CNG常规加气站HYSYS软件全流程模拟

赵雯晴

(中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东 青岛 266100)

与传统的以柴油、汽油为燃料的汽车相比，以CNG(Compressed Natural Gas，缩写为CNG)为燃料的汽车具有节能环保等优势。我国CNG汽车保有量逐步上升，CNG加气站数量也随之增加，已成为我国交通系统的重要组成部分【1-2】。CNG加气站作为组成终端燃气的一部分，属于高危设备，其安全稳定运行受到高度重视【3-4】。CNG常规加气站是从站外天然气管道取气，经工艺处理并增压后，由加气机给汽车储气瓶充装CNG的场所【5】。ASPEN HYSYS动态模拟能够准确、快速、直观地分析研究系统各参数随时间的变化【6】。本文运用HYSYS软件，建立CNG常规加气站的动态模型，为加气站的稳定运行、优化节能提供参考依据和模拟操作平台【7】。

1 CNG常规加气站工艺流程

CNG常规加气站内通常包含调压计量装置、脱硫装置、脱水装置、压缩机、程序控制盘、储气设施、CNG加气机及工艺管路等设备；控制系统包含CNG站级SCADA系统、CNG站级销售管理系统等【8-9】。CNG常规加气站工艺流程如图1所示。

图1 CNG常规加气站工艺流程示意

2 加气站建模

2.1 模型的搭建

CNG常规加气站建模时，物性方法选择Peng-Robinson。模型搭建过程中通用模型简化方法如下：

1) 热量损失模拟为一个传热系数；

2) 管道阻力压力降模拟为虚拟阀门，符合运行中的压降(DP)分布曲线；

3) 管道体积模拟为虚拟罐；

4) 脱硫塔简化模拟其压降。

2.2 建模参数

2.2.1 边界条件

CNG常规加气站动态建模中涉及入口边界和出口边界，如表1所示。

表1 CNG常规加气站模型边界

2.2.2 主要设备数据

CNG常规加气站主要设备数据如表2所示。

2.3 关键设备动态建模方法

CNG常规加气站建模过程中，涉及到的设备有压缩机、脱硫塔、调压计量装置、脱水装置、加热器、储气瓶组、管道、阀门、安全阀等，其中管道、阀门、安全阀、储气瓶组等设备分别采用软件中的Pipe Segment、Valve、Relief Valve、Separator等模块进行计算。

本小节详细介绍其中较复杂的流量计、脱水装置、压缩机及汽车CNG储气瓶等设备的建模方法。

表2 主要设备数据

2.3.1 流量计

流量计建模需要采用HYSYS的3个模块，包括PID Controller、Spreadsheet和Selector Block。设计原理为：

Qn+1=Qn+DiΔt

式中：Qn+1——第n+1步的累计流量， m3；

Qn——第n步的累计流量, m3；

Di——当前瞬时流量, m3/h；

Δt——计算步长。

流量计模型如图2所示。利用Selector Block(FQI_Temp)作为第n步累计流量的暂存器存储上一个计算周期的累计流量，并以此为基础计算当前计算周期的累计流量。

图3给出了采用Spreadsheet(SPT_FQI501)的流量计计算方案，其中：

B2为瞬时流量FT501的输出值；

B3为计算步长；

B4为Reset按钮，当其为1时不进行累计计算，为0时才开始进行累计流量计算；

D2为本计算周期内的瞬积流量，计算公式为“=B2/3600×B3”；

图2 流量计概览

图3 流量计计算方案

D3为暂存器FQI_Temp的输出值，将暂存器的值送回Spreadsheet中并作为下一步长的计算基础；

D4为当前计算周期的总累计流量，计算公式为“=@IF(B4>0.5,0,D3+D2) ”。

2.3.2 脱水装置

脱水装置主要由干燥塔(设2台，1台进行脱水作业，1台进行干燥再生)、压缩机、加热器、冷却器、气液分离器组成，模型见图4。

图4 脱水装置概览

1) 干燥塔

干燥塔(模型见图5)建模采用HYSYS的2个模块，包括Valve及Separator。通过设置虚拟阀的Cv值，调整其流动阻力特性来模拟压降，如图6所示。

图5 干燥塔(分A和B两个干燥塔)

