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CN106050722B - 基于相似原理的通用特性曲线喘振控制方法和系统 - Google Patents

基于相似原理的通用特性曲线喘振控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相似原理的通用特性曲线喘振控制方法和系统，所述通用特性曲线是用根据相似原理组合而成的无因次组合参数来表示，采用通用特性曲线作为喘振极限线，通过准确计算压缩机运行点与喘振区的距离，从而达到避免机组进入喘振区的危险，并且尽量减少放空和回流带来的能量损失。本发明用于防喘振控制时，不受入口工况，如分子质量、温度、压力等变化带来的影响。

Description

基于相似原理的通用特性曲线喘振控制方法和系统
技术领域
本发明涉及透平压缩机防喘振控制与保护，尤其是使用与入口条件无关的通用特性曲线坐标系统，解决压缩机运行点和喘振区测量和计算的准确性。
背景技术
喘振是轴流和离心压缩机特有的属性，强烈的喘振会使止推轴承损坏，机器内部产生摩擦，严重损伤压缩机部件，持续喘振对压缩机会造成严重危害，压缩机组在整个工艺系统运行中，必须避免喘振工况。
有效的防喘振控制与许多因素有关，如过程工艺、压缩机、控制阀、测量和控制设备的动态响应特性等，尤其是控制系统测量和计算的准确性。
因为防喘振控制都是通过压缩机性能曲线来实现，常规性能曲线横坐标为流量，纵坐标为压力、压比或效率，某些压缩机在实际运行过程中，工况条件经常发生变化，如分子质量、温度、压力等的波动，偏离了设计的工作状态，使原先的性能曲线不准确，结果导致运行安全性和效率下降，甚至不能阻止喘振发生，严重时造成机组的损毁。
现有防喘振控制方法主要包括固定极限流量法和可变极限流量法。固定极限流量防喘振控制是使压缩机的入口流量保持大于某一固定值，即正常可以达到最高转速下的临界流量(喘振流量)，从而避免进入喘振区运行。固定极限流量防喘振控制方案设计简单，系统可靠性高，投资少，适用于转速恒定场合。它的缺点为当转速下降的时候，低负荷情况下运转的压缩机能量消耗大，极限流量的裕量也很大。
相对于固定极限流量防喘振控制，可变极限流量防喘振控制方法增加了低转速的运行区间，是目前应用的最广泛的一种方法。在各种转速工况(对于可变导叶或静叶的机组，情况类似，在本发明中不再描述)下的压缩机的喘振流量是不稳定的，喘振流量和压缩机的转速有着密切的关系，一般情况下，压缩机的转速减小，喘振流量也相应的减小。所以防喘振控制方案的最佳设计是留有相应的安全裕度，在喘振线的右侧设计出一条和喘振线(即喘振极限线)类似的安全线(即喘振控制线)，让防喘振控制器沿着这条安全线工作，使控制器的预先设定好的给定值随着转速的变化而能做出相应的变化，这样就可以减少喘振发生的几率。
上述两种传统的防喘振控制方法可满足大多数压缩机防喘振控制要求。但这两种方法均未考虑压缩机进气状态变化对性能曲线的影响，存在以下缺点：
1)在开工阶段以及正常生产阶段，无论入口压力、入口温度、分子量怎样变化，喘振极限线和喘振控制线的形状和位置始终固定不变，与实际产生偏差，使控制不确定性因素增加。
2)不能有效补偿入口压力、入口温度、分子量等变化对喘振极限线、喘振控制线和运行点造成的影响。
3)一旦发生喘振，需要改为手动操作，否则在自动模式中振荡发散。
4)很多现场阀门长期回流或放空，造成巨大的能源浪费。
