基于相似原理的通用特性曲線喘振控制方法和系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于相似原理的通用特性曲線喘振控制方法和系統，所述通用特性曲線是用根據相似原理組合而成的無因次組合參數來表示，采用通用特性曲線作為喘振極限線，通過準確計算壓縮機運行點與喘振區的距離，從而達到避免機組進入喘振區的危險，并且盡量減少放空和回流帶來的能量損失。本發明用于防喘振控制時，不受入口工況，如分子質量、溫度、壓力等變化帶來的影響。
【專利說明】
基于相似原理的通用特性曲線喘振控制方法和系統
技術領域
[0001] 本發明設及透平壓縮機防喘振控制與保護，尤其是使用與入口條件無關的通用特 性曲線坐標系統，解決壓縮機運行點和喘振區測量和計算的準確性。
【背景技術】
[0002] 喘振是軸流和離屯、壓縮機特有的屬性，強烈的喘振會使止推軸承損壞，機器內部 產生摩擦，嚴重損傷壓縮機部件，持續喘振對壓縮機會造成嚴重危害，壓縮機組在整個工藝 系統運行中，必須避免喘振工況。
[0003] 有效的防喘振控制與許多因素有關，如過程工藝、壓縮機、控制閥、測量和控制設 備的動態響應特性等，尤其是控制系統測量和計算的準確性。
[0004] 因為防喘振控制都是通過壓縮機性能曲線來實現，常規性能曲線橫坐標為流量， 縱坐標為壓力、壓比或效率，某些壓縮機在實際運行過程中，工況條件經常發生變化，如分 子質量、溫度、壓力等的波動，偏離了設計的工作狀態，使原先的性能曲線不準確，結果導致 運行安全性和效率下降，甚至不能阻止喘振發生，嚴重時造成機組的損毀。
[0005] 現有防喘振控制方法主要包括固定極限流量法和可變極限流量法。固定極限流量 防喘振控制是使壓縮機的入口流量保持大于某一固定值，即正常可W達到最高轉速下的臨 界流量(喘振流量），從而避免進入喘振區運行。固定極限流量防喘振控制方案設計簡單，系 統可靠性高，投資少，適用于轉速恒定場合。它的缺點為當轉速下降的時候，低負荷情況下 運轉的壓縮機能量消耗大，極限流量的裕量也很大。
[0006] 相對于固定極限流量防喘振控制，可變極限流量防喘振控制方法增加了低轉速的 運行區間，是目前應用的最廣泛的一種方法。在各種轉速工況(對于可變導葉或靜葉的機 組，情況類似，在本發明中不再描述)下的壓縮機的喘振流量是不穩定的，喘振流量和壓縮 機的轉速有著密切的關系，一般情況下，壓縮機的轉速減小，喘振流量也相應的減小。所W 防喘振控制方案的最佳設計是留有相應的安全裕度，在喘振線的右側設計出一條和喘振線 (即喘振極限線)類似的安全線（即喘振控制線），讓防喘振控制器沿著運條安全線工作，使 控制器的預先設定好的給定值隨著轉速的變化而能做出相應的變化，運樣就可W減少喘振 發生的幾率。
[0007] 上述兩種傳統的防喘振控制方法可滿足大多數壓縮機防喘振控制要求。但運兩種 方法均未考慮壓縮機進氣狀態變化對性能曲線的影響，存在W下缺點：
[000引1)在開工階段W及正常生產階段，無論入口壓力、入口溫度、分子量怎樣變化，喘 振極限線和喘振控制線的形狀和位置始終固定不變，與實際產生偏差，使控制不確定性因 素增加。
[0009] 2)不能有效補償入口壓力、入口溫度、分子量等變化對喘振極限線、喘振控制線和 運行點造成的影響。
[0010] 3)-旦發生喘振，需要改為手動操作，否則在自動模式中振蕩發散。
[001。 4)很多現場閥口長期回流或放空，造成巨大的能源浪費。
[0012] 因此，需要發明一種有效的測量和計算方法，能對入口溫度變化、入口壓力變化、 分子量變化等進行有效和準確的補償，保證喘振極限線和運行點的計算準確可靠，W提高 機組運行的安全性和效能。
