CN113391656A - 一种压缩机组智能增减控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压缩机组智能增减控制方法，包括如下步骤：通过压缩机控制系统判断压缩机启动或停止时间，若启停机时间大于30分钟，系统自动调节平稳，并进入步骤S2，若小于等于30分钟，系统跳出机组运行数量计算模型；获取实时工况参数，依次建立压缩机组的运行数量计算模型、运行负荷增减机组计算模型和喘振裕度计算模型；根据计算结果，延时180秒，触发增启或减停机组命令；增启、减停压缩机组时，根据优先级比选结果，自动触发对应机组的启停机命令。本发明中的压缩机组智能增减控制方法根据压缩机组运行数量计算模型给出实时工况下最优压缩机应启动数量，有效提升机组综合运行效率，降低生产能耗，节约运行成本。

Description

一种压缩机组智能增减控制方法
技术领域
本发明属于天然气管道压缩机组自动控制技术领域，应用在具有多台压缩机组联合运行的压气站，具体为一种压缩机组智能增减控制方法。
背景技术
长距离输送天然气管道压气站场一般设置有多台压缩机组，用于对管道天然气进行增压，而压缩机组的运行数量是根据目标控制参数(例如：该压气站进、出口压力需求)，并结合当前管网的运行工况进行确定的。
目前，压缩机组的控制方式分为手动模式和自动模式两种情况：手动模式为：由操作人员根据当前实时工况，手动下发转速控制命令，人为调节转速；自动模式为：通过设定压缩机组进、出口压力目标控制参数，压缩机组自动调节转速。
无论手动模式还是自动模式，随着工况的动态变化，当机组转速接近其上限或下限，但仍未达到目标控制需求时，此时由操作人员判断是否需要增减机组以及增减哪一台机组，并远程下发启、停机命令，并增启或减停一台压缩机，以此确保压缩机组的运行数量能够满足工况需求。
然而，目前的这种控制方式，仍存在如下方面问题：
(1)压缩机组运行台数的控制需要专人值守，实时监视，依靠人为经验判断，并人工手动操作，人力成本高，且工作效率低下。
(2)压缩机组的数量控制不够精确，造成能耗增加、能源浪费，进而效益相应减少；同时，压缩机组工作时间的增加，不仅寿命缩短，而且维护成本增加。
发明内容
为旨在至少在一定程度上解决精确计算压缩机组运行数量、并智能选择压缩机运行组合方式、提升机组综合运行效率以及降低运行能耗的技术问题，本发明提出了一种压缩机组智能增减控制方法。
为达上述目的，本发明提供了一种压缩机组智能增减控制方法，应用在具有多台压缩机组联合运行的天然气管道压气站，包括如下步骤：
S1：通过压缩机控制系统判断压缩机启动或停止时间，若启停机时间大于30分钟，系统自动调节平稳，并进入步骤S2，若启停机时间小于等于30分钟，系统跳出机组运行数量计算模型；
S2：获取天然气管道压气站与压缩机组运行相关的实时工况参数，依次建立压缩机组的运行数量计算模型、运行负荷增减机组计算模型和喘振裕度计算模型；
S3：根据运行数量计算模型、运行负荷增减机组计算模型和喘振裕度计算模型的计算结果，延时180秒，触发增启或减停机组命令；
S4：当需要增启、减停压缩机组时，根据优先级比选结果，自动触发对应机组的启停机命令。
优选的，在步骤S2中，所述建立压缩机组的运行数量计算模型具体为：根据压缩机对管道内天然气做功的计算模型，建立最少可启动机组的数量计算模型N，所述压缩机运行数量计算模型N的表达式如下：
Figure BDA0003104038320000021
其中，N代表理论计算得出的压缩机运行数量，n代表实际压缩机运行数量，Pi代表各压缩机对管道内天然气所做的功，Pe代表各台压缩机额定功率，η代表综合效率修正系数，一般取常数0.7～0.75。
优选的，所述根据压缩机对管道内天然气做功的计算模型的具体表达式为：
P＝qHa
其中，P代表压缩机组对管道内天然气所做的功，Ha为绝热压头，q为天然气质量流量；
所述天然气质量流量q的计算表达式如下：
q＝drdQb
其中，dr代表天然气相对密度，d代表空气密度(单位：kg/m3)，近似取常数1.205kg/m3，Qb代表压缩机进口的标况体积流量，可由压缩机进口流量计测量给出；
所述绝热压头Ha的计算表达式如下：
Figure BDA0003104038320000031
其中，Ps、Pd、Ts分别代表压缩机天然气进口压力、出口压力、进口温度，Mw代表天然气摩尔质量，R代表普适气体常数，R＝8.3145J/(mol·K)，Zs代表压缩机进口条件天然气压缩系数，γ代表天然气绝热指数；
所述天然气绝热指数γ的计算表达式如下：
Figure BDA0003104038320000032
Figure BDA0003104038320000033
