Способ измерения расстояния от рабочей точки турбокомпрессора до границы помпажа

Способ измерения расстояния от рабочей точки турбокомпрессора до границы помпажа относится к области компрессоростроения и эксплуатации компрессоров, в частности к области противопомпажного регулирования и защиты. Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения расстояния от рабочей точки турбокомпрессора до границы помпажа, включающем построение границы помпажа и рабочей точки в координатах, инвариантных к изменениям параметров рабочей среды на входе турбокомпрессора, определения угловых коэффициентов лучей, проведенных из начала координат в рабочую точку и в соответствующую точку линии границы помажа, ордината которой равна ординате рабочей точки, расстояние от рабочей точки до границы помпажа определяют как отношение углового коэффициента луча, проведенного из начала координат в точку на границе помпажа, ордината которой равна ординате рабочей точки, к угловому коэффициенту луча, проведенного из начала координат в рабочую точку, и в качестве регулируемого параметра для противопомпажного регулятора используют определенное отношение. Такой способ позволит повысить эффективность и надежность противопомпажного регулирования. 4 ил.

 

Изобретение относится к области компрессоростроения и эксплуатации компрессоров, в частности к области противопомпажного регулирования и защиты.

Известен способ измерения расстояния от рабочей точки турбокомпрессора до границы помпажа (Пивень В.Д. и др. "Автоматизация газотурбинных остановок", Ленинград, Машиностроение, 1967), в котором рабочая точка турбокомпрессора и линия границы помпажа, определенная как прямая линия, строятся в координатах перепад давления на сужающем устройстве, установленном на входе компрессора (Δр₀) (X, абсцисса), и давления на выходе компрессора (р_вых.) (Y, ордината), при этом расстояние от рабочей точки до границы помпажа определяется как разность между абсциссой соответствующей точки линии границы помпажа, имеющей ординату рабочей точки, и абсциссой рабочей точки.

Учитывая, что для противопомпажного регулирования возможно перерегулирование процесса, то границу помпажа смещают в зону устойчивой работы компрессора на определенную величину для обеспечения так называемой зоны безопасности, и для целей противопомпажного регулирования производят отсчет расстояния от рабочей точки до смещенной границы помпажа, которая называется линией противопомпажного регулирования (в дальнейшем для краткости - линией регулирования) и которая служит для определения задания противопомпажного регулятора. При этом вычисленную разность используют в замкнутом контуре противопомпажного регулирования с применением регулятора, работающего по пропорциональному закону регулирования (П-регулирования). Если разность больше нуля, то противопомпажный клапан будет закрываться, если разность меньше нуля, то клапан будет открываться, удерживая рабочую точку вблизи линии регулирования.

Особенностью указанного способа измерения расстояния от рабочей точки до границы помпажа является то, что способ изображения границы помпажа осуществляется в виде прямой линии, которая в действительности может иметь более сложную форму, а также то, что величина расстояния от рабочей точки до границы помпажа зависит от условий на входе компрессора, поскольку выбранные координаты не являются инвариантными по отношению к изменениям параметров рабочей среды на входе в компрессор. Так при изменении температуры рабочей среды в указанных координатах происходит изменение положения границы помпажа, а это может привести к тому, что противопомпажный регулятор может допустить работу компрессора в зоне неустойчивой работы, т.е. не гарантирует защиту компрессора от помпажа.

Известен более близкий по технической сущности к заявляемому способу способ измерения расстояния от рабочей точки турбокомпрессора до границы помпажа (патент США №5508943, F04D 17/14, опубл. 16.04.1996, патент РФ №2168071 F04D 27/02, опубл. 27.05. 2001), при котором рабочая точка и граница помпажа строятся в различных координатах для компрессоров, не имеющих поворотного входного направляющего аппарата (ВНА), и для компрессоров с входным поворотным направляющим аппаратом.

