管線的整體橇座。感知通信硬件設(shè)備主要包括布置于整橇各關(guān)鍵位置的溫度、壓力、液位、加速度、鍵相等各型傳感器；用于匯總處理傳感器采集信息的PLC和NI數(shù)據(jù)采集卡；以及對設(shè)備進行實時監(jiān)測與反控的工控機。安裝于整橇各處的變送器實時采集數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)傳輸匯總至LCP盤，根據(jù)數(shù)據(jù)類型分類傳遞至不同PLC模塊和采集卡，經(jīng)過驅(qū)動流程其余部分操作后即通過工控機對設(shè)備狀態(tài)進行調(diào)整控制。

1.2? 壓縮機整橇數(shù)字孿生系統(tǒng)虛擬模型

壓縮機整橇數(shù)字孿生系統(tǒng)虛擬模型由整橇模塊化高保真三維模型、整橇流程機理模型和虛擬模型修正模塊組成，是壓縮機整橇物理實體的鏡像映射。為提高三維模型的輕量化水平，提升系統(tǒng)運行速度，對于壓縮機主機、換熱器、洗滌罐等設(shè)備三維模型進行簡化處理，僅需保留與天然氣流通和可視化相關(guān)主要幾何參數(shù)特征，因此利用PDMS軟件對壓縮機整橇進行模塊化建模。分別構(gòu)建橇座、主機等關(guān)鍵設(shè)備和閥門管線系統(tǒng)的高保真三維模型，構(gòu)建完成后進行位置關(guān)系和父子關(guān)系設(shè)置，將模塊模型組裝成整橇模型并導(dǎo)出。導(dǎo)出后的.stp模型文件經(jīng)3DMax軟件轉(zhuǎn)化為.fbx格式后導(dǎo)入Unity3D開發(fā)引擎中，進行模型各部分的物理屬性、行為屬性、邏輯關(guān)系的腳本編寫設(shè)置。

基于HYSYS過程模擬軟件建立的整橇流程機理模型與三維模型緊密結(jié)合，是虛擬模型的驅(qū)動核心。輸入傳感器實時采集的溫度、壓力、電機轉(zhuǎn)速等收斂必要參數(shù)后可實時運行計算并得出無傳感器監(jiān)測的各段位置溫度、壓力、氣液流量等關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，最后顯示于三維模型的相應(yīng)位置窗口中。其計算結(jié)果與傳感器實時采集數(shù)據(jù)共同實現(xiàn)對整橇流程較為全面的在線監(jiān)測。同時采集數(shù)據(jù)和計算結(jié)果數(shù)據(jù)均實時導(dǎo)入MATLAB中作為代理模型的訓(xùn)練和驗證樣本，將代理模型預(yù)測結(jié)果分別與仿真數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)進行對比，若不滿足精度要求，則根據(jù)最優(yōu)拉丁超立方進行重新采樣和模型重新仿真，利用最小二乘法估計超參數(shù)，通過自適應(yīng)增加策略不斷修正模型精度，并根據(jù)修正結(jié)果對HYSYS機理模型進行實時調(diào)整。此外，機理模型結(jié)果數(shù)據(jù)實時導(dǎo)入MATLAB后可進行比功耗優(yōu)化分析以指導(dǎo)優(yōu)化生產(chǎn)流程。

1.3? 數(shù)據(jù)連接

數(shù)據(jù)連接層是實現(xiàn)壓縮機整橇物理實體、虛擬模型、數(shù)據(jù)庫和可視化軟件操作平臺數(shù)據(jù)傳輸交互的橋梁。物理實體實時采集數(shù)據(jù)通過Modbus、TCP/IP協(xié)議經(jīng)由RS485硬接線或LoRa無線通信方式進入數(shù)據(jù)連接層；虛擬模型數(shù)據(jù)通過COM技術(shù)和ActiveX組件利用MATLAB和C#編程構(gòu)建通信接口導(dǎo)出進入數(shù)據(jù)連接層。各項數(shù)據(jù)根據(jù)采樣頻率、規(guī)模、利用方式等進一步分類與KEPServerEX和LabVIEW等組態(tài)或數(shù)據(jù)處理軟件連接后，設(shè)計編寫數(shù)據(jù)二次處理程序模塊并構(gòu)建接口與MySQL數(shù)據(jù)庫形成雙向通信連接。同時，可視化軟件操作平臺通過SQL、C#編程構(gòu)建接口與MySQL連接，最終實現(xiàn)以數(shù)據(jù)庫為核心的整套數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信。

