基于虚拟仿真的“压缩天然气汽车加气站优化设计及运行”实践课程的构建

吴晓南 张鹏

摘  要：压缩天然气（CNG）汽车加气站具有高压、气体泄漏、易燃易爆等特性，一旦出现事故，会造成大量人员伤亡及财物损失。压缩天然气（CNG）汽车加气站优化设计及运行操作虚拟仿真实验能有效解决学生对易燃易爆，高度危险性的城镇燃气工程的实验和实践教学难题。能很好地提升培养学生创新能力、独立分析和解决工程实际问题能力的人才培养水平。

关键词：虚拟仿真；加气站；实践课程；燃气工程

中图分类号：G642.3      文献标识码 ：A      文章编号：1002-4107（2024）07-0000-04

一、引言

压缩天然气（CNG）汽车加气站的高压、气体泄漏、易燃易爆等特性，一旦出现事故，会造成人员的大量伤亡。CNG加气站内各类相关设备复杂精细，天然气处理的工艺流程相对烦琐[1-2]，因设备问题和违规操作导致存在的安全隐患较多，一旦发生意外将造成很大的经济损失和人员伤亡[3-4]。传统教学中，很难将CNG加气站的设计与加气站的运行操作有机结合，对学生进行全过程的培养。受燃气企业的生产制度和安全方面的限制，压缩天然气汽车加气站的运行操作与事故处理、设备的启停维护与检修等训练，学生无法得到实际操作的培训。虚拟仿真实验能够利用有限的硬件资源，在有限实物空间与无限资源之间，理论与多样化、复杂化实践之间搭建桥梁[5]。而虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互等技术，可以构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，能够以生动、逼真、立体的形式来演示实验室中无法完成的复杂性、危险性的实验项目[6]。建筑环境与能源应用专业课程教学改革的关键在于：明确专业核心，精简专业课程体系，打通课程间的壁垒，用大作业、大设计训练学生，培养专业精、知识熟、终身学习的专业人才[7]。利用我校建筑环境与能源应用工程专业具有的丰富教学和科研实践经验的师资力量，借助虚拟仿真实验教学资源，完成压缩天然气汽车加气站虚拟仿真实验的建设，培养创新能力、独立分析和解决工程实际问题能力的人才。

二、实验室开发的必要性及应用性

（一）解决高危燃气工程教学难题

城镇燃气具有易燃易爆等特点，一旦出现事故，会造成人员的大量伤亡。大量与生产相关的实验难以在常规的教学实验室中进行，如燃气泄漏的应急处理、燃气场站的运行操作与事故处理、设备的启停维护与检修等。而且受燃气企业的生产制度和安全方面的限制，学生在企业现场实习无法得到实际操作的培训，使学生的工程技能未得到锻炼，不能尽快的适应未来工作岗位的要求。

压缩天然气（CNG）汽车加气站优化设计及运行操作虚拟仿真实验能有效解决学生对易燃易爆，高度危险性的城镇燃气工程的实验和实践教学难题，能很好地提升培养学生创新能力、独立分析和解决工程实际问题能力的人才培养水平。

（二）设计与运行操作全过程培训

在课程设计及实践环节的培训中，系统设计属于课程设计及毕业设计环节，学生对设计完的项目很难去跟踪实测运行效果或对设计项目进行评价。而系统操作运行的培训属于实验及实习环节。该实验建立一个完整的系统工程，将压缩天然气汽车加气站分散的知识点串联起来，通过三维构建与数值模拟将理论计算、系统设计、运行操作有机结合。从压缩天然气汽车加气站设计计算到设备方案选择，从流程设计及三维布置到站场运行调节，每个步骤都是紧密相连的。

