Cпособ и устройство для распределения нагрузки в группе совместно работающих компрессоров

Настоящее изобретение относится в основном к способам и устройствам для распределения натрузки в труппе компрессоров, работающих последовательно.В частности, изобретение относится к способам распределения общей натрузки в труппе последовательно включенных компрессоров,предотвращающим избьтточную рециркуляцию,когда возникает необходимость защищать компрессор от помпажа.Когда два или больше компрессоров соединены последовательно, эффективность заЩИГЬТ ОТ ПОМПЗЖЗ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ процесса СЯЩТИЯ МОГУТ бЫТЬ ДОВСДСНЪТ ДО МЗКСИМУМЗ,если рабочие точки компрессоров на их газодиНЗМИЧССКИХ характеристиках НЗХОДЯТСЯ на равНЫХ расстояниях ОТ ИХ траниц ПОМПЗЖЗ ПрИ ОТсутствии рециркуляции И если равны их расходьт на рециркуляцию, когда предотвращение помпажа невозможно без рециркуляции.В настоящее время система автоматического управления труппой последовательно включенных компрессоров включает в себе групповой мастер-регулятор, один регулятор распределения натрузки, соответствующий каждому приводу, и один анттишомпажньтй регулятор, соответствующий каждому компрессору.Системы, подобные этой, обладают рядом дополнительных свойств, обеспечивающих,благодаря взаимодействию между соответствующими контурами регулирования, поддержание заданного значения давления или расхода при одновременном поддержании заданного распределения нагрузки и защите компрессоров ОТ ПОМПЭЖЗ.Одним из таких свойств является распределение натрузки, обеспечивающее равное расстояние рабочих точек компрессоров от траниц помпажа во избежание рециркуляции, если в ней отсутствует необходимость.Целью настоящего изобретения является способ распределения общей натрузки в труппе последовательно включенных компрессоров,например в труппе компрессоров газотранспортной системы магистрального газопровода,обладающих такой характеристикой, что их помпажньте параметры изменяются в том же направлении, что и изменения частоты вращения в процессе распределения натрузки.ИЗВССТНО, ЧТО МНОГИС СИСТСМЬТ СЯЩТИЯ ГЗЗЗ обладают подобными характеристиками и могут управляться с использованием предлагаемого способа, что подтверждает важную роль вЬ 1 сокой экономичности процесса сжатия, которую обеспечивает предотвращение рециркуляции или вьтпуска газа при противопомпажном регулировании, пока такое предотвращение возможно.Предлагаемое изобретение представляет собой такой способ распределения натрузки,Который обеспечивает минимальную рециркуляцию в процессе распределения натрузки поОТНОШСНИЯМ ДНВЛСНИЙ ИЛИ частотам вращения И прекращение рециркуляции к концу процесса распределения, пока она не становится неизбежной.Предметом настоящего изобретения является выбор переменной для регулирования, а примерами ИСПОЛЬЗУСМЬТХ параметров МОГУТ служить частота (скорость) вращения, положеНИС ВХОДНЬТХ направляющих аппаратов И ДрОСсельного клапана на входе в компрессор.Для такого закона регулирования газодинамическая характеристика компрессора делится на три области (три региона) и небольшую переходную область (переходньцй регион), как показано на фиг. 1.Когда компрессору не утрожает помпаж вследствие близости линии настройки противопомпажного регулятора значение таких переменных, как отношение давлений, частота враЩСНИЯ ИЛИ МОЩНОСТЬ МОГУТ ИСПОЛЬЗОВЗТЬСЯ ДЛЯ заранее заданного распределения нагрузки между совместно работающими компрессорами,включенными последовательно.Если любая из рабочих точек компрессорОВ на ИХ ГЗЗОДИНЗМИЧССКИХ характеристиках перемещается в направлении линии настройки противопомпажного регулятора, то все компрессора могут удерживаться на равных расСТОЯНИЯХ ОТ ИХ СООТВСТСТВУЮЩИХ ЛИНИЙ настройки и таким образом предотвращать рециркуляцию любого из них, пока все совместно работающие компрессоры не доститнут линий настройки их противопомпажных регуляторов.В области режимов, где все компрессоры работают с рециркуляцией, целесообразно так управлять режимами всех компрессоров, чтобы обеспечить равенство расходов рециркуляции.Эта область, расположенная между областями 1 и 2, предназначена для плавного перехода регулирования с одной переменной на другую между переменными, которые используются для регулирования в этих двух областях.