Способ управления работой комплекса агрегатов компрессорного цеха

 

Изобретение относится к области управления работой газоперекачивающих агрегатов газокомпрессорного цеха при обеспечении транспортировки газа. Способ управления работой агрегатов компрессорного цеха заключается в том, что измеряется давление транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателей, температура транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателей, частота вращения роторов нагнетателей, значение давления или расхода, которое сравнивается с заданной величиной давления или расхода, и формируется управляющее воздействие на системы подачи топлива приводов газоперекачивающих агрегатов, входящих в состав компрессорного цеха. Необходимые величины частот вращения роторов нагнетателей определяют с использованием статических функций, при этом по давлениям технологического газа на входе и выходе параллельно работающих нагнетателей, температуре на входах и выхода нагнетателей и частотам вращения роторов нагнетателей определяют объемную производительность, политропический коэффициент полезного действия и требуемую для обеспечения заданного давления на выходе политропическую мощность сжатия компрессорного цеха, для каждого агрегата определяют механическую мощность на валу привода нагнетателя, по которой рассчитывают расход топливного газа приводов и общий расход топливного газа компрессорного цеха. Путем неоднократного повторения этих действий с перебором значений частот вращения роторов нагнетателей при условии сохранения постоянной политропической мощности сжатия компрессорного цеха получают ряд значений частот вращения роторов нагнетателей, из которых выбирают тот, который считают оптимальным по критерию минимума расхода топливного газа заданием с учетом ограничений на частоты вращения роторов нагнетателей. Задание подают в системы управления газоперекачивающих агрегатов в качестве управляющего воздействия. Для учета нестационарности объекта управления функциональные зависимости для каждого из нагнетателей непрерывно параметрически настраивают с использованием величин давлений транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателя, температур транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателя и расхода топливного газа, получаемых прямыми или косвенными измерениями в процессе работы, что позволяет снизить расход топливного газа при сохранении функциональной надежности и улучшении качества регулирования. 5 ил.

Изобретение относится к области управления работой газоперекачивающих агрегатов газокомпрессорного цеха при обеспечении транспортировки газа.

Известен способ (пат. РФ 2084704, F 04 D 27/00, 1993 г.) регулирования компрессорной станции, которая содержит несколько динамических компрессоров, работающих параллельно, заключающийся в том, что выбирают наибольшее из нормализованных относительных расстояний от рабочей точки компрессора до границы помпажа, управляют исполнительным органом компрессора с выбранным наибольшим расстоянием с помощью масштабированного корректирующего изменения сигнала главного регулятора для восстановления основного параметра газа до требуемого уровня и формируют для каждого компрессора корректирующий сигнал для уравнивания соответствующего нормализованного относительного расстояния до границы помпажа с указанным наибольшим расстоянием.

Недостатком данного способа является то, что не обеспечивается такой выбор скоростей вращения роторов компрессоров, при котором одновременно с обеспечением заданного значения основного параметра газа компрессорной станции обеспечивается минимальный суммарный расход энергии приводов компрессоров.

Известен способ (пат. РФ 2040699, F 02 С 9/28, 1995 г.) регулирования характеристик и диагностики состояния газотурбинного двигателя, заключающийся в том, что формируют заданное значение параметров, измеряют параметры двигателя, вычисляют дифференциальную составляющую измеренного параметра, вычисляют пропорциональную и интегральную составляющие разности заданного и измеренного значений управляющего воздействия как сумму пропорциональной, дифференциальной и интегральной составляющих, контролируют правильность измерения и вычисления значений параметров, пропорциональной, дифференциальной, интегральной, пропорционально-дифференциальной составляющих и управляющего воздействия и при отсутствии сбоев при расчете управляющего воздействия разрешают прохождение управляющего воздействия на управление расходом топлива в двигатель, в процессе испытания формируют заданные значения отклонений режимов работы от номинальных значений, передают их по линиям связи, принимают и изменяют заданное значение параметра в соответствии с заданным значением отклонения, для проверки работы двигателя на контуре регулирования по выбранному параметру формируют команду на снижение настройки заданного значения параметра на заданную величину, обеспечивающую устойчивую работу на выбранном контуре регулирования, передают ее, принимают и отрабатывают команду на снижение настройки заданного значения параметра, при проверке работоспособности противопомпажной системы формируют команду "Имитация помпажа", передают ее, принимают и отрабатывают по заданному алгоритму, формируют управляющее воздействие на изменение расхода топлива, необходимое для восстановления заданного режима работы двигателя, при проведении диагностики состояния двигателя формируют команду на отключение контроля правильности измерения выбранного параметра, вычисление составляющих, управляющего воздействия, передает ее, принимают и производят отключение соответствующего контроля.

