CN105570112B - 天然气集气增压机的工况优化方法及气量调节控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天然气集气增压机的工况优化方法及应用于其的气量调节控制系统，方法通过在增压机的缸头设置气量调节控制系统，气量调节控制系统设置有余隙调节单元和转速调节单元，通过气量调节控制系统对增压机当前入口压力值进行判断，增压机的运行转速调节为粗调节、通过转速调节单元实现分级调节，增压机的余隙量调节为精细调节、通过余隙活塞实现60%~100%范围内连续无级调节。气量调节控制系统包括执行机构、液压油站、电控柜，执行机构包含余隙缸、余隙活塞、液压缸和位移传感器，电控柜包含PLC模块、伺服驱动单元、信号采集单元、转速调节单元和触摸屏。本发明实现集气增压机变工况的实时自动控制，大大减轻现场员工的调整工作量。

Description

天然气集气增压机的工况优化方法及气量调节控制系统

技术领域

本发明涉及一种天然气集气增压机的工况优化方法及应用于其的气量调节控制系统，实现较大气量调节范围的天然气集气增压机气量无级调节的自动控制。

背景技术

天然气集气增压机是一种集气增压设备，在天然气气田应用广泛，是国民经济必不可少的关键设备之一。目前，国内很多气田在生产运行过程中，部分区域天然气产量递减严重，增压机一级入口压力减小，导致增压机压缩比增大，这会造成增压机组排气温度增加，运动部件磨损加剧，降低设备使用寿命。因此增大增压机排量的可调节范围，对设备的平稳、高效、经济运行有重要意义。

对于集气增压机来说，目前可以通过增压机低转速运行、加载阀旁路调节、增大固定余隙装置的余隙值和余隙无级调节装置几种方式进行增压机排气量调节。

增压机低转速运行，可以降低增压机功率。可实现增压机排量的连续调节，压缩比相对保持不变。其不足之处在于排气量调节范围不大（小于5万方），发动机长时间低转速运行时状态不稳定，且运动部件（进、排气阀）速度降低，磨损加剧，振动相对增大。

加载阀旁路调节，部分外输气量进入小循环，减小外输气量，俗称打回流。其优点是排气量可连续调节，且外输气量调节范围较大（0-100%）。其不足之处是相同燃料气耗量的条件下，增压机运行经济性差，且增压后的高温气体再次进入压缩缸，缸内温度较高，易加剧气阀等配件损耗。

增大固定余隙装置的余隙值，降低容积效率，减少增压机排量，可使增压机负荷率降低，有效预防机组超载，其不足之处是机组原配余隙腔容积较小，排气量调节范围较小，每次调节需停机操作，非连续性调节，增加了员工的调整工作量。此外，由于人员操作不当可能存在安全风险。

而采用余隙无级调节装置，压缩缸外部扩展一定空腔作为余隙容积，降低容积效率，减少增压机排量。由于余隙容积大大增加，增压机排量的调节范围变大，适用于产气量7~32×104m3/d的集气站。经余隙无级调节装置改造后机组排气温度降低，非故障停机减少，振动减小，且气阀、轴瓦等配件使用寿命可大大增加。

专利CN200820066897.8提出了一种活塞往复式增压机余隙无级调节装置，详细介绍了余隙无级调节装置的工作原理及组成，该方法能实现往复式增压机气量在60%~100%范围内连续无级调节。目前，国内有些气田气量调节范围已超出此调节范围，故需要对此调节方法进行进一步改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有余隙调节气量存在的上述不足，提出一种天然气集气增压机的工况优化方法及气量调节控制系统，实现集气增压机变工况的实时自动控制，大大减轻现场员工的调整工作量，同时使增压机始终运行在最佳状态，减少振动，增加机组无故障运行时间，提升设备运行经济效益。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

