基于HYSYS的往復式天然氣壓縮機橇數字孿生系統

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

曹顏玉，李想，張笑影，等.基于HYSYS的往復式天然氣壓縮機橇數字孿生系統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

針對海上平臺電驅往復式天然氣壓縮機橇工藝機理分析映射難、運行監測不夠全面、智能化運維水平較低等問題，創建了一套基于HYSYS機理模型的整橇數字孿生系統。設計了數字孿生系統驅動方法，為HYSYS機理模型的輸入參數采集和計算結果映射，以及系統的數據循環傳輸和功能執行提供理論基礎。針對整體建模較為復雜的整橇天然氣2級壓縮流程進行了簡化，并以此為基礎進行了HYSYS軟件仿真模型構建，將HYSYS模型冷卻水流量的仿真計算結果與設備設計性能參數進行分析對比，驗證了模型的映射性能?；贛ySQL數據庫和MATLAB編程構建了HYSYS與數據庫的通信接口。搭建了數字孿生系統可視化軟件操作平臺，配套了硬件系統并進行了功能驗證和有效性、實時性測試。研究結果表明：基于HYSYS機理模型的整橇數字孿生系統可實時有效地實現天然氣2級壓縮流程較為全面的狀態參數計算、在線監測和工藝機理分析映射。

海上平臺；電驅往復式天然氣壓縮機橇；數字孿生；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的往復式天然氣壓縮機橇數字孿生系統

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

數字孿生（Digital Twin）是通過構建物理實體設備的數字化鏡像模型，對物理設備進行實時映射來實現智能監測與控制的新興技術。其最早由Grieves提出并被定義為三維模型，隨著智能制造、大數據、工業物聯網等新興技術的提出與發展，數字孿生的概念進一步被完善深化。陶飛等［6］提出了數字孿生五維模型理論，即包含物理實體、虛擬模型、服務系統、孿生數據和連接在內的完整系統模型。虛擬模型是物理實體的忠實映射，而實現這一點的關鍵就是要建立系統的機理模型，并配合軟硬件數據通信系統的連接來驅動虛擬模型的實時更新變化［7-13］。

往復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流程，對其狀態參數和實時工藝機理進行監測對于提高生產安全性和經濟效益至關重要。Aspen HYSYS是功能強大的過程模擬仿真軟件，內嵌多種組分數據庫和物性方法，輸入計算所需的流體和單元操作參數后，可快速運行相關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在機理，可對整橇流程中無傳感器監測的關鍵位置各項狀態參數進行仿真補充［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技術和ActiveX構建自動化服務器等進行外部軟件接口的開發，使HYSYS模型的計算分析數據能夠實時傳輸至外部的存儲、分析、可視化軟件中［18-21］。

當前對于往復式壓縮機橇運行監測分析方面的研究仍集中于設計特定軟、硬件監測方案或進行特定設備的離線機理分析［22-24］，缺乏集合整橇流程數據實時采集與機理實時分析映射的全面在線運維系統。工業數字孿生技術的研究集中于制造業裝備或特定裝備部件，對石油天然氣流程工業領域的裝備級數字孿生技術探索較少［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測的全面性，本文以用于海上鉆井平臺的電驅2級往復式天然氣壓縮機橇為研究對象，設計數字孿生驅動方法，創建了一套基于HYSYS機理模型的整橇數字孿生系統。建立天然氣2級壓縮的整橇HYSYS軟件仿真模型作為系統的機理模型，并通過LCP盤通信將傳感器的實時采集數據作為機理模型的輸入參數來驅動機理模型實時更新，利用機理模型計算結果與傳感器實時采集數據，共同實現對整橇壓縮流程較為全面的在線監測和機理映射，并最終可在Unity3D數字孿生系統軟件操作平臺上進行可視化顯示。