Недостатком данного способа является то, что способ не позволяет организовать работу двигателей в составе параллельно работающих ГПА с минимальным суммарным расходом топлива.

Известен способ (пат. РФ 2031212, F 01 K 7/24, 1995 г.) управления энергоблоком путем изменения пропускной способности регулирующего органа турбины по управляющему сигналу, в качестве которого используют сумму двух сигналов, первый из которых равен сумме сигналов заданного значения пропускной способности регулирующего органа и отклонения частоты вращения турбины от заданного значения, а второй - детектированной сумме проинвертированных первого сигнала и сигнала отклонения от заданного значения давления пара за котлом.

Недостатком данного способа является то, что способ не учитывает взаимное влияние при работе нескольких турбин в составе одного энергоблока, работающего на общую нагрузку.

Технический результат, полученный при осуществлении (изготовлении) или использовании средства, воплощающего изобретение, выражается в снижении количества топлива, необходимого для транспортировки единицы количества газа, и, как следствие, в снижении стоимости транспортировки единицы количества газа.

Это достигается тем, что в способе управления работой агрегатов компрессорного цеха, заключающемся в том, что измеряется давление транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателей, температура транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателей, частота вращения роторов нагнетателей, значение основного параметра газа компрессорной станции (давления или расхода), которое сравнивается с заданной величиной основного параметра, и формируется управляющее воздействие на системы подачи топлива приводов газоперекачивающих агрегатов, входящих в состав компрессорного цеха, необходимые величины частот вращения роторов нагнетателей определяют с использованием статических функций, при этом по давлениям технологического газа на входе и выходе параллельно работающих нагнетателей, температуре на входах и выходах нагнетателей и частотам вращения роторов нагнетателей определяют объемную производительность, политропический коэффициент полезного действия и требуемую для обеспечения заданного давления на выходе политропическую мощность сжатия каждого нагнетателя, суммируя которые, получают требуемую политропическую мощность сжатия компрессорного цеха, по политропической мощности сжатия и политропическому коэффициенту полезного действия для каждого агрегата определяют механическую мощность на валу привода нагнетателя, по которой рассчитывают расход топливного газа приводов каждого агрегата и общий расход топливного газа компрессорного цеха, далее путем неоднократного повторения этих действий с перебором значений частот вращения роторов нагнетателей при условии сохранения политропической мощности сжатия компрессорного цеха, постоянной и равной требуемой политропической мощности компрессорного цеха, получают ряд значений частот вращения роторов нагнетателей, из них по минимуму общего расхода топливного газа компрессорного цеха и с учетом ограничений выбирают тот, который считают оптимальным значением задания на частоты вращения роторов нагнетателей на данном шаге и подают в систему управления газоперекачивающих агрегатов в качестве управляющего воздействия, при этом функциональные зависимости для каждого из нагнетателей непрерывно параметрически настраивают с использованием величин давлений транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателя, температур транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателя и расхода топливного газа, получаемых прямыми или косвенными измерениями в процессе работы, что позволяет снизить расход топливного газа и осуществить надлежащий режим экономии при сохранении функциональной надежности и улучшении качества регулирования.

Указанные существенные признаки, характеризующие сущность заявляемого технического решения, не известны в подобной совокупности и взаимосвязи в настоящее время для способов управления работой агрегатов компрессорного цеха. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам изобретения в ходе проведенных исследований, не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "Новизна".

Существенные признаки не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата, откуда следует вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "Изобретательский уровень".