教学环节与实验匹配对应关系见图1。

三、实验目标及实现过程

（一）实验目标

1.掌握压缩天然气汽车加气站的规划，规模的确定，具备确定站场工艺的能力；

2.掌握压缩天然气汽车加气站中主要设备的内部结构及其工作原理，训练设备计算比选，培养学生燃气站场工艺计算的能力。

3.掌握压缩天然气汽车加气站的工艺流程布局及三维站场搭建，培养学生燃气站场安装设计的能力。

4.掌握压缩天然气汽车加气站的工艺操作规程、关键工艺，保证站场安全稳定运行，培养学生燃气站场管理操作的能力。

5.掌握压缩天然气汽车加气站的各工况下运行操作的能力，培养学生解决燃气工程复杂问题的能力。

6.培养学生具有燃气行业的自豪感和使命感，认真负责的专业素质。

（二）目标实现过程

本实验将传统的平面静态设计升级为三维可构建、可模拟、可运行的系统设计。学生在实验过程中，通过独立思考、自主设计等手段可设计出压缩天然气汽车加气站，不仅可以培养学生解决工程问题的能力，训练其系统工程的思维模式，还可以激发学生的创新意识，并培养学生的科学研究素养。通过本虚拟实验的教学，结合课堂教学与实习环节，可以将学生培养成具有扎实的专业知识和较强的实践能力、创新能力与独立思考能力，具有行业的自豪感和使命感，认真负责的专业素质，能够综合运用专业知识系统解决建筑环境与能源应用工程专业复杂工程问题的工程师。虚拟仿真实验的目标实现过程见图2。

（三）实验实现手段

仿真系统以标准压缩天然气汽车加气站为原型，对调压计量 、增压系统、 脱水、储气、售气等子系统等模块的设备进行仿真，根据设备资料、建设图纸、系统图、运行数据等进行三维模型搭建。 模型搭建采用仿真人机交互技术进行开发，贴图分辨率不低于2048×2048，软件采用GPU实时渲染技术，全屏模式，软件运行时的平均FPS不低于50。

将整个实验过程抽象为统一的虚拟实验构件、底层数学模型、逻辑机制等共性关键性技术，形成可扩展的虚拟实验构建库，为虚拟实验平台提供后台逻辑支撑运算，在前台利用虚拟现实技术搭建可视化的实验场景、实验物品、实验逻辑，达到支持演示、交互、计算、设计的一体化实验环境。

构建设备间的关联模型。对象主要的状态，简单设备可以只有开关与启停两种状态，控制阀和控制挡板应有开度数据显示。系统以实时系统数学模型作为底层支撑，包括仿真时钟管理功能、实时数据库功能、仿真模型调度功能、工况管理功能、多机协同仿真功能，并且提供和二维、三维图形软件以及其它第三方软件进行数据交互的接口，为上层应用软件提供协同运行支持。

四、实验环节设计

本虚拟仿真实验采用任务驱动式、潜移默化式以及设计式与互动式等多种实验教学方法相结合的方式引导学生完成压缩天然气汽车加气站优化设计及运行调节实验全过程。

实验内容包括实验认知、优化设计和运行操作三大环节，学生首先掌握各个知识，再进行二维平面的流程图的以及三维空间的构建，系统构建完成后，进而操作运行调节三维模型进行操作培训，各环节都设置了有一定难度的问题帮助学生理解实验内容和掌握软件操作。先进的教学方法，多样化的互动，以及有难度的问题设置，都极大地激发了学生学习兴趣，培养了学生的创新意识。

（一）实验认知环节

1.单体设备模块认知

阀门和生产设备的简介、内部结构详解以及工作原理的模拟。主要设备有储气井、售气机、压缩机、干燥塔等生产设备。

2.工艺流程认知

在前面选定设备的基础上搭建场站工艺流程，了解各设备在工艺流程中的具体作用以及开启顺序，通过点击相关联的两个设备，生成两个设备间的管线布局图，理解加气、放空及排污管线布局，熟悉阀门布置原理。

3.三维模型认知

在二维工艺流程基础上自主搭建三维全景，打开设备库，可根据系统提示，将设备摆放于合适位置，也可以自行拖动设备库内的设备到合适的位置，根据设备库中冷却塔、冷却水泵、储气井及空放、压缩机、脱水装置、回收罐、缓冲罐、进站调压计量、加气站的模块顺序搭建完整的天然气加气站，了解加气站关键设备及建筑布局，完成后可通过自主漫游查看加气站建筑、设备及管线走向，对加气站有一个直观的了解。

