CN108708872B - 一种并列运行透平压缩机控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并列运行透平压缩机控制方法及控制系统，包括负荷平衡控制、性能控制、防喘振控制；计算喘振控制偏差，根据压缩站内各机组的喘振控制偏差及平均喘振控制偏差实现机组自动负荷分配，采用性能控制与负荷平衡控制联合控制透平的转速及机组的主性能参数，消除性能控制与防喘振控制之间的耦合关系。本发明通过联合协调控制，优化并列运行压缩站机组负荷分配，更好地保护机组安全运行和最大化机组运行效率。

Description

一种并列运行透平压缩机控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及并列运行透平压缩机控制，尤其涉及压缩站内多台并列运行透平压缩机之间自动负荷平衡分配及控制回路间的协调控制。

背景技术

在流程工业生产中，许多工艺需要几台机组并列运行，如LNG工厂，可能采用三台丙烯压缩机，两用一备，如果工艺所需流量大范围减少，则可停掉一台压缩机；在天然气管线输送线路上，要设一些增压站，每个压缩站通常由两台以上压缩机组并列运行。在流程工业中需要并列运行机组的场合，都是要求安全、稳定和高效运行的部位。

并列运行压缩站控制的主性能参数有：入口压力、出口压力和流量。并列运行涉及各机组的协调问题，不同机组之间调整相互影响，既要保证各机组协调运行满足主性能参数变化要求，又要保证各压缩机避免喘振发生，以及压缩机回流量最小，即保证安全、高效运行，这对于并列运行机组控制是个很大的挑战。

目前并列机组运行控制方式主要有：

(1)设置透平转速手动控制方式，使每台压缩机满负载运行，当压缩站负荷有变化后，通过打回流的方式，使机组安全运行，这种控制方法虽然能保证机组安全运行，但能源浪费很严重。

(2)设置性能控制器，根据主性能参数的变化，按比例分配流量给压缩站内各压缩机，如站内压缩机型号相同，则等流量分配，如机组容量不同，则根据各压缩机的特性按一定比例分配流量。由于几乎没有任何两台机组的特性相同，这种固定比例流量分配的控制方式也并不合适，比如为了维持出口压力恒定，有些机组在满负载运行，而有些机组进入喘振或打回流。

(3)设置基本负荷机组和调峰机组，控制基本负荷机组在最大效率点运行，当工艺负荷变化后，由调峰机组调节负荷，以满足压缩站主性能参数变化的需要，这种方法在实际工程中用的比较多，但安全性和机组能效方面也不是最佳。

(4)考虑每台机组运行在不同流量下，而保持每台机组运行点与喘振控制线保持相同的距离(等距运行)，这种控制策略可以保证并列机组总体最小的循环量，而且可使防喘振控制更加有效，因为一旦扰动发生，所有机组的防喘阀同时打开。

但是并列运行压缩站内各机组容易出现带载不均衡，控制回路间存在较强的耦合问题，尤其是性能控制和防喘振控制之间的相互影响，目前主要在手动控制方式下运行，自动化程度低，控制响应较差，能源浪费严重及安全保护不足。

因此，需要发明一种并列运行机组自动负荷分配方法，以及控制回路间的协调控制方法，在满足主工艺参数变化的要求下，使压缩站内各机组安全、高效、自动运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种并列运行透平压缩机控制方法及控制系统，以提高并列运行压缩机组的安全性和能效。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种并列运行透平压缩机控制系统，包括负荷平衡控制模块、性能控制模块、防喘振控制模块、解耦控制模块及解耦与负荷平衡选择投入模块；防喘振控制模块用于计算并列运行压缩站内机组的喘振控制偏差以及防喘振控制指令(ΔA′_out)，负荷平衡控制模块用于根据所述压缩站内机组的喘振控制偏差及所有机组的平均喘振控制偏差实现机组自动负荷分配，解耦控制模块用于消除性能控制与防喘振控制之间的耦合关系，并得到防喘振解耦控制输出及性能解耦控制输出，解耦与负荷平衡选择投入模块用于根据所述压缩站内机组的运行点对解耦控制模块以及负荷平衡控制模块的投入进行选择。