В качестве координат используются (для компрессора без ВНА) приведенная мощность компрессора Р_r/k_s или приведенный крутящий момент Т_r/k_s, где k_s=C_p/C_v для условий на входе компрессора, отношение приведенного политропного перепада к значению k_s, отношение перепада давления на сужающем устройстве, установленном на входе компрессора, к значению k_s, отношение давлений в компрессоре или отношение квадрата частоты вращения компрессора к значению k_s. Если компрессор имеет ВНА, то используется дополнительный параметр, характеризующий угол поворота ВНА. Для принятых комбинаций координат положение рабочей точки определяется угловым коэффициентом луча, проведенного из начала координат в рабочую точку, а положение соответствующей точки на границе помпажа определяется угловым коэффициентом луча, проведенного из начала координат в соответствующую точку границы помпажа, одна из координат которой постоянно равна соответствующей координате рабочей точки. При этом расстояние рабочей точки до границы помпажа определяется отношением углового коэффициента луча, проведенного в рабочую точку, к угловому коэффициенту луча, проведенного в соответствующую точку границы помпажа.

В такой системе в случае нахождения рабочей точки в зоне устойчивой работы компрессора это отношение всегда будет меньше единицы и оно будет равно единице при нахождении рабочей точки на границе помпажа (линии регулирования). При перемещении рабочей точки в зону безопасности это отношение будет расти.

Использование мощности (крутящего момента) в качестве координаты рабочей точки связано с необходимостью установки соответствующих датчиков на турбокомпрессорном агрегате, что не всегда представляется осуществимым. Кроме того, необходимо иметь ввиду, что при таком способе измерения расстояния от рабочей точки до границы помпажа затруднена оптимальная настройка регулятора из-за сугубо нелинейной характеристики измеряемого параметра при движении рабочей точки по линии постоянной частоты вращения компрессора.

Известен также наиболее близкий по технической сущности к заявляемому и выбранный в качестве прототипа способ измерения расстояния от рабочей точки до границы помпажа (патент США №4949276, F04D 27/02, опубл. 14.08.1990, способ также описан в книге "Автоматизация процессов газовой промышленности". Под общей ред. Ф.З.Шайхутдинова и др. СПб., Наука, 2003 г.), в котором граница помпажа и рабочая точка строятся в координатах отношение перепада давления на сужающем устройстве, установленном на входе компрессора (Δр₀), к давлению на входе компрессора Р_вх (абсцисса) и приведенный политропный напор, полученный делением политропного напора на произведение Z_вх.·T_вх., деленное на молекулярный вес (ордината), где Z_вх. и Т_вх - сжимаемость и температура газа на входе компрессора. При этом расстояние от рабочей точки до границы помпажа определяется как отношение углового коэффициента луча, проведенного из начала координат в рабочую точку к угловому коэффициенту луча, проведенного из начала координат в соответствующую точку линии границы помпажа, ордината которой равна ординате рабочей точки.

Использование в качестве координат комплексов параметров, которые инвариантны по отношению к изменениям условий на входе в компрессор, позволяет однозначно определять положение рабочей точки по отношению к границе помпажа при различных условиях на входе компрессора, включая изменение состава рабочей среды.

Особенностью способа-прототипа является нелинейный характер изменения значения расстояния от рабочей точки до границы помпажа при ее приближении к границе помпажа. На фиг.1 показано изменение расстояния от рабочей точки компрессора до границы помпажа S_п при ее движении при постоянной частоте вращения центробежного газового компрессора 2Н-25-76-1.44 для приведенных частот вращения n=0,8 и n=1,0 (Линии 1 и 2), там же показано изменение расстояния от рабочей точки до линии противопомпажного регулирования S_рег. (Линия 3), которая была получена прибавлением коэффициента b=0,53 к значению S_п, и тем самым произведено смещение границы помпажа в направлении зоны устойчивой работы компрессора. Результаты получены по данным характеристики компрессора, построенной в координатах отношение давлений в компрессоре (ордината) и перепад давления на сужающем устройстве на входе компрессора (абсцисса). Из графика видно, что при приближении рабочей точки к границе помпажа (линии регулирования) значение расстояния от рабочей точки до границы помпажа (линии регулирования) резко возрастает от величины, меньшей единицы, до величины, равной единице (когда рабочая точка достигает точки, расположенной на границе помпажа (линии регулирования). При дальнейшем перемещении рабочей точки значение расстояния от рабочей точки до границы помпажа (линии регулирования) продолжает расти. Нужно сказать, что при формировании линии регулирования иным способом, например смещением каждой точки границы помпажа в направлении зоны устойчивой работы компрессора на заданную величину, характер нелинейного изменения расстояния от рабочей точки до линии регулирования сохраняется. Поскольку достижение рабочей точкой линии регулирования служит сигналом для вступления в работу противопомпажного регулятора, то значение расстояния от рабочей точки до линии противопомпажного регулирования, равное единице, служит заданием для этого регулятора, а отклонение расстояния от рабочей точки до линии регулирования (S_рег.) от этого значения служит ошибкой регулирования. Показанная на графике положительная ошибка регулирования (+е) приводит к открытию противопомпажного клапана, а отрицательная ошибка (-е) - к закрытию клапана. Совершенно ясно, что при явно выраженном нелинейном характере изменения расстояния от рабочей точки до линии регулирования ошибка регулирования будет также нелинейно изменяться, что приводит к существенному нелинейному изменению коэффициента усиления регулятора, что затрудняет его оптимальную настройку и, как следствие, не позволяет достичь качественной работы регулятора.