В связи с тем, что заявляемое техническое решение представляет из себя перечень действий, разработанный для реализации управления конкретным процессом работы агрегатов в компрессорном цехе газоперекачивающей станции, а указанная совокупность признаков в виде действий в определенной последовательности достаточно подробно представлена в описании и дополняется примером технической реализации, а именно развернутой функциональной схемой системы управления, в основу которой заложен заявляемый способ, подтверждающий возможность осуществления с достижением технического результата, изобретение соответствует требованию критерия "Промышленная применимость".

На фиг.1 представлены возможные зависимости суммарной мощности и расхода топлива от частот вращения двух нагнетателей, работающих параллельно.

На фиг.2 представлена структурная схема алгоритма реализации заявляемого способа.

На фиг.3 представлен вариант системы управления, реализующий заявляемый способ.

На фиг.4 представлен алгоритм функционирования системы управления.

На фиг.5 представлен простейший вариант реализации системы.

Так как способ представляет собой поиск управляющего воздействия, обеспечивающего минимальный расход топлива, то ход этого процесса может быть рассмотрен на примере распределения нагрузки между двумя газоперекачивающими агрегатами, работающими параллельно, для чего можно построить поверхности (функции двух переменных), аргументами которых будут частоты вращения нагнетателей, а значениями - суммарная мощность и суммарный расход топлива.

На фиг.1 эти поверхности показаны в виде изолиний (сплошные линии - линии постоянной суммарной мощности, пунктирные - линии постоянного суммарного расхода топлива), стрелки показывают направления роста соответствующих величин. Вид поверхности и, соответственно, изолиний зависит от многих факторов, поэтому поверхности могут пересекаться различным образом. В случае кривой А точки минимального расхода топлива А1 и А2 лежат так, что минимум расхода топлива получается при работе одного агрегата на максимальных оборотах, а другого на минимальных. В случае кривой В есть единственная точка минимального расхода топлива В1, которая лежит примерно в середине рабочего диапазона. Вариант кривой А является возможным, режимы, соответствующие точкам А1 и А2, теоретически являются оптимальными, но эти режимы нежелательны по технологическим соображениям. Для того, чтобы избежать таких режимов работы, пользуются вторым критерием оптимизации - максимальным разбросом помпажных запасов у работающих агрегатов. На фиг.1 показана кривая С, ограничивающая область допустимых решений, максимально допустимый разброс вычисляется, исходя из расстояния до различных ограничений, если решение, дающее минимальный расход топлива, укладывается в допустимый разброс по помпажному запасу, то оно выдается в качестве управляющего воздействия на агрегатный уровень, если же такого решения нет, то в качестве задания выдается решение, дающее минимальный разброс помпажных запасов.

В ходе реализации (фиг.2) заявляемого способа измеряется давление технологического газа на выходе компрессорного цеха Р_{вых_кц}, частота вращения ротора нагнетателя (силовой турбины) каждого ГПА N_{ст_i}, давление технологического газа на входе каждого нагнетателя Р_{вх_н_i}, давление технологического газа на выходе каждого нагнетателя Р_{вых_н_i}, температура технологического газа на входе каждого нагнетателя Т_{вх_н_i}, температура технологического газа на выходе каждого нагнетателя Т_{вых_н_i}, давление топливного газа перед мерной шайбой каждого газоперекачивающего агрегата Р_{тг_гпа_i}.

