CN110110424A - 一种压缩机自适应性能曲线生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压缩机自适应性能曲线生成方法，获取离心压缩机设计性能曲线并转换为数值形式；利用相似理论获得实际工况下的理论性能参数；根据ANFIS算法建立性能曲线映射关系，计算所有转速的理论性能参数；结合压缩机的历史运行数据，引入性能曲线劣化因子，用最小二乘法计算得到劣化因子的值，再通过劣化因子修正所有转速的理论性能参数；确定离心压缩机稳定工作参数范围，得到压缩机喘振和阻塞边界曲线；最后生成离心压缩机实际工况下所有转速的实际性能曲线。本发明能够准确地得到离心式压缩机实际工况下所有转速的性能曲线，确定离心式压缩机实际运行中的稳定工作区间，并据此调节压缩机运行参数。

Description

一种压缩机自适应性能曲线生成方法

技术领域

本发明涉及一种压缩机自适应性能曲线生成方法及方法，属于压缩机技术领域。

背景技术

管道输送是天然气输送最有效的方法之一，离心式压缩机是天然气长输管道系统中最重要的动力设备，也是主要的能耗设备，对管道的高效安全运行影响重大。所以，准确地掌握压缩机实际运行生产中的性能参数是压缩机优化运行的基础。然而压缩机厂家仅仅提供部分设计工况下的性能曲线，且压缩机在实际运行中可能经常出现工况(入口压力、入口温度)不在设计工况下，实际气体组分与设计也有些微偏差，使用设计性能曲线来预测实际工况会有较大偏差，容易导致工作人员对压缩机实际工况的性能产生错误判断，不利于天然气长输管网的优化运行。

另外，通过对离心压缩机的历史运行数据的观察，发现有压缩机性能随时间的劣化现象发生。如何快捷、准确地得到在不同条件下的压缩机性能曲线，以确定其稳定工作区间，并据此调节压缩机运行参数，是天然气管道上压缩机优化运行的基础。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种压缩机自适应性能曲线生成方法，该方法利用相似原理和ANFIS算法，综合考虑压缩机入口条件和性能劣化的综合影响，生成压缩机不同运行工况下的自适应性能曲线。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种压缩机自适应性能曲线生成方法，包括以下步骤：