Задача, решаемая изобретением, состоит в обеспечении качественной работы противопомпажного регулятора за счет сохранения его оптимальной настройки при измерении его регулируемого параметра, определяемого расстоянием от рабочей точки до линии регулирования, в широком диапазоне работы компрессора. Решение этой задачи позволяет достичь технического результата, заключающегося в увеличении эффективности и надежности противопомпажного регулирования.

Для решения этой задачи в известном способе измерения расстояния от рабочей точки турбокомпрессора до границы помпажа, включающем измерение параметров среды на входе трубокомпрессора, построение рабочей точки компрессора в координатах, инвариантных к изменениям измеренных параметров, линии границы помпажа, определение угловых коэффициентов лучей, проведенных из начала координат в рабочую точку и в соответствующую точку линии границы помпажа, ордината которой равна ординате рабочей точки, для формирования регулируемого параметра для противопомпажного регулятора, расстояние от рабочей точки до границы помпажа определяют как отношение углового коэффициента луча, проведенного из начала координат в точку на границе помпажа, ордината которой равна ординате рабочей точки, к угловому коэффициенту луча, проведенного из начала координат в рабочую точку, и в качестве регулируемого параметра для противопомпажного регулятора используют определенное отношение.

В известном способе измерения расстояния от рабочей точки компрессора до границы помпажа (линии регулирования) производится построение границы помпажа (линии регулирования) и рабочей точки в координатах, которые инвариантны по отношению к тем изменениям условий на входе компрессора, которые имеют место в условиях эксплуатации. Так в случае, когда на входе компрессора изменяются не только параметры перекачиваемой рабочей среды (температура, давление), но и состав рабочей среды, оптимальными координатами могут служить указанный выше приведенный политропный напор (в качестве ординаты) и отношение перепада давления на сужающем устройстве, установленном на входе компрессора, к давлению на входе компрессора (в качестве абсциссы). Такие координаты позволяют исключить использование приведенной частоты вращения, что связано с необходимостью измерения текущего значения универсальной газовой постоянной рабочей среды в режиме реального времени.

В том случае, если состав газа постоянен или постоянными являются другие параметры рабочей среды, то могут использоваться и другие известные координаты.

В указанных выше инвариантных координатах положение рабочей точки относительно соответствующих точек границы помпажа (линии регулирования) может изменяться при изменении условий на входе компрессора. Однако при этом неизменными остаются угловые коэффициенты лучей, проведенных из начала координат в указанные точки. Поэтому в качестве значения расстояния от рабочей точки до границы помпажа (линии регулирования) используется отношение углового коэффициента луча, проведенного из начала координат в рабочую точку к угловому коэффициенту луча, проведенного из начала координат в соответствующую точку границы помпажа (линии регулирования), ордината которой равна ординате рабочей точки. Это отношение не меняется при изменении условий на входе компрессора и может служить объективной мерой близости (удаленности) компрессора от границы помпажа (линии регулирования) и может быть использовано в качестве регулируемого параметра противопомпажного регулятора. При нахождении рабочей точки на границе помпажа (линии регулирования) это отношение будет равно единице, которая и принимается в качестве задания противопомпажного регулятора.

Применение заявляемого способа измерения расстояния от рабочей точки до границы помпажа (линии регулирования) при сохранении инвариантности расстояния от рабочей точки до границы помпажа к изменениям условий на входе компрессора позволяет определить этот параметр таким образом, что при перемещении рабочей точки к границе помпажа (линии регулирования) при постоянной частоте вращения компрессора значение коэффициента усиления регулятора, использующего этот параметр в качестве регулируемого параметра, сохраняется практически постоянным.

