CN108593323A - 一种燃驱压缩机组性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃驱压缩机组性能测试系统，包括信号采集模块、信号传输模块和性能计算模块；所述信号采集模块包括若干传感器，分别为扭矩仪、温度传感器和湿度传感器；所述信号传输模块包括数据线、模拟量转换器、第一光纤信号转换器、第二光纤信号转换器和光纤；所述性能计算模块包括便携式计算机一台、实时数据库和模块化建模软件，所述模块化建模软件的各模块利用燃驱压缩机组的机械振动参数和所述驱动轴扭矩、进气温度和进气湿度计算所述燃气轮机的整机效率、整机功率和压缩机效率。本发明可以实现对机组实际运行功率和运行效率的准确计算，便于用户准确评估机组运行状态，科学制定维护策略。

Description

一种燃驱压缩机组性能测试系统

技术领域

本发明涉及天然气输送管线动力设备监测技术领域，尤其涉及一种燃驱压缩机组性能测试系统。

背景技术

中国石油油气管道实现跨越式发展，先后建成了陕京二线、陕京三线、西气东输二线、西气东输三线、涩宁兰线、中亚线、冀宁线等一批大口径长距离输气管道。截止到2016年底，中国石油管道已经安装压缩机组312套，包括燃驱离心式机组186 套、电驱离心式机组75套、往复式机组51套，安装30MW燃驱机组约170套，其中国内安装GE燃驱机组70套、SIEMENS燃驱机组46套，中亚管道安装GE和SIEMENS 燃驱机组54套。随着中缅线、中俄东线及东北天然气管网的建设，预计到2018年，压缩机组的数量将达到400套。

随着机组运行年限的增长，机组运行指标在逐渐下降，机组失效带来的后果也越来越严重。燃气轮机性能测试技术针对此类故障，可以做到提前预警、故障定位等。目前，中石油管道90％以上的燃驱离心式压缩机组已经安装了基于机械振动的状态监测系统。从现场实际应用看，针对燃气轮机热端部件发生的故障(如烧蚀等)，仅靠振动监测难以诊断，针对燃气轮机转子叶片断裂等，振动监测效果并不明显。燃气轮机是高速旋转式机械，但由于各部件在高温环境下工作，运行状态及性能通过热力学参数比机械振动参数反映更具优势，因此，针对燃气轮机采用以气路性能参数为主、机械振动参数为辅的监测与诊断技术手段较为科学，很有必要开发一套燃驱压缩机组性能测试系统，实现对燃气轮机健康状况的判断，并给出相应的维检修建议。

经过现有技术文献的检索发现，目前的燃驱压缩机组状态监测基本是基于机械振动。对燃驱压缩机组性能测试的研究大多数也局限于通过现场传感器测量机组运行参数展开性能分析。只有少数研究燃驱压缩机组性能的文章提出通过性能计算得到机组的非监测参数加以性能分析，其中最具代表的是李刚等在2017年6月的期刊《油气运输》上发表的文章《燃驱压缩机组性能监测系统的开发与应用》，开发了一套判断燃气轮机健康状况的燃驱压缩机组性能监测系统。文中提到燃驱压缩机组性能监测主要通过现场传感器采集机组运行参数，另外，燃气发生器转速、动力涡轮转速、离心压缩机进排气温度和压力、燃料气质量流量等数据从机组控制系统上读取。性能监测系统通过运行监测参数，能够计算出相关燃机性能参数。通过这些参数可以进一步开展机组的性能分析。但考虑到性能计算的准确性，会影响到性能监测系统整体的准确性。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的燃驱压缩机组性能测试系统，以气路性能参数为主、机械振动参数为辅，进一步提高性能监测系统整体的准确性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何开发一套燃驱压缩机组性能测试系统，实现对燃气轮机健康状况的准确判断，并给出相应的维检修建议。

为实现上述目的，本发明提供了一种燃驱压缩机组性能测试系统，包括信号采集模块、信号传输模块和性能计算模块；

所述信号采集模块包括若干传感器，分别为扭矩仪、温度传感器和湿度传感器，所述扭矩仪用于测量燃气轮机动力涡轮和压缩机之间的驱动轴扭矩，所述温度传感器用于测量所述燃气轮机进气温度，所述湿度传感器用于测量所述燃气轮机进气湿度；