因此，需要发明一种有效的测量和计算方法，能对入口温度变化、入口压力变化、分子量变化等进行有效和准确的补偿，保证喘振极限线和运行点的计算准确可靠，以提高机组运行的安全性和效能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相似原理的通用特性曲线喘振控制方法和系统。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于相似原理的通用特性曲线喘振控制方法，该喘振控制方法包括以下步骤：
1)根据相似原理构造无因次组合参数，利用所述无因次组合参数建立适用于多种工况下的喘振控制的压缩机通用特性曲线；
2)根据所述压缩机通用特性曲线建立喘振控制线，计算压缩机实际运行点与喘振控制线的距离并作为偏差信号，根据偏差信号控制压缩机的实际运行状态，避免压缩机运行进入喘振区。
所述工况包括入口温度、入口压力以及气体分子质量。
所述压缩机通用特性曲线选自特性曲线或者Rc—Ma特性曲线，Rc表示压比，表示流量系数，Ma表示马赫数；以无因次组合参数或表示，Qv表示体积流量，Z表示压缩因子，R表示气体常数，T表示气体绝对温度，fk(σ)表示多变指数的函数；Ma以无因次组合参数表示，N表示转速。
将的计算等同转化为计算ΔPo,s为入口流量压差，Ps为入口压力。
利用安装在排气口的流量压差测量元件测量得到出口流量压差ΔPo,d，通过压比及温比将ΔPo,d换算为ΔPo,s。
所述喘振控制方法具体包括以下步骤：
a)根据压缩机厂商提供的某一入口工况下的压缩机特性曲线，经换算和拟合得到所述压缩机通用特性曲线，或通过喘振试验得到的试验特性数据建立所述压缩机通用特性曲线；以所述压缩机通用特性曲线作为喘振极限线，将喘振极限线偏移一定裕度S得到喘振控制线；
b)压缩机实际运行中，通过压力传感器测量入口压力Ps和排气压力Pd，通过流量压差测量元件测量入口流量压差ΔPo,s；
c)通过计算压比Rc＝Pd/Ps和得到实际运行点；
d)计算实际运行点与喘振控制线对应控制点的距离，根据距离产生用于控制防喘振阀开度或压缩机运行转速的控制信号。
一种基于相似原理的通用特性曲线喘振控制系统，所述喘振控制系统包括用于计算实际运行点的模块、用于计算喘振极限线上与所述实际运行点对应的喘振点的模块以及用于根据所述喘振点计算所述实际运行点与喘振控制线的距离的模块，所述喘振极限线是利用根据相似原理构造的无因次组合参数建立的适用于多种工况下的喘振控制的压缩机通用特性曲线。
所述压缩机通用特性曲线选自特性曲线或者Rc—Ma特性曲线，Rc表示压比，表示流量系数，Ma表示马赫数；以无因次组合参数或表示，Qv表示体积流量，Z表示压缩因子，R表示气体常数，T表示气体绝对温度，fk(σ)表示多变指数的函数；Ma以无因次组合参数表示，N表示转速。
将的计算等同转化为计算ΔPo,s为入口流量压差，Ps为入口压力。
所述喘振控制系统具体包括第一乘除器模块、第二乘除器模块、开方器模块、特性修正模块以及加减器模块；第一乘除器模块计算压比Rc＝Pd/Ps，Pd为排气(出口)压力；第二乘除器模块和开方器模块计算特性修正模块根据第一乘除器模块计算的压比以及所述压缩机通用特性曲线得到喘振点，加减器模块根据所述喘振点及喘振裕度S计算实际运行点与喘振控制线对应控制点的距离，所述实际运行点通过计算压比Rc＝Pd/Ps和得到。
本发明的有益效果体现在：
本发明根据压缩机组相似原理，建立通用特性曲线坐标系统(例如Pd/Ps vs.)，使喘振极限线不会因为入口工况(如分子质量、温度、压力等)的变化而变化，因此可以准确计算出压缩机运行点与喘振区的距离，能够更好地保护透平压缩机，避免喘振损坏，并且尽可能地减少回流和放空带来的能量损失。将通用特性曲线应用于防喘振控制，对工艺参数经常变化的场合，具有很好的适用性。