Указанные признаки, характеризующие сущность заявляемого технического решения, не известны в подобной совокупности и взаимосвязи в настоящее время для способов определения расстояния от рабочей точки до границы помпажа (линии регулирования). Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам изобретения, в ходе проведения патентных исследований не обнаружен. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "Изобретательский уровень".

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующими чертежами:

Фиг.2 - рабочая точка, граница помпажа и линия регулирования.

Фиг.3 - изменение расстояния от рабочей точки компрессора до границы помпажа (S_п) и до линии регулирования (S_рег) в зависимости от ее положения на линии постоянной частоты вращения компрессора.

Фиг.4 - изменение коэффициента усиления регулятора в зависимости от положения рабочей точки на линии постоянной частоты вращения компрессора.

На фиг.2 показано положение рабочей точки компрессора в координатах X, Y. Здесь Х_рт, Y_рт являются соответственно координатами рабочей точки компрессора для частоты вращения компрессора n. Точка А, расположенная на границе помпажа, имеет ординату рабочей точки Y_рт, такую же ординату имеет и точка В, расположенная на линии регулирования. При этом считается, что в текущий момент времени расстояния от рабочей точки до границы помпажа (линии регулирования) определяется положением рабочей точки относительно точек А и В, хотя фактически для линии частоты вращения n такими точками являются точки С и D. Однако при движении рабочей точки по линии постоянной частоты вращения компрессора в направлении к границе помпажа вместе с рабочей точкой перемещаются и точки А и В в направлении соответственно точек С и D. Когда рабочая точка достигает точки D, расстояние от рабочей точки до линии регулирования достигает значения задания (1) и регулятор начинает осуществлять стабилизацию режима в этой точке линии регулирования за счет открытия противопомпажного клапана. Если рабочая точка достигает точки С, то компрессор достигает границы помпажа, после чего возможен переход в зону неустойчивой работы компрессора, т.е. помпаж компрессора. Таким образом, хотя при удалении рабочей точки от границы помпажа (линии регулирования) положение точек на этих линиях для соответствующей частоты вращения компрессора не точно известно, тем не менее рабочая точка компрессора точно находит их положение.

Заявленный способ может быть осуществлен на базе программно-технических средств.

Вычислительная часть заявленного способа может быть реализована на любом промышленном контроллере, имеющего быстродействие не менее чем существующие контроллеры, обеспечивающие реализацию известных способов определения расстояния от рабочей точки до границы помпажа, которые служат для определения регулируемой переменной противопомпажного регулятора. Кроме контроллера должны также использоваться датчики для измерения параметров, входящих в комплексы для определения инвариантных координат. Граница помпажа компрессора может задаваться изготовителем компрессора или находится экспериментальным путем при помпажном тестировании компрессора.

В соответствии с заявляемым изобретением значение расстояния от рабочей точки компрессора до границы помпажа (S_п ^*) (линии регулирования (S_рег ^*)) определяется отношением углового коэффициента луча, проведенного из начала координат в точку на границе помпажа (линии регулирования), ордината которой равна ординате рабочей точки, к угловому коэффициенту луча, проведенного из начала координат в рабочую точку.

В такой системе в случае нахождения рабочей точки в зоне устойчивой работы компрессора это отношение всегда будет больше единицы и оно будет равно единице при нахождении рабочей точки на границе помпажа (линии регулирования). При перемещении рабочей точки в зону безопасности это отношение будет падать и становиться меньше единицы.

На фиг.3 показано, что характер изменения нового значения расстояния от рабочей точки до границы помпажа при ее перемещении по линии постоянной частоты компрессора (линия 1) радикально изменился. Вместо нелинейной зависимости значения S_п=f (Δр₀) получена практически линейная функция S*_п=f (Δр₀). Аналогичный вид имеет и изменение расстояния от рабочей точки до линии регулирования (S^* _рег) (линия 2). Эта зависимость в данном случае была получена вычитанием значения коэффициента b=0,53 из значения S^* _п. Показанная на графике положительная ошибка регулирования (+е) приводит к открытию противопомпажного клапана, а отрицательная ошибка (-е) - к закрытию клапана.