天然气集气增压机的工况优化方法，包括如下步骤：

1）根据增压机的运行状态设定增压机的入口压力范围；

2）在增压机的缸头设置气量调节控制系统，气量调节控制系统设置有余隙调节单元和转速调节单元，通过气量调节控制系统对增压机当前入口压力值进行判断：

a.当入口压力超过设定压力范围上限时，气量调节控制系统调节余隙活塞位置进行自动加载，增加增压机的排量，使入口压力重新回到设定压力范围内；

b.当入口压力低于设定压力范围下限时，气量调节控制系统调节余隙活塞位置进行自动减载，减少增压机的排量，使入口压力重新回到设定压力范围内；

c.当入口压力处于设定压力范围时，气量调节控制系统不动作，继续对入口压力进行实时监测。

按上述方案，所述气量调节控制系统包括执行机构、液压油站、电控柜，其中执行机构包含余隙缸、余隙活塞、液压缸和位移传感器，液压油站包含油箱、油泵和伺服换向阀，电控柜包含PLC模块、伺服驱动单元、信号采集单元、转速调节单元和触摸屏，余隙缸替换掉增压机原气缸端盖并与增压机气缸直接相连，余隙活塞连接余隙缸和液压缸，位移传感器设置在液压缸上，液压油站与余隙活塞连接、用于驱动余隙活塞位置，PLC模块分别通过伺服驱动单元与液压油站的伺服换向阀连接、通过信号采集单元与执行机构的位移传感器连接、通过转速调节单元与增压机的动力机构连接，所述余隙调节单元由PLC模块的伺服驱动单元、液压油站的伺服换向阀和执行机构配合构成。

按上述方案，增压机的运行转速调节为粗调节、通过转速调节单元实现分级调节，增压机的余隙量调节为精细调节、通过余隙活塞实现60%~100%范围内连续无级调节。

按上述方案，在自动加载过程中，若余隙活塞的位置超出95%的负载率位置，则转速调节单元将增压机的转速自动调高一档。

按上述方案，在自动减载过程中，若余隙活塞的位置超过65%的负载率位置，则转速调节单元将增压机的转速自动调低一档。

本发明还提供了一种应用于上述天然气集气增压机的工况优化方法的气量调节控制系统，包括执行机构、液压油站、电控柜，其中执行机构包含余隙缸、余隙活塞、液压缸和位移传感器，液压油站包含油箱、油泵和伺服换向阀，电控柜包含PLC模块、伺服驱动单元、信号采集单元、转速调节单元和触摸屏，余隙缸设置在增压机外部扩展的空腔内，余隙活塞连接余隙缸和液压缸，位移传感器设置在液压缸上，液压油站与余隙活塞连接、用于驱动余隙活塞位置，PLC模块分别通过伺服驱动单元与液压油站的伺服换向阀连接、通过信号采集单元与执行机构的位移传感器连接、通过转速调节单元与增压机的动力机构连接。

本发明的工作原理：影响增压机排气量的因素主要有增压机的入口压力、出口压力、增压机转速和余隙量，其中，增压机的入口压力不仅影响增压机的排气量，同时对增压机的运行温度影响最大，故本发明气量调节控制系统是在原有的余隙调节控制系统中增加了转速调节单元，实现转速调节和余隙无级调节两种调节方式的无缝连接，大大增加了余隙无级调节系统的气量调节范围。其中，增压机的运行转速调节为粗调节，可实现分级调节。增压机的余隙量调节为精细调节，可实现60%~100%范围内连续无级调节。

本发明的有益效果：基于余隙无级调节气量的基本原理，将入口压力作为主控参量，对主控参量增压机入口压力偏离给定压力的范围控制在5%左右，这样可以减少操作机构的调节频率，大大减轻现场员工的调整工作量，实现集气增压机变工况的实时自动控制，同时使增压机始终运行在最佳状态，减少振动，增加机组无故障运行时间，有利于系统长期稳定运行，提升设备运行经济效益。