优选的，所述喘振控制偏差的计算包括以下步骤：

1)计算压缩机组无因次流量信号的简化值ΔP_o,s/P_s，及压比R_c＝p_d/p_s；

2)计算喘振接近度：

3)计算喘振控制偏差Dev：Dev＝1-(A+b)，b为喘振控制裕量。

优选的，所述负荷平衡控制模块计算所有压缩机组的平均喘振控制偏差Dev_avg，将平均喘振控制偏差与各机组的喘振控制偏差比较，得到负荷平衡控制指令(ΔL_out)，使各机组的喘振控制偏差趋近于平均喘振控制偏差，达到自动负荷分配的目的。

优选的，所述解耦与负荷平衡选择投入模块利用选择函数f₂(Dev)对负荷平衡控制模块的输出进行修正，当压缩机组的Dev大于0时，负荷平衡控制指令(负荷平衡控制选择函数(f₂(Dev))修正后的负荷平衡控制指令)起作用，性能控制与负荷平衡控制联合控制压缩机组性能，当压缩机组的Dev小于0时，负荷平衡控制指令取消。

优选的，所述性能控制模块根据并列运行压缩站的主性能参数(如入口压力，出口压力和流量)与设定目标值比较结果，计算输出性能控制指令(ΔS_out)到压缩站内各压缩机组。

优选的，所述解耦与负荷平衡选择投入模块利用选择函数f₁(Dev)对解耦控制模块输出进行修正，当压缩机组的Dev小于0时，使性能控制指令(ΔS_out)与防喘振控制指令(ΔA′_out)通过解耦控制模块解耦，当压缩机组的Dev大于0时，解耦控制模块退出。

优选的，所述防喘振解耦控制输出(ΔA_out)表示为：

ΔA_out＝B₁₂·ΔS′_out+ΔA′_out＝B₁₂·ΔS_out·f₁(Dev)+ΔA′_out

所述性能解耦控制输出(ΔS"_out)表示为：

ΔS"_out＝B₂₁·ΔA′_out+ΔS′_out

性能控制与负荷平衡控制联合控制下的性能输出表示为：

ΔU_out＝ΔS_out+ΔS"_out+ΔL′_out＝ΔS_out+ΔS"_out+ΔL_out·f₂(Dev)

其中，B₁₂为防喘振解耦系数，B₂₁为性能解耦系数，ΔS′_out为输入到解耦控制模块的性能控制指令，ΔS_out为性能控制模块输出的总性能控制指令，f₁(Dev)为对解耦控制模块输出进行修正的选择函数，f₂(Dev)为对负荷平衡控制模块的输出进行修正的选择函数，ΔA′_out为防喘振控制与保护模块(简称防喘振控制模块)输出的防喘振控制指令，ΔL_out为负荷平衡控制模块输出的负荷平衡控制指令，ΔL′_out为负荷平衡控制选择函数(f₂(Dev))修正后的负荷平衡控制指令。

优选的，所述防喘振解耦系数、性能解耦系数按照以下公式计算：

其中，k₁₂为性能控制指令到喘振参数变化之间传递函数增益，k₂₂为防喘振控制指令到喘振参数变化之间传递函数增益，T₁₂为性能控制指令到喘振参数变化之间传递函数时间常数，T₂₂为防喘振控制指令到喘振参数变化之间传递函数时间常数；S是拉普拉斯变换后传递函数中的一个符号；

其中，k₁₁为性能控制指令到性能参数变化之间传递函数增益，k₂₁为防喘振控制指令到性能参数变化之间传递函数增益，T₁₁为性能控制指令到性能参数变化之间传递函数时间常数，T₂₁为防喘振控制指令到性能参数变化之间传递函数时间常数。