1.4? 可視化軟件操作平臺

可視化軟件操作平臺是數(shù)字孿生系統(tǒng)的操作手段和服務(wù)方式?；赨nity3D引擎進行開發(fā)，將整橇模塊化高保真三維模型導(dǎo)入；通過C#腳本編程搭建軟件系統(tǒng)的各項功能，并將HYSYS機理模型進行外部軟件功能掛載；通過編程構(gòu)建通信接口實現(xiàn)包括機理模型在內(nèi)的各模塊與MySQL數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)雙向傳輸，最終實現(xiàn)整橇高保真三維顯示、采集數(shù)據(jù)實時可視化顯示、機理模型可視化顯示和應(yīng)用調(diào)整、在線監(jiān)測與故障報警、物理實體運行反控、人員培訓(xùn)等功能。

2? 整橇HYSYS機理模型構(gòu)建

在電驅(qū)2級往復(fù)式天然氣壓縮機整橇數(shù)字孿生系統(tǒng)驅(qū)動流程中，通過HYSYS過程模擬軟件構(gòu)建機理模型是孿生系統(tǒng)虛擬模型的核心。HYSYS機理模型計算結(jié)果與傳感器實時采集數(shù)據(jù)形成互補，共同實現(xiàn)對整橇流程較為全面的監(jiān)測與機理分析映射，與模塊化高保真三維模型共同實現(xiàn)實時監(jiān)測的多維度可視化。

2.1? 天然氣2級壓縮工藝流程

電驅(qū)2級天然氣壓縮機橇由主氣路壓縮系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、回流系統(tǒng)和排污系統(tǒng)等組成。介質(zhì)泄漏、運動部件失效、易損件失效、冷卻水故障等常見故障類型主要出現(xiàn)于主氣路壓縮系統(tǒng)的主機部件、管線連接處，換熱系統(tǒng)的換熱器、流量控制閥，回流系統(tǒng)的回流調(diào)節(jié)閥［27-28］。HYSYS軟件對于物料守恒計算和能耗計算的準(zhǔn)確性較高，對于滑油系統(tǒng)和排污系統(tǒng)等的映射能力較低。將所有系統(tǒng)均整合入數(shù)字孿生系統(tǒng)將成倍提升系統(tǒng)所需容量，不利于系統(tǒng)的實時性和輕量化。因此，對天然氣2級壓縮工藝流程進行簡化，重點保留主氣路壓縮系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、回流系統(tǒng)，如圖2所示。

天然氣2級壓縮簡化系統(tǒng)主要由主氣路2級壓縮、2級換熱、回流調(diào)節(jié)以及位于各段關(guān)鍵位置的溫度、壓力、液位、振動傳感器等數(shù)據(jù)采集通信硬件設(shè)備組成。天然氣由海上鉆井平臺采出后，作為氣源進入2級壓縮系統(tǒng)，首先進入一級洗滌罐進行氣液分離防止氣缸壓縮過程中撞缸，隨后進入一級進口緩沖罐等待進氣閥開啟后進入氣缸進行一級壓縮，完成后由排氣閥進入一級出口緩沖罐；然后進入一級換熱器與冷卻水進行換熱降溫，完成后氣體進入二級壓縮流程，整體同一級壓縮一致。在2級壓縮均完成后，達到預(yù)定壓力的天然氣由系統(tǒng)排出作為下一生產(chǎn)階段的氣源。若背壓過高，二級壓縮排氣壓力超過限定值，則回流調(diào)節(jié)閥開啟使二級壓縮后的天然氣返回一級壓縮前與氣源重新匯合，以降低二級排氣壓力。

2.2? 天然氣2級壓縮HYSYS仿真模型構(gòu)建

根據(jù)天然氣2級壓縮簡化系統(tǒng)，通過設(shè)定流股和添加壓縮機、換熱器、分離器、控制閥等單元操作以及添加邏輯單元構(gòu)建HYSYS仿真機理模型，如圖3所示。