（二）优化设计环节

1.加气站规模及站址优选

选择一个城市，根据该城市的发展规划，确定人口数量、公交车/出租车的服务人数以及车辆用气指标和城市汽车气化率、其他车辆占比调整，计算CNG汽车的用气量，确定站场规模和数量，在地图上选择加气站地址。

2.压缩机组优选

根据气站日加气规模、日开机总时间，计算压缩机小时生产气量，根据压缩机进出口压力计算各级压缩比，了解市面典型的压缩机型号，目前软件提供有L-0.3/32-250型压缩机、L-0.3/160-250型压缩机、M-0.3/315-250型压缩机，自行根据实际项目，为加气站选择正确的压缩机组合。图6为压缩机选型界面。

3.储气井比选

计算储气井的流量和负荷，通过调节高、中、低压储气井个数，合理配置高、中、低压储气井组合，生成储气井压力、容积效率、加气车数量组合加气曲线。

4.脱水设备设计

了解脱水设备的原理，根据软件提示公式计算一个周期内分子筛用量、转效时间、再生气量等设备关键参数。

5.调压阀选型

了解调压阀的流通能力及其计算公式，根据加气站的压力曲线计算调压阀所需的最大流通能力，根据提供的设备型号参数选择调压阀阀芯直径与弹簧号。

（三）运行操作环节

1.站场启动操作

完成三维搭建后，进入模拟运行模块，根据提示模拟站场启动操作。主要步骤有开启节流阀、开启调压阀上、下游阀门，再关闭节流阀，将压力表调节至0.3MPa，开启缓冲罐出口阀，确认压力表读数、确认排污阀正常开启，开启循环水进水、回水阀。按下压缩机开启按钮，检查压缩机运行状态。开启进口、出口阀，开启A高进、高出阀门。检查回收罐阀门，确认关闭。检查站场运行状态。

2.站场停运操作

按下压缩机停止按钮。关闭压缩机进口阀，开启压缩机回收管阀门，关闭A高出、高进阀门，关闭进口、出口阀门，开启回收罐阀门。

3.脱水设备切换操作

模拟脱水操作，观察脱水设备脱水床层水饱和曲线的变化，在脱水床层已饱和时，进行脱水装置的切换操作。开启A高出、高进阀门，选择脱水切换时间。开启B高出、高进阀门。关闭A高出、高进阀门，开启A热出、热进阀门。图3为脱水设备切换操作界面。

4.调节操作

模拟调压操作，依据加气站接口处城市燃气中压管网的压力波动规律，调节调压阀的开度，理解自力式调压阀工作原理。图4为调节操作界面。

5.模拟加气操作

打开汽车前盖，取下防尘塞；取出加气枪，插入加气接口；打开汽车加气阀门；将加气枪阀门旋至“加气”位置开始加气；达到加气量，加气机停止；关闭汽车加气阀门；将加气枪阀门旋至“放散”，再旋至“关闭”，放回加气机；将防尘塞盖回加气接口。

6.环境评价

给出一年加气量的数据，点选任意一天，了解这一天CNG加气站为环境保护（CNG汽车相对于汽油汽车尾气排放量的减少）和碳减排做出的贡献。

五、实验教学过程

（一）任务驱动式

在一些界面可点击学习与该界面操作有关的知识点，因为有界面任务的驱动，这些知识点将被快速学习或巩固。

例如：CNG汽车加气站选站原则以及安全距离要求；气化率，汽车用气指标对预测城市汽车用气量结果的影响；在压缩机或储气井方案优化分析环节，需要学习并理解影响方案的各种因素；在设备选型环节，需要学习设备参数确定方法。

（二）潜移默化式方法

一些操作界面场景非常接近实际 在直观场景和界面层次的影响下，能够潜移默化地进行知识清晰化及系统化整理。

例如：在地图上布置压缩天然气汽车加气站站址，把规范里的理论知识实际运用起来；在平面流程设计环节，不同方案也对应不同管路系统；压缩天然气汽车加气站三维搭建环节，不同设备只能拖向指定位置，这让学生对设备布置原则有了一定认识，并直观展示了设备之间的距离要求。