На фиг. 1 изображена газодинамическая характеристика компрессора с тремя трантщами между тремя областями регулирования и переходной областью;на фиг. 2 - труппа последовательно включенных компрессоров с измерительными преобразователями и органами управления системы управления группы;на фиг. 3 - функциональная схема системы управления компрессора, работающего последовательно с другими компрессорами, включающая противопомпажньтй регулятор, подключенньтй к входу регулятора распределения натрузки;на фиг. 4 - функциональная зависимость параметра х от параметра Зтах;на фиг. 5 - функциональная схема регулятора распределения нагрузки труппы последовательно работающих компрессоров.Когда все компрессоры группы могут работать "далеко от помпажа", рекомендуется распределять общее отношение давлений (общую степень сжатия) группы по заранее заданному закону.Если компрессоры приводятся газотурбинными установками, то целью такого распределения может стать повышение коэффициента полезного действия (КПД) гругшы.Для трутшы последовательно включенных компрессоров разумное распределение общей нагрузки группы обеспечивает как повышение КПД труппьт, так и предотвращение помпажа компрессоров.На фиг. 2 изображена такая организация группы из двух последовательно включенных компрессоров 20, приводимых паровыми турбинами.Каждый компрессор оснащается отдельной системой управления, включающей в себя устройства ДЛЯ ПОЛУЧСНИЯ таких ВХОДНЫХ СИГНЗЛОВ по технологическому процессу, как перепад давления 21 на расходомерном устройстве, давление на всасывании 22 и давление в нагнетании 23.Эта система включает в себя также следующие измерительные преобразователи: положения штока клапана рециркуляции 24, температуры на входе в клапан 25, частоты вращения 26, температуры на всасывании 27, перепада давления на компрессоре 28 и температуры на нагнетании 29.Эти и другие сигналы взаимодействуют между собой и являются входами регулятора распределения нагрузки в качестве параметров,по которым осуществляется распределение натрузки.Работа с высоким КПД требует избегать рециркуляции или выпуска газа для предотвращения помпажа, пока это возможно (при сохранении безопасного расстояния до границы помпажа).Это возможно при таком управлении работой группы, которое имеет целью минимизировать рециркуляцию, что означает предотвращение рециркуляции, пока это возможно, и предотвращение избыточной рециркуляции, когда она необходима для защиты компрессоров от ПОМПЭЖЗ.Такой ттш управления работой труппы включает в себе поддержание равного расстояния до помпажа от рабочих точек всех компрессоров труппы, когда они приближаются к области (региону) помпажа.Алгоритмы распределения нагрузки описываются в настоящем разделе и иллюстрируются на фиг. 1 тремя границами между областями трех режимов управления и переходной областью.Должно быть определено расстояние от линии настройки противопомпажного регулятора, на котором нет непосредственной угрозы помпажа.Когда рабочие точки всех компрессоров находятся, по крайней мере, на этом расстоянии от линий настройки их противопомпажньтх регуляторов, режим работы компрессоров может устанавливаться с помощью распределения их отношений давлений.Для большей гибкости для целей регулирования ИСПОЛЬЗУСТСЯОТ ОТНОШСНИЯ давлений ЫКС).Эта фушция обеспечит значение параметра распределения натрузки в описываемой обЛЗСТИ МСНЬШС СДИНИЦЫ И ПОЗВОЛИТ ОДНОЗНЗЧНО связать область 1 с областью 2 через переходную область.Когда рабочая точка компрессора находится на близком расстоянии к линии настройки противопомпажного регулятора, должен быть определен параметр, который описывает это растояние для каждого компрессора.Этот параметр должен поддерживаться равным для всех компрессоров. Возможен следующий параметр:Кс- отношение давлений после и до компрессора, К, = Рд/РдРд- абсолютное давление на нагнетании;Р; абсолютное давление на всасывании;ч; приведенный расход компрессора на стороне всасывания, Чз ='/АР 0.5/Р 3;АР, сигнал расходомерного устройства на ВСЗСЫВЗНИИ.