其中，m代表天然气多变指数，Ps、Pd、Ts、Td分别代表压缩机天然气进口压力、出口压力、进口温度、出口温度，Zs、Zd分别代表压缩机进口、出口天然气压缩系数；
所述压缩机进口、出口天然气压缩系数Zs、Zd的计算表达式分别如下：
Figure BDA0003104038320000034
Figure BDA0003104038320000041
其中，Ppc、Tpc分别代表临界压力和临界温度，Ppc、Tpc计算公式分别通过如下公式求出：
Figure BDA0003104038320000042
优选的，所述触发增启或减停机组命令具体包括：
若N＜n-1，延时180秒，触发减停机组命令；
若N＞n，延时180秒，触发增启机组命令；
若n-1＜N＜n，说明压缩机组运行数量满足工况要求，无需增启和减停机组。
优选的，所述运行负荷增减机组计算模型通过负荷占用比Load表达，所述负荷占用比Load通过如下表达式求得：
Figure BDA0003104038320000043
其中，Load代表负荷占用比，R代表平均负荷，Rmax代表最大负荷，Rmin代表最小负荷；
所述平均负荷R的计算通过如下表达式求得：
Figure BDA0003104038320000044
其中，n代表实际压缩机运行数量。
优选的，所述触发增启或减停机组命令具体还包括：
若Load＞95％，延时180秒，触发增启机组命令；
若Load＜5％，延时180秒，触发减停机组命令。
优选的，所述喘振裕度计算模型具体通过机组平均裕度M表达，所述机组平均裕度M通过如下表达式求得：
Figure BDA0003104038320000051
其中，M代表机组平均裕度，n代表实际压缩机运行数量，Mi代表各压缩机喘振裕度。
优选的，所述触发增启或减停机组命令具体还包括：
若M＜5％，延时180秒，触发减停机组命令。
优选的，所述当需要增启、减停压缩机组时，根据优先级比选结果，自动触发对应机组的启停机命令，具体包括：
(1)采用数字表示优先级，“1”代表优先级最高，数字越大，优先级越低，依次类推，0表示不可用状态；
(2)优先级判定采用手动、自动两种方式，其中：
手动方式下，可人为写入优先级数字；
自动方式下，比较周期内压缩机组累计运行时间，运行时间越长，优先级越低，反之优先级越高；
(3)当触发增启压缩机组命令后，在停机状态下的机组中进行优先级比选，优先级越高，即数字越大，优先启动；
(4)当触发减停压缩机组命令后，在运行状态下的机组中进行优先级比选，优先级越低，即数字越小，优先停止。
优选的，所述压缩机控制系统包括压缩机单机控制系统、压缩机组负荷分配控制系统和站场SCADA控制系统，所述压缩机单机控制系统、所述压缩机组负荷分配控制系统和所述站场SCADA控制系统之间能够实现数据互传，获取压气站与压缩机运行相关的实时工况参数。
相对于现有技术，上述压缩机组智能增减控制方法的有益效果为：
1、根据压缩机组的运行数量计算模型，给出实时工况下的最优压缩机应启动数量，有效提升机组综合运行效率，降低生产能耗，节约运行成本。
2、根据已计算出最优压缩机运行数量，智能控制机组增启减停过程，无需人员参与操作，提高生产效率，释放劳动力。
附图说明
图1为本发明实施例中压缩机组智能增减控制方法的整体控制逻辑图；
图2为本发明实施例中压缩机组智能增减控制方法的基本流程图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的实施例，描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的要素。要说明的是，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表本发明的所有实施方式。它们仅是与如权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，本发明的范围并不局限于此。在不矛盾的前提下，本发明各个实施例中的特征可以相互组合。
参见图1-2，本发明实施例提供一种压缩机组智能增减控制方法，包括如下步骤：
S1：通过压缩机控制系统判断压缩机启动或停止时间，若启停机时间大于30分钟，系统自动调节平稳，并进入步骤S2，若启停机时间小于等于30分钟，系统跳出机组运行数量计算模型；
S2：获取天然气管道压气站与压缩机组运行相关的实时工况参数，依次建立压缩机组的运行数量计算模型、运行负荷增减机组计算模型和喘振裕度计算模型；
S3：根据运行数量计算模型、运行负荷增减机组计算模型和喘振裕度计算模型的计算结果，延时180秒，触发增启或减停机组命令；