為提高HYSYS模型對實際2級壓縮工藝流程的還原程度，物性參數(shù)與氣源化驗結(jié)果保持一致，組分設(shè)定值如表1所示。

由于天然氣氣源中水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)僅占2%左右，其余均為烴類和氧化物氣體，所以體系理想性較高，故選用PR（Peng-Robinson）狀態(tài)方程作為物性模擬方法，主方程為：

p=RTV-b-a（T）V（V+b）+b（V-b）（1）

式中：p為體系壓力，MPa；T為體系熱力學(xué)溫度，K；V為摩爾體積，m3/mol；R為理想氣體常數(shù)，取8.314 J/（mol·K）；a和b為狀態(tài)方程參數(shù)。

對于天然氣等混合物系，采用以下計算規(guī)則［29］：

a=∑i∑jxixjaij（2）

aij=（1-δij）a0.5ia0.5j（3）

δij=δ（1）ij+δ（2）ijT+δ（3）ij/T（4）

b=∑ixibi（5）

式中：ai、aj為組分i和j的狀態(tài)參數(shù)；bi為組分i的狀態(tài)參數(shù)；xi、xj為組分i、j的摩爾分?jǐn)?shù)；δ（1）ij、δ（2）ij、δ（3）ij為組分i與j的二元交互作用參數(shù)，可由相平衡試驗數(shù)據(jù)回歸運算得到。

方程參數(shù)確定后，已知工質(zhì)溫度、壓力、比體積中的任意兩項即可計算出另一項。物性參數(shù)設(shè)置完畢后，根據(jù)LCP盤Modbus協(xié)議中的設(shè)計參數(shù)，設(shè)定HYSYS模型中各個流股和單元操作的輸入值使模型進行收斂運算。溫度和壓力參數(shù)是PR狀態(tài)方程計算的收斂輸入?yún)?shù)，與PR狀態(tài)方程運算的相關(guān)性較高，同時也是對壓縮機橇狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)，壓縮機整橇具備多個關(guān)鍵位置的溫度、壓力監(jiān)測位點。

表2所示為部分LCP盤Modbus監(jiān)測參數(shù)。主機進、排氣和氣體冷卻前、后等位置均布置有溫度、壓力變送器，同時壓縮機的電機轉(zhuǎn)速可實時監(jiān)測控制，在HYSYS中輸入轉(zhuǎn)速以及主機的缸徑和活塞行程等屬性參數(shù)后即可運算出單位時間的氣體壓縮量。溫度、壓力、氣體流量可輔助HYSYS整橇流程模型完全收斂。因此以整橇的Modbus監(jiān)測溫度、壓力、壓縮機電機轉(zhuǎn)速作為模型的輸入?yún)?shù)。

為進一步提升HYSYS仿真機理模型的計算精度，對壓縮機主機、洗滌罐、換熱器等關(guān)鍵單元操作進行嚴(yán)格模型設(shè)置。針對用于模型準(zhǔn)確性驗證的換熱器單元操作，利用Aspen EDR換熱器設(shè)計軟件進行換熱器嚴(yán)格模型設(shè)置并導(dǎo)入HYSYS模型中，如圖4所示。

天然氣進、排氣溫度上升后，為了保持一定的冷卻后氣體溫度，換熱器冷卻水閥門開度增加，冷卻水流量相應(yīng)增加，這時天然氣2級壓縮流程中可體現(xiàn)流股溫度壓力變化、能量交換和整橇流程控制邏輯的典型工況變動。因此可輸入壓縮機主機的進、排氣溫度壓力后運行HYSYS計算，將不同排氣溫度下的2級壓縮后的換熱冷卻水流量計算結(jié)果通過HYSYS案例分析（case study）功能導(dǎo)出，與實際換熱器的溫度-流量設(shè)計性能參數(shù)曲線進行對比，以驗證HYSYS機理模型的映射性能。一級和二級排氣溫度在不同主機轉(zhuǎn)速下分別為118～140 ℃和138～160 ℃。在案例分析中設(shè)定溫度步長為0.5 ℃，設(shè)定HYSYS2級換熱器冷卻水進、出口溫度為15和22 ℃，與實際2級換熱器冷流體平均設(shè)計工作溫度保持一致。HYSYS仿真模型對于冷卻水流量的仿真計算結(jié)果與實際換熱器的溫度-流量設(shè)計性能參數(shù)曲線趨勢一致，不同主機轉(zhuǎn)速下的2級排氣溫度范圍內(nèi)冷卻水流量計算結(jié)果差異均小于5%，在工程應(yīng)用的可接受范圍內(nèi)，其針對溫度壓力計算和能量交換的映射性能較好［30］，如圖5所示。