Рассмотрим, как меняется коэффициент усиления противопомпажного регулятора, использующего новое значение расстояния от рабочей точки до линии регулирования при перемещении рабочей точки по линии постоянной частоты вращения. Известно, что коэффициент усиления регулятора может быть определен как производная функции S^* _рег(X) по X. Иными словами, угол наклона функции S^* _п=f (Δр₀) в точке пересечения с заданием регулятора может дать представление об изменении коэффициента усиления противопомпажного регулятора при перемещении рабочей точки по линии постоянной частоты вращения компрессора.

Поскольку линия S^* _рег строится простым смещением прямой линии S^* _п вниз на величину коэффициента b, то ее угол наклона будет таким же, как и у линии S^* _п, иными словами, при смещении линии регулирования - изменении настройки регулятора - коэффициент усиления регулятора не изменяется.

Это является важным преимуществом заявляемого способа, поскольку в известном способе измерения расстояния от рабочей точки до линии регулирования при изменении настройки регулятора путем смещении линии регулирования в сторону зоны устойчивой работы компрессора коэффициент усиления существенно уменьшается. А, как известно, существующие алгоритмы работы противопомпажных регуляторов широко используют смещение линии регулирования как в динамических процессах, так и на статических режимах для обеспечения более эффективной работы регулятора. В действительности же при использовании известного способа измерения расстояния от рабочей точки до линии регулирования эффективность регулятора при таком смещении линии регулирования не увеличивается, а падает из-за существенного уменьшения его коэффициента усиления.

Из фиг.3 также следует, что с ростом частоты вращения компрессора (n=1.0) линейный характер зависимости S^* _п=f (Δр₀) сохраняется, однако угол наклона прямой несколько уменьшается, что говорит об уменьшении коэффициента усиления регулятора. Это следует рассматривать как безусловно положительное свойство, поскольку при этом компенсируется возрастание коэффициента усиления противопомпажного клапана (из-за роста параметров рабочей среды при повышении частоты вращения). Тем самым, осуществляется необходимая стабилизация коэффициента усиления всего контура противопомпажного регулирования в широком диапазоне работы компрессора.

На Фиг.4 - изменение коэффициента усиления регулятора в зависимости от положения рабочей точки на линии постоянной частоты вращения компрессора:

1 - при использовании известного способа измерения расстояния от рабочей точки до границы помпажа;

2 - при использовании заявляемого способа измерения расстояния от рабочей точки до границы помпажа.

На фиг.4 представлено относительное изменение коэффициента усиления регулятора, вычисленное по значениям S_п=f(Δp₀) и S^* _п=f(Δр₀). За базовое значение коэффициента усиления (100%) принято его значение при S_п=S^* _п=1.

Из представленных результатов видно как стабилизируется коэффициент усиления регулятора при использовании заявленного способа измерения расстояния от рабочей точки до линии регулирования по сравнению с существующим способом. Это открывает возможность осуществить оптимальную настройку регулятора, которая не изменяется в широком диапазоне работы компрессора.

Заявленное техническое решение представляет собой разработанный с целью обеспечения технического результата перечень конкретных действий, являющихся неотъемлемой частью алгоритма функционирования противопомпажного регулятора, и служит для определения его регулируемой переменной.

Описанный способ реализован с использованием программно-технических средств и испытан на модели. Противопомпажный регулятор, выполненный с использованием заявляемого технического решения, установлен на промышленном образце системы управления газоперекачивающего агрегата на компрессорной станции. Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Промышленная применимость".

Способ измерения расстояния от рабочей точки турбокомпрессора до границы помпажа, включающий измерение параметров среды на входе турбокомпрессора, построение рабочей точки компрессора в координатах, инвариантных к изменениям измеренных параметров, линии границы помпажа, определение угловых коэффициентов лучей, проведенных из начала координат в рабочую точку и в соответствующую точку линии границы помпажа, ордината которой равна ординате рабочей точки, для формирования регулируемого параметра для противопомпажного регулятора, отличающийся тем, что расстояние от рабочей точки до границы помпажа определяют как отношение углового коэффициента луча, проведенного из начала координат в точку на границе помпажа, ордината которой равна ординате рабочей точки, к угловому коэффициенту луча, проведенного из начала координат в рабочую точку, и в качестве регулируемого параметра для противопомпажного регулятора используют определенное отношение.