S10、获取离心压缩机设计性能曲线并转换为数值形式；

S20、利用相似理论获得实际工况下的理论性能参数；

S30、根据ANFIS算法建立性能曲线映射关系，计算所有转速的理论性能参数；

S40、结合压缩机的历史运行数据，引入性能曲线劣化因子，用最小二乘法计算得到劣化因子的值，再通过劣化因子修正所有转速的理论性能参数；

S50、确定离心压缩机稳定工作参数范围，得到压缩机喘振和阻塞边界曲线；最后生成离心压缩机实际工况下所有转速的实际性能曲线。

进一步的技术方案是，所述步骤S10中选取5～6个转速的设计性能曲线。

上述设计性能曲线应当优先选取设计工况与实际运行工况较接近转速下的压缩机性能曲线。

进一步的技术方案是，所述的相似理论采用的性能换算方法为近似相似变换法；

其性能换算方法根据压比划分为：

当压比小于2.5时，采用多变换算法；

当压比大于2.5时，采用半温升平均比容法。

进一步的技术方案是，所述的ANFIS算法为两输入单输出结构，即输入为x和y，输出为f；

当x是A，y是B，则f是f(x,y)，A与B分别表示的都是前件模糊集合，f表示的是后件精确函数；

其ANFIS推理系统的四条模糊规则如下：

当x是A₁，y是B₁，则f是f₁(x，y)＝p₁x+q₁y+r₁；

当x是A₁，y是B₂，则f是f₂(x，y)＝p₂x+q₂y+r₂；

当x是A₂，y是B₁，则f是f₃(x，y)＝p₃x+q₃y+r₃；

当x是A₂，y是B₂，则f是f₄(x，y)＝p₄x+q₄y+r₄；

其中[p_i，q_i，r_i]是规则的输出参数集。

进一步的技术方案是，所述ANFIS的结构由五层节点构成；

第一层：隶属度层，计算系统输入数据对模糊集合的隶属度，隶属函数选用三角函数，隶属度函数为：

当i等于1或2时，

当i等于3或4时，

其中，是第一层的输出，μ_Ai(x)和μ_Bi(y)是输入x或者y时每个节点对应的隶属函数；

第二层：该层中的每一个节点都是无参数的，输出表示为对于各规则的激励强度，各节点的输出是输入信号的乘积，即各个模糊规则的权值节点函数为：

第三层：将所有规划的激励强度归一化，其节点函数为：

for i＝1，2

其中，是第三层的输出，ω_i'表示每个节点i的模糊规则的激励强度占所有激励强度的百分比；

第四层：这一层的线性节点函数为：

其中，是第四层的输出，f_i为每个节点所对应的线性函数，[p_i，q_i，r_i]是规则的输出参数集；

第五层：计算ANFIS模型的最后输出为：

其中，是第五层的输出。

进一步的技术方案是，所述步骤S40的具体过程为：

S401、取多组单台压缩机设计时的功率N、压比ε为自变量，取多组实际运行时的功率N_i、压比ε_i为因变量；

S402、引入性能曲线劣化因子，利用最小二乘法拟合原理构建机械性能劣化修正模型，并计算性能曲线劣化因子；其模型如下：

N_i＝λ₁N²+λ₂N+λ₃

ε_i＝η_iε²+η₂ε+η₃

式中：N表示理论功率，N_i表示实际运行时功率；ε表示理论压比、ε_i表示实际运行时压比；系数λ₁、λ₂、λ₃分别是性能劣化功率二次项、一次项、常数项影响因子；η₁、η₂、η₃分别为性能劣化压比二次项、一次项、常数项影响因子；

S403、再通过劣化因子修正所有转速下的理论性能参数。

进一步的技术方案是，所述步骤S50中通过如下方程拟合得到压缩机喘振和阻塞边界曲线；

其中，Q_min、Q_max分别为入口状态下的喘振流量和阻塞流量，m³/h；n为转速；C₀、C₁、C₂、C₃分别为喘振流量的多项式系数；D₀、D₁、D₂、D₃分别为阻塞流量的多项式系数。。

本发明具有以下优点：本发明能够准确地得到离心式压缩机实际工况下所有转速的性能曲线，确定离心式压缩机实际运行中的稳定工作区间，并据此调节压缩机运行参数。

附图说明

图1是本发明实施例ANFIS算法的结构示意图；

图2是本发明实施例修正后的流量—功率性能曲线图；

图3是本发明实施例修正后的流量—压比性能曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。

本发明的一种压缩机自适应性能曲线生成方法，包括以下步骤：

步骤S1、通过与实际工况的比较，实施例中选取的转速依次为13319r/min、12685r/min、11417r/min、10148r/min、8880r/min，并将相关设计性能参数转换为数值形式；

步骤S2、利用相似理论获得实际工况下的理论性能参数；

所述的相似理论采用的性能换算方法为近似相似变换法；

其性能换算方法根据压比划分为：

当压比小于2.5时，采用多变换算法；

当压比大于2.5时，采用半温升平均比容法；

步骤S3、根据ANFIS算法建立性能曲线映射关系，计算所有转速的理论性能参数；

具体的是：

为了便于压缩机和管道的联合计算以优化气体干线管道的运行，ANFIS模型需要输出压缩机压比、功率两个性能参数。因此，将通过换算得到的实际工况下的理论性能参数作为训练数据导入，定义各输入、输出变量的隶属度函数类型和个数，分别建立压缩机功率关于流量、转速的ANFIS预测模型；压缩机压比关于流量、转速的ANFIS预测模型。