图6 干燥塔的容积设定

天然气中不含水，在Spreadsheet中虚拟引入水来计算干燥塔中吸收水分的累计量。干燥塔吸收水量设计原理为：

Qn+1=Qn+CMCTΔt

CM=Fi×k

式中：Qn+1——第n+1步的水分累计量(体积量)，%；

Qn——第n步的水分累计量(体积量)，%；

CM——单位时间内水分累计的流量因子；

CT——单位时间内水分累计的温度因子；

Δt——计算步长，s；

Fi——当前瞬时标准体积流量(标准状态)，m3/s；

k——当前物流中的水分含量(体积分数)，%；

T——当前物流的温度，℃。

干燥塔吸收水分累计量模型如图7所示，控制方法为：由Spreadsheet(SPT_AQI001A)、Selector Block(AQI_TempA)和PID Controller(AQI001A)组成水分累计控制系统(以干燥塔A为例)。Spreadsheet(SPT_AQI001A)中导入了水分累计计算中需要的输入变量，根据上述的水分累计计算公式，计算出水分累计量等参数并输出。利用Selector Block作为第n步累计水分量的暂存器，存储上一个计算周期的累计水分量，并以此为基础计算当前计算周期的累计水分量。PID Controller则显示了第n步累计水分量的值，方便查看及引用。

图8给出了干燥塔水分累计量计算的具体设定方法，其中：

B2为当前标准体积流量值；

B3为模型计算步长；

B4为Reset按钮，当其为1时不进行累计计算，为0时才开始进行累计流量计算；

B6为假定当前物流中水分的体积分数；

B7为当前物流的温度；

B8为单位时间内水分累计流量因子，计算公式为“=ABS(B2×B6×0.01)”；

B9为单位时间内水分累计温度因子，计算公式为“=IF(B7<100,2.4×(-1/75) ×(B7-100),(3.95×(-1/120) ×(B7-100)))”；

D2为计算当前计算周期内的瞬时累计水分量，计算公式为“=B8×B9/3 600×B3”；

D3为暂存器FQI_Temp的输出值，其作用是将暂存器的值送回Spreadsheet中并作为下一步长的计算基础；

D4为计算当前计算周期的总累计流量，计算公式为“=IF(B4>0.5,0,@IF((D3+D2) <=0,0,D3+D2)) ”。

图7 干燥塔水分累计控制概览

图8 水分累计量计算的具体设定

2) 压缩机

压缩机转速控制逻辑(见图9)由Digital(PB_Compressor)、Selector Block(OS-1)和Transfer Function Block(TRF-1)组成，其中Digital的输出值在0和1之间切换，由下述2.4.3节中干燥塔的Event Scheduler模块控制实现。

图9 压缩机概览

图10为压缩机启动控制设定。图10(a)中Digital Pt操作PB_Compressor为控制压缩机启动的开关，Selector Block操作OS-1用来连接PB_Compressor和传函TRF-1。图10(b)中传函TRF-1用来设置压缩机全额转速，Rate Limiter作用是控制压缩机转速增长速度，此处设置为0.5 min 压缩机启动完成，转速达到额定转速。

压缩机设置主要包含2部分，即转速和性能曲线，其设定如图11所示。

图10 压缩机启动控制设定

图11 压缩机转速及性能曲线设定

3) 加热器

加热器采用Heater模块，由Digital Pt(PB_Heater)、Selector Block(OS-2)和Transfer Function Block(TRF-2)组成加热器的开关及能耗控制逻辑(如图12所示)，其中PB_Heater的输出值在0和1之间切换，由下述2.4.3节中干燥塔的Event Scheduler控制实现。Digital Pt操作PB_Heater为控制换热器启动的开关，Selector Block操作OS-2用来连接PB_Heater和传函TRF-2，传函TRF-2中的系数用来设置换热器的能耗。

4) 冷却器

冷却器采用Heat Exchanger模块，需要设置Cooler的结构尺寸参数、Overall UA、压降等，Shell压降采用固定DP方法，而Tube压降采用固定k的方法。

图12 加热器概览

5) 气液分离器

气液分离器采用Separator模块，需要设置Separator的结构和容积参数，包括直径、高度等。

2.3.3 往复式压缩机

往复式压缩机采用Compressor-Reciprocating模块(如图13所示)，计算原理为如实输入结构参数及物流参数。通过改变、调整参数去拟合目标参数，其中各类参数分别包括：

图13 往复式压缩机概览

1) 结构参数——气缸类型、气缸直径、冲程长度、活塞杆直径、容积效率损失、压缩机速率；

2) 物流参数——进口温度、进口压力、出口压力；

3) 目标参数——出口温度及设计流量；

4) 调整参数——空隙率及压缩机效率。

2.3.4 汽车CNG储气瓶

汽车CNG储气瓶采用Separator、Valve、Pipe Segment、Digital Point和Selector Block模块(如图14所示)，计算原理为：