【發明內容】
[0013] 本發明的目的在于提供一種基于相似原理的通用特性曲線喘振控制方法和系統。
[0014] 為達到上述目的，本發明采用了 W下技術方案：
[0015] -種基于相似原理的通用特性曲線喘振控制方法，該喘振控制方法包括W下步 驟：
[0016] 1)根據相似原理構造無因次組合參數，利用所述無因次組合參數建立適用于多種 工況下的喘振控制的壓縮機通用特性曲線；
[0017] 2)根據所述壓縮機通用特性曲線建立喘振控制線，計算壓縮機實際運行點與喘振 控制線的距離并作為偏差信號，根據偏差信號控制壓縮機的實際運行狀態，避免壓縮機運 行進入喘振區。
[0018] 所述工況包括入口溫度、入口壓力W及氣體分子質量。
[0019] 所述壓縮機通用特性曲線選自馬一 寺性曲線或者Rc-Ma特性曲線，R康示壓比， 巧表示流量系數，Ma表示馬赫數;無因次組合參勤
表示，Qv表示 體積流量，Z表示壓縮因子，R表示氣體常數，T表示氣體絕對溫度，fk(〇)表示多變指數的函 數;Ma W無因次組合參數;表示，N表示轉速。
[0020] 將& /V森護的計算等同轉化為計算，APd,s為入口流量壓差，Ps為入口壓 力。
[0021] 利用安裝在排氣口的流量壓差測量元件測量得到出口流量壓差A Pn,d，通過壓比 及溫比將APD,d換算為APd,s。
[0022] 所述喘振控制方法具體包括W下步驟：
[0023] a)根據壓縮機廠商提供的某一入口工況下的壓縮機特性曲線，經換算和擬合得到 所述壓縮機通用特性曲線，或通過喘振試驗得到的試驗特性數據建立所述壓縮機通用特性 曲線；W所述壓縮機通用特性曲線作為喘振極限線，將喘振極限線偏移一定裕度S得到喘振 控制線；
[0024] b)壓縮機實際運行中，通過壓力傳感器測量入口壓力Ps和排氣壓力Pd，通過流量壓 差測量元件測量入口流量壓差A P。, S;
[002引 C)通過計算壓比Rc = Pd化和\^俱到實際運行點；
[0026] d)計算實際運行點與喘振控制線對應控制點的距離，根據距離產生用于控制防喘 振閥開度或壓縮機運行轉速的控制信號。
[0027] -種基于相似原理的通用特性曲線喘振控制系統，所述喘振控制系統包括用于計 算實際運行點的模塊、用于計算喘振極限線上與所述實際運行點對應的喘振點的模塊w及 用于根據所述喘振點計算所述實際運行點與喘振控制線的距離的模塊，所述喘振極限線是 利用根據相似原理構造的無因次組合參數建立的適用于多種工況下的喘振控制的壓縮機 通用特性曲線。
[002引所述壓縮機通用特性曲線選自馬一貨特性曲線或者Rc-Ma特性曲線，Rc表示壓比， f表示流量系數，Ma表示馬赫數；fPW無因次組合參I
衰示，Qv表示 體積流量，Z表示壓縮因子，R表示氣體常數，T表示氣體絕對溫度，fk(0)表示多變指數的函 數;MaW無因次組合參數表示，N表示轉速。
[0029] 將a. /V文京f的計算等同轉化為計算，APe,s為入口流量壓差，Ps為入口壓 力。
[0030] 所述喘振控制系統具體包括第一乘除器模塊、第二乘除器模塊、開方器模塊、特性 修正模塊W及加減器模塊;第一乘除器模塊計算壓比Rc = Pd/Ps，Pd為排氣（出口）壓力；第二 乘除器模塊和開方器模塊計算;特性修正模塊根據第一乘除器模塊計算的壓比W及 所述壓縮機通用特性曲線得到喘振點，加減器模塊根據所述喘振點及喘振裕度S計算實際 運行點與喘振控制線對應控制點的距離，所述實際運行點通過計算壓比Rc=Pd化和 得到。
[0031 ]本發明的有益效果體現在：