Функция 1 соответствует значению (12, на транице помпажа для данного значения независимой переменной К, Таким образом 5, обращается в единицу на транице помпажа. Она меньше единицы с безопасной по помпажу(правой) стороны от гранрщы помпажа. Ширина полосы безопасности "Ь" прибавляется к 5, для формирования линии настройки противопомпажного регулирования, =5,+Ь. При этом расстояние между рабочей точкой и линией настройки просто определяется как б=1- и описывает параметр, который положителен в безопасной зоне (вправо от линии настройки) и равен нулю на линии настройки.Распределение натрузки вблизи линии настройки обеспечивает такое управление работой каждого компрессора, при котором величины"б" всех компрессоров, умноженные на в общем случае неравные между собой константы, связа ны между собой таким образом, что все обращаются в нуль одновременно.Таким образом, ни один компрессор не будет рециркулировать, пока все компрессоры не будут вынуждены рециркулировать.Это улучшает КПД процесса, поскольку рециркуляция является разорительной потерей с точки зрения расхода энергии (но не с точки зрения безопасной по помпажу работы).Кроме того, это не позволяет ни одному компрессору подвергаться большей опасности попасть в помпаж, чем любой другой - так они делят "опасную нагрузку".Когда для безопасности машин необходима рециркуляция, другое ограничение должно УЧИТЫВЗТЬСЯ, ЧТОбЫ ОПрСДСЛИТЬ СДРШСТВСННО правильный режим работы.В качестве параметра распределения нагрузки мы определяемш- относительный массовый расход через клапан рециркуляции;Р, - давление газа на входе в клапан;Т 1- температура газа на входе в клапан;Ксдотношеъше давлений до и после клапана.Параметр 5 идентичен параметру 5 при закрытом клапане рециркуляции (ш =О), таким образом он может также использоваться в области 2.Однако в отличие от 5, Зр увеличивается выше едиъшцы, когда рабочая точка находится на линии настройки противопомпажного регулятора и клапан рециркуляции открыт.Таким образом, распределение нагрузки по заданному соотношению величин параметра Зр дает в результате однозначное (единственное) распределение нагрузки для любых условий.Чтобы сделать параметр Зр более гибким,в него может быть включена постоянная В следующим образом:В таком виде параметр Зр может обеспечивать распределение нагрузки с учетом индивидуальных особенностей каждого компрессора,однако рабочие точки всех компрессоров будут прибывать на линию настройки их противопомпажных регуляторов одновременно.На фиг. 3 показана фушциональная схема блока вычисления параметра распределения нагрузки 51 где выходные сигналы измерительных преобразователей параметров компрессора высокого давления (показанного на фиг.1) обрабатываются для определения 5, как входного сигнала регулятора распределения нагрузКИ.На указанной фигуре модуль 30 вычисляет отношение давлений (Кс), которое достаточно точно соответствует как компрессору, так и клапану рециркуляции.Другой Модуль 31 вычисляет приведенный расход через компрессор 11), а два функциональных преобразователя 32, 33 формируют на базе вычисленного отношения давлений К, заранее заданные функции [Г 1(КС), Г 3(К)] .Блок умножения 34 определяет относи тельный массовый расход рециркуляции (ш) из функции от отношения давлений [Г 3(К)], абсолютного давления в нагнетании (Рддр) 23 и с ИСПОЛЬЗОВЗНИСМ ЧИСЛОВЫХ ДЗННЫХ как ОТ ИЗМСригельного преобразователя положения штока клапана рециркуляции 24 через последовательно включенный функциональный преобразователь, [й/(УЛ, так и от измерительного преобразователя температуры 25 через последовательно включенный функциональный преобразовательПосле этого в сумматоре 35 к относительному массовому расходу рециркуляции прибавляетсяБлок деления 36 позволяет определить помпажный параметр 5 который подвергается дополнительной обработке в другом модуле 37,суммирующем величину параметра 5, с параметром (Ь), характеризующим ширину полосы безопасности, в результате чего формируется помпажный параметр 5.Следуя последовательности операций над параметром 5, суммирующий модуль 38 формирует функцию:1-50-5),которая умножается на сумму: 1+ш, в результате чего в блоке 39 определяется параметр распределения нагрузки 52 который используется как входнои сигнал регулятора распределения нагрузки 40.