所述信号传输模块包括数据线、模拟量转换器、第一光纤信号转换器、第二光纤信号转换器和光纤，所述信号采集模块所采集的扭矩仪信号、温度传感器信号、湿度传感器信号通过所述数据线传输到所述模拟量转换器，经所述模拟量转换器转换为 RS485信号，所述RS485信号经所述第一光纤信号转换器后转换为光信号，并通过所述光纤发送到远端的所述第二光纤信号转换器，将光信号转换为数据信息，并传入所述性能计算模块；

所述性能计算模块包括便携式计算机一台、实时数据库和模块化建模软件，所述实时数据库和模块化建模软件都内建在所述便携式计算机上，所述便携式计算机接收所述信号传输模块的信息，并存储在所述实时数据库中，所述模块化建模软件调用所述实时数据库中的数据并写入所述便携式计算机的本地关系数据库，所述模块化建模软件的各模块利用燃驱压缩机组的机械振动参数和所述驱动轴扭矩、进气温度和进气湿度计算所述燃气轮机的整机效率、整机功率和压缩机效率。

进一步地，所述信号采集模块还包括烟气分析仪和烟气探头，所述烟气探头与所述烟气分析仪连接，对燃气轮机排烟的CO、CO2、NO、NO2污染物进行测定。

进一步地，所述温度传感器安装在燃气轮机进气滤芯处。

进一步地，所述湿度传感器安装在燃气轮机进气滤芯处。

进一步地，所述RS485信号所使用的协议为Modbus协议。

进一步地，所述信号采集模块和所述信号传输模块还包括若干必要的电源设备。

进一步地，所述模拟量转换器、所述第一光纤信号转换器和所述电源设备集中安装在一个防爆箱内。

进一步地，所述防爆箱满足天然气输送作业的防爆要求。

进一步地，所述防爆箱布置在燃驱压缩机组附近。

进一步地，还包括站场采集设备和站场服务器，所述站场采集设备采集燃驱压缩机组的机械振动参数，并存储在所述站场服务器中，所述性能计算模块在进行性能计算的时候，所述便携式计算机从所述站场服务器中读取数据。

本发明可以对运行中的燃驱压缩机组的整机功率、燃气轮机效率和压缩机效率做出准确的评估，不依赖于压气机、涡轮和压缩机的特性图(燃气轮机在运行时间较长之后，特性图会发生变化)，因此计算更为准确可靠。

本发明可以实现对机组实际运行功率和运行效率的准确计算，便于用户准确评估机组运行状态，科学制定维护策略。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的硬件架构图；

图2是本发明的一个较佳实施例的软件结构图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例一

如图1所示，本实施例包括信号采集模块1、信号传输模块2和性能计算模块3。在信号采集模块1中，包括扭矩仪101、温度传感器102、湿度传感器103和烟气分析仪104，烟气分析仪104还带有烟气探头105。信号传输模块2包括模拟量转换器201、第一光纤信号转换器202、第二光纤信号转换器203和光纤204。信号采集模块1和信号传输模块2还包括若干必要的电源设备205。模拟量转换器201、第一光纤信号转换器202和电源设备205集中安装在一个防爆箱5中。防爆箱5布置在燃驱压缩机组6 附近。性能计算模块3包括便携式计算机一台。电源设备205为24V的直流电源。

在本实施例中，温度传感器102和湿度传感器103安装在燃气轮机进气滤芯处，扭矩仪安装在动力涡轮和压缩机的驱动轴中间，烟气分析仪安装在动力涡轮排气蜗壳处，信号采集设备安装在防爆箱内，防爆箱布置在机组附近。

温度传感器102和湿度传感器103分别采用2根4芯信号线与信号采集模块1相连，其中1根4芯信号线中的两个芯用于传感器供电，另外两个芯用于传输4-20mA 信号，供电线与24V直流电源设备205的电源端子相连，信号线与模拟量转换器201 的输入端子相连。