一种并列运行透平压缩机控制方法，包括以下步骤：

1)计算并列运行压缩站内各机组的喘振控制偏差Dev，计算所述压缩站内所有机组的平均喘振控制偏差Dev_avg，分别比较平均喘振控制偏差Dev_avg与各机组的喘振控制偏差Dev，通过负荷平衡控制，使各机组的喘振控制偏差趋近于平均喘振控制偏差，实现压缩站内各机组的自动负荷分配；

2)当某压缩机组进入喘振区时，使性能控制指令与防喘振控制指令解耦，消除防喘振控制和性能控制相互影响，否则，使负荷平衡控制参与负荷分配调节。

优选的，当某压缩机组的Dev小于0，通过调整防喘振解耦系数B₁₂和性能解耦系数B₂₁，以消除性能控制与防喘振控制间的耦合关系。

本发明的有益效果体现在：

本发明根据压缩站内各机组的喘振控制偏差及平均喘振控制偏差实现机组自动负荷分配，采用性能控制与负荷平衡控制联合控制透平的转速及机组的主性能参数，消除性能控制与防喘振控制之间的耦合关系。本发明通过联合协调控制，优化并列运行压缩站机组负荷分配，更好地保护机组安全运行和最大化机组运行效率。

进一步的，通过计算防喘振解耦系数B₁₂消除性能控制指令的变化对防喘振控制带来的影响，计算性能解耦系数B₂₁消除防喘振控制指令的变化对性能控制带来的影响。

附图说明

图1为并列运行透平压缩机控制框图；

图2为解耦与负荷平衡选择投入函数框图；

图3为性能控制与防喘振控制解耦框图；

图中：101-第一透平，102-第一压缩机，103-第一速度控制器，104-第一截止阀，105-第一回流阀，111-第一流量压差信号，112-第一入口压力信号，113-第一排气压力信号，114-第一喘振计算模块，115-第一防喘振控制与保护模块，116-选择函数f₁(Dev1)，117-乘法器，118-第一解耦控制模块，119-选择函数f₂(Dev1)，120-乘法器，121-第一负荷平衡控制模块，130-性能控制模块，131-平均模块，132-出口压力传感器信号，133-压力设定值，134-气源，201-第二透平，202-第二压缩机，203-第二速度控制器，204-第二截止阀，205-第二回流阀，211-第二流量压差信号，212-第二入口压力信号，213-第二排气压力信号，214-第二喘振计算模块，215-第二防喘振控制与保护模块，216-选择函数f₁(Dev2)，217-乘法器，218-第二解耦控制模块，219-选择函数f₂(Dev2)，220-乘法器，221-第二负荷平衡控制模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参见图1，以两台并列运行的机组为例，并列运行的第一压缩机102和第二压缩机202分别由第一透平101和第二透平201驱动，气源134的气体分别进入第一、第二压缩机102、202压缩后，分别途经第一截止阀104、第二截止阀204后向下游统一输气，第一压缩机102和第二压缩机202上分别设置有连接对应压缩机的排气侧与吸气侧的第一回流阀105和第二回流阀205，第一速度控制器103和第二速度控制器203分别控制第一透平101和第二透平201。测量第一压缩机102的传感器信号有：第一流量压差信号111、第一入口压力信号112及第一排气压力信号113。测量第二压缩机202的传感器信号有：第二流量压差信号211、第二入口压力信号212及第二排气压力信号213。

控制系统主要由性能控制、防喘振控制和负荷平衡控制组成：

(1)性能控制

两台压缩机共用性能控制模块130，控制主工艺参数(以并列压缩机组出口压力为例)，出口压力传感器132信号与压力设定值133比较，由性能控制模块130计算输出值为ΔS_out。

(2)防喘振控制

第一、第二喘振计算模块114、214分别计算第一、第二压缩机102、202的喘振控制偏差Dev1、Dev2(喘振控制偏差Dev定义为运行点到喘振控制线的距离)，第一、第二防喘振控制与保护模块115、215根据喘振控制偏差Dev1、Dev2分别计算第一、第二压缩机102、202的喘振保护(即防喘振)控制指令ΔA`<sub>out1</sub>、ΔA`_out2。考虑到防喘振控制与性能控制的耦合关系，根据ΔA`<sub>out1</sub>、ΔA`_out2分别通过第一、第二解耦控制模块118、218计算控制指令ΔA_out1、ΔA_out2，ΔA_out1、ΔA_out2分别输出至第一、第二回流阀105、205。