1" 電驅往復式天然氣壓縮機整橇數字

孿生系統驅動方法

電驅往復式天然氣壓縮機整橇數字孿生系統由壓縮機整橇物理實體、壓縮機整橇虛擬模型、數據連接和可視化軟件操作平臺4部分組成，驅動方法如圖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往復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備

組成，是數字孿生系統的實時映射對象。實體模塊主要包括壓縮機主機、驅動電機、洗滌罐、緩沖罐、換熱器、LCP盤等關鍵部分；以潤滑油泵、回流調節閥、緊急泄放閥等泵和閥門為節點的管線系統；以及用于安裝設備與管線的整體橇座。感知通信硬件設備主要包括布置于整橇各關鍵位置的溫度、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數據采集卡；以及對設備進行實時監測與反控的工控機。安裝于整橇各處的變送器實時采集數據，同時將數據傳輸匯總至LCP盤，根據數據類型分類傳遞至不同PLC模塊和采集卡，經過驅動流程其余部分操作后即通過工控機對設備狀態進行調整控制。

1.2" 壓縮機整橇數字孿生系統虛擬模型

壓縮機整橇數字孿生系統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，提升系統運行速度，對于壓縮機主機、換熱器、洗滌罐等設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主要幾何參數特征，因此利用PDMS軟件對壓縮機整橇進行模塊化建模。分別構建橇座、主機等關鍵設備和閥門管線系統的高保真三維模型，構建完成后進行位置關系和父子關系設置，將模塊模型組裝成整橇模型并導出。導出后的.stp模型文件經3DMax軟件轉化為.fbx格式后導入Unity3D開發引擎中，進行模型各部分的物理屬性、行為屬性、邏輯關系的腳本編寫設置。

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合，是虛擬模型的驅動核心。輸入傳感器實時采集的溫度、壓力、電機轉速等收斂必要參數后可實時運行計算并得出無傳感器監測的各段位置溫度、壓力、氣液流量等關鍵狀態參數，最后顯示于三維模型的相應位置窗口中。其計算結果與傳感器實時采集數據共同實現對整橇流程較為全面的在線監測。同時采集數據和計算結果數據均實時導入MATLAB中作為代理模型的訓練和驗證樣本，將代理模型預測結果分別與仿真數據、試驗數據、實測數據進行對比，若不滿足精度要求，則根據最優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，通過自適應增加策略不斷修正模型精度，并根據修正結果對HYSYS機理模型進行實時調整。此外，機理模型結果數據實時導入MATLAB后可進行比功耗優化分析以指導優化生產流程。

1.3" 數據連接

數據連接層是實現壓縮機整橇物理實體、虛擬模型、數據庫和可視化軟件操作平臺數據傳輸交互的橋梁。物理實體實時采集數據通過Modbus、TCP/IP協議經由RS485硬接線或LoRa無線通信方式進入數據連接層；虛擬模型數據通過COM技術和ActiveX組件利用MATLAB和C#編程構建通信接口導出進入數據連接層。各項數據根據采樣頻率、規模、利用方式等進一步分類與KEPServerEX和LabVIEW等組態或數據處理軟件連接后，設計編寫數據二次處理程序模塊并構建接口與MySQL數據庫形成雙向通信連接。同時，可視化軟件操作平臺通過SQL、C#編程構建接口與MySQL連接，最終實現以數據庫為核心的整套數字孿生系統數據通信。

1.4" 可視化軟件操作平臺

可視化軟件操作平臺是數字孿生系統的操作手段和服務方式?；赨nity3D引擎進行開發，將整橇模塊化高保真三維模型導入；通過C#腳本編程搭建軟件系統的各項功能，并將HYSYS機理模型進行外部軟件功能掛載；通過編程構建通信接口實現包括機理模型在內的各模塊與MySQL數據庫的數據雙向傳輸，最終實現整橇高保真三維顯示、采集數據實時可視化顯示、機理模型可視化顯示和應用調整、在線監測與故障報警、物理實體運行反控、人員培訓等功能。