3? HYSYS仿真模型數(shù)據(jù)通信與存儲

HYSYS仿真模型構(gòu)建完成后，需構(gòu)建通信接口將計算結(jié)果數(shù)據(jù)從HYSYS導(dǎo)出至數(shù)據(jù)庫中以便進一步的調(diào)用和操作。數(shù)據(jù)庫是將數(shù)字孿生系統(tǒng)各部分串聯(lián)起來的核心，選用體積小、速度快、具備TCP/IP和ODBC等多種連接途徑的MySQL數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)的信息傳遞框架如圖6所示。

MATLAB支持COM技術(shù)和ActiveX組件且具備豐富的接口通信功能，因此可通過ActiveX將MATLAB與HYSYS連接起來，在MATLAB環(huán)境下實現(xiàn)對HYSYS模型的讀寫和控制。HYSYS內(nèi)置的spreadsheet模塊可對模型數(shù)據(jù)進行存儲和修改，同時其內(nèi)的模型數(shù)據(jù)可通過MATLAB、C#等進行編程調(diào)取并實時存入MySQL數(shù)據(jù)庫中。

將傳感器的實時采集數(shù)據(jù)作為模型輸入?yún)?shù)，傳感器采集數(shù)據(jù)通過PLC存入數(shù)據(jù)庫中，MATLAB實時讀取數(shù)據(jù)庫中的傳感器采集數(shù)據(jù)輸入HYSYS中，實時進行模型動態(tài)運算；同時HYSYS的模型運算結(jié)果數(shù)據(jù)存入spreadsheet中，由MATLAB實時讀取并傳回數(shù)據(jù)庫，實時顯示于數(shù)字孿生軟件平臺中。此外，傳感器的實時采集數(shù)據(jù)通過傳感器→LCP盤→PLC/采集卡→KEPServerEX/LabVIEW→MySQL→軟件平臺進行通信顯示和操作利用，與機理模型計算結(jié)果共同實現(xiàn)對壓縮機整橇較為全面的在線監(jiān)測和機理分析映射。

4? 系統(tǒng)功能驗證

在實驗室環(huán)境下建立了電驅(qū)2級往復(fù)式天然氣壓縮機橇數(shù)字孿生系統(tǒng)，并利用小型電驅(qū)2級往復(fù)式天然氣壓縮機試驗臺完成了各項功能驗證，如圖7所示。通過模型導(dǎo)入編輯、腳本編寫、界面設(shè)計、功能掛載等進行系統(tǒng)的Unity3D可視化軟件操作平臺構(gòu)建，以Siemens S7-300 PLC作為總控PLC模塊，通過以太網(wǎng)與整橇設(shè)備、變送器、控制器進行通信連接來完成數(shù)字孿生系統(tǒng)的驅(qū)動流程，最終實現(xiàn)實時采集數(shù)據(jù)與HYSYS機理模型計算結(jié)果對整橇流程的多維度可視化映射。

可視化軟件操作平臺功能如圖8所示。

可視化軟件操作平臺可對整橇三維模型進行高保真顯示，在各個關(guān)鍵設(shè)備位置以及變送器和指示器旁均有設(shè)備屬性和工況顯示窗格，實時顯示如氣缸型號、電機轉(zhuǎn)速、閥門開度、溫度壓力數(shù)值等屬性和工況信息?？蓪YSYS機理模型計算結(jié)果進行可視化顯示與輸入、輸出調(diào)整，機理模型數(shù)據(jù)實時顯示于數(shù)值輸出窗口和歷史曲線輸出窗口中。在輸入窗口中可對HYSYS機理模型的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)進行人工修改以適應(yīng)較大的工況調(diào)整?？山Y(jié)合傳感器實時采集數(shù)據(jù)和機理模型計算結(jié)果，實現(xiàn)整橇流程各個系統(tǒng)和區(qū)段的可視化在線監(jiān)測與故障報警。可根據(jù)氣液流量、轉(zhuǎn)速等實時采集數(shù)據(jù)和機理模型計算結(jié)果進行氣液流動、曲軸運動等動態(tài)可視化顯示，機理模型計算所得氣液流量或?qū)崟r監(jiān)測到轉(zhuǎn)速上升時，氣液流動或曲軸旋轉(zhuǎn)的動態(tài)速度相應(yīng)增加。