其中，喘振控制偏差Dev的计算方法为：计算压缩机的流量压差信号与入口压力信号的比值得到无因次流量信号的简化值ΔP_o,s/P_s，P_s表示入口压力，ΔP_o,s表示入口流量压差，计算压比R_c＝p_d/p_s，P_d表示排气压力，特性修正f(R_c)与压缩机喘振线匹配。

计算喘振接近度：

喘振接近度A表示运行点趋近喘振线的程度，当A等于1，则运行点在喘振线上，A小于1时，则运行点在喘振线右侧，A大于1时，则运行点在喘振线左侧，进入喘振区。

为确保机组运行安全，通常将喘振线右移一个裕量b得到喘振控制线。

计算喘振控制偏差Dev，喘振控制偏差Dev是一个无因次参量，不受压缩机入口工况变化的影响，Dev用于负荷平衡控制，及喘振控制与保护：

Dev＝1-(A+b) (2)

当Dev等于0时，则运行点在喘振控制线上，Dev小于0时，则运行点在喘振控制线左侧，Dev大于0时，则运行点在喘振控制线右侧。

进而将计算得到喘振控制偏差Dev送入喘振控制与保护模块进行控制。

(3)负荷平衡控制

平均模块131计算所有压缩机组的平均喘振控制偏差Dev_avg，将平均喘振控制偏差Dev_avg分别与第一、第二压缩机102、202的喘振控制偏差Dev1、Dev2比较，第一负荷平衡控制模块121和第二负荷平衡控制模块221根据对应比较结果分别计算负荷平衡控制指令ΔL_out1和ΔL_out2，负荷平衡控制可以与性能控制联合输出速度控制指令ΔU_out1和ΔU_out2分别给第一速度控制器103和第二速度控制器203，以调节第一透平101和第二透平201的转速，进而控制压缩机的性能参数。

设置解耦与负荷平衡选择投入函数，减少性能控制、负荷平衡控制及防喘振控制回路相互干扰。解耦与负荷平衡选择投入函数参见图2。其中，函数f₁(Dev)和f₂(Dev)调整解耦与负荷平衡投入的增益值，当Dev小于0时，表明运行点位于喘振控制线的左侧，进入喘振区，防喘振控制和性能控制相互影响，函数f₁(Dev)增大，使性能控制指令与防喘振控制指令通过解耦模块解耦，消除防喘振控制和性能控制相互影响，同时，函数f₂(Dev)逐渐减小至0，负荷平衡控制指令取消，以避免负荷平衡控制与防喘振控制相互影响；当Dev大于0时，表明运行点位于喘振控制线的右侧，逐渐远离喘振区，此时函数f₂(Dev)逐渐增大，使负荷平衡控制模块参与负荷调节，性能控制与负荷平衡控制联合控制透平的转速，最终使机组的主性能参数与设定目标值相同，同时，随运行点离开喘振区，函数f₁(Dev)减小至0，解耦控制功能退出。

性能控制与防喘振控制解耦，通过计算防喘振解耦系数B₁₂消除性能控制指令的变化对防喘振控制带来的影响，计算性能解耦系数B₂₁消除防喘振控制指令的变化对性能控制带来的影响。性能控制与防喘振控制的解耦如图3所示，其中，B₁₂为防喘振解耦系数，B₂₁为性能解耦系数，解耦系数计算见式(3)、(4)。

其中，k₁₂为性能控制指令到喘振参数变化之间传递函数增益，k₂₂为防喘振控制指令到喘振参数变化之间传递函数增益，T₁₂为性能控制指令到喘振参数变化之间传递函数时间常数，T₂₂为防喘振控制指令到喘振参数变化之间传递函数时间常数，且k₁₂和T₁₂为耦合到防喘振控制单元的常数。