以所有的流量和转速为输入，分别导入ANFIS预测模型，输出为压比和功率；

根据所得的数据生成实际工况下的流量—功率性能曲线图和流量—压比性能曲线图；

如图1所示，上述ANFIS的结构由五层节点构成；

第一层：隶属度层，计算系统输入数据对模糊集合的隶属度，隶属函数选用三角函数，隶属度函数为：

当i等于1或2时，

当i等于3或4时，

其中，是第一层的输出，μ_Ai(x)和μ_Bi(y)是输入x或者y时每个节点对应的隶属函数；

第二层：该层中的每一个节点都是无参数的，输出表示为对于各规则的激励强度，各节点的输出是输入信号的乘积，即各个模糊规则的权值节点函数为：

第三层：将所有规划的激励强度归一化，其节点函数为：

for i＝1，2

其中，是第三层的输出，ω_i'表示每个节点i的模糊规则的激励强度占所有激励强度的百分比；

第四层：这一层的线性节点函数为：

其中，是第四层的输出，f_i为每个节点所对应的线性函数，[p_i，q_i，r_i]是规则的输出参数集；

第五层：计算ANFIS模型的最后输出为：

其中，是第五层的输出；

步骤S4、取多组单台压缩机设计时的功率N、压比ε为自变量，取多组实际运行时的功率N_i、压比ε_i为因变量；

步骤S5、引入性能曲线劣化因子，利用最小二乘法拟合原理构建机械性能劣化修正模型，并计算性能曲线劣化因子；其模型如下：

N_i＝λ₁N²+λ₂N+λ₃

ε_i＝η_iε²+η₂ε+η₃

式中：N表示理论功率，N_i表示实际运行时功率；ε表示理论压比、ε_i表示实际运行时压比；系数λ₁、λ₂、λ₃分别是性能劣化功率二次项、一次项、常数项影响因子；η₁、η₂、η₃分别为性能劣化压比二次项、一次项、常数项影响因子；

步骤S6、再通过以下劣化因子修正模型来修正所有转速下的理论性能参数，并根据修正后的理论性能参数绘制出较为精确的实际工况下的性能曲线(图2和图3)；图2是本发明示例性实施例引入性能曲线劣化因子修正后的流量—功率性能曲线图；图3是本发明示例性实施例引入性能曲线劣化因子修正后的流量—压比性能曲线图；

其性能曲线修正模型如下式所示：

N_i＝0.0083N²+1.258N+5432

ε_i＝0.0000753ε²+0.1456ε+1.256

步骤S7、确定离心压缩机稳定工作参数范围，通过如下方程拟合得到压缩机喘振和阻塞边界曲线；

其中，Q_min、Q_max分别为入口状态下的喘振流量和阻塞流量，m³/h；n为转速；C₀、C₁、C₂、C₃分别为喘振流量的多项式系数；D₀、D₁、D₂、D₃分别为阻塞流量的多项式系数。

上述步骤具体是选取不同转速下的流量边界(喘振点、阻塞点的测试值)进行拟合，经过反复试算验证，发现选择二次式拟合效果最好，拟合结果见下式：

其中完整的压缩机性能曲线还包含喘振流量线和阻塞流量线，它们分别是性能曲线的左、右边界；

因此根据上述得到的压缩机喘振和阻塞边界曲线最后生成离心压缩机实际工况下所有转速的实际性能曲线。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种压缩机自适应性能曲线生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、获取离心压缩机设计性能曲线并转换为数值形式；