對于數(shù)字孿生系統(tǒng)的Unity引擎端，可在各個功能模塊實時采集數(shù)據(jù)和機理模型數(shù)據(jù)通信傳輸程序段的起止位置添加DateTime（）類，以此來獲取數(shù)據(jù)采集計算、傳輸、可視化顯示和執(zhí)行功能的總耗時，以驗證數(shù)字孿生系統(tǒng)的實時性。測試軟、硬件配置如表3所示。

根據(jù)整橇實際測點數(shù)量，對溫度、壓力的實時采集數(shù)據(jù)和HYSYS機理模型計算數(shù)據(jù)分別設(shè)定20個real型數(shù)據(jù)源，對振動實時采集數(shù)據(jù)設(shè)定20個real型數(shù)據(jù)源，對3種類型數(shù)據(jù)的單項功能數(shù)據(jù)傳輸和執(zhí)行耗時分別進行50次測試采樣。獲取的三維模型信息窗口顯示（功能1）、機理模型計算結(jié)果可視化頁面顯示（功能2）和整橇流程在線監(jiān)測頁面顯示（功能3）數(shù)據(jù)傳輸和功能執(zhí)行平均耗時如表4所示。

由表4可知，Unity引擎端的3項功能對于溫度、壓力、振動的實時采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸和功能執(zhí)行的平均耗時均小于30 ms，可較好地保證數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛擬模型和可視化界面對整橇物理實體的映射實時性；對于溫度、壓力的機理模型數(shù)據(jù)的傳輸和功能執(zhí)行，由于包括了HYSYS機理模型收斂計算時間，相較于實時采集數(shù)據(jù)時間略長，但平均耗時均小于50 ms，可滿足數(shù)字孿生系統(tǒng)虛擬模型更新的同步性以及模型實時修正后與物理實體的實時一致性［31］。

5? 結(jié)? 論

（1）基于HYSYS構(gòu)建的整橇機理模型以傳感器實時采集數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，對無傳感器監(jiān)測的關(guān)鍵區(qū)段狀態(tài)參數(shù)進行計算，結(jié)果與傳感器實時采集數(shù)據(jù)形成互補，可實現(xiàn)對整橇較為全面的實時狀態(tài)映射。利用HYSYS構(gòu)建整橇壓縮流程仿真模型，通過設(shè)置與現(xiàn)實生產(chǎn)高度一致的物性條件和設(shè)備參數(shù)，可有效保證機理模型對物理實體的還原能力。

（2）以MySQL作為核心數(shù)據(jù)庫，通過C#、MATLAB構(gòu)建通信接口的往復(fù)式天然氣壓縮機整橇實時采集數(shù)據(jù)與HYSYS仿真模型數(shù)據(jù)通信和存儲方案，通信速度快、軟件體積小、硬件需求低、部署方便，能夠較好地滿足往復(fù)式天然氣壓縮機橇數(shù)字孿生系統(tǒng)的傳感器采集數(shù)據(jù)與機理模型數(shù)據(jù)的通信需求。

（3）利用Unity3D搭建整橇數(shù)字孿生系統(tǒng)可視化軟件操作平臺，通過腳本編程與掛載構(gòu)建平臺各項功能，可有效保證數(shù)字孿生系統(tǒng)的人機交互效果、功能完善性和實時有效性。

（4）該系統(tǒng)有助于提升電驅(qū)往復(fù)式天然氣壓縮機整橇的運行監(jiān)測全面性和智能化運維水平，可為整橇流程工藝機理分析映射提供技術(shù)解決方案，也可為裝備級數(shù)字孿生提供創(chuàng)新性思路。

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第一曹顏玉，高級工程師，生于1982年，2007年畢業(yè)于天津大學(xué)一般力學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事海洋平臺壓縮機成套設(shè)備設(shè)計工作。地址：（300452）天津市濱海新區(qū)。電話：（022）25803776。email：caoyy@cnooc.com.cn。

2023-11-21

劉鋒