Сравнивается задание на регулируемую величину с текущими значениями регулируемой величины и вырабатывается приращение суммарной относительной мощности сжатия. За 100% суммарной относительной мощности берется суммарная мощность, которая вырабатывалась бы всеми агрегатами, работающими в данный момент в магистраль, при их работе на режиме максимальной мощности (эта величина известна из эксплуатационной документации на ГПА). Для выработки приращения суммарной относительной мощности могут использоваться известные в теории автоматического управления алгоритмы, например П-, ПИ- и ПИД-регуляторы и их модификации (с входной зоной нечувствительности, ограничением скорости или величины выходного сигнала и т.д.). По величине приращения суммарной относительной мощности dL_сумм вырабатывается величина приращения на частоты вращения роторов нагнетателей тех ГПА, которые работают в магистраль, при этом приращения на частоты вращения роторов нагнетателей выбирают такими, чтобы обеспечить требуемую суммарную мощность при минимальном расходе топливного газа. Для этого для каждого газоперекачивающего агрегата, имеющегося в компрессорном цехе, составляют следующие моделирующие нелинейные функциональные зависимости, использующие объемную производительность нагнетателя Q_{н_i}=Q(Р_{вх_н_i}, Р_{вых_н_i}, N_{ст_i}), политропическую мощность сжатия нагнетателя L_{пол_н_i}=L_пол(Р_{вх_н_i}, Р_{вых_н_i}, Q_{н_i}, Т_{вх_н_i}), коэффициент полезного действия нагнетателя Eff__{н_i}=Eff(Q_{н_i}, P_{вx_н_i}, Р_{вых_н_i}), механическую мощность на валу силовой турбины ГПА L_{мех_гпа_i}= L_мех(L_{пол_н_i}, Eff_{_н_i}), расход топлива ГПА G_{т_гпа_i}=G_т(L_{мех_гпа_i}), с привлечением информации о предельных режимах работы, ограничиваемых максимальными и минимальными частотами вращения роторов нагнетателя и газотурбинного привода, предельной температурой продуктов сгорания в газотурбинном приводе, расстоянием до границы устойчивой работы нагнетателя и т.д., циклически получают частоту вращения ротора нагнетателя (силовой турбины) каждого ГПА N_{ст_i}, давление технологического газа на входе каждого нагнетателя Р_{вх_н_i}, давление технологического газа на выходе каждого нагнетателя Р_{вых_н_i}, температуру технологического газа на входе каждого нагнетателя Т_{вх_н_i}, величину которых вводят в вышеуказанные нелинейные зависимости, получая совпадение моделируемого режима работы ГПА с реальным, далее рассчитывают величину текущей суммарной мощности L_сумм с использованием функциональных зависимостей, заложенных при моделировании ГПА, после чего рассчитывают величину заданной суммарной мощности L_сумм+dL_сумм, если в настоящий момент К нагнетателей работают в магистраль, то независимые тестовые воздействия в виде приращений (с положительным и отрицательным знаком) частот вращения подают на К-1 моделей, а воздействие на К-ю модель вычисляют таким образом, чтобы обеспечить заданную суммарную мощность, далее перебирают несколько вариантов изменения частоты вращения ротора нагнетателя и производят расчет по моделирующим функциональным зависимостям, величина этих изменений является функцией от dL_сумм, из перебранных вариантов выбирается тот, который дает минимальный расход топлива по математическим моделям и не приводит к необходимости работы какого-либо ГПА на режиме, близком к предельному по тому или иному параметру.

Величины заданий на частоты вращения роторов нагнетателей, полученные на предыдущем шаге, подаются в локальные системы управления ГПА, эти локальные системы управления выводят ГПА на заданные режимы работы, обеспечивая заданное качество переходных процессов.

Исходные функциональные зависимости, входящие в математические модели агрегатов, строятся по данным эксплуатационной документации для уточнения индивидуальных особенностей каждого агрегата, а также различий, возникающих вследствие износа частей ГПА в процессе эксплуатации, по величинам давления технологического газа на входе каждого нагнетателя Р_{вх_н_i}, давления технологического газа на выходе каждого нагнетателя Р_{вых_н_i}, температуре технологического газа на входе каждого нагнетателя Т_{вх_н_i}, температуре технологического газа на выходе каждого нагнетателя Т_{вых_н_i}, давления топливного газа перед мерной шайбой каждого ГПА Р_{тг_гпа_i}, перепада давлений топливного газа на мерной шайбе каждого ГПА dР_{мш_гпа_i}, рассчитывают величины КПД нагнетателя Eff_{_реа льн_н_i}=Eff_{_реальн}(P_{вх_н_i}, Р_{вых_н_i}, Т_{вх_н_i}, Т_{вых_н_i}) и расхода топлива Gт_{_реальн_i}=Gт_{_реальн}(Р_{тг_гпа_i}, dР_{мш_гпа_i}), сравнивают величины Eff_{_реа льн_н_i}, G_{т_ре альн_i}, полученные на предыдущем цикле, с величинами Eff_{_н_i} и G_{т_гпа_i}, полученными от соответствующей математической модели ГПА, и по величинам рассогласования (Eff_{_реал ьн_н_i} - Eff_{_н_i}) и (Gт_{_реальн_i} - G_{т_гпа_i}) вырабатываются величины изменений параметров функциональных зависимостей Eff_{_н_i}=Eff(Q_{н_i}, Р_{вх_н_i}, Р_{вых_н_i}) и G_{т_гпа_i}=Gт(L_{мех_гпа_i}) соответствующей математической модели ГПА.

