Способ и устройство для ограничения критического параметра регулирования группы компрессоров или одиночно работающего компрессора - RU2210007C2

Чертежи

Описание

Область изобретения
Изобретение относится в основном к способам и устройствам для ограничения параметра режима группы турбокомпрессоров. В частности, изобретение относится к способам ограничения критического параметра либо группы компрессоров (компрессорной станции), либо одиночно работающего компрессора, когда эти агрегаты подвергаются большим и быстро нарастающим возмущениям.

Предпосылки изобретения
Существующий способ ограничения критического параметра - давления на нагнетании или давления на всасывании, или степени сжатия - как группы компрессоров (компрессорной станции), так и одиночно работающего компрессора выполняется двумя пропорционально-интегрально-дифференциальными (ПИД) контурами регулирования: 1) контуром главного регулятора, который воздействует на режим работы компрессоров, в частности на частоту вращения - через регулятор частоты вращения, или на положение поворотного направляющего аппарата - через регулятор процесса; и 2) контуром ограничивающего регулятора критического параметра, который воздействует на антипомпажные (рециркуляционные) клапаны через антипомпажные регуляторы. Однако эффективность главного регулятора (определенная коэффициентами усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих) ограничена условиями устойчивости регулирования инерционных объектов, таких как газопровод, и скоростью изменения мощности (если она высокая) газоперекачивающего оборудования (включая приводные двигатели), которая может снижать ресурс газоперекачивающего оборудования.

Пример такой системы регулирования для воздушной компрессорной станции описан в патенте США 4975024, кл. F 04 B 049/00, 04.12.1990 г. Главный регулятор регулирует открытие впускного дроссельного клапана (приводом компрессора является электродвигатель с постоянной скоростью вращения), а контур ограничивающего регулятора регулирует антипомпажный (рециркуляционный) клапан, который в этом патенте назван "разгрузочным клапаном". В указанном патенте описан способ ограничения критического параметра компрессора или группы компрессоров с помощью первого выходного сигнала главного регулятора, управляющего производительностью компрессора или группы компрессоров, и выходного сигнала ограничивающего регулятора, управляющего рециркуляционным клапаном или клапанами. Известный способ включает определение момента, когда расход газа достигает минимального уровня, последующее поддержание впускного клапана в его последнем положении и открытие разгрузочного клапана на величину, необходимую для поддержания давления нагнетания ниже уровня первого давления, установленного выше уровня расчетного давления. Таким образом, несмотря на то, что функция контура ограничивающего регулятора заключается в предотвращении помпажа, регулирование основано на ограничении давления. Следует отметить, что в данном патенте описана последовательная работа двух контуров регулирования (контура главного регулятора и контура ограничивающего регулятора), при этом какое-либо более существенное взаимодействие между этими контурами отсутствует.

В указанном патенте описано также устройство для ограничения критического параметра компрессора или группы компрессоров с помощью первого выходного сигнала главного регулятора, управляющего производительностью компрессора или группы компрессоров, и выходного сигнала ограничивающего регулятора, управляющего рециркуляционным клапаном или клапанами.

В известных способе и устройстве ограничивающий регулятор часто не может предотвратить аварийный останов после возникновения больших и быстро нарастающих возмущений, поскольку его уставка очень близка к уставке аварийного останова. Ограничивающий регулятор действует на открытие рециркуляционных клапанов, когда значение критического параметра близко к уставке аварийного останова. Однако время перемещения этих клапанов составляет обычно не менее 2 сек, и рециркуляционные контуры могут иметь значительный объем; поэтому открытие этих клапанов не всегда предотвращает аварийный останов.

Следовательно, при возникновении внезапных и резких изменений массового расхода на нагнетании компрессора или компрессорной станции эффективность главного и ограничивающего регуляторов (действующих независимо друг от друга) может быть недостаточной для предотвращения достижения давлением на нагнетании уставки аварийного останова, что в свою очередь нарушает процесс, поддерживаемый компрессором (компрессорами) и уменьшает ресурс приводного двигателя (двигателей). Подобные проблемы могут иметь место при ограничении давления всасывания в случае внезапного резкого изменения массового расхода на всасывании компрессора или компрессорной станции.

Для преодоления указанных недостатков, свойственных уровню техники, существует необходимость в комплексной системе регулирования для ограничения критического параметра компрессорной установки. Такая система может включать оба контура регулирования, контур главного регулятора и контур ограничивающего регулятора, и обеспечивать прогрессивный уровень взаимодействия между этими контурами. Таким образом, в случае возникновения внезапных больших и быстро нарастающих возмущений оба контура регулирования координируют свои действия, обеспечивая большие преимущества по сравнению с уровнем техники.

Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в улучшении существующего положения путем создания для группы компрессоров или одиночно работающего компрессора способа ограничения критического параметра, когда эти агрегаты подвергаются большим быстро нарастающим возмущениям, обеспечивающего взаимодействие между контурами главного регулятора и ограничивающего регулятора для ускорения открытия рециркуляционных клапанов при угрозе помпажа при больших, быстро нарастающих возмущениях и, следовательно, для предотвращения аварийного останова при таких условиях.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании устройства для ограничения критического параметра группы компрессоров или одиночно работающего компрессора, когда эти агрегаты (этот агрегат) подвергаются (подвергается) большим, быстро нарастающим возмущениям, которое обеспечивает взаимодействие между контурами главного регулятора и ограничивающего регулятора для ускорения открытия рециркуляционных клапанов при угрозе помпажа при больших быстро нарастающих возмущениях и, следовательно, для предотвращения аварийного останова при таких условиях.

Поставленная задача решается путем создания способа ограничения критического параметра компрессора или группы компрессоров с помощью первого выходного сигнала главного регулятора, управляющего производительностью компрессора или группы компрессоров, и выходного сигнала ограничивающего регулятора, управляющего рециркуляционным клапаном или клапанами, при этом предложенный способ включает формирование второго выходного сигнала главного регулятора одновременно с первым выходным сигналом и изменение выходного сигнала ограничивающего регулятора с помощью второго выходного сигнала главного регулятора.

Таким образом, благодаря формированию второго сигнала главного регулятора одновременно с первым выходным сигналом изменяют выходной сигнал ограничивающего регулятора, так что действие последнего координируется с действием главного регулятора, и при больших, быстро нарастающих возмущениях ограничивающий регулятор обеспечивает более раннее и более быстрое открытие рециркуляционных клапанов, и, следовательно, предотвращается аварийный останов при таких условиях.

В предложенном способе второй выходной сигнал главного регулятора может изменять выходной сигнал ограничивающего регулятора только тогда, когда он превышает пороговые значения ограничивающего регулятора.

Изменение выходного сигнала ограничивающего регулятора может достигаться путем сложения второго выходного сигнала главного регулятора с уставкой ограничивающего регулятора или с выходным сигналом ограничивающего регулятора.

Поставленная задача решается также путем создания устройства для ограничения критического параметра компрессора или группы компрессоров с помощью первого выходного сигнала главного регулятора, управляющего производительностью компрессора или группы компрессоров, и выходного сигнала ограничивающего регулятора, управляющего рециркуляционным клапаном или клапанами, при этом предложенное устройство содержит средства формирования второго выходного сигнала главного регулятора одновременно с первым выходным сигналом и средства изменения выходного сигнала ограничивающего регулятора с помощью второго выходного сигнала главного регулятора.

Таким образом, благодаря наличию средств формирования второго сигнала главного регулятора одновременно с первым выходным сигналом и средств изменения выходного сигнала ограничивающего регулятора с помощью указанного второго выходного сигнала действие ограничивающего регулятора координируется с действием главного регулятора, и при больших, быстро нарастающих возмущениях ограничивающий регулятор обеспечивает более раннее и более быстрое открытие рециркуляционных клапанов, и, следовательно, предотвращается аварийный останов при таких условиях.

В предложенном устройстве второй выходной сигнал главного регулятора может изменять выходной сигнал ограничивающего регулятора только тогда, когда он превышает пороговые значения ограничивающего регулятора.

Кроме того, в предложенном устройстве изменение выходного сигнала ограничивающего регулятора может достигаться путем сложения второго выходного сигнала главного регулятора с уставкой ограничивающего регулятора или с выходным сигналом ограничивающего регулятора.

Примером группы компрессоров является компрессорная станция магистрального газопровода; примером критических параметров являются: давление нагнетания, давление всасывания и степень сжатия. Усовершенствование по сравнению с уровнем техники, как пояснено ниже, обусловлено объединением контура главного регулятора и контура ограничивающего регулятора. Основой этого объединения является второй выходной сигнал контура главного регулятора, изменяющий реагирование контура ограничивающего регулятора на появление возмущений.