S4：当需要增启、减停压缩机组时，根据优先级比选结果，自动触发对应机组的启停机命令。
具体的，在本发明实施例当中，某压气站设有4台压缩机，在运行压缩机2台，额定功率均为20MW，相关参数如下表1：
表1实时天然气组分
序号 组分名称 分子式 实时值
1 甲烷 CH4 94.0710％
2 乙烷 C2H6 2.9710％
3 丙烷 C3H8 0.5110％
4 异丁烷 C4H10_1 0.0780％
5 正丁烷 C4H10_2 0.0710％
6 异戊烷 C5H12_1 0.0180％
7 正戊烷 C5H12_2 0.0210％
9 己烷 C6H14 0.0670％
10 氮气 N2 1.4970％
11 二氧化碳 CO2 0.6940％
12 相对密度 \ 0.584
其中，压缩机控制系统给出如下各台运行机组实时工况参数如下表2：
表2机组实时工况参数
Figure BDA0003104038320000071
进一步的，在步骤S2中，所述建立压缩机组的运行数量计算模型具体为：根据压缩机对管道内天然气做功的计算模型，建立最少可启动机组的数量计算模型N，所述压缩机运行数量计算模型N的表达式如下：
Figure BDA0003104038320000081
其中，N代表理论计算得出的压缩机运行数量，n代表实际压缩机运行数量，Pi代表各压缩机对管道内天然气所做的功，Pe代表各台压缩机额定功率，η代表综合效率修正系数，一般取常数0.7～0.75。
由此，在本发明实施例中，由可启动机组数量计算模型，取η＝0.70，得出N＝0.91。
进一步的，所述根据压缩机对管道内天然气做功的计算模型的具体表达式为：
P＝qHa
其中，P代表压缩机组对管道内天然气所做的功，Ha为绝热压头，q为天然气质量流量；
由此，在本发明实施例中，由压缩机对管道内天然气做功的计算模型：得到1#压缩机做功P1＝6.27MW，2#压缩机做功P1＝6.53MW。
所述天然气质量流量q的计算表达式如下：
q＝drdQb
其中，dr代表天然气相对密度，d代表空气密度(单位：kg/m3)，近似取常数1.205kg/m3，Qb代表压缩机进口的标况体积流量，可由压缩机进口流量计测量给出；
由此，由天然气质量流量计算公式：得到1#压缩机瞬时质量流量q1＝655983.1538kg/h，2#压缩机瞬时质量流量q2＝571820.353kg/h。
所述绝热压头Ha的计算表达式如下：
Figure BDA0003104038320000082
其中，Ps、Pd、Ts分别代表压缩机天然气进口压力、出口压力、进口温度，Mw代表天然气摩尔质量，R代表普适气体常数，R＝8.3145J/(mol·K)，Zs代表压缩机进口条件天然气压缩系数，γ代表天然气绝热指数；
具体的，在本实施例当中，通过站场SCADA系统给出天然气组分参数，可计算得出当前天然气摩尔质量Mw为17.0628；
由绝热压头计算模型：得到1#压缩机绝热压头Ha1＝32.4259kj/kg，2#压缩机绝热压头Ha2＝41.1162kj/kg。
天然气绝热指数γ的计算表达式如下：
Figure BDA0003104038320000091
Figure BDA0003104038320000092
其中，m代表天然气多变指数，Ps、Pd、Ts、Td分别代表压缩机天然气进口压力、出口压力、进口温度、出口温度，Zs、Zd分别代表压缩机进口、出口天然气压缩系数；
在本发明实施例当中，由天然气绝热指数计算公式得到1#压缩机绝热指数γ1＝0.2796，2#压缩机绝热指数γ2＝0.2584。
压缩机进口、出口天然气压缩系数Zs、Zd的计算表达式分别如下：
Figure BDA0003104038320000093
Figure BDA0003104038320000094
其中，Ppc、Tpc分别代表临界压力和临界温度，Ppc、Tpc计算公式分别通过如下公式求出：
Figure BDA0003104038320000095
在本发明实施例当中，通过负荷分配控制系统，根据已建立模型，计算压缩机组运行数量过程为：
(1)根据压缩机组实际做功情况，建立最少可启动机组数量计算模型，步骤如下：
步骤1：由天然气压缩系数计算公式
Figure BDA0003104038320000101
Figure BDA0003104038320000102
Figure BDA0003104038320000103
得到1#压缩机进口压缩系数Zs1＝0.9005，1#压缩机出口压缩系数Zd1＝0.9052，2#压缩机进口压缩系数Zs2＝0.8853，2#压缩机出口压缩系数Zd2＝0.8886。
进一步的，所述触发增启或减停机组命令具体包括：