附图说明
图1为透平压缩机及其控制系统的结构示意图。
图2为常规透平压缩机性能曲线示意图。
图3为实际工艺流量小于压缩机喘振流量时回流控制示意图。
图4为本发明实施例不同工况下常规性能曲线图。
图5为本发明实施例不同工况下通用特性曲线图。
图6为本发明实施例喘振控制计算模型框图；
图中：101为透平，102为压缩机，103为进口管线，104为流量节流元件，105为排气管线，106为气源，107为用户，110为入口压力传感器，111为排气压力传感器，112为入口温度传感器，113为排气温度传感器，114为流量压差传感器，115为防喘振阀位置传感器，116为转速传感器，117为入口导叶位置传感器，12为控制系统，121为喘振控制器，122为性能控制器，123为速度控制器，130为防喘振阀，131为透平蒸汽入口阀门，132为入口导叶，31为第一乘除器，32为第二乘除器，33为特性修正，34为开方器，35为加减器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参见图1，透平压缩机中，透平101(本发明以蒸汽透平驱动为例，燃气透平和电机驱动方式不再描述)驱动压缩机102旋转，将气体从气源106压缩输送至用户107，气体通过进口管线103，经过流量节流元件104进入压缩机102，通过排气管线105离开压缩机102至用户107，一部分气体通过防喘振阀130回流到气源106。
图1也显示了透平压缩机的控制系统12(含测量传感器)，测量传感器包括转速传感器116，入口导叶位置传感器117，入口压力传感器110，排气压力传感器111，入口温度传感器112，排气温度传感器113，流量压差测量元件(例如流量压差传感器114，通过测量流量节流元件104的压差)，以及防喘振阀位置传感器115。
控制系统12主要由喘振控制器121、性能控制器122和速度控制器123组成，喘振控制器121通过计算运行点与喘振点的距离，控制防喘振阀130的开度，使运行点在安全区内运行，这是本发明要阐述的重点；性能控制器122接收工艺气体流量和压力信号，通过控制入口导叶132(是其中控制方法之一)，使流量和压力满足用户工艺要求；速度控制器123接收转速传感器116信号，控制透平蒸汽入口阀门131，以保证透平转速达到目标要求。
透平压缩机组的振动、油站、密封等监控不在本发明中描述。
参见图2、图3，对于在100％压力(相对值)下的喘振点B和控制点C，喘振控制必须维持80％(假设)的最低喘振流量通过压缩机102，以保证机组安全运行。假如工艺要求65％的流量(在运行点A)，喘振控制通过防喘振阀130回流15％的流量，两者加起来80％的流量通过压缩机102。当工艺要求流量大于80％最低喘振流量时(在运行点D)，防喘振阀130将全部关闭。
某C-202重整循环氢压缩机在三种不同工况下压缩机的特性曲线(压比Rc vs.体积流量Qv)，参见图4：
Case A EOC工况：MW＝13.85，Ps＝1420kPa，Ts＝311.15K
Hydrogen 2工况：MW＝3.72，Ps＝1000kPa，Ts＝311.15K
Regen 2工况：MW＝31.41，Ps＝600kPa，Ts＝313.15K
在Case A EOC工况下，压比Rc＝1.943时压缩机喘振流量为11041(ACMH)，在同样压比Rc＝1.943下，Regen 2工况下，压缩机喘振流量为7059(ACMH)。可以看出，在同样压比下，分子量MW＝13.85工况的喘振流量要比分子量MW＝31.41的喘振流量高出56％。