扭矩仪101自带供电模块，采用2芯信号线与信号采集模块1相连。

三路4-20mA电流信号经过模拟量转换器201转换为Modbus协议的RS485信号，RS485信号通过信号线与第一光纤信号转换器202相连，三路传感器信号搭在一路 Modbus协议的RS485信号上用于传输。

模拟量转换器201采用24V直流电源供电。

第一光纤信号转换器202将Modbus协议的光信号传输至性能计算模块3的便携式计算机，在传输到性能计算模块3的便携式计算机之前，先通过第二光纤信号转换器203把光信号转换为数据信息，并通过USB接口送入便携式计算机。

如图2所示，便携式计算机通过配置数据库文件，将扭矩仪101、温度传感器102、湿度传感器103的信号数据存入本地数据库，并通过配置数据库文件，将燃驱压缩机组6运行的其他关键参数，主要为机械振动参数，如转速、各界面面的温度、压力数据保存在本地数据库。

便携式计算机运行性能计算软件模块，对燃驱压缩机组6的整机效率、整机功率和压缩机效率进行评估计算，并将结果显示在软件界面，保存在本地数据库中。

实施例二

在现场测试实验中，首先对需要进行性能测试的燃驱压缩机组6的若干传感器信号安装采集系统，用于采集环境压力、环境湿度、烟气分析仪和扭矩仪信号，然后将燃驱压缩机组6原有测点数据通过其他数据接口输入测试系统，并安装软硬件测试系统，进行现场调试，准备测试。

性能测试的主要思路是使用燃机控制系统的转速控制策略，在安全运行的前提下，选取尽量大的转速范围，依次使机组运行在设定的转速，等机组运行稳定后开始进行实验。

关于测试转速和范围一些参数要求为：动力涡轮最低运行转速：3965r/min，正常运行转速：6100r/min，最高连续运行转速：6405r/min，跳机转速：6710r/min。

机组启动的流程和24小时机械运转测试的启动流程相同。在机组到达最小运行转速后，防喘阀逐渐关闭。手动控制时，根据压气站工艺要求进行升速；自动控制时，机组根据负载分配进行工艺参数控制，直至达到进出站的压力设定要求。

机械运行测试前，压缩机机组工艺系统的各个阀位置处于安全位置状态。压缩机组进口阀XV4101为关闭状态，加载阀XV775为关闭状态，出口阀XV4103为关闭状态，放空阀XV784为打开状态，防喘阀FCV776为打开状态，防喘振关断阀XV777 为关闭状态，干气密封控制阀XV769为关闭状态。用户工艺流程为正输流程。

机组启动，程序自检紧急油泵，启动辅助油泵，启动通风冷却风机，加载阀XV775打开，开始进行工艺气的吹扫置换，吹扫置换计时结束后，放空阀XV784关闭，开始充压，同时燃料气系统进行加热为点火做准备。当充压至PDIT-775小于100kPa时，工艺阀XV4101、XV4103、XV777开始打开直至完全打开，加载阀XV775关闭。机组下一步准备点火，矿物油系统和燃料气系统具备条件后点火，工艺气阀保持当前位置，机组点火后进入怠速，怠速计时器结束后机组升速到最小运行转速。此时防喘阀置于自动状态，开始关闭，在防喘阀完全关闭前机组保持在最小运行转速。

防喘阀关闭后，根据压气站运行要求自动或手动进行工艺参数的控制。手动控制时，根据实际要求提高或降低速度；自动控制状态时，系统自动根据进出站压力设定进行自动调整以满足管道运行要求。一切要求以现场实际工况的最佳条件进行性能测试。

在测试过程中，根据管道上下游的工艺参数要求进行机组转速调整。机组分别运行在75％，80％，90％，100％转速下，机组负荷取决于实际气组分、进排气压力、进气温度和管道输量。