Каждый компрессор оснащен антипомпажным регулятором, выход которого управляет подключенным к нему антипомпажным (рециркуляционным) клапаном. Производительность каждого компрессора определяется положением поворотного направляющего аппарата или частотой вращения. В случаях переменного положения поворотного направляющего аппарата каждый компрессор оснащен регулятором процесса, который воздействует на положение поворотного направляющего аппарата. В случаях переменной частоты вращения каждый приводной двигатель оснащен регулятором частоты вращения, который управляет конечным управляющим элементом. Каждая группа компрессоров, так же как и одиночно работающий компрессор, оснащена двумя ПИД-регуляторами: 1) главным регулятором критического параметра компрессора или группы компрессоров, который воздействует на положение поворотного направляющего аппарата или на частоту вращения через соответствующий регулятор; и 2) ограничивающим регулятором критического параметра, который участвует в управлении рециркуляционными клапанами. Повышение эффективности ограничения критического параметра (по сравнению с уровнем техники) реализуется благодаря первому и второму выходным сигналам главного регулятора:
- Первый выходной сигнал используется как уставка регулятора производительности компрессора для позиционирования поворотного направляющего аппарата компрессора или как уставка регулятора частоты вращения
- Второй выходной сигнал корректирует выходной сигнал ограничивающего регулятора путем сравнения с порогом ограничения, имеющимся в ограничивающем регуляторе и, если он превосходит этот порог, путем: 1) суммирования с заранее заданной уставкой ограничивающего регулятора, или 2) суммирования с выходным сигналом ограничивающего регулятора, или 3) обоими воздействиями одновременно.

Как описано выше, при достижении порогов ограничивающего регулятора второй выходной сигнал главного регулятора может корректировать выходной сигнал ограничивающего регулятора и, таким образом, повышать эффективность ограничения критического параметра, так как ограничивающий регулятор вступает в работу раньше. Соответственно, совместная работа главного регулятора и ограничивающего регулятора обеспечивает надежность компрессорной станции и одиночно работающих компрессоров, подвергающихся большим быстро нарастающим возмущениям.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 изображает схему компрессорной станции магистрального газопровода и ее систему автоматического регулирования.

Фиг.2 изображает функциональную схему главного регулятора.

Фиг.3 изображает функциональную схему ограничивающего регулятора.

Предпочтительный вариант выполнения изобретения
На фиг.1 изображена компрессорная станция, включающая в себя восемь компрессоров природного газа, работающих параллельно. Агрегаты 1 и 8 изображены подробно, в то время как агрегаты 2-7 изображены схематично, однако они идентичны агрегатам 1 и 8 в части входящих в них компонентов.

Каждый из восьми компрессоров 1-8 оснащен собственной линией рециркуляции и, кроме того, антипомпажным (рециркуляционным) клапаном 11-18, антипомпажным регулятором (UIC) 21-28, регулятором (SIC) 31-38 частоты вращения, датчиком (ST) 41-48 частоты вращения, расходомерным сужающим устройством 51-58 с подключенным к нему датчиком (FT) 61-68 перепада давления, датчиком (РТ-А) 71-78 давления всасывания и датчиком (РТ-В) 81-88 давления нагнетания.

Датчики FT, РТ-А и РТ-В подключены ко входам антипомпажных регуляторов (UIC) 21-28, входные сигналы которых управляют рециркуляционными клапанами 11-18. Датчики (ST) 41-48 частоты вращения подключены к регуляторам (SIC) 31-38 частоты вращения. Каждый компрессор соединен с приводным двигателем (например, газотурбинной установкой) 91-98, которая оснащена конечным управляющим элементом 101-108; трубопровод на выходе каждого компрессора оснащен обратным клапаном 111-118.

В качестве уставки для регуляторов 31-38 частоты вращения используется первый выходной сигнал главного регулятора (РIС-1) 130, который в свою очередь получает выходные сигналы от двух датчиков (PT-S, PT-D) 140, 141 давления; только один из этих сигналов необходим для регулирования давления, однако оба сигнала необходимы для регулирования степени сжатия. Датчик (PT-D) давления нагнетания подключен к коллектору 142 нагнетания, к которому выходы всех компрессоров подсоединены через обратные клапаны 111-118. Входы всех компрессоров подсоединены к общему коллектору 143 всасывания, который оснащен датчиком (PT-S) 140 давления всасывания. Кроме того, выходные сигналы датчиков PT-S и PT-D также посылаются ограничивающему регулятору (PIC-2) 150; только один из этих сигналов необходим для ограничения давления, однако оба сигнала необходимы для ограничения степени сжатия. Выходной сигнал регулятора PIC-2 посылается каждому антипомпажному регулятору (UIC) 21-28 для участия в управлении рециркуляционными клапанами 11-18.

Кран 144 на выходе компрессорной станции, включенный между коллектором нагнетания 142 и газопроводом 145, отключает выход компрессорной станции от газопровода. Два других крана установлены в следующих местах: первый кран 151 включен между коллектором 143 всасывания и газопроводом; второй кран 152 установлен на газопроводе параллельно компрессорной станции.