2" 整橇HYSYS機理模型構建

在電驅2級往復式天然氣壓縮機整橇數字孿生系統驅動流程中，通過HYSYS過程模擬軟件構建機理模型是孿生系統虛擬模型的核心。HYSYS機理模型計算結果與傳感器實時采集數據形成互補，共同實現對整橇流程較為全面的監測與機理分析映射，與模塊化高保真三維模型共同實現實時監測的多維度可視化。

2.1" 天然氣2級壓縮工藝流程

電驅2級天然氣壓縮機橇由主氣路壓縮系統、滑油系統、換熱系統、回流系統和排污系統等組成。介質泄漏、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于主氣路壓縮系統的主機部件、管線連接處，換熱系統的換熱器、流量控制閥，回流系統的回流調節閥［27-28］。HYSYS軟件對于物料守恒計算和能耗計算的準確性較高，對于滑油系統和排污系統等的映射能力較低。將所有系統均整合入數字孿生系統將成倍提升系統所需容量，不利于系統的實時性和輕量化。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、換熱系統、回流系統，如圖2所示。

天然氣2級壓縮簡化系統主要由主氣路2級壓縮、2級換熱、回流調節以及位于各段關鍵位置的溫度、壓力、液位、振動傳感器等數據采集通信硬件設備組成。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，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，達到預定壓力的天然氣由系統排出作為下一生產階段的氣源。若背壓過高，二級壓縮排氣壓力超過限定值，則回流調節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仿真模型構建

根據天然氣2級壓縮簡化系統，通過設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，物性參數與氣源化驗結果保持一致，組分設定值如表1所示。

由于天然氣氣源中水蒸氣的摩爾分數僅占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為體系熱力學溫度，K；V為摩爾體積，m3/mol；R為理想氣體常數，取8.314 J/（mol·K）；a和b為狀態方程參數。

對于天然氣等混合物系，采用以下計算規則［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的狀態參數；bi為組分i的狀態參數；xi、xj為組分i、j的摩爾分數；δ（1）ij、δ（2）ij、δ（3）ij為組分i與j的二元交互作用參數，可由相平衡試驗數據回歸運算得到。

方程參數確定后，已知工質溫度、壓力、比體積中的任意兩項即可計算出另一項。物性參數設置完畢后，根據LCP盤Modbus協議中的設計參數，設定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。溫度和壓力參數是PR狀態方程計算的收斂輸入參數，與PR狀態方程運算的相關性較高，同時也是對壓縮機橇狀態監測的關鍵參數，壓縮機整橇具備多個關鍵位置的溫度、壓力監測位點。

表2所示為部分LCP盤Modbus監測參數。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速可實時監測控制，在HYSYS中輸入轉速以及主機的缸徑和活塞行程等屬性參數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監測溫度、壓力、壓縮機電機轉速作為模型的輸入參數。

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、換熱器等關鍵單元操作進行嚴格模型設置。針對用于模型準確性驗證的換熱器單元操作，利用Aspen EDR換熱器設計軟件進行換熱器嚴格模型設置并導入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，冷卻水流量相應增加，這時天然氣2級壓縮流程中可體現流股溫度壓力變化、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果通過HYSYS案例分析（case study）功能導出，與實際換熱器的溫度-流量設計性能參數曲線進行對比，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速下分別為118～140 ℃和138～160 ℃。在案例分析中設定溫度步長為0.5 ℃，設定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果與實際換熱器的溫度-流量設計性能參數曲線趨勢一致，不同主機轉速下的2級排氣溫度范圍內冷卻水流量計算結果差異均小于5%，在工程應用的可接受范圍內，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仿真模型數據通信與存儲

HYSYS仿真模型構建完成后，需構建通信接口將計算結果數據從HYSYS導出至數據庫中以便進一步的調用和操作。數據庫是將數字孿生系統各部分串聯起來的核心，選用體積小、速度快、具備TCP/IP和ODBC等多種連接途徑的MySQL數據庫。系統的信息傳遞框架如圖6所示。

