气体处理在Aspen HYSYS的案例模拟应用

气体处理在AspenHYSYS的案例模拟应用

——详情请参考《Aspen软件在化工过程分析和模拟中的应用》一书P101

问题描述：

由于天然气相的优异性能，它已成为现时全球最为常用的能源。对于天然气加工工厂而言，原料气输送至关重要。因此，工程师们需要通过流程模拟和分析评估输送系统的性能，以确保充足的原料供应。本例旨在阐述管道和其他模型在天然气输送过程模拟中的作用。模拟流程由从气井到处理工厂的输送管 的系统组成，包含气体洗涤和脱除凝液的单元操作。本例主要考虑流程中的压力与温度变化。

示例中的天然气组成见表3.5，而管道的示意图以及标高参数见图3.2。

管道长度、等级和公称管径见表3.6。

各个气井的操作参数见表3.7。所有管线均没有保温处理。洗涤器安装在管道的交接点，以去除管 中产生的凝液。

在井口出口则安装有分离器以分离出自由水等液态组分。

在Aspen HYSYS?中进行模拟

本例通过建立模型以分析上述的管 ，而图3.3给出了模拟计算流程图。

本例采用Peng Robinson热力学数据包，气体组成见表3.5。完成物性与组分的设定后，即可进入流程模拟环境。此时，按照图3.2的流程图定义四个气井对应的工艺物流。此时，3号与4号气井压力未知，但由于所有气井采出的天然气组成一致，这两个气井的压力可以通过后续计算得出。为了使天然气中的水分达到饱和，推荐使用Aspen HYSYS?的饱和水工具（Saturator）。这个模型并未显示在Object Palette，因此我们需要点击F12以唤出UnitOps（单元选择）窗口，从中可以选择Aspen HYSYS?所提供的所有单元模型。通过使用窗口左侧的筛选器，可以更容易地找到需要的模型。然后，从窗口右侧选择饱和水工具（Saturate with water module）。

在模型窗体中，设定饱和水工具的入口物流设定为Well1，出口物流设定为Well1*，而新鲜水物流设定为water1。使用相同方式对各个气井的物流进行设定。输入完成后，模型会提示“无法计算两相物流的湿球温度”，但本算例中这个警告并无大碍。同样地，使用饱和水工具对Well2，Well3和Well4进行饱和。

图3.6展示的是饱和水工具的设置页面，从中选择物流Well1作为进料。新建物流Water1作为新鲜水进料，同时新建出料物流Well1*。根据入口气体的温度和压力计算饱和时所需的水分；在本例中，出口物流代表了各个气井的实际工况。与前之相同，本模型之所以出现了警告，是因为出料中有第二相存在，而该模型无法估算两相系统的湿球温度。但这并无大碍。

在设置了Well1的饱和水工具后，请对其他气井系统进行如图3.7的设置。

之后，需要去除这些物流中的凝液和游离水。在Object Palette界面选择分离模型（Separator），并把它加入到流程中，与物流Well1*连接。分离模型的气相出口设定为Well1**，液相出口设定为Cond1。由于该单元在绝热条件下操作，因此无需对它进行传热设置。然后，对剩下的气井物流进行同样的设置，设置后的流程见图3.9。

接下来，需要对管段进行设置。从Object Palette将Pipe Segment1。将管段Line1的入口物流设定为Well1**，出口物流为L1，能量流股设定为QL-1。能量流股代表了Well1**通过Line1所产生的压力降而热量散失。

在Rating标签页中，按照表3.7和图3.2输入管段Line1 的几何参数。点击Append Segment（添加子段）按钮，在模型中增加新的子段，子段可以是一段管道或是管件。在这个界面中，可以选择预设的标准件，如图3.11中选择了Schedule 80的管道，其外径是6.625 in，内径是5.761 in。

图3.16展示了使用上述方法显示各个物流的压力的效果。之后需要输入每个子段的长度和标高，各子段的长度见表3.7，标高如图3.2所示。完成A、B、C三个子段的输入后，Line1的Rating-Sizing窗口如图3.12所示。在Rating窗口中，选择HeatTransfer（传热状况）选项，通过对环境温度与传热系数进行输入，可以对管道的热散失进行估算。