其中，k₁₁为性能控制指令到性能参数变化之间传递函数增益，k₂₁为防喘振控制指令到性能参数变化之间传递函数增益，T₁₁为性能控制指令到性能参数变化之间传递函数时间常数，T₂₁为防喘振控制指令到性能参数变化之间传递函数时间常数，且k₂₁和T₂₁为耦合到透平控制单元的常数。

S是拉普拉斯变换后传递函数中的一个符号。

可得到防喘振解耦控制输出(以第一压缩机102为例)：

ΔA_out1＝B₁₂·ΔS′_out1+ΔA′_out1＝B₁₂·ΔS_out·f₁(Dev1)+ΔA′_out1 (5)

得到性能解耦控制输出：

ΔS"_out＝B₂₁·ΔA′_out1+ΔS′_out1 (6)

进而得到性能控制输出：

ΔU_out1＝ΔS_out+ΔS"_out1+ΔL′_out1＝ΔS_out+ΔS"_out1+ΔL_out1·f₂(Dev1) (7)

本发明的控制流程如下:

(1)计算各机组的喘振控制偏差Dev(运行点到喘振控制线的距离)，喘振控制偏差Dev是一个无因次参量，不受压缩机入口工况变化的影响，计算压缩站的平均喘振控制偏差Dev_avg，分别比较平均喘振控制偏差Dev_avg与各机组的喘振控制偏差Dev，通过负荷平衡控制模块实现压缩站内各机组的自动负荷分配。

(2)设置解耦与负荷平衡选择投入函数，减少性能控制、负荷平衡控制及防喘振控制回路相互干扰。当Dev小于0时，表明运行点位于喘振控制线的左侧，进入喘振区，函数f₁(Dev)增大，使性能控制指令与防喘振控制指令通过解耦模块解耦，消除防喘振控制和性能控制相互影响，当Dev大于0时，表明运行点位于喘振控制线的右侧，逐渐远离喘振区，此时函数f₂(Dev)逐渐增大，使负荷平衡控制模块参与负荷分配调节。

(3)当机组进入喘振区时，投入解耦控制模块，通过调整防喘振解耦系数B₁₂和性能解耦系数B₂₁，以消除性能控制与防喘振控制间的耦合关系。

总之，本发明解决了并列运行压缩站机组自动负荷分配和系统的耦合问题，通过自动负荷分配以及控制回路间的协调控制，在满足主工艺参数变化的要求下，使压缩站内各机组安全、高效、自动运行。

Claims (9)

1.一种并列运行透平压缩机控制系统，其特征在于：包括负荷平衡控制模块、性能控制模块、防喘振控制模块、解耦控制模块及解耦与负荷平衡选择投入模块；防喘振控制模块用于计算并列运行压缩站内机组的喘振控制偏差以及防喘振控制指令，负荷平衡控制模块用于根据所述压缩站内机组的喘振控制偏差及所有机组的平均喘振控制偏差实现机组自动负荷分配，解耦控制模块用于消除性能控制与防喘振控制之间的耦合关系并得到防喘振解耦控制输出及性能解耦控制输出，解耦与负荷平衡选择投入模块用于根据所述压缩站内机组的运行点对解耦控制模块以及负荷平衡控制模块的投入进行选择；

所述性能控制模块根据并列运行压缩站的性能参数与设定目标值比较结果，计算并输出性能控制指令。

2.如权利要求1所述一种并列运行透平压缩机控制系统，其特征在于：所述喘振控制偏差的计算包括以下步骤：

1)计算无因次流量信号的简化值ΔP_o,s/P_s，及R_c＝p_d/p_s；P_s表示入口压力，ΔP_o,s表示入口流量压差，P_d表示排气压力，R_c表示压比；