若N＜n-1，延时180秒，触发减停机组命令；
若N＞n，延时180秒，触发增启机组命令；
若n-1＜N＜n，说明压缩机组运行数量满足工况要求，无需增启和减停机组。
由此，在本发明实施例当中，与实际运行数量比较，得到N＜n-1，则延时180秒，触发减停机组命令。
进一步的，所述运行负荷增减机组计算模型通过负荷占用比Load表达，所述负荷占用比Load通过如下表达式求得：
Figure BDA0003104038320000104
其中，Load代表负荷占用比，R代表平均负荷，Rmax代表最大负荷，Rmin代表最小负荷；
所述平均负荷R的计算通过如下表达式求得：
Figure BDA0003104038320000111
其中，n代表实际压缩机运行数量。
进一步的，所述触发增启或减停机组命令具体还包括：
若Load＞95％，延时180秒，触发增启机组命令；
若Load＜5％，延时180秒，触发减停机组命令。
进一步的，所述喘振裕度计算模型具体通过机组平均裕度M表达，所述机组平均裕度M通过如下表达式求得：
Figure BDA0003104038320000112
其中，M代表机组平均裕度，n代表实际压缩机运行数量，Mi代表各压缩机喘振裕度。
进一步的，所述触发增启或减停机组命令具体还包括：
若M＜5％，延时180秒，触发减停机组命令。
进一步的，所述当需要增启、减停压缩机组时，根据优先级比选结果，自动触发对应机组的启停机命令，具体包括：
(1)采用数字表示优先级，“1”代表优先级最高，数字越大，优先级越低，依次类推，0表示不可用状态；
(2)优先级判定采用手动、自动两种方式，其中：
手动方式下，可人为写入优先级数字；
自动方式下，比较周期内压缩机组累计运行时间，运行时间越长，优先级越低，反之优先级越高；
(3)当触发增启压缩机组命令后，在停机状态下的机组中进行优先级比选，优先级越高，即数字越大，优先启动；
(4)当触发减停压缩机组命令后，在运行状态下的机组中进行优先级比选，优先级越低，即数字越小，优先停止。
由此，在本发明实施例当中，通过优先级比选方法，选择优先停止机组，具体为：
当前处于优先级自动模式，压缩机组运行状态正常，
进一步的，比较两年内累计运行时间，2#机组大于1#机组，则2#机组优先停止。
停机结束30分钟内，跳出压缩机组运行数量计算模型。
另一方面，根据运行负荷增减机组计算模型，比较运行机组的平均负荷与最大负荷：
Figure BDA0003104038320000121
Figure BDA0003104038320000122
得出Load＝39.84％，5％＜Load＜95％，运行负荷正常，未触发运行负荷增减机组控制逻辑。
根据运行机组喘振裕度减停压缩机计算模型
Figure BDA0003104038320000123
得出M＝45.5％，M＞3％，喘振裕度正常，未触发喘振裕度减停压缩机控制逻辑。
进一步的，所述压缩机控制系统包括压缩机单机控制系统、压缩机组负荷分配控制系统和站场SCADA控制系统，所述压缩机单机控制系统、所述压缩机组负荷分配控制系统和所述站场SCADA控制系统之间能够实现数据互传，获取压气站与压缩机运行相关的实时工况参数。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，应当理解的是，上述实施例是示例性的，不能解释为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种压缩机组智能增减控制方法，应用在具有多台压缩机组联合运行的天然气管道压气站，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过压缩机控制系统判断压缩机启动或停止时间，若启停机时间大于30分钟，系统自动调节平稳，并进入步骤S2，若启停机时间小于等于30分钟，系统跳出机组运行数量计算模型；
S2：获取天然气管道压气站与压缩机组运行相关的实时工况参数，依次建立压缩机组的运行数量计算模型、运行负荷增减机组计算模型和喘振裕度计算模型；
S3：根据运行数量计算模型、运行负荷增减机组计算模型和喘振裕度计算模型的计算结果，延时180秒，触发增启或减停机组命令；
S4：当需要增启、减停压缩机组时，根据优先级比选结果，自动触发对应机组的启停机命令。
2.如权利要求1所述的压缩机组智能增减控制方法，其特征在于，在步骤S2中，所述建立压缩机组的运行数量计算模型具体为：根据压缩机对管道内天然气做功的计算模型，建立最少可启动机组的数量计算模型N，所述压缩机运行数量计算模型N的表达式如下：
Figure FDA0003104038310000011