从上面可以看出，常规特性曲线用于气体组分变化较大的防喘振控制，实际偏差较大，一旦工况变化，往往会导致运行效率降低(回流或放空增加)，甚至防喘振控制失败。
要使特性曲线坐标系统与入口工况无关，就必须满足相似条件，即：几何相似，进口速度三角形相等(或流量系数相等)，马赫数Ma相等，气体定熵指数k相等，则可证明压比和效率不变。
由于气体定熵指数k不能直接测量，根据工程经验在很多情况下k值影响很小，可以乎略。特殊场合，如需要更精确计算，可以作为多变指数的函数计算k＝fk(σ)值。
因此，对于同一透平压缩机，要使压比Rc相等，则只需保持流量系数和马赫数相等就可以了，如用流量系数和马赫数Ma表示它们的性能曲线，以表示，Ma以表示，这样绘出的性能曲线，与传统性能曲线相比，在应用时不受进口条件限制(如分子质量、温度、压力等)，性能曲线不受影响。参见图5，使用无因次流量系数代替体积流量Qv，同样图4的三种工况，在图5中三种工况曲线可归一化到一条曲线。这种通用特性曲线用于防喘振控制，将不受进口条件限制，计算准确，使控制系统安全性提高，运行效率增加(回流或放空减小)。
可以根据OEM厂提供的常规特性曲线，换算和拟合成通用特性曲线作为喘振极限线。或通过喘振试验得到的一组试验特性数据，根据特性数据建立通用特性曲线：
1)对于通用特性曲线坐标系统(Pd/Ps vs.)，首先Y轴压比Pd/Ps，是比较容易测量计算的，对于X轴流量系数可通过换算到常规仪表容易测量的参数(例如ΔPo,s、Ps)。
代入得
此处k1是由节流装置确定的计算系数。
入口流量压差△Po,s和入口压力Ps容易用常规仪表测量得到。
当流量压差测量元件安装在排气口时，可通过压比及温比由出口流量压差△Po,d换算得到入口流量压差△Po,s。
2)根据工程经验，很多情况下k值影响很小，可以乎略，所以假定为常数。特殊情况，要考虑k值的影响，可将k作为多变指数的函数k＝fk(σ)，因此通用特性曲线坐标系统改为(Pd/Ps vs.)。
3)在没有流量压差测量元件，而气体分子质量已知的情况，可以建立用代表马赫数Ma的通用特性曲线坐标系统(Pd/Ps vs.)，同样不受进口条件(如分子质量、温度、压力等)的影响。
参见图6，根据上述通用特性曲线(例如图5)，以下举例说明本发明喘振控制计算流程：第一乘除器31计算压比Rc＝Pd/Ps，第二乘除器32与开方器34计算与等同的特性修正33修正Pd/Ps为f(Rc)与压缩机喘振极限线匹配,将两个信号与a＝f(Rc)送到加减器35，得到喘振过程控制值PV＝a-b+喘振裕度S，进入喘振控制器进行控制。
符号说明：
P为气体绝对压力；Rc为压比；ΔPo为流量压差；Qv为体积流量；为流量系数；Ma为马赫数；Z为压缩因子；N为转速；R为气体常数，R＝Ru/MW(Ru为普适气体常数，8.31441，MW为分子质量)；T为气体绝对温度；σ为指数，σ＝(n－1)/n；n为多变指数；k为气体定熵指数，k＝Cp/Cv(Cp为气体定压比热，Cv为气体定容比热)；ρ为气体密度；下标d表示出口(即排气口)；下标s表入口。

Claims (9)

1.一种基于相似原理的通用特性曲线喘振控制方法，其特征在于：该喘振控制方法包括以下步骤：
1)根据相似原理构造无因次组合参数，利用所述无因次组合参数建立适用于多种工况下的喘振控制的压缩机通用特性曲线；
2)根据所述压缩机通用特性曲线建立喘振控制线，计算压缩机实际运行点与喘振控制线的距离并作为偏差信号，根据偏差信号控制压缩机的实际运行状态，避免压缩机运行进入喘振区；
