CN101311988A - 天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种天然气发动机—往复式压缩机组仿真系统。它的仿真系统硬件结构包括：仿真计算机、就地控制柜、外部设备、网络交换机、学员机；仿真系统软件结构包括：仿真系统软件主界面、启动子系统、冷却子系统、润滑子系统、燃料气子系统、工艺气子系统、机组故障处理子系统。这种天然气发动机—往复式压缩机组仿真系统，提供了一种能显著提高培训效率的方法，使得用户能在仿真系统上为培训人员提供一个直观的、连续的、实时运行环境。在该环境下可实现天然气发动机—往复式压缩机机组的启停机操作、运行工况监控和故障处理、培训及技术考核等内容。

Description

天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统

技术领域

本发明涉及一种仿真系统，尤其是天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统。

背景技术

目前，仿真是利用模型对系统特性实现再现并对系统进行试验研究的一门技术。1982年，我国研制成功了第一套火电仿真机组，1990年研制出第一台东北电网仿真系统。较早出现的电网仿真系统主要为带盘台的模式，它占用空间较大，一般在培训中心集中布置。电网仿真系统研究也只侧重于调度员的日常操作，而故障诊断和处理的研究不深，暂态过程的仿真也只能采用“事故再现”和“事故预想”的方法，不能随意仿真电网的事故。另外事故处理的答案完全由教练员根据经验得出，缺乏智能性，很难得到最佳的处理措施，加上国内现场基础数据普遍较差，系统维护水平不高，有时产生不正确的仿真结果会误导运行人员。

发明内容

为了克服现有仿真系统的不足，本发明提供一套完整的天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统，提供了一种高效、真实的用于天然气发动机-往复式压缩机运行、维护技术人员培训的教学手段，并给出了天然气发动机-往复式压缩机组对象的数学模型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统，它的仿真系统硬件结构包括：仿真计算机、就地控制柜、外部设备、网络交换机、学员机；仿真系统软件结构包括：仿真系统软件主界面、启动子系统、冷却子系统、润滑子系统、燃料气子系统、工艺气子系统、机组故障处理子系统。

机组就地控制柜包含仿真PLC、操作面板和触摸屏，仿真PLC负责管理触摸屏及操作面板，实现机组逻辑控制。PLC和软件模拟的各个系统、触摸屏通过OPC进行数据通讯。仿真计算机实现机组运行参数的模拟以及各种操作界面的实现；PLC与仿真计算机之间底层的通讯方式采用RS485，应用层由iFix的驱动程序提供；仿真计算机与各学员机之间底层通讯方式采用以太网，应用层遵循OPC规范。

燃料气子系统主要模拟燃料供给及燃烧系统工艺流程。由下列数学模型组成：燃料气手动球阀模型、燃料气孔板模型、仪表气手动球阀模型、燃料气针阀模型、安全阀模型、止回阀模型、分离器模型、液位计模型、调压阀模型、燃料气控制阀模型、燃料气压力控制阀模型、涡轮透平模型、压气机模型、膨胀节模型、消音器模型。模拟的参数包括：燃料气进气温度、压力；燃料气空燃比；发动机排气温度；涡轮压缩机排气压力、温度；中冷器进口空气温度；中冷器出口空气温度等。

润滑油子系统主要模拟润滑系统工艺流程和工艺参数。由分配块、注油器、压缩机、油泵、调压阀、安全阀、油水换热器、温控阀、过滤器、针阀、排油球阀、Y型过滤器、手动球阀、加热器电机、加热器、止回阀、高位油箱、排油球阀、挠性接管、等元件的数学模型组成。模拟的参数包括：压缩机油温、油压、油位；发动机油温、油压、油位；自励式三通调节阀进出口油温等。

启动子系统模拟启动系统的操作工艺流程和工艺参数。启动系统由启动气手动控制球阀、启动气Y型过滤器、启动气挠性接管、启动气气控继动阀、马达、启动气电磁阀、启动气手动控制互锁阀、预后润滑电磁阀、预后润滑气控继动阀、预后润滑调压阀、预后润滑安全阀、预后润滑油雾器、预后润滑油泵等元件的数学模型组成。模拟的参数包括：各控制阀的开关状态、气动马达转速、预后润滑泵转速等。

冷却子系统模拟冷却系统工艺流程和工艺参数。由夹套水泵、挠性接管、温控阀、蝶阀、手动球阀、空冷器、膨胀水箱、手动球阀、加热器电机、加热器、止回阀、辅助水泵、透平换热、发动机油水换热器、压缩机油水换热器、手动球阀、温控阀、蝶阀、膨胀水箱等元件的数学模型组成。模拟的参数包括：夹套冷却水温度；辅助水温度、中冷器入口、出口水温；冷油器出口、入口水温；冷却器出口、入口水温等。

工艺气子系统模拟工艺气系统工作流程，主要由洗涤气罐，压缩机组，远控阀门，换热器等。工艺气子系统可分为滤气系统，压缩机组和换热系统。滤气系统包括进气管，洗涤(气)罐，此系统主要完成对进入压缩机组内的工艺气进行净化；压缩机组模拟完成对工艺气压缩的操作，压缩机和发动机同轴连动，当发动机启动，压缩机也开始启动，若气路中有气体供给，压缩机将对气体压缩加压，使其压力增高，待进入输气主管道；换热系统包括换热器和风扇，模拟完成压缩机加压后气体的冷却操作。

仿真系统的报警功能是这样实现的：首先，在系统运行时，PLC不断扫描事先定义好的一些重要参数(扫描是通过PLC和仿真计算机之间的网络通信实现的，并遵循OPC协议规范)。当仿真计算机中的某个工艺参数超过报警上限时，一方面模型机会在画面上显示报警信息，另一方面，PLC也很快就会知道，立即显示在触摸屏上。如果某个工艺参数达到停机动作值，PLC将立即向模型机发出停机信号，整个系统将会进入停机状态。各参数的报警上限值和停机值是在触摸屏上设置并保存在PLC中的。

此仿真系统的各个子系统相对独立，又相互影响，能够完整的模拟天然气发动机-往复式压缩机组的运行工况，和实际机组的运行工况完全一致。各个子系统都设置了在机组实际运行时可能遇到的故障，供学员在培训时学习怎么处理机组运行时遇到的故障。

实际系统就地控制盘面板包括两部份：一部分为压缩机控制盘，另一部分为发动机控制盘。在仿真系统中将实际系统控制盘面板的两部分都放到一个PLC控制柜上，为了区别两个部分，将它们分为两个区域，如附图3所示。其中下面的部分为发电机控制盘，上面的部分为压缩机组控制盘。在触摸屏主界面上集成了机组触摸屏的所有界面，以及发动机的显示屏界面。在主界面的最左下角，有一个隐藏的进入触摸屏设置的按钮，如果在特殊情况需要设置触摸屏的相关参数，按主界面的最左下角进入。

紧急停机是一种非正常停机，包括压缩机组就地紧急停机、远程PC紧急停机和站控ESD紧急停机及DCS(北京调度中心)紧急停机。机组紧急停机的过程如下：当机组由于保护系统动作或采取紧急停机措施后，机组将自动完成下列动作：切断燃料气供给，关闭空气冷却器，机组将打开加载阀，关闭进口阀、出口阀，然后打开泄放阀进行放空。紧急停机后，发动机和压缩机没有后润滑。

本发明的有益效果是，提供了一种高效、真实的用于天然气发动机-往复式压缩机运行、维护技术人员培训的教学手段，并给出了天然气发动机-往复式压缩机组对象的数学模型。其能运用计算机模拟仿真技术将天然气发动机-往复式压缩机组的操作、运行及故障的现场状况在实验室的仿真计算机上演示出来，为培训人员提供一个连续的实时运行的环境，培训人员可在该环境下进行操作、监控和故障处理。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统的仿真系统硬件结构示意图。

图2是天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统的仿真系统软件结构示意图。

图3是天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统的就地控制柜结构示意图。

图4是天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统的机组紧急停机流程示意图。

图中1.仿真计算机，2.就地控制柜，3.外部设备，4.网络交换机，5.学员机，6.仿真系统软件主界面，7.启动子系统，8.冷却子系统，9.润滑子系统，10.燃料气子系统，11.工艺气子系统，12.机组故障处理子系统，13.压缩机组控制盘，14.发动机控制盘，15.得到机组紧急停机命令，16.切断燃料气供给，17.关闭空气冷却器，18.打开加载阀，19.关闭进口阀、出口阀，20.打开泄放阀放空。

具体实施方式

在图1、2、3中，天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统，它是仿真计算机(1)通过网线与仿真机组就地控制柜(2)相连的同时还连接有计算机外部设备(3)以及网络交换机(4)，网络交换机又和学员机(5)连接，实现数据通信。仿真系统的软件结构部分主要分七个大的模块：仿真系统主界面(6)和启动子系统、(7)冷却子系统(8)、润滑子系统(9)、燃料气子系统(10)、工艺气子系统(11)、机组故障处理子系统(12)，六个子系统是并列的，都包含在仿真系统软件主界面内，通过一定的方式进行数据通信。机组就地控制柜包含两个部分：压缩机组控制盘(13)和发动机控制盘(14)，它们相对独立，都通过网络交换机和仿真计算机相连。

在图4中，当机组由于保护系统动作或采取紧急停机措施后，首先机组将接到紧急停机命令(15)，然后机组将自动完成下列动作：切断燃料气供给(16)，关闭空气冷却器(17)，机组将打开加载阀(18)，关闭进口阀、出口阀(19)，然后打开泄放阀(20)进行放空。紧急停机后，发动机和压缩机没有后润滑。

Claims (3)

1、一种天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统，其特征是：它的仿真系统硬件结构包括：仿真计算机、就地控制柜、外部设备、网络交换机、学员机；仿真系统软件结构包括：仿真系统软件主界面、启动子系统、冷却子系统、润滑子系统、燃料气子系统、工艺气子系统、机组故障处理子系统。

2、根据权利要求1所述的天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统，其特征是：就地控制柜包含压缩机组控制盘。

3、根据权利要求1所述的天然气发动机-往复式压缩机组仿真系统，其特征是：就地控制柜包含发动机控制盘。

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