Из сказанного выше следует, что при соответствующем выборе параметра распределения нагрузки в области рециркуляции 3 (Кеюп 3) переход от области 2 к области 3 (и обратно) происходит автоматически.Чтобы использовать различные переменные для распределения нагрузки, необходимо определить уставку и регулируемую переменную для контура регулирования как функцию положения рабочей точки компрессора на его газодинамической характеристике.Один путь выполнения этого требования определить параметр "х" следующим образом:Эти - максимальное значение 5 (ближайшее к помпажу) для любого из совместно работающих компрессоров в данный момент;5 правая граница переходной области;Графическое изображение зависимости х от Зтах приведено на фиг.4.Следует принять во внимание, что величина х одна и та же для всех компрессоров и вычисляется с использованием параметров, соответствующих компрессору, рабочая точка которого находится ближе всех к его границе помпажа.На основании сказанного выше, параметр распределения нагрузки В может быть определен как функция от х следующим образом:где, как нетрудно видеть: 131 = Х 2132 =(1-Х)'Г 2(Кс) Функция отношения давлегшй 520%) в уравнении (а) должна быть монотонной и по величине всегда меньше, чем 55, чтобы обеспечить также монотонность параметра В.Уравнение (а) используется для определения как регулируемой переменной, так и уставки для каждого регулятора распределения натрузки.Для вычисления значения В каждого компрессора используется значение его регулируемой переменной 5:.Для вычисления уставки определяетсясреднее значение, найденное из всех значений В.На фиг. 5 изображена функциональная схема регулятора распределения нагрузки (показанного на фиг. 3) для труппы из двух совместно работающих компрессоров. На ней подробно показано, как параметры распределения нагрузки (5 рд, р 2) 50 обрабатываются в модуле 52, который формирует максимальное значение 5 (Зтщ), используемое для определения параметра (х) 53.Кроме этого показано как отношения давлений (Вы, Вед) 51 совместно с параметрами распределения нагрузки 50 и параметром х 53 используются для вычисления как регулируемых переменных (Р/1, Р/2) 54, так и уставкиПотом по текущим значениям регулируемых переменных и уставки другой модуль 56 вычисляет ошибку регулирования (51, 52) для каждого компрессора, используемую для формирования выходных сигналов 57, 58, которыеКроме описанного выше алгоритма распределение нагрузки по отношению давлений,для распределения нагрузки могут использоваться другие параметры.Примерами таких параметров могут служить частота вращения, мощность и расстояние до ограничения по приводному двигателю.Также могут использоваться другие выражения помпажного параметра 5, например:Е 11 з: щ и 5: (2 г) АРО ч: где АРС- разность давлений после и до компрессора; Ь,.- приведенный напор; с Ьг = к, 1 с к-1 с=-,кцрРаспеределение нагрузки при рециркуляции может быть выполнено без вычисления относительного массового расхода через клапан рециркуляции.Например, возможно распределение нагрузки с использованием только комбинации функции от отношения давлений 13020) и функции от положения клапана рециркуляции Цу),или даже только функции Еду).Кроме того, может быть выполнена компенсация по разностям температур газа перед клапанами.Эти способы могут быть также использованы для параллельно работающих компрессоров.Очевидно, что на базе вышеизложенного легко Могут быть реализованы многие модификации и вариации настоящего изобретения.Таким образом, должно быть понятно, что в объеме признаков настоящего изобретения оно может быть реализовано другим способом,ЧТО, В ЧЗСТНОСТИ, ОПИСЗНО ВЫШС.1. Способ управления системой сжатия газа, включающей в себя, по крайней мере, два компрессора, по крайней мере, один приводной двигатель и набор устройств, необходимых для варьирования режима работы упомянутых компрессоров, отличающийся тем, что включает следующие операции:(а) определение помпажного параметра 5,представляющего расстояние между рабочей точкой и линией настройки противопомпажного регулятора для каждого компрессора;(Ь) задание значения 5, упомянутого помпажного параметра для каждого компрессора;