S20、利用相似理论获得实际工况下的理论性能参数；

S30、根据ANFIS算法建立性能曲线映射关系，计算所有转速的理论性能参数；

S40、结合压缩机的历史运行数据，引入性能曲线劣化因子，用最小二乘法计算得到劣化因子的值，再通过劣化因子修正所有转速的理论性能参数；

S50、确定离心压缩机稳定工作参数范围，得到压缩机喘振和阻塞边界曲线；最后生成离心压缩机实际工况下所有转速的实际性能曲线。

2.根据权利要求1所述的一种压缩机自适应性能曲线生成方法，其特征在于，所述步骤S10中选取5～6个转速的设计性能曲线。

3.根据权利要求1或2所述的一种压缩机自适应性能曲线生成方法，其特征在于，所述的相似理论采用的性能换算方法为近似相似变换法；

其性能换算方法根据压比划分为：

当压比小于2.5时，采用多变换算法；

当压比大于2.5时，采用半温升平均比容法。

4.根据权利要求1或2所述的一种压缩机自适应性能曲线生成方法，其特征在于，所述的ANFIS算法为两输入单输出结构，即输入为x和y，输出为f；

当x是A，y是B，则f是f(x,y)，A与B分别表示的都是前件模糊集合，f表示的是后件精确函数；

其ANFIS推理系统的四条模糊规则如下：

当x是A₁，y是B₁，则f是f₁(x，y)＝p₁x+q₁y+r₁；

当x是A₁，y是B₂，则f是f₂(x，y)＝p₂x+q₂y+r₂；

当x是A₂，y是B₁，则f是f₃(x，y)＝p₃x+q₃y+r₃；

当x是A₂，y是B₂，则f是f₄(x，y)＝p₄x+q₄y+r₄；

其中[p_i，q_i，r_i]是规则的输出参数集。

5.根据权利要求4所述的一种压缩机自适应性能曲线生成方法，其特征在于，所述ANFIS的结构由五层节点构成；

第一层：隶属度层，计算系统输入数据对模糊集合的隶属度，隶属函数选用三角函数，隶属度函数为：

当i等于1或2时，

当i等于3或4时，

其中，是第一层的输出，μ_Ai(x)和μ_Bi(y)是输入x或者y时每个节点对应的隶属函数；

第二层：该层中的每一个节点都是无参数的，输出表示为对于各规则的激励强度，各节点的输出是输入信号的乘积，即各个模糊规则的权值节点函数为：

第三层：将所有规划的激励强度归一化，其节点函数为：

for i＝1，2

其中，是第三层的输出，ω_i'表示每个节点i的模糊规则的激励强度占所有激励强度的百分比；

第四层：这一层的线性节点函数为：

其中，是第四层的输出，f_i为每个节点所对应的线性函数，[p_i，q_i，r_i]是规则的输出参数集；

第五层：计算ANFIS模型的最后输出为：

其中，是第五层的输出。

6.根据权利要求1或2所述的一种压缩机自适应性能曲线生成方法，其特征在于，所述步骤S40的具体过程为：

S401、取多组单台压缩机设计时的功率N、压比ε为自变量，取多组实际运行时的功率N_i、压比ε_i为因变量；

S402、引入性能曲线劣化因子，利用最小二乘法拟合原理构建机械性能劣化修正模型，并计算性能曲线劣化因子；其模型如下：

N_i＝λ₁N²+λ₂N+λ₃

ε_i＝η_iε²+η₂ε+η₃

式中：N表示理论功率，N_i表示实际运行时功率；ε表示理论压比、ε_i表示实际运行时压比；系数λ₁、λ₂、λ₃分别是性能劣化功率二次项、一次项、常数项影响因子；η₁、η₂、η₃分别为性能劣化压比二次项、一次项、常数项影响因子；

S403、再通过劣化因子修正所有转速下的理论性能参数。

7.根据权利要求1或2所述的一种压缩机自适应性能曲线生成方法，其特征在于，所述步骤S50中通过如下方程拟合得到压缩机喘振和阻塞边界曲线；

其中，Q_min、Q_max分别为入口状态下的喘振流量和阻塞流量，m³/h；n为转速；C₀、C₁、C₂、C₃分别为喘振流量的多项式系数；D₀、D₁、D₂、D₃分别为阻塞流量的多项式系数。