На фиг.2 изображена функциональная схема главного регулятора (РIС-1) 130 со входами от двух датчиков (PT-S) 140 и (PT-D) 141 давления. Уставка (SP) (выходной сигнал задатчика 202) главного регулятора вместе с сигналами от одного или двух датчиков 140, 141 (эта логика описана выше) складываются в сумматоре 204, формируя сигнал ошибки, который поступает на входы трех функциональных блоков: пропорционального (Р) 206, интегрального (I) 208 и дифференциального (D) 210. Затем выходы упомянутых функциональных блоков складываются в суммарный сигнал 212, который является выходным сигналом ПИД-алгоритма, и одновременно проходят через соответствующие блоки 214, 216, 218 умножения (каждый из этих блоков умножения может иметь положительный, отрицательный или нулевой коэффициент усиления) и складываются в суммарный сигнал 220, который является выходным сигналом модифицированного ПИД-алгоритма. Выходные сигналы 212 и 220 являются соответственно первым и вторым сигналами.

На фиг. 3 изображена функциональная схема ограничивающего регулятора (PIC-2) 150, на который поступают входные сигналы датчиков (PT-S) 140 и (PT-D) 141, а также второй выходной сигнал 220 главного регулятора, который сравнивается с двумя пороговыми значениями 306, 308. Уставка ограничивающего регулятора является выходом сумматора 302 и состоит из двух составляющих: постоянной составляющей (заранее заданной уставки SP) 304 и переменной составляющей, поступающей с выхода порогового блока 306.

Уставка (выходной сигнал сумматора 302) ограничивающего регулятора 310 вместе с одним или двумя выходными сигналами датчиков 140, 141 (эта логика описана выше) складываются в сумматоре 310, образуя сигнал ошибки, который поступает на входы трех функциональных блоков: пропорционального (Р) 312, интегрального (I) 314 и дифференциального (D) 316. Затем выходы упомянутых функциональных блоков складываются в суммарный сигнал 318, который является выходным сигналом ПИД-алгоритма. Выход второго порогового блока 308 прибавляется к выходному сигналу ПИД-алгоритма 318, образуя выходной сигнал 320.

Управление компрессорной станцией осуществляется на двух уровнях (агрегатный уровень и станционный уровень) системы автоматического управления, как описано выше и изображено на фиг.1, 2 и 3. Оба регулятора, РIС-1 и PIC-2 130, 150 поддерживают и ограничивают давление в станционном коллекторе нагнетания; при этом коэффициент усиления выходного сигнала датчика 140 в коллекторе всасывания в обоих регуляторах равен нулю.

На нижнем (агрегатном) уровне каждый из восьми компрессоров и его приводной двигатель управляются двумя регуляторами: регулятором (SIC) частоты вращения и антипомпажным регулятором (UIC). Регуляторы 31-38 частоты вращения используют выходные сигналы датчиков (ST) 41-48 частоты вращения, чтобы воздействовать на конечные управляющие элементы 101-108 приводных двигателей, поддерживая таким образом частоту вращения в соответствии с уставкой. Чтобы ограничить приближение рабочей точки (если она находится на линии настройки антипомпажного регулятора) к границе помпажа, антипомпажные регуляторы 21-28 используют выходные сигналы датчиков (FT) 61-68 перепада давления, датчиков (РТ-А) 71-78 давления всасывания и датчиков (РТ-В) 81-88 давления нагнетания для управления антипомпажными клапанами 11-18.

Верхний (станционный) уровень системы также включает в себя два регулятора: главный регулятор (Р1С-1) 130, который поддерживает давление нагнетания и управляет производительностью всех компрессоров, поддерживая давление нагнетания в соответствии с его уставкой; и ограничивающий регулятор (РIС-2) 150, уставка которого выше уставки главного регулятора и который включается в работу, если в переходном процессе давление нагнетания достигает его уставки.

При отсутствии больших быстро нарастающих возмущений главный регулятор 130 поддерживает заданное давление в коллекторе 142 нагнетания, варьируя уставку регуляторов 31-38 частоты вращения, воздействующих на конечные управляющие элементы 101-108 приводных двигателей 91-98. Во время работы кран 144, включенный между коллектором 142 нагнетания и газопроводом 145, открыт так же, как и кран 151, включенный между коллектором 143 всасывания и газопроводом, при этом кран 152 (установленный на газопроводе параллельно компрессорной станции) закрыт.