附图说明

图1为本发明气量调节控制系统配合增压机工作的功能模块图；

图2为本发明手动控制逻辑图；

图3为本发明自动控制逻辑图。

具体实施方式

下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

参照图1所示，本发明所述的气量调节控制系统，包括执行机构、液压油站、电控柜，其中执行机构包含余隙缸、余隙活塞、液压缸和位移传感器，液压油站包含油箱、油泵和伺服换向阀，电控柜包含PLC模块、伺服驱动单元、信号采集单元、转速调节单元和触摸屏，余隙缸替换掉增压机原气缸端盖并与增压机气缸直接相连，余隙活塞连接余隙缸和液压缸，位移传感器设置在液压缸上，液压油站与余隙活塞连接、用于驱动余隙活塞位置，PLC模块分别通过伺服驱动单元与液压油站的伺服换向阀连接、通过信号采集单元与执行机构的位移传感器连接、通过转速调节单元与增压机的动力机构连接， PLC模块的伺服驱动单元、液压油站的伺服换向阀和执行机构配合构成余隙调节单元。

实施本发明工况优化方法需要对气田集气增压机增设气量调节控制系统，并对控制系统进行进一步改进，在原有的余隙无级调节系统（主要包括余隙调节单元）上增加转速调节单元，使气量调节控制系统能够满足更大范围的气量调节，进而实现天然气集气增压机的工况优化，使增压机始终运行在最佳状态，减少振动，增加机组无故障运行时间。

实施例：

以一台工作转速为340rpm，进气压力为1MPa，排气压力为2.8MPa，入口流量为12000Nm3/h的DPC-2803集气增压机为例。

余隙无级调节改造前，该集气站由于气井产能递减，增压机进气压力明显降低，当前进气压力只能维持在0.79MPa，平均压缩比为3.5。由于增压机轻载，且压缩比过高，所以增压机排气温度居高不下（平均108℃），增压机气阀等配件损耗严重，同时由于机组排气温度高产生的频繁报警停机，影响该集气站天然气生产。

余隙无级调节改造后，增压机在70%负荷率下运行时，进气压力提升至1.15MPa，排气压力2.8MPa不变，压缩比由3.5降至2.45，排气平均温度由108℃降至85℃，无超温状态发生，设备的运行状态大为改善。

但是，当集气站气井产能降低，导致集气站配产降低，增压机需要在低于60%负荷率运行时，此余隙无级调节系统无法满足，故需要对该系统进行进一步改进，以满足更大范围的调节需求。

本发明在原有的余隙无级调节系统中增加了转速调节单元，实现转速调节和余隙无级调节两种调节方式的无缝连接，大大增加了余隙无级调节系统的气量调节范围。

其中转速调节为粗调，分为340/350/360/370/380/390/400rpm七档调节；余隙调节为精调，调节范围为60%~100%。

本发明控制系统以余隙调节为主，转速调节为辅，当余隙调节余隙活塞到达65%负荷率位置时，若需继续降低负荷率，此时转为转速调节，将转速自动调低一档，然后转为余隙调节；当余隙调节余隙活塞在65%负荷率位置和95%负荷率位置之间运行时只需进行余隙调节；当余隙调节余隙活塞到达95%负荷率位置时，若需继续提高负荷率，此时转为转速调节，将转速自动调高一档，然后转为余隙调节。

控制系统可实现手动调节和自动调节。

如图2所示，当需要进行手动调节时，操控人员在触摸屏界面上设定为手动控制状态，根据增压机的入口压力变化情况，在触摸屏界面上输入加减载指令控制增压机各余隙活塞的位置进行加载和减载。