2)计算喘振接近度：

3)计算喘振控制偏差Dev：Dev＝1-(A+b)，b为喘振控制裕量。

3.如权利要求1所述一种并列运行透平压缩机控制系统，其特征在于：所述负荷平衡控制模块计算所有压缩机组的平均喘振控制偏差，将平均喘振控制偏差与各机组的喘振控制偏差比较，得到负荷平衡控制指令，使各机组的喘振控制偏差趋近于平均喘振控制偏差。

4.如权利要求1所述一种并列运行透平压缩机控制系统，其特征在于：所述解耦与负荷平衡选择投入模块利用选择函数f₂(Dev)对负荷平衡控制模块的输出进行修正，当压缩机组的喘振控制偏差大于0时，负荷平衡控制指令起作用，性能控制与负荷平衡控制联合控制压缩机组性能，当压缩机组的喘振控制偏差小于0时，负荷平衡控制指令取消。

5.如权利要求1所述一种并列运行透平压缩机控制系统，其特征在于：所述解耦与负荷平衡选择投入模块利用选择函数f₁(Dev)对解耦控制模块输出进行修正，当压缩机组的喘振控制偏差小于0时，使性能控制指令与防喘振控制指令通过解耦控制模块解耦，当压缩机组的喘振控制偏差大于0时，解耦控制模块退出。

6.如权利要求1所述一种并列运行透平压缩机控制系统，其特征在于：所述防喘振解耦控制输出表示为：

ΔA_out＝B₁₂·ΔS′_out+ΔA′_out＝B₁₂·ΔS_out·f₁(Dev)+ΔA′_out

所述性能解耦控制输出表示为：

ΔS″_out＝B₂₁·ΔA′_out+ΔS′_out

性能控制与负荷平衡控制联合控制下的性能输出表示为：

ΔU_out＝ΔS_out+ΔS_out+ΔL′_out＝ΔS_out+ΔS_out+ΔL_out·f₂(Dev)

其中，B₁₂为防喘振解耦系数，B₂₁为性能解耦系数，ΔS′_out为输入到解耦控制模块的性能控制指令，ΔS_out为性能控制模块输出的总性能控制指令，f₁(Dev)为对解耦控制模块输出进行修正的选择函数，f₂(Dev)为对负荷平衡控制模块的输出进行修正的选择函数，ΔA′_out为防喘振控制模块输出的防喘振控制指令，ΔL_out为负荷平衡控制模块输出的负荷平衡控制指令，ΔL′_out为f₂(Dev)修正后的负荷平衡控制指令。

7.如权利要求6所述一种并列运行透平压缩机控制系统，其特征在于：所述防喘振解耦系数、性能解耦系数按照以下公式计算：

其中，k₁₂为性能控制指令到喘振参数变化之间传递函数增益，k₂₂为防喘振控制指令到喘振参数变化之间传递函数增益，T₁₂为性能控制指令到喘振参数变化之间传递函数时间常数，T₂₂为防喘振控制指令到喘振参数变化之间传递函数时间常数；S是拉普拉斯变换后传递函数中的一个符号；

其中，k₁₁为性能控制指令到性能参数变化之间传递函数增益，k₂₁为防喘振控制指令到性能参数变化之间传递函数增益，T₁₁为性能控制指令到性能参数变化之间传递函数时间常数，T₂₁为防喘振控制指令到性能参数变化之间传递函数时间常数。

8.一种并列运行透平压缩机控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)计算并列运行压缩站内各机组的喘振控制偏差，计算所述压缩站内所有机组的平均喘振控制偏差，分别比较平均喘振控制偏差与各机组的喘振控制偏差，通过负荷平衡控制，使各机组的喘振控制偏差趋近于平均喘振控制偏差，实现压缩站内各机组的自动负荷分配；

2)当某压缩机组进入喘振区时，使性能控制指令与防喘振控制指令解耦，消除防喘振控制和性能控制相互影响，否则，使负荷平衡控制参与负荷分配调节。

9.如权利要求8所述一种并列运行透平压缩机控制方法，其特征在于：当某压缩机组的喘振控制偏差小于0，通过调整防喘振解耦系数B₁₂和性能解耦系数B₂₁，以消除性能控制与防喘振控制间的耦合关系。