1) 将实际汽车气瓶容积输入模型中模拟汽车气瓶；

2) 通过流入一股设定好温度和压力的初始物流对汽车气瓶进行初始化；

3) 通过轮换打开A/B两个气瓶模拟汽车切换操作并满足汽车气瓶初始化的时间要求。

图14 CNG汽车气瓶模拟概览

图15给出了汽车CNG储气瓶切换的具体设定方法，其中：

图15 汽车CNG储气瓶切换设定

B2为汽车气瓶切换按钮Car_Switch的Output，为脉冲模式Pulse On，脉冲周期为1 s；

B3为汽车切换判断，通过公式判断给CarA充气还是给CarB充气，计算公式为“=@IF(B4>1,0,B2+B4)”；

B4为汽车切换判断暂存器，用来暂存上一个操作是给哪辆车充气(0为给A充气，1为给B充气)；

D2为CarA的气瓶初始化入口阀开度；

D3为CarA的气瓶初始化出口阀开度；

D4为CarA的气瓶与加气枪连接口开度；

E2为CarB的气瓶初始化入口阀开度；

E3为CarB的气瓶初始化出口阀开度；

E4为CarB的气瓶与加气枪连接口开度。

2.4 典型工况动态建模

2.4.1 气瓶充气

气瓶充气工况逻辑是模拟加气机给汽车气瓶加气的过程，主要过程为：汽车加气时，加气机首先从低压储气设施取气，取气过程中检测加气的流量和压力，如果低压储气设施的压力可以使汽车气瓶的压力达到20 MPa，则加气机按照低压、中压、高压切换一次即完成充气。如果低压储气设施的压力不足以使汽车气瓶的压力达到20 MPa，当加气流量<2 kg/min时，加气机切换到中压储气设施加气，若中压储气设施的压力可以使汽车气瓶的压力达到20 MPa，则加气机再按照中压、高压切换一次即完成充气；若中压储气设施的压力也不足以使汽车气瓶的压力达到20 MPa，如果加气的流量<2 kg/min，则加气机切换到高压储气设施加气，同时检测管线的压力和流量，当压力达到20 MPa或流量>2 kg/min时，加气机停机，若流量<2 kg/min且压力未达到20 MPa，加气机也停机。

在HYSYS中，以上逻辑通过Event Scheduler模块实现，具体实现逻辑如图16所示。

2.4.2 压缩机充气

压缩机充气工况是模拟当储气设施或充气管线的某一个压力小于其设定压力时，压缩机开启向储气设施充气或通过加气机直接向汽车气瓶充气的过程。加气站内通过顺序控制盘实现该功能，优先顺序依次是直充优先于高压、高压优先于中压、中压优先于低压。其主要过程为：当检测到任何一路的压力低于设定值时，压缩机均会启动。压缩机启动后，会首先给检测到压力低于设定值的那一路管线充气，这一路管线的压力达到压缩机的停机值时，顺序检测直充、高压、中压、低压的压力，若这几路的压力低于停机值压力，则压缩机会按照直充、高压、中压、低压的顺序依次给这几路充气，然后再按照这个顺序检测一遍；当这几路的压力均高于停机值时，压缩机停机。当车辆集中加气时，加气机的高压管线需要的气量很大，导致顺序盘直充管线的压力始终不能达到停机值，这样压缩机会维持直充管线加气，保证一直是大排量、高压力输出。

图16 HYSYS加气机逻辑

在HYSYS中，以上逻辑通过Event Scheduler实现，具体实现逻辑如图17所示。

2.4.3 干燥塔脱水

干燥塔脱水工况是模拟干燥塔正常运行、天然气脱水过程中，当气体的水露点高于某值时，在2组不同的干燥塔之间进行切换并进行干燥塔再生的过程。主要过程为：如果气体的水露点高于-55 ℃，干燥塔需要切换至干燥塔B，同时干燥塔A进入再生流程。

在HYSYS中，以上逻辑及其补充逻辑通过Event Scheduler实现，具体实现逻辑如图18所示。

图17 HYSYS优先顺序控制系统逻辑

图18 HYSYS干燥剂脱水逻辑

3 结论

结合现场实际数据和操作经验数据，建立了CNG常规加气站HYSYS全流程模型，可作为同类CNG常规站项目流程模拟的计算基础和优化平台。该平台仅通过修改基础输入数据和调整关键参数就能很快完成整站的计算，既能比较准确地模拟各个设备的运行工况，又可用来优化操作条件，对生产操作进行实际的指导。