其中，N代表理论计算得出的压缩机运行数量，n代表实际压缩机运行数量，Pi代表各压缩机对管道内天然气所做的功，Pe代表各台压缩机额定功率，η代表综合效率修正系数，一般取常数0.7～0.75。
3.如权利要求2所述的压缩机组智能增减控制方法，其特征在于，所述根据压缩机对管道内天然气做功的计算模型的具体表达式为：
P＝qHa
其中，P代表压缩机组对管道内天然气所做的功，Ha为绝热压头，q为天然气质量流量；
所述天然气质量流量q的计算表达式如下：
q＝drdQb
其中，dr代表天然气相对密度，d代表空气密度(单位：kg/m3)，Qb代表压缩机进口的标况体积流量，可由压缩机进口流量计测量给出；
所述绝热压头Ha的计算表达式如下：
Figure FDA0003104038310000021
其中，Ps、Pd、Ts分别代表压缩机天然气进口压力、出口压力、进口温度，Mw代表天然气摩尔质量，R代表普适气体常数，R＝8.3145J/(mol·K)，Zs代表压缩机进口条件天然气压缩系数，γ代表天然气绝热指数；
所述天然气绝热指数γ的计算表达式如下：
Figure FDA0003104038310000022
Figure FDA0003104038310000023
其中，m代表天然气多变指数，Ps、Pd、Ts、Td分别代表压缩机天然气进口压力、出口压力、进口温度、出口温度，Zs、Zd分别代表压缩机进口、出口天然气压缩系数；
所述压缩机进口、出口天然气压缩系数Zs、Zd的计算表达式分别如下：
Figure FDA0003104038310000024
Figure FDA0003104038310000025
其中，Ppc、Tpc分别代表临界压力和临界温度，Ppc、Tpc计算公式分别通过如下公式求出：
Figure FDA0003104038310000031
4.如权利要求3所述的压缩机组智能增减控制方法，其特征在于，所述触发增启或减停机组命令具体包括：
若N＜n-1，延时180秒，触发减停机组命令；
若N＞n，延时180秒，触发增启机组命令；
若n-1＜N＜n，说明压缩机组运行数量满足工况要求，无需增启和减停机组。
5.如权利要求1所述的压缩机组智能增减控制方法，其特征在于，所述运行负荷增减机组计算模型通过负荷占用比Load表达，所述负荷占用比Load通过如下表达式求得：
Figure FDA0003104038310000032
其中，Load代表负荷占用比，R代表平均负荷，Rmax代表最大负荷，Rmin代表最小负荷；
所述平均负荷R的计算通过如下表达式求得：
Figure FDA0003104038310000033
其中，n代表实际压缩机运行数量。
6.如权利要求5所述的压缩机组智能增减控制方法，其特征在于，所述触发增启或减停机组命令具体还包括：
若Load＞95％，延时180秒，触发增启机组命令；
若Load＜5％，延时180秒，触发减停机组命令。
7.如权利要求1所述的压缩机组智能增减控制方法，其特征在于，所述喘振裕度计算模型具体通过机组平均裕度M表达，所述机组平均裕度M通过如下表达式求得：
Figure FDA0003104038310000041
其中，M代表机组平均裕度，n代表实际压缩机运行数量，Mi代表各压缩机喘振裕度。
8.如权利要求1所述的压缩机组智能增减控制方法，其特征在于，所述触发增启或减停机组命令具体还包括：
若M＜5％，延时180秒，触发减停机组命令。
9.如权利要求1所述的压缩机组智能增减控制方法，其特征在于，所述当需要增启、减停压缩机组时，根据优先级比选结果，自动触发对应机组的启停机命令，具体包括：
(1)采用数字表示优先级，“1”代表优先级最高，数字越大，优先级越低，依次类推，0表示不可用状态；
(2)优先级判定采用手动、自动两种方式，其中：
手动方式下，可人为写入优先级数字；
自动方式下，比较周期内压缩机组累计运行时间，运行时间越长，优先级越低，反之优先级越高；
(3)当触发增启压缩机组命令后，在停机状态下的机组中进行优先级比选，优先级越高，即数字越大，优先启动；
(4)当触发减停压缩机组命令后，在运行状态下的机组中进行优先级比选，优先级越低，即数字越小，优先停止。
10.如权利要求1所述的压缩机组智能增减控制方法，其特征在于，所述压缩机控制系统包括压缩机单机控制系统、压缩机组负荷分配控制系统和站场SCADA控制系统，所述压缩机单机控制系统、所述压缩机组负荷分配控制系统和所述站场SCADA控制系统之间能够实现数据互传，获取压气站与压缩机运行相关的实时工况参数。
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