（三）设计式方法

某些实验步骤都设置了可设计、可调整的参数，学生需要通过掌握各个知识点后进行合理地设计才能进行下一步操作。

例如：由学生选定城市、建设地点、人口数量、公交车数量、出租车数量、气化率、用气指标等参数，从而计算得到CNG汽车加气站规模和数量，并输入软件作为后续设计基础数据；由学生设计计算并输入压缩机、脱水装置、储气井等设备的参数；对压缩天然气汽车加气站的各设备进行流程设计，然后根据二维流程进行三维构建。

（四）互动式方法

一些参数设置后在界面上会给出直观的反馈。比如：人口数量、用气指标、气化率参数设置完成后，会给出城市汽车用气量的反馈；选择不同的压缩机组合方案，会立即反馈经济指标；选择不同的储气井高、中、低组合方案， 反馈储气井容积效率。

六、实验特色

（一）知识系统化，提高学生自主学习能力

学生通过虚拟环境下的漫游认知、实操练习，理论计算等环节加深对基础理论与专业知识的理解，熟悉和掌握压缩天然气汽车加气站设计流程的基本专业知识点，掌握了压缩天然气加气站的规划，规模的确定，具备基于经济和工艺确定站场工艺的能力；掌握压缩天然气汽车加气站中主要设备的内部结构及其工作原理，将原来的碎片化知识整理成系统化、形象化的知识体系；通过自主搭建的虚拟实验方法，提高学生自主学习与独立思考的能力。

（二）培养学生的系统工程思维能力及动手能力

本实验将压缩天然气汽车加气站设备选型与系统运行操作等各实践环节构建成一个有机整体的系统工程。与传统的静态、孤立的设计不同，本实验注重培养学生的系统思维，着眼于压缩天然气汽车加气站设备构件、各设备之间的连接，以及加气站与加气规律之间的相互联系；要求学生多角度、多层次、多变量地设计压缩天然气汽车加气站，要求学生掌握压缩天然气汽车加气站的工艺操作规程、关键工艺，保证站场安全稳定运行，培养学生燃气站场管理操作的能力。高仿真度的自主搭建，二维与三维的交互设计，以及系统的运行调节，均为学生提供了很好的动手机会。

七、结束语

文章旨在深入探讨如何通过引入虚拟仿真实验，将传统的平面静态设计迈向更为立体、实用的三维可构建、可模拟、可运行的系统设计领域。

虚拟仿真实验中，学生们将以跳出传统课堂限制的方式参与，运用独立思考、自主设计等多种方法，参与压缩天然气汽车加气站的虚拟仿真设计与建设。这种实践性学习模式的引入，将为学生提供更贴近真实工程挑战的学习环境。他们将面对来自实际世界的多样挑战，需要不断调整和优化设计方案，以探索解决问题的新途径。这种全面的实践性学习，不仅有助于培养学生解决工程难题的能力，更能够锻炼他们在系统工程领域的思维模式和创新潜能。

虚拟仿真实验建设也为学生们提供了超越传统课堂的学习空间，鼓励他们跨越学科界限，拓展视野，深入探索不同学科的交汇点。这样的实践体验不仅能够激发学生的创新思维，同时也培养了他们的科学研究素养，为未来的工程实践奠定了坚实基础。

综上所述，本论文旨在深入剖析虚拟仿真实验建设对教学改革的影响，并强调其在培养学生工程思维、创新能力和问题解决能力方面的重要作用。同时，论文也将探索如何充分利用这种实践教学模式，推动教学内容更为全面、深入的呈现，以期为未来的教学实践提供新的启示与发展方向。

参考文献：

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[6]赵鲁华，刘海青，王建春.地方院校交通运输专业虚拟仿真实验项目设计[J].物流工程与管理，2022，44（2）：177-180.

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编辑/丁俊玲

作者简介：吴晓南，女，教授，研究方向为城镇燃气、城市能源综合利用；张鹏，女，讲师，研究方向为建筑环境与能源应用教学与研究。

基金项目：2020年教育部产学合作协同育人项目“燃气站场工艺与设备在线课程建设”（202002164004）、“燃气输配在线课程建设”（202002164001）、“城镇燃气管网系统虚拟仿真实验建设”（202002164006）；2021年四川省省级一流课程“压缩天然气汽车加气站优化设计及运行虚拟仿真实验”