Примером системы управления, реализующей заявляемый способ может быть структура, представленная на фиг.3.

Система автоматического управления (САУ) компрессорного цеха предназначена для сбора, обработки и отображения информации об общецеховых технологических параметрах, положении общецеховых исполнительных механизмов, для реализации дистанционного управления кранами узла подключения и для осуществления аварийного останова цеха, в состав этой же САУ входит и подсистема, реализующая управление системами подачи топлива приводов ГПА по заявляемому способу. САУ состоит из подсистем 2 ввода/вывода аналоговых и дискретных данных, подсистемы 1 логико-командного управления общецеховыми исполнительными механизмами, подсистемы 4 управления системами подачи топлива приводов ГПА по заявляемому способу и подсистемы 3 человеко-машинного взаимодействия (пульта оператора).

Данная локальная система управления может быть реализована на базе комплекса микропроцессорных устройств, архитектура которого может быть различной в зависимости от вычислительных ресурсов применяемых устройств и от количества выполняемых системой функций. В простейшем варианте система (фиг. 5) включает устройство связи с объектом 1, осуществляющее аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования, процессорный модуль 2, осуществляющий вычисления для реализации заявляемого способа управления, и терминал оператора (пульт управления) 3, предназначенный для начальной настройки системы, контроля ее работы и задания необходимого значения выходного давления компрессорного цеха.

Предложенный способ управления работой агрегатов компрессорного цеха позволяет достичь более низкого расхода топлива приводов ГПА при более точной стабилизации заданного значения основного параметра газа (давления или расхода) компрессорного цеха по сравнению со способом, по которому управление работой каждого агрегата осуществляется локальной системой управления агрегата, а необходимые для поддержания заданного значения основного параметра газа компрессорного цеха значения частот вращения роторов нагнетателей выбираются оператором, что приводит к снижению стоимости транспортировки единицы количества газа.

Формула изобретения

Способ управления работой комплекса агрегатов компрессорного цеха, заключающийся в том, что измеряется давление транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателей, температура транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателей, частота вращения роторов нагнетателей, значение основного параметра газа компрессорного цеха (давления или расхода), которое сравнивается с заданной величиной основного параметра, и формируются управляющие воздействия на системы подачи топлива приводов газоперекачивающих агрегатов (ГПА), входящих в состав компрессорного цеха, отличающийся тем, что заданные величины частот вращения роторов нагнетателей определяют с использованием статических функций, при этом по давлениям технологического газа на входе и выходе параллельно работающих нагнетателей, температуре на входах и выходах нагнетателей и частотам вращения роторов нагнетателей определяют объемную производительность, политропический коэффициент полезного действия и требуемую для обеспечения заданного давления на выходе политропическую мощность сжатия каждого нагнетателя, суммируя которые получают требуемую политропическую мощность сжатия компрессорного цеха, по политропической мощности сжатия и политропическому коэффициенту полезного действия для каждого агрегата определяют механическую мощность на валу привода нагнетателя, по которой рассчитывают расход топливного газа газотурбинного привода каждого агрегата и общий расход топливного газа компрессорного цеха, далее путем неоднократного повторения этих действий с перебором значений частот вращения роторов нагнетателей при условии сохранения политропической мощности сжатия компрессорного цеха постоянной и равной требуемой политропической мощности компрессорного цеха, получают ряд значений частот вращения роторов нагнетателей, из них, по минимуму общего расхода топливного газа компрессорного цеха и с учетом ограничений, выбирают тот, который считают оптимальным значением задания на частоты вращения роторов нагнетателей на данном шаге и подают в систему управления ГПА в качестве управляющего воздействия, при этом функциональные зависимости для каждого нагнетателя непрерывно параметрически настраивают с использованием величин давлений транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателя, температур транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателя и расхода топливного газа, получаемых прямыми или косвенными измерениями в процессе работы агрегата.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5