如图3所示，当需要自动控制时，操控人员在触摸屏界面上设定为自动控制状态，并根据增压机的运行状态设置增压机的入口压力范围。实施例中，增压机当前进气压力为1.15MPa，故将入口压力范围设定为1.09 MPa ~1.20MPa（1.15*95%~1.15*105%MPa）。此时，余隙调节控制系统对当前入口压力值进行判断，当入口压力超过1.20MPa时，控制系统调节余隙活塞位置进行加载，增加增压机的排量，使入口压力重新回到1.09 MPa ~1.20MPa范围内；当入口压力低于1.09MPa时，控制系统调节余隙活塞位置进行减载，减少增压机的排量，使入口压力重新回到设定压力范围内，当入口压力处于1.09 MPa ~1.20MPa范围时，控制系统不动作，继续对入口压力进行实时监测。

在自动加载过程中，若余隙活塞的位置超出95%的负载率位置，则将转速自动调高一档，

在自动减载过程中，若余隙活塞的位置超过65%的负载率位置，则将转速自动调低一档。

应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (6)

1.一种天然气集气增压机的工况优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）根据增压机的运行状态设定增压机的入口压力范围；

2）在增压机的缸头设置气量调节控制系统，气量调节控制系统设置有余隙调节单元和转速调节单元，通过气量调节控制系统对增压机当前入口压力值进行判断：

a.当入口压力超过设定压力范围上限时，气量调节控制系统调节余隙活塞位置进行自动加载，增加增压机的排量，使入口压力重新回到设定压力范围内；

b.当入口压力低于设定压力范围下限时，气量调节控制系统调节余隙活塞位置进行自动减载，减少增压机的排量，使入口压力重新回到设定压力范围内；

c.当入口压力处于设定压力范围时，气量调节控制系统不动作，继续对入口压力进行实时监测。

2.如权利要求1所述的天然气集气增压机的工况优化方法，其特征在于，所述气量调节控制系统包括执行机构、液压油站、电控柜，其中执行机构包含余隙缸、余隙活塞、液压缸和位移传感器，液压油站包含油箱、油泵和伺服换向阀，电控柜包含PLC模块、伺服驱动单元、信号采集单元、转速调节单元和触摸屏，余隙缸直接替换掉原增压机的气缸端盖并与增压机气缸直接相连，余隙活塞连接余隙缸和液压缸，位移传感器设置在液压缸上，液压油站与余隙活塞连接、用于驱动余隙活塞位置，PLC模块分别通过伺服驱动单元与液压油站的伺服换向阀连接、通过信号采集单元与执行机构的位移传感器连接、通过转速调节单元与增压机的动力机构连接，所述余隙调节单元由PLC模块的伺服驱动单元、液压油站的伺服换向阀和执行机构配合构成。

3.如权利要求1所述的天然气集气增压机的工况优化方法，其特征在于，增压机的运行转速调节为粗调节、通过转速调节单元实现分级调节，增压机的余隙量调节为精细调节、通过余隙活塞实现60%~100%范围内连续无级调节。

4.如权利要求1所述的天然气集气增压机的工况优化方法，其特征在于，在自动加载过程中，若余隙活塞的位置超出95%的负载率位置，则转速调节单元将增压机的转速自动调高一档。

5.如权利要求1所述的天然气集气增压机的工况优化方法，其特征在于，在自动减载过程中，若余隙活塞的位置超过65%的负载率位置，则转速调节单元将增压机的转速自动调低一档。

6.一种应用于权利要求1所述的天然气集气增压机的工况优化方法的气量调节控制系统，其特征在于，包括执行机构、液压油站、电控柜，其中执行机构包含余隙缸、余隙活塞、液压缸和位移传感器，液压油站包含油箱、油泵和伺服换向阀，电控柜包含PLC模块、伺服驱动单元、信号采集单元、转速调节单元和触摸屏，余隙缸设置在增压机外部扩展的空腔内，余隙活塞连接余隙缸和液压缸，位移传感器设置在液压缸上，液压油站与余隙活塞连接、用于驱动余隙活塞位置，PLC模块分别通过伺服驱动单元与液压油站的伺服换向阀连接、通过信号采集单元与执行机构的位移传感器连接、通过转速调节单元与增压机的动力机构连接。