根据本例的设定，天然气输送管 没有进行保温处理，并被埋于地下一米，同时环境温度也有相应的规定。Aspen HYSYS?为我们提供了下列几种管道热传递计算方式：

l ?Heat Loss（热损失）：直接设定管道输出的热流，表示管道中的总热量损失。

l ?Overall HTC（总传热系数）：通过设定管道总传热系数（heat transfer coefficients, HTC），根据物流进料温度和环境温度计算热损失。

l ?Segment HTC（子段传热系数）：通过设定管道各个子段的传热系数，从而计算管道热损失。

l ?Estimate HTC（传热系数估算）：通过输入的数据估算出管道的传热系数和热损失。

选择Estimate HTC，接着选择Include Pipe Wall（包含管壁），Include Inner HTC（包含管内传热系数）与Include Outer HTC（包含管外传热系数）三个选项。为了完成管道热损失的计算，在环境温度（ambient temperature）输入框中输入85℉。余下的选项，Include Insulation（包含隔热），不适用于没有保温的管道。通过上述的输入，管道的模型能够计算出管内流体的压力降以及管道出口的温度。出口气流中是否存在液体，是衡量气流在输送中是否会产生凝液的重要的方式。因此，需要将一些流程变量可视化，以衡量流程是否达到了设计目的。Aspen HYSYS?可通过PFD Table呈现部分物流或是全部物流的状态。显示流程表格的方式，以Well1为例：首先右键点击Well1，然后选中Show Table（显示表格）。默认状况下，结果表格会显示物流的压力、温度和流量。根据需要，可以将更多的变量加入到流程表格内。点击Add Variable（增加变量）按钮，唤出变量选择界面，并选择Actual Liquid Flow（实际液体流量）从而实现了物流Well1中液体流量的显示（如图3.14）。

对Well2，Well3与Well4进行同样的操作，结果如图3.15所示。

其他在流程图中显示物流的变量的方法，如显示全流程各个物流的流量、温度与压力方法有：

? Shift + F: 显示各个物流的摩尔流率（Molar Flow）

? Shift + T: 显示各个物流的温度

? Shift + P: 显示各个物流的压力

? Shift +N: 重新显示物流名称

AspenHYSYS?也提供了在流程界面显示变量的方式。通过Flowsheet/Modify子选单的右上方的图标和下拉菜单可以改变流程的配色方案（color scheme）。点击图标，出现的配置窗口如图3.17所示。

在配色方案设置窗口中，可以选择一个物流变量与颜色标尺，以标识流程中的物流。要选择合适的参数，需要在Scheme Name（方案名称）下拉框中选择Add New（新增）。在弹出的窗口中选择Actual Liquid Flow（实际液体流量），并点击OK按钮（如图3.18所示）。

回到方案配置窗口，可以对新增方案的颜色标尺进行配置。参考图3.16的液体含量数据，将图3.19的数据输入标尺设置界面并关闭窗口，设置完成后的流程图如图3.20所示。

如需将配色方案重置，只需在Scheme Name下拉菜单中选择Default（默认方案）即可。下一步需要将L1和L2两股物流进行混合，并将混合后的物流送到分离器中。将混合后的物流命名为Mix1，为分离器的气相产物命名为Mix1*并为其设置流程 告。完成操作后的流程图如图3.21和3.22。

然后，依照图3.2的管段E数据创建管线3，通过管段F、G、H创建管线4。

接下来，需要将L3和L4混合，并添加一台分离器。混合的物流命名为Mix2。然后，为Mix2*设置包含实际液体流量的流程 告，设置完成后的流程图如图3.23。

接下来，依照图3.2的管段I数据创建管线5，通过管段K、J创建管线6。

接下来，需要对L5和6进行混合，并添加一台分离器。混合物流命名为Mix3，并为Mix3*设置包含实际液体流量的流程 告，设置完成后的流程图如图3.23。最后，依照图3.2的管段L数据创建管线7。

结果分析：

本例中，整个流程中设置了6台分离器，以去除输送天然气的管道压降所产生的凝液。凝液的流量见表3.8。

在模拟可能产生凝液的气体输送时，我们需要对气体进行水分饱和以模拟真实的井口条件，饱和水工具正是实现这种计算的工具。表3.9显示了各个管线的压力降，可以看到，管道流量增大，管道压力降也增大。然而，Line6的压力降要小于Line4。尽管Line6的流量比较大，但line6的管线长度只有581m（对应管段为J，K），Line4的为2636m（对应管道为F，G，H），因此Line4的管长解释了为何压降更大。结论表明，在流体力学计算时，需要对管长和流量两个条件均进行考虑。

学习书籍可参考《aspen软件在化工过程分析和模拟中的应用》

作为一款举世公认的、功能强大的化工设计、动态模拟以及各类计算的大型通用流程模拟软件,Aspen解决方案可以广泛用于能源、化工、制药、工程设计和建造，以及利用化工工艺制造和生产产品的其他行业。

本书的适用对象为高校学生和相关工程技术人员，可作为化工、石化等各专业的高年级本科生或研究生的教材，特别适合于高校化工类专业卓越工程师的培养，也可作为工程设计人员在过程模拟、设计和控制方面的参考书。本书还可以作为Aspen软件的培训教材或供读者自学使用。

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