L- CNG 加氣站HYSYS 軟件全流程模擬

李宏偉 曲 虎 劉 煜 宋桂鋒 王國晶

中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司 河北滄州 062552

天然氣價(jià)格低廉、潔凈環(huán)保。依照天然氣的不同存在形態(tài)以分為壓縮天然氣（CNG） 和液化天然氣（LNG）。L- CNG 加氣站是CNG 和LNG 兩種加氣方式的有機(jī)結(jié)合，將LNG 經(jīng)過加壓、氣化轉(zhuǎn)化成CNG，并為CNG 汽車儲氣瓶加氣。此外，L- CNG 工藝也可以利用低溫潛液泵為LNG 汽車加氣。

1 L- CNG加氣站主要設(shè)備

L- CNG 加氣站的主要設(shè)備包括：儲罐、卸車增壓氣化器、低壓EAG 氣化器、潛液泵、LNG 加氣機(jī)、柱塞泵、高壓EAG 氣化器、高壓空溫式氣化器、高壓水浴式氣化器、順序控制盤、CNG 儲氣瓶組、CNG 加氣機(jī)等。

2 L- CNG加氣站建模

2.1 關(guān)鍵設(shè)備動(dòng)態(tài)建模方法

L- CNG 常規(guī)加氣站建模過程中，涉及的設(shè)備有槽車、儲罐、汽化器、泵、加注機(jī)、管道、閥門等，本小節(jié)介紹較復(fù)雜的LNG/ 液氮槽車（虛擬計(jì)算模型）、潛液泵、高壓水浴式氣化器、汽車LNG 氣瓶的建模方法，其中以LNG/ 液氮槽車為例詳細(xì)介紹虛擬計(jì)算模型。

2.1.1 LNG/ 液氮槽車

槽車建模需要采用HYSYS的6 個(gè)模塊，包括Separator、Valve、Digital Point、PID Con troller、Spreadsheet 和Selector Block。設(shè)計(jì)原理為：（1）將槽車的實(shí)際直徑、長度或體積輸入模型，模擬槽車容積；（2）通過流入兩股設(shè)定好溫度、壓力的初始物流（液相和氣相）對槽車進(jìn)行初始化；（3）通過壓力控制器來初始化槽車的壓力，可以根據(jù)實(shí)際情況輸入所需要控制的壓力；（4）通過液位控制器來初始化槽車的液位，可以根據(jù)實(shí)際情況輸入所需要控制的液位；（5） 通過Spreadsheet 來實(shí)現(xiàn)槽車的連接及初始化控制。

采用Spreadsheet 來完成槽車初始化及連接切換控制的方法，詳見圖1。

圖1 槽車初始化及連接切換設(shè)定

B2：槽車切換按鈕的輸出值；

D2：氣相連接閥門開度，判斷氣相管線是否連通，公式為“=@IF(B2=0,0,100)”；

D3：液相連接閥門開度，判斷液相管線是否連通，公式為“=@IF(B2=0,0,100)”；

D4：壓力分程控制閥A 受控判斷，當(dāng)其為0 時(shí)受控，對槽車壓力進(jìn)行初始化操作，公式為“=@IF(B2=0,0,1)”；

D5：壓力分程控制閥B 受控判斷，當(dāng)其為0 時(shí)受控，對槽車壓力進(jìn)行初始化操作，公式為“=@IF(B2=0,0,1)”；

D6：液位分程控制閥A 受控判斷，當(dāng)其為0 時(shí)受控，對槽車壓力進(jìn)行初始化操作，公式為“=@IF(B2=0,0,1)”；

D7：液位分程控制閥B 受控判斷，當(dāng)其為0 時(shí)受控，對槽車壓力進(jìn)行初始化操作，公式為“=@IF(B2=0,0,1)”。

2.1.2 潛液泵

潛液泵建模需要使用Pump 模塊，設(shè)計(jì)參數(shù)為流量- 壓頭- 效率曲線，設(shè)計(jì)原理為：（1）輸入潛液泵的流量- 壓頭- 效率曲線，模擬其運(yùn)行；（2）搭建虛擬旁路閥，當(dāng)潛液泵不啟動(dòng)時(shí)，打開虛擬旁路閥模擬流體通過潛液泵的流動(dòng)情況；當(dāng)潛液泵啟動(dòng)，關(guān)閉旁路閥；（3）旁路閥CV 根據(jù)潛液泵在關(guān)閉情況下某固定壓差情況下的流量反算得出。

2.1.3 高壓水浴式汽化器

高壓水浴式汽化器建模需要使用Separator、Heat Exchanger 等模塊，計(jì)算原理為：（1）使用Vessel 模塊模擬高壓水浴式汽化器的容積；（2）使用Heat Exchanger 模塊模擬水浴式汽化器的換熱，并通過定義足夠大的循環(huán)流量實(shí)現(xiàn)充分換熱；（3）使用液位控制器模擬高壓水浴式汽化器的液位控制；（4）使用溫度控制器模擬高壓水浴式汽化器的溫度控制。

2.1.4 汽車LNG 儲氣瓶

采 用 Separator、Valve、Pipe Segment、Digital Point 和Selector Block 模塊，計(jì)算原理為：（1）將實(shí)際汽車氣瓶尺寸輸入模型中模擬氣瓶容積；（2）通過換熱器及壓力控制器模擬汽車氣瓶上的調(diào)壓器，默認(rèn)為關(guān)；（3）通過一個(gè)Vessel 模擬汽車氣瓶的緩沖內(nèi)膽，默認(rèn)為關(guān)。

2.2 典型工況動(dòng)態(tài)建模

2.2.1 系統(tǒng)預(yù)冷

液氮槽車借助自增壓器，由主卸車口卸車；先接槽車氣相口15min，再接槽車液相口；直至儲罐出口管線出現(xiàn)白霜，儲罐預(yù)冷完成；將液氮同時(shí)從底部出液管線和頂部進(jìn)液管線全部卸入儲罐；進(jìn)行潛液泵預(yù)冷和柱塞泵預(yù)冷。

2.2.2 自增壓卸車

進(jìn)行壓力值范圍判斷，若槽車壓力大于0.4MPa，直接開始卸車；不滿足條件時(shí)，開啟自增壓管路，待槽車壓力升至0.4～0.6MPa，開始卸車。卸車到儲罐液位達(dá)到80%或槽車液位降至低點(diǎn)時(shí)，停止卸車。關(guān)閉槽車和儲罐間的氣相和液相管路。

2.2.3 LNG 加注

LNG 加注前判斷車瓶壓力，若車瓶壓力大于10 barg（150psi），需要連通車瓶與儲罐間的回氣管路，進(jìn)行壓力平衡操作。潛液泵低速運(yùn)行，提升加液機(jī)循環(huán)流量，對加液機(jī)進(jìn)行預(yù)冷。最后對氣瓶進(jìn)行LNG 加注。

3 結(jié)論

建立了L- CNG 加氣站HYSYS 全流程模型，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)預(yù)冷、潛液泵及柱塞泵預(yù)冷等工況的模擬，可以進(jìn)行自增壓卸車及用泵卸車等流程的計(jì)算，并完成LNG 和CNG 加注的計(jì)量，為同類L- CNG 加氣站流程優(yōu)化提供參考，對生產(chǎn)操作起到指導(dǎo)作用。