依据实验要求，性能测试系统需要通过建立燃机模型，计算运行机组的功率和效率等关键参数。部件效率可以通过部件特性曲线及界面参数间的热力学关系求解；本实验由于在动力涡轮和压缩机中间新增了扭矩仪用于测量传动轴所承受的扭矩，稳定工况下，依据动力涡轮转速和传动轴扭矩即可准确测量动力涡轮功率和压缩机功率，因此通过燃料流量和燃气轮机输出功率，即可求解燃驱轮机整机效率。并且，燃机模型通过输入温度、压力和转速等信号，通过界面参数之间的热力学关系和部件特性，即可求得燃气轮机压气机、高压涡轮、动力涡轮等部件效率和流量。其余截面温度压力一并输出。

对于ISO条件下的机组性能测试实验，由于受环境温度、环境压力和湿度等外界条件的限制(环境温度15℃、大气压力0.101325MP、大气相对湿度60％)，需要在外界条件接近或满足上述条件时完成测试，如外界环境满足，则选定若干运行转速进行测试，如外界条件不满足，则直接进行变工况性能测试，对于ISO条件下的性能，可采用校准后的模型求解。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃驱压缩机组性能测试系统，其特征在于，包括信号采集模块、信号传输模块和性能计算模块；

所述信号采集模块包括若干传感器，分别为扭矩仪、温度传感器和湿度传感器，所述扭矩仪用于测量燃气轮机动力涡轮和压缩机之间的驱动轴扭矩，所述温度传感器用于测量所述燃气轮机进气温度，所述湿度传感器用于测量所述燃气轮机进气湿度；

所述信号传输模块包括数据线、模拟量转换器、第一光纤信号转换器、第二光纤信号转换器和光纤，所述信号采集模块所采集的扭矩仪信号、温度传感器信号、湿度传感器信号通过所述数据线传输到所述模拟量转换器，经所述模拟量转换器转换为RS485信号，所述RS485信号经所述第一光纤信号转换器后转换为光信号，并通过所述光纤发送到远端的所述第二光纤信号转换器，将光信号转换为数据信息，并传入所述性能计算模块；

所述性能计算模块包括便携式计算机一台、实时数据库和模块化建模软件，所述实时数据库和模块化建模软件都内建在所述便携式计算机上，所述便携式计算机接收所述信号传输模块的信息，并存储在所述实时数据库中，所述模块化建模软件调用所述实时数据库中的数据并写入所述便携式计算机的本地关系数据库，所述模块化建模软件的各模块利用燃驱压缩机组的机械振动参数和所述驱动轴扭矩、进气温度和进气湿度计算所述燃气轮机的整机效率、整机功率和压缩机效率。

2.如权利要求1所述的燃驱压缩机组性能测试系统，其特征在于，所述信号采集模块还包括烟气分析仪和烟气探头，所述烟气探头与所述烟气分析仪连接，对燃气轮机排烟的CO、CO2、NO、NO2污染物进行测定。

3.如权利要求1所述的燃驱压缩机组性能测试系统，其特征在于，所述温度传感器安装在燃气轮机进气滤芯处。

4.如权利要求1所述的燃驱压缩机组性能测试系统，其特征在于，所述湿度传感器安装在燃气轮机进气滤芯处。

5.如权利要求1所述的燃驱压缩机组性能测试系统，其特征在于，所述RS485信号所使用的协议为Modbus协议。

6.如权利要求1所述的燃驱压缩机组性能测试系统，其特征在于，所述信号采集模块和所述信号传输模块还包括若干必要的电源设备。

7.如权利要求6所述的燃驱压缩机组性能测试系统，其特征在于，所述模拟量转换器、所述第一光纤信号转换器和所述电源设备集中安装在一个防爆箱内。

8.如权利要求7所述的燃驱压缩机组性能测试系统，其特征在于，所述防爆箱满足天然气输送作业的防爆要求。

9.如权利要求7所述的燃驱压缩机组性能测试系统，其特征在于，所述防爆箱布置在燃驱压缩机组附近。

10.如权利要求1所述的燃驱压缩机组性能测试系统，其特征在于，还包括站场采集设备和站场服务器，所述站场采集设备采集燃驱压缩机组的机械振动参数，并存储在所述站场服务器中，所述性能计算模块在进行性能计算的时候，所述便携式计算机从所述站场服务器中读取数据。