Если расходы компрессоров снижаются и достигают линии настройки антипомпажных регуляторов 21-28, то эти регуляторы открывают свои рециркуляционные клапаны 11-18. Когда давление в коллекторе 142 нагнетания становится выше уставки главного регулятора 130, главный регулятор посылает сигнал, уменьшающий уставку регуляторов 31-38 частоты вращения, чтобы снизить частоту вращения компрессоров путем уменьшения расходов топлива через конечные управляющие элементы 101-108. Снижение частоты вращения компрессоров снижает давление в коллекторе 142 нагнетания.

В случае, если второй выходной сигнал главного регулятора 220 превосходит величину порогов 306, 308 ограничивающего регулятора (см. фиг.3), то уставка ограничивающего регулятора снижается и его выходной сигнал 320 нарастает. Это является следствием либо снижения уставки, либо дополнительного воздействия на сумматор 320, либо обоих указанных воздействий. Однако, если второй выходной сигнал 220 главного регулятора имеет малую величину, он не достигает пороговых значений пороговых блоков 306, 308 ограничивающего регулятора. При внезапном закрытии крана 144, установленного на выходе из коллектора 142 нагнетания, давление нагнетания будет быстро повышаться, и главный регулятор (РIС-1) соответствующим образом отреагирует через свой первый выходной сигнал 212 снижением частоты вращения компрессора; однако этого недостаточно для эффективного ограничения давления в коллекторе нагнетания. В то же время воздействие второго выходного сигнала 220 главного регулятора (минус пороговое значение) снижает уставку ограничивающего регулятора или увеличивает его выходной сигнал 320 либо осуществляет оба этих воздействия. Когда давление в коллекторе 142 нагнетания превосходит сниженное значение уставки ограничивающего регулятора (PIC-2), его выходной сигнал 320 еще более увеличивается.

Оба воздействия, описанные выше (либо одно из них), осуществляемые через антипомпажные регуляторы 21-28, приводят к более раннему и более быстрому открытию антипомпажных клапанов 11-18, которые обеспечивают рециркуляцию газа из коллектора 142 нагнетания в коллектор 143 всасывания. В результате этого давление в коллекторе нагнетания эффективно ограничивается. Поэтому благодаря дополнительному (усиливающему) воздействию главного регулятора на ограничивающий эффективность ограничения давления в коллекторе 142 нагнетания существенно повышается по сравнению с суммой независимых воздействий этих двух регуляторов - РIС-1 и PIC-2.

Описанные в этом разделе воздействия позволяют использовать такие средства ограничения давления, как более раннее и более быстрое открытие антипомпажных клапанов. После того как кран 144 открывается, компрессорная станция (или одиночно работающий компрессор) может продолжать работать.

Экономический результат реализации этого способа и устройства (для ограничения давления) состоит в повышении эффективности и надежности компрессорной станции благодаря возможности удержания параметров станции под контролем даже в том случае, когда она находится под воздействием больших быстро нарастающих возмущений. Этот способ и устройство могут обеспечить также следующее: эффективное ограничение давления всасывания компрессорной станции или ее степени сжатия или ограничение любого давления или степени сжатия любого одиночно работающего компрессора, когда главный и ограничивающий регуляторы ограничивают параметр, который является критическим для стабилизации процесса. Причем воздействия и свойства этого изобретения также применимы к одиночно работающим компрессорам.

Очевидно, что множество модификаций настоящего изобретения возможно в свете сказанного выше. Поэтому в пределах прилагаемой формулы изобретения настоящее изобретение может быть реализовано иначе, чем описано выше.

Реферат

Изобретение является способом ограничения критического параметра (как, например, давления всасывания, давления нагнетания или степени сжатия) компрессорной станции либо одиночно работающего компрессора, когда эти агрегаты подвергаются большим, быстро нарастающим возмущениям. Каждая установка, будь то станция или одиночно работающий компрессор, снабжена двумя ПИД-регуляторами: 1) главным регулятором критического параметра компрессорной станции или одиночно работающего компрессора; 2) ограничивающим регулятором, который участвует в управлении рециркуляционными клапанами. При возникновении внезапных больших изменений массового расхода на нагнетании компрессора или компрессорной станции эффективность обоих регуляторов (действующих независимо друг от друга) может быть недостаточной для того, чтобы предотвратить достижение давлением нагнетания уставки аварийного останова, которая в свою очередь нарушает процесс, поддерживаемый компрессорами, и уменьшает ресурс приводных двигателей. Настоящее изобретение относится, в частности, к способам и устройствам, которые обеспечивают взаимодействие главного и ограничивающего регуляторов. Благодаря дополнительному (усиливающему) воздействию главного регулятора на ограничивающий происходит более раннее и более быстрое открытие антипомнажных клапанов, и давление в коллекторе нагнетания эффективно ограничивается. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула