CN102562524A - 执行基于模型的防喘振死区时间补偿的方法和装置 - Google Patents

执行基于模型的防喘振死区时间补偿的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及执行基于模型的防喘振死区时间补偿的方法和装置。提供了用于在包括压缩机(110)和防喘振回路(120)的系统(100)中执行基于模型的防喘振死区时间补偿的方法(400)和装置(140，150)。基于使用把现场测量结果和防喘振阀(130)的当前位置作为变量的确定性模型估计出的预测防喘振参数，通过针对死区时间来修正根据现场测量结果而计算出的防喘振参数的值来确定防喘振回路(120)上的防喘振阀(130)的新位置。

Description

执行基于模型的防喘振死区时间补偿的方法和装置
技术领域
本文中公开的主题的实施例大体涉及在包括压缩机的系统中执行基于模型的防喘振死区时间补偿的方法和装置。
背景技术
因为石油和天然气仍然是世界经济中不能被以足够大的比例替代的能源，所以开发新的生产田的兴趣持续增大。常常在用于将来自生产现场的天然气运送给炼油厂、冷却系统、燃气轮机等中的消耗装置的管线中使用压缩机。在压缩机中，通过对流体流增加动能/速度(例如，通过压缩机的内部的转子或叶轮的旋转)来增大流体流的压力。
压缩机的运行可受喘振现象的出现的影响。喘振现象出现在压缩机不能增加足够的能量来克服系统阻力时，这导致流量和排出压力的快速下降。喘振的出现可伴随着高的振动、温度升高和轴向推力的快速变化，这可损害压缩机。反复的和持久的喘振可导致灾难性的故障。包括压缩机的大多数系统设计成检测喘振趋势以及运行来逆转喘振趋势。例如，为了逆转喘振趋势，可通过修改再循环通过压缩机的流体的量来调节通过压缩机的流体流。
图1是包括压缩机10的常规系统1的示意图。系统1包括防喘振回路20，在压缩机10的出口22处输出的流体的一部分可通过防喘振回路20再循环到压缩机10的入口24。通过防喘振回路20再循环的流体的量取决于沿着防喘振回路20定位的防喘振阀30的促动器位置。防喘振控制器40控制防喘振阀30，从而确定再循环的流体的量。通过修改再循环的流体的量来修改通过压缩机10的流。压缩机10接收来自膨胀器42的流体。流体线路传感器和流体处理构件通常沿着防喘振回路而存在，但是图1提供了与当前论述有关的最少的一组元件。
会在防喘振控制器40将新位置传输给防喘振阀30时与发生通过压缩机10的流的实际修改时之间出现时间延迟。这个时间延迟通常称为防喘振响应的死区时间(dead time)。该死区时间可由于防喘振阀的促动器的非线性而引起，并且沿着防喘振回路20的流体运送管而延迟。死区时间效应包括稳定性边界的减小和用以保持系统的稳定性(例如低增益设置)的不良的动态性能。
图2中示出了常规系统1中使用的常规防喘振控制器的示意图。常规防喘振控制器50与过程60交互。在图2中，过程60表示包括压缩机(例如图1中的10)和具有防喘振阀(例如图1中的30)的防喘振回路(例如图1中的20)的系统。防喘振控制器50接收来自过程60的关于系统的运行的信息(共同称为现场测量结果)。
防喘振控制器50的计算方框70使用接收自过程60的现场测量结果来计算防喘振参数的值。防喘振参数的值与通过压缩机的总流量的值成比例，总流量是流体的输入流量和再循环流量的和。例如，防喘振参数可与hs×Psd/Ps成比例，其中，hs是通过位于压缩机的吸入口附近的流元件的差压，Psd是吸入压力的设计值，而Ps是吸入压力的实际值。
加法/减法方框80比较防喘振参数的计算值与这样的边界：该边界为被看作对于系统的运行而言安全的防喘振参数的值。比例积分(PI)控制器90确定新位置且将新位置输出给防喘振阀。在PI控制器90之前，死区(dead-band)误差滤波方框85对输入给PI控制器90的信号进行滤波，以便避免信号噪声影响朝向防喘振阀(输出)的新位置。在PI控制器90将新位置输出给防喘振阀之后，速率限制器95可调节新位置，以确保该位置不以大于运行安全值的速率变化。
在位置已经改变之后不久，现场测量结果由于死区时间的原因而不反映该变化。因此，常规防喘振控制器可使发送给防喘振阀的位置过度修正或修正不足。在常规控制器中未提供针对死区时间的预防或修正。图3是防喘振参数110和位置120相对于时间(的关系)的曲线图，其示出了由于阀的位置的过度修正或修正不足而引起的振荡。
可处于1-10s的范围中的死区时间的存在使得防喘振回路20不稳定。为了避免这个不稳定，可关于防喘振线(其可为跨过压缩机的压力比率相对于通过压缩机的出现喘振现象处的流量(的关系)的曲线图中的线)而基于额外的边界来运行系统1，但是这种运行方式会减小压缩机的运行包络。
因此，提供避免前述问题和缺陷的系统和方法将是合乎需要的。
发明内容
根据一个示例性实施例，一种流体运送系统包括：(i)压缩机，其构造成将在喘振压力处输入其中的流体压缩成在排出压缩机时具有排出压力；(ii)防喘振回路，其构造成允许从压缩机排出的流体的一部分再循环回到压缩机的入口；(iii)防喘振阀，其连接到防喘振回路上，并且构造成基于防喘振阀的位置来限定流体的被再循环的部分；以及(iv)防喘振阀控制器，其连接到防喘振阀上，并且构造成接收与流体运送系统的当前运行有关的现场测量结果，以及计算新位置且将新位置传输给防喘振阀。计算新位置来补偿在(i)当前位置已经发送给防喘振阀时和(ii)当前位置的影响被现场测量结果反映时之间的延迟。
根据另一个实施例，一种控制使得能够再循环在压缩机中压缩的流体的一部分的防喘振回路上的防喘振阀的方法，包括：(i)基于与压缩机和防喘振回路的当前运行有关的现场测量结果来计算防喘振参数的未修正值；(ii)使用把现场测量结果和防喘振阀的当前位置作为变量的模型来估计防喘振参数的预测值；(iii)使用未修正值和预测值来计算防喘振参数的经修正值，该经修正值针对在当前位置已经发送给防喘振阀时和当前位置的影响被现场测量结果反映时之间的延迟得到补偿；以及(iv)基于(a)边界，其为防喘振参数的极限值和(b)防喘振参数的经修正值来确定防喘振阀的新位置。
根据另一个实施例，一种防喘振控制器包括：(i)接口，其构造成接收与包括压缩机和具有防喘振阀的防喘振回路的系统的当前运行有关的现场测量结果，以及将新位置发送给防喘振阀；(ii)第一单元，其连接到接口上，并且构造成基于通过接口接收到的现场测量结果来计算防喘振参数的未修正值；(iii)第二单元，其连接到接口上，并且构造成使用确定性(deterministic)模型且基于现场测量结果和防喘振阀的当前位置来估计防喘振参数的预测值；以及(iv)第三单元，其连接到第一单元、第二单元和接口上，并且构造成基于下者来确定防喘振阀的新位置：(a)对应于通过压缩机的被看作对于压缩机而言安全的流量的边界，以及(b)基于未修正值和预测值而针对在当前位置被发送给防喘振阀时和当前位置的影响被现场测量结果反映时之间的延迟得到补偿的防喘振参数的经修正值。
附图说明
结合在说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与描述一起阐述了这些实施例。在附图中：
图1是包括防喘振阀的常规控制器的系统的示意图；
图2是常规防喘振控制器的示意图；
图3是常规系统中的防喘振参数和防喘振阀位置相对于时间(的关系)的曲线图；
图4是根据一个示例性实施例的包括防喘振阀的控制器的系统的示意图；
图5是根据一个实施例的防喘振控制器的示意图；
图6是示出了根据一个示例性实施例的具有死区时间修正的防喘振控制器的效果的曲线图；
图7是根据一个示例性实施例的包括防喘振控制器的系统中的防喘振参数和防喘振阀位置相对于时间(的关系)的曲线图；以及
图8是根据一个示例性实施例的在针对死区时间进行修正的同时控制防喘振阀的方法的流程图。
具体实施方式
示例性实施例的以下描述参照了附图。不同的附图中的相同参考标号标识相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。为了简单，关于包括具有防喘振回路的压缩机的系统的术语和结构来论述以下实施例。但是，接下来要论述的实施例不限于这些系统，而是可适用于需要补偿防喘振回路中的死区时间的其它系统。
贯穿说明书，对“一个实施例”或“实施例”的参照指结合一个实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”出现在整个说明书的各个位置不一定指同一实施例。另外，特定特征、结构或特性可以任何适合的方式结合在一个或多个实施例中。
图4是根据一个实施例的包括防喘振阀的控制器的系统100的示意图。系统100包括压缩机110和防喘振回路120，压缩机110输出的流体的一部分通过防喘振回路120而从压缩机110的出口122再循环到压缩机110的入口124。通过防喘振回路120再循环的流体的量取决于防喘振回路120上的防喘振阀130的促动器的位置。本领域技术人员将理解，在以下描述中，防喘振阀的促动器的位置称为防喘振阀的位置。
防喘振控制器140控制防喘振阀130，从而确定再循环的流体的量。控制器140接收来自系统的各种传感器和操作面板(未显示)的关于系统110的运行的信息。当压缩机运行点接近喘振线(例如，基于接近边界的防喘振参数)时，控制器140将新位置发送给防喘振阀130。由于新位置的原因，在防喘振回路120中再循环的流体的量和传送通过压缩机110的流体的量被修改。
根据一个示例性实施例，在图5中示出了可在图4中示出的系统100中使用的防喘振控制器150的示意图。防喘振控制器150与过程160交互。过程160表示包括压缩机(例如图4中的110)和具有防喘振阀(例如图4中的130)的防喘振回路(例如图4中的120)的系统。防喘振控制器150接收来自过程160的关于系统的运行的信息(该信息共同称为现场测量结果)，并且通过接口165把防喘振阀的位置发送给过程。现场测量结果包括位于系统各处的传感器测量的各种参数的值。方框170、172、174、176、178、180、185、190、195和200可为电路、CPU、逻辑电路、软件或它们的组合。
防喘振控制器150的计算方框170使用接收自过程160的现场测量结果来计算防喘振参数。例如，防喘振参数可与通过压缩机的流量成比例。在另一个实例中，防喘振参数可为运行点处的hs×Psd/Ps和喘振极限SL的比率，喘振极限SL为喘振线上的与运行点相同压缩比率处的hs×Psd/Ps的值。这里，hs是通过位于压缩机的吸入口附近的流元件的差压，Psd是吸入压力的设计值，而Ps是吸入压力的实际值。
通过方框172、174、176和178，使用把现场测量结果和防喘振阀的当前位置作为变量的模型来计算防喘振参数的预测值。该模型为确定性模型，即它以描述系统的状态的方程式为基础。方框172接收防喘振阀的最近传输的位置和来自过程160的现场测量结果。使用该系统的模型，方框172在考虑防喘振阀的最近传输的位置的影响的同时估计防喘振参数的预测值。换句话说，方框172估计过渡时期之后(即死区时间之后)的防喘振流量，然后使用估计出的防喘振流量来计算通过压缩机的预测总流量(其为输入流量和估计出的防喘振流量的和)。然后使用对应于预测总流量的差压hs的值以及压力比率(即Psd/Ps)来估计防喘振参数的预测值。
从方框172输出的防喘振参数的预测值被输入给延迟电路174和加法/减法电路176。延迟电路174可为Padé滤波器。加法/减法电路176输出防喘振参数的预测值和防喘振参数的较早的预测值之间的差额。因而，假定在防喘振阀的位置没有变化的固定状态的情况下，防喘振参数的较早的预测值和防喘振参数的当前预测值将基本相同，所以不执行修正(即加上和减去相同的量)。但是，当防喘振阀响应于新位置而打开时，防喘振参数的预测值和防喘振参数的较早的预测值之间的差额会防止使防喘振阀的当前位置过度修正。此外，使用该差额会导致消除潜在的建模误差。
加法电路178将防喘振参数的预测值和防喘振参数的较早的预测值之间的差额加到接收自方框176的防喘振参数的计算值上，以输出针对死区时间效应得到补偿的防喘振参数的经修正值。
在加法/减法方框180处，从边界中减去防喘振参数的经修正值，该边界为被看作对于系统的运行而言安全的防喘振参数的极限值。然后通过死区方框185来对对应于这个差额的信号进行滤波，以消除噪声，以及输入给确定和输出防喘振阀的新位置的比例积分(PI)方框190。PI方框190输出的新位置可通过速率限制器195来调节，以便确保该位置不以大于运行安全值的速率变化，以及将输出提供给过程160。
防喘振参数的经修正值也可输入给计算输入到方框180的边界的方框200。该边界可被减小，因为与使用常规防喘振控制器时相比，该系统更稳定且压缩机的运行包络可更靠近喘振线。
图6为示出了压缩机的喘振极限线和喘振控制线的曲线图。该曲线图的y轴表示等于压缩比率ρ(其为排出压力与吸入压力的比率)减1的偏移压缩比率。x轴表示量hs×Psd/Ps，其中，hs是通过位于压缩机的吸入口附近的流元件的差压，Psd是吸入压力的设计值，而Ps是吸入压力的实际值。线210是出现喘振现象处的喘振极限线(SLL)。线230是喘振控制线(SCL)，超过SCL(朝向喘振线)，防喘振控制器就会介入。点A表示正常运行期间的压缩机的运行点。点A的x坐标是正常运行期间压缩比率ρ处的hs×Psd/Ps的值。平行于x轴的A线在点B与喘振控制线230相交，并且在点C与喘振极限线210相交。因而，点A、点B和点C对应于同一y坐标，即同一(偏移)压缩比率ρ(偏移后为ρ-1)。点B的x坐标为喘振控制值SC|ρ-1，即压缩比率ρ的在该值以下会激活防喘振的值hs×Psd/Ps。点C的x坐标为喘振极限值SL|ρ-1，即压缩比率ρ的出现喘振处的值hs×Psd/Ps。运行点A的喘振参数可作为点A的x坐标(即量hs×Psd/Ps的值)和SL|ρ-1之间的比率来计算。
如图7中所示出，当使用根据一个实施例的补偿死区时间的新颖的控制器时，防喘振参数310和阀位置320具有朝向平衡状态的小的且被快速衰减的振荡(如果根本上有任何振荡的话)。
图8是控制使得能够再循环在压缩机中压缩的流体的一部分的防喘振回路上的防喘振阀的方法(400)的流程图。在S410处，方法400包括基于与流体运送系统的当前运行有关的现场测量结果来计算防喘振参数的未修正值。在S420处，方法400包括使用模型且基于现场测量结果和防喘振阀的当前位置来估计防喘振参数的预测值。在S430处，方法400包括基于下者来确定防喘振阀的新位置：(1)对应于通过压缩机的被看作是对于压缩机而言安全的流量的边界，以及(2)针对在当前位置已经发送给防喘振阀时和当前位置的影响被现场测量结果反映时之间的延迟得到补偿的防喘振参数的经修正值。经修正值以未修正值和预测值为基础。
方法400可进一步包括通过将防喘振参数的预测值和防喘振参数的较早的预测值之间的差额加到防喘振参数的未修正值上来计算防喘振参数的经修正值。方法400还可包括基于防喘振参数的经修正值来计算边界。
所公开的示例性实施例提供了用于在考虑了死区时间的影响的同时控制防喘振回路上的阀的系统和方法。应当理解，此描述不意图限制本发明。相反，示例性实施例意图覆盖包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围中的备选方案、修改方案和等效方案。另外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便对所要求保护的发明提供全面的理解。但是，本领域技术人员将理解，可在没有这样的具体细节的情况下实践各种实施例。
虽然在实施例中以特定的组合描述了当前的示例性实施例的特征和元件，但是各个特征或元件可在没有实施例的其它特征和元件的情况下单独使用，或者在有或没有本文中公开的其它特征和元件的情况下在各种组合中使用。
此书面描述使用了所公开的主题的实例，以使得本领域任何技术人员能够实践它们，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。主题的可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。这样的其它实例意图处于权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种流体运送系统(100)，包括：
压缩机(110)，其构造成压缩从中传送通过的流体；
防喘振回路(120)，其构造成允许所述流体的一部分在从所述压缩机(110)排出之后再循环回到所述压缩机(110)的入口(124)中；
防喘振阀(130)，其连接到所述防喘振回路(120)上，并且构造成基于所述防喘振阀(130)的位置来限定所述流体的被再循环的部分；以及
防喘振阀控制器(150)，其连接到所述防喘振阀(130)上，并且构造成接收与所述流体运送系统的当前运行有关的现场测量结果，以及计算出新位置且将所述新位置传输给所述防喘振阀(130)，计算所述新位置来补偿在(i)当前位置已经发送给所述防喘振阀(130)时和(ii)所述当前位置的影响被所述现场测量结果反映时之间的延迟。
2.根据权利要求1所述的流体运送系统，其特征在于，所述防喘振阀控制器构造成基于边界和所述防喘振参数的经修正值之间的差额来计算所述防喘振阀的新位置，所述边界为防喘振参数的安全值，所述经修正值基于接收到的所述现场测量结果而计算出，并且通过使用所述流体运送系统的模型而针对所述延迟得到补偿。
3.根据权利要求2所述的流体运送系统，其特征在于，所述防喘振阀控制器构造成使用下者来计算所述经修正值：(i)使用所述现场测量结果计算出的所述防喘振参数的未修正值，以及(ii)将所述现场测量结果和所述防喘振阀的当前位置用作输入给所述模型的变量而得到的所述防喘振参数的估计值。
4.根据权利要求3所述的流体运送系统，其特征在于，所述防喘振阀控制器构造成将所述防喘振参数的未修正值计算成与位于所述压缩机的吸入口附近的流元件的差压测量结果成比例，所述差压测量结果由(i)设计吸入压力和(ii)吸入压力的当前值的比率来加权，所述差压测量结果和所述吸入压力的当前值包括在所述现场测量结果中。
5.根据权利要求3所述的流体运送系统，其特征在于，所述防喘振阀控制器构造成通过将所述防喘振参数的估计值和所述防喘振参数的较早的估计值之间的差额加到所述防喘振参数的未修正值上来计算所述防喘振参数的经修正值。
6.根据权利要求5所述的流体运送系统，其特征在于，所述防喘振阀控制器包括Padé滤波器，作为延迟电路来提供所述防喘振参数的较早的估计值。
7.根据权利要求2所述的流体运送系统，其特征在于，所述防喘振参数是传送通过所述压缩机的总流体流量的函数，所述总流体流量是输入流量和所述流体的被再循环的部分的流量的和。
8.根据权利要求2所述的流体运送系统，其特征在于，所述防喘振阀控制器构造成基于所述防喘振参数的经修正值来计算所述边界。
9.一种控制使得能够再循环在压缩机(110)中压缩的流体的一部分的防喘振回路(120)上的防喘振阀(130)的方法(400)，所述方法包括：
基于与所述压缩机(110)和所述防喘振回路(120)的当前运行相关的现场测量结果来计算(S410)防喘振参数的未修正值；
使用把所述现场测量结果和所述防喘振阀(130)的当前位置作为变量的确定性模型来估计(S420)所述防喘振参数的预测值；
使用所述未修正值和所述预测值来计算(S430)针对在所述当前位置已经发送给所述防喘振阀(130)时和所述当前位置的影响被所述现场测量结果反映时之间的延迟得到补偿的所述防喘振参数的经修正值；以及
基于(i)边界，所述边界为所述防喘振参数的极限值和(ii)所述防喘振参数的经修正值来确定(S440)所述防喘振阀(130)的新位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过将(i)所述防喘振参数的预测值和(ii)所述防喘振参数的较早的预测值之间的差额加到所述防喘振参数的未修正值上来执行所述防喘振参数的经修正值的所述计算。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
基于所述防喘振参数的经修正值来计算所述边界。
12.一种防喘振阀控制器(150)，包括：
接口(165)，其构造成接收与包括压缩机(110)和具有防喘振阀(130)的防喘振回路(120)的系统(100)的当前运行有关的现场测量结果，以及将新位置发送给所述防喘振阀(130)；
第一单元(170)，其连接到所述接口(165)上，并且构造成基于通过所述接口(165)接收到的所述现场测量结果来计算防喘振参数的未修正值；
第二单元(172，174，176，178)，其连接到所述接口(165)上，并且构造成使用确定性模型且基于所述现场测量结果和所述防喘振阀的当前位置来估计所述防喘振参数的预测值；以及
第三单元(180，185，190，195)，其连接到所述第一单元(170)，所述第二单元(172，174，176，178)和所述接口(165)上，并且构造成基于下者来确定所述防喘振阀(130)的新位置：(i)对应于通过所述压缩机(110)的被看作对于所述压缩机(110)而言安全的流量的边界，以及(ii)基于所述未修正值和所述预测值而针对在(a)所述当前位置发送给所述防喘振阀(130)时和(b)所述当前位置的影响被所述现场测量结果反映时之间的延迟得到补偿的所述防喘振参数的经修正值。
13.根据权利要求12所述的防喘振阀控制器，其特征在于，所述防喘振阀控制器进一步包括：
加法电路，其连接在所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元之间，并且构造成将所述防喘振参数的预测值和所述第二单元输出的所述防喘振参数的较早的预测值之间的差额加到所述第一单元输出的所述防喘振参数的未修正值上，以及将结果传输给所述第三单元。
14.根据权利要求13所述的防喘振阀控制器，其特征在于，所述第二单元包括：
加法/减法电路，其构造成接收所述防喘振参数的预测值和所述防喘振参数的较早的预测值，以及输出所述差额；以及
构造成提供所述防喘振参数的较早的预测值的延迟单元。
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