MATLAB支持COM技術和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環境下實現對HYSYS模型的讀寫和控制。HYSYS內置的spreadsheet模塊可對模型數據進行存儲和修改，同時其內的模型數據可通過MATLAB、C#等進行編程調取并實時存入MySQL數據庫中。

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

4" 系統功能驗證

在實驗室環境下建立了電驅2級往復式天然氣壓縮機橇數字孿生系統，并利用小型電驅2級往復式天然氣壓縮機試驗臺完成了各項功能驗證，如圖7所示。通過模型導入編輯、腳本編寫、界面設計、功能掛載等進行系統的Unity3D可視化軟件操作平臺構建，以Siemens S7-300 PLC作為總控PLC模塊，通過以太網與整橇設備、變送器、控制器進行通信連接來完成數字孿生系統的驅動流程，最終實現實時采集數據與HYSYS機理模型計算結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，在各個關鍵設備位置以及變送器和指示器旁均有設備屬性和工況顯示窗格，實時顯示如氣缸型號、電機轉速、閥門開度、溫度壓力數值等屬性和工況信息?？蓪YSYS機理模型計算結果進行可視化顯示與輸入、輸出調整，機理模型數據實時顯示于數值輸出窗口和歷史曲線輸出窗口中。在輸入窗口中可對HYSYS機理模型的關鍵輸入參數進行人工修改以適應較大的工況調整?？山Y合傳感器實時采集數據和機理模型計算結果，實現整橇流程各個系統和區段的可視化在線監測與故障報警。可根據氣液流量、轉速等實時采集數據和機理模型計算結果進行氣液流動、曲軸運動等動態可視化顯示，機理模型計算所得氣液流量或實時監測到轉速上升時，氣液流動或曲軸旋轉的動態速度相應增加。

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

根據整橇實際測點數量，對溫度、壓力的實時采集數據和HYSYS機理模型計算數據分別設定20個real型數據源，對振動實時采集數據設定20個real型數據源，對3種類型數據的單項功能數據傳輸和執行耗時分別進行50次測試采樣。獲取的三維模型信息窗口顯示（功能1）、機理模型計算結果可視化頁面顯示（功能2）和整橇流程在線監測頁面顯示（功能3）數據傳輸和功能執行平均耗時如表4所示。

由表4可知，Unity引擎端的3項功能對于溫度、壓力、振動的實時采集數據的數據傳輸和功能執行的平均耗時均小于30 ms，可較好地保證數字孿生系統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、壓力的機理模型數據的傳輸和功能執行，由于包括了HYSYS機理模型收斂計算時間，相較于實時采集數據時間略長，但平均耗時均小于50 ms，可滿足數字孿生系統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" 論

（1）基于HYSYS構建的整橇機理模型以傳感器實時采集數據作為輸入參數，對無傳感器監測的關鍵區段狀態參數進行計算，結果與傳感器實時采集數據形成互補，可實現對整橇較為全面的實時狀態映射。利用HYSYS構建整橇壓縮流程仿真模型，通過設置與現實生產高度一致的物性條件和設備參數，可有效保證機理模型對物理實體的還原能力。

（2）以MySQL作為核心數據庫，通過C#、MATLAB構建通信接口的往復式天然氣壓縮機整橇實時采集數據與HYSYS仿真模型數據通信和存儲方案，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式天然氣壓縮機橇數字孿生系統的傳感器采集數據與機理模型數據的通信需求。

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

（4）該系統有助于提升電驅往復式天然氣壓縮機整橇的運行監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解決方案，也可為裝備級數字孿生提供創新性思路。

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第一曹顏玉，高級工程師，生于1982年，2007年畢業于天津大學一般力學與力學基礎專業，獲碩士學位，現從事海洋平臺壓縮機成套設備設計工作。地址：（300452）天津市濱海新區。電話：（022）25803776。email：caoyy@cnooc.com.cn。

2023-11-21

劉鋒