所述喘振控制方法具体包括以下步骤：
a)根据压缩机厂商提供的某一入口工况下的压缩机特性曲线，经换算和拟合得到所述压缩机通用特性曲线，或通过喘振试验得到的试验特性数据建立所述压缩机通用特性曲线；以所述压缩机通用特性曲线作为喘振极限线，将喘振极限线偏移一定裕度S得到喘振控制线；
b)压缩机实际运行中，通过压力传感器测量入口压力Ps和排气压力Pd，通过流量压差测量元件测量入口流量压差ΔPo,s；
c)通过计算压比Rc＝Pd/Ps和得到实际运行点；
d)计算实际运行点与喘振控制线对应控制点的距离，根据距离产生用于控制防喘振阀开度或压缩机运行转速的控制信号f(Rc)为与压缩机喘振极限线匹配的修正Pd/Ps。
2.如权利要求1所述的基于相似原理的通用特性曲线喘振控制方法，其特征在于：所述工况包括入口温度、入口压力以及气体分子质量。
3.如权利要求1所述的基于相似原理的通用特性曲线喘振控制方法，其特征在于：所述压缩机通用特性曲线选自特性曲线或者Rc—Ma特性曲线，Rc表示压比，表示流量系数，Ma表示马赫数；以无因次组合参数或表示，Qv表示体积流量，Z表示压缩因子，R表示气体常数，T表示气体绝对温度，fk(σ)表示多变指数的函数；Ma以无因次组合参数表示，N表示转速。
4.如权利要求3所述的基于相似原理的通用特性曲线喘振控制方法，其特征在于：将的计算等同转化为计算ΔPo,s为入口流量压差，Ps为入口压力。
5.如权利要求4所述的基于相似原理的通用特性曲线喘振控制方法，其特征在于：利用安装在排气口的流量压差测量元件测量得到出口流量压差ΔPo,d，通过压比及温比将ΔPo,d换算为ΔPo,s。
6.一种基于相似原理的通用特性曲线喘振控制系统，其特征在于：所述喘振控制系统包括用于计算实际运行点的模块、用于计算喘振极限线上与所述实际运行点对应的喘振点的模块以及用于根据所述喘振点计算所述实际运行点与喘振控制线的距离的模块，根据距离产生用于控制防喘振阀开度或压缩机运行转速的控制信号 Ps为入口压力，Pd为排气压力，入口流量压差为ΔPo,s，压比Rc＝Pd/Ps，f(Rc)为与压缩机喘振极限线匹配的修正Pd/Ps，喘振极限线偏移一定裕度S得到喘振控制线，所述喘振极限线是利用根据相似原理构造的无因次组合参数建立的适用于多种工况下的喘振控制的压缩机通用特性曲线。
7.如权利要求6所述的基于相似原理的通用特性曲线喘振控制系统，其特征在于：所述压缩机通用特性曲线选自特性曲线或者Rc—Ma特性曲线，Rc表示压比，表示流量系数，Ma表示马赫数；以无因次组合参数或表示，Qv表示体积流量，Z表示压缩因子，R表示气体常数，T表示气体绝对温度，fk(σ)表示多变指数的函数；Ma以无因次组合参数表示，N表示转速。
8.如权利要求6所述的基于相似原理的通用特性曲线喘振控制系统，其特征在于：将的计算等同转化为计算ΔPo,s为入口流量压差，Ps为入口压力。
9.如权利要求6所述的基于相似原理的通用特性曲线喘振控制系统，其特征在于：所述喘振控制系统具体包括第一乘除器模块、第二乘除器模块、开方器模块、特性修正模块以及加减器模块；第一乘除器模块计算压比Rc＝Pd/Ps，Pd为排气压力；第二乘除器模块和开方器模块计算特性修正模块根据第一乘除器模块计算的压比以及所述压缩机通用特性曲线得到喘振点，加减器模块根据所述喘振点及喘振裕度S计算实际运行点与喘振控制线对应控制点的距离，所述实际运行点通过计算压比Rc＝Pd/Ps和得到。
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