[0032] 本發明根據壓縮機組相似原理，建立通用特性曲線坐標系統（例如Pd/Ps VS. 0,. /V^)，使喘振極限線不會因為入口工況(如分子質量、溫度、壓力等）的變化而變化， 因此可W準確計算出壓縮機運行點與喘振區的距離，能夠更好地保護透平壓縮機，避免喘 振損壞，并且盡可能地減少回流和放空帶來的能量損失。將通用特性曲線應用于防喘振控 審IJ，對工藝參數經常變化的場合，具有很好的適用性。
【附圖說明】
[0033] 圖1為透平壓縮機及其控制系統的結構示意圖。
[0034] 圖2為常規透平壓縮機性能曲線示意圖。
[0035] 圖3為實際工藝流量小于壓縮機喘振流量時回流控制示意圖。
[0036] 圖4為本發明實施例不同工況下常規性能曲線圖。
[0037] 圖5為本發明實施例不同工況下通用特性曲線圖。
[0038] 圖6為本發明實施例喘振控制計算模型框圖；
[0039] 圖中：101為透平，102為壓縮機，103為進口管線，104為流量節流元件，105為排氣 管線，106為氣源，107為用戶，110為入口壓力傳感器，111為排氣壓力傳感器，112為入口溫 度傳感器，113為排氣溫度傳感器，114為流量壓差傳感器，115為防喘振閥位置傳感器，116 為轉速傳感器，117為入口導葉位置傳感器，12為控制系統，121為喘振控制器，122為性能控 制器，123為速度控制器，130為防喘振閥，131為透平蒸汽入口閥口，132為入口導葉，31為第 一乘除器，32為第二乘除器，33為特性修正，34為開方器，35為加減器。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
[0041] 參見圖1，透平壓縮機中，透平101(本發明W蒸汽透平驅動為例，燃氣透平和電機 驅動方式不再描述巧E動壓縮機102旋轉，將氣體從氣源106壓縮輸送至用戶107,氣體通過 進口管線103，經過流量節流元件104進入壓縮機102，通過排氣管線105離開壓縮機102至用 戶107,一部分氣體通過防喘振閥130回流到氣源106。
[0042] 圖1也顯示了透平壓縮機的控制系統12(含測量傳感器），測量傳感器包括轉速傳 感器116,入口導葉位置傳感器117,入口壓力傳感器110,排氣壓力傳感器111，入口溫度傳 感器112，排氣溫度傳感器113，流量壓差測量元件(例如流量壓差傳感器114，通過測量流量 節流元件104的壓差），W及防喘振閥位置傳感器115。
[0043] 控制系統12主要由喘振控制器121、性能控制器122和速度控制器123組成，喘振控 制器121通過計算運行點與喘振點的距離，控制防喘振閥130的開度，使運行點在安全區內 運行，運是本發明要闡述的重點；性能控制器122接收工藝氣體流量和壓力信號，通過控制 入口導葉132(是其中控制方法之一），使流量和壓力滿足用戶工藝要求;速度控制器123接 收轉速傳感器116信號，控制透平蒸汽入口閥口 131，W保證透平轉速達到目標要求。
[0044] 透平壓縮機組的振動、油站、密封等監控不在本發明中描述。
[0045] 參見圖2、圖3,對于在100%壓力（相對值)下的喘振點B和控制點C，喘振控制必須 維持80% (假設)的最低喘振流量通過壓縮機102, W保證機組安全運行。假如工藝要求65% 的流量(在運行點A)，喘振控制通過防喘振閥130回流15%的流量，兩者加起來80 %的流量 通過壓縮機102。當工藝要求流量大于80%最低喘振流量時(在運行點D)，防喘振閥130將全 部關閉。
[0046] 某C-202重整循環氨壓縮機在S種不同工況下壓縮機的特性曲線（壓比Rc VS.體 積流量Qv)，參見圖4:
[0047] Case A E0C工況：MW=13.85，Ps = 1420kPa，Ts = 311.15K
[0048] Hy化ogen 2工況：MW=3.72，Ps = 1000kPa，Ts = 311.15K
[0049] Regen 2工況：MW=31.41，Ps = 600k化，Ts = 313.15K
[0050] 在Case A EOC工況下，壓比Rc=1.943時壓縮機喘振流量為11041(ACMH)，在同樣 壓比Rc = l .943下，Regen 2工況下，壓縮機喘振流量為7059(ACMH)。可W看出，在同樣壓比 下，分子量MW= 13.85工況的喘振流量要比分子量MW=31.41的喘振流量高出56%。
[0051] 從上面可W看出，常規特性曲線用于氣體組分變化較大的防喘振控制，實際偏差 較大，一旦工況變化，往往會導致運行效率降低（回流或放空增加），甚至防喘振控制失敗。
[0052] 要使特性曲線坐標系統與入口工況無關，就必須滿足相似條件，即：幾何相似，進 口速度立角形相等(或流量系數^^相等），馬赫數13相等，氣體定賭指數4相等，則可證明壓比 和效率不變。
[0053] 由于氣體定賭指數k不能直接測量，根據工程經驗在很多情況下k值影響很小，可 W乎略。特殊場合，如需要更精確計算，可W作為多變指數的函數計算k = fk(〇)值。
[0054] 因此，對于同一透平壓縮機，要使壓比R。相等，則只需保持流量系數和馬赫數相等 就可^了，如用流量系數^^和馬赫數13表示它們的性能曲線，9切0,./>/^表示，13^ /V /\盡^表示，運樣繪出的性能曲線，與傳統性能曲線相比，在應用時不受進口條件限制 (如分子質量、溫度、壓力等），性能曲線不受影響。參見圖5,使用無因次流量系數 & / 代替體積流量Qv，同樣圖4的S種工況，在圖5中S種工況曲線可歸一化到一條曲 線。運種通用特性曲線用于防喘振控制，將不受進口條件限制，計算準確，使控制系統安全 性提高，運行效率增加（回流或放空減小）。
[0055] 可W根據(ffiM廠提供的常規特性曲線，換算和擬合成通用特性曲線作為喘振極限 線。或通過喘振試驗得到的一組試驗特性數據，根據特性數據建立通用特性曲線：
[0化6] 1)對于通用特性曲線坐標系統。<1/?3 VS.。，/^/^^)，首先Y軸壓比Pd/Ps，是比較 容易測量計算的，對于X軸流量系數a /7^可通過換算到常規儀表容易測量的參數(例 如 AP〇,s、Ps)。
[0化7]
[0化引 [0化9]
[0060]此處ki是由節流裝置確定的計算系數。
[0061 ] 入口流量壓差AP。, S和入口壓力Ps容易用常規儀表測量得到。
[0062] 當流量壓差測量元件安裝在排氣口時，可通過壓比及溫比由出口流量壓差AP。, d 換算得到入口流量壓差AP。, S。
[0063] 2)根據工程經驗，很多情況下k值影響很小，可W乎略，所W假定為常數。特殊情 況，要考慮k值的影響，可將k作為多變指數的函數k = fk(〇)，因此通用特性曲線坐標系統改 為化化 .M。）
[0064] 3)在沒有流量壓差測量元件，而氣體分子質量已知的情況，可W建立用;代 表馬赫數Ma的通用特性曲線坐標系統(Pd/Ps vs.^j^)，同樣不受進口條件（如分子質 量、溫度、壓力等)的影響。
[0065] 參見圖6,根據上述通用特性曲線（例如圖5)，W下舉例說明本發明喘振控制計算 流程:第一乘除器31計算壓比Rc = Pd/Ps，第二乘除器32與開方器34計算與曼，./V^等同 的巧，特性修正33修正Pd/Ps為f(R。）與壓縮機喘振極限線匹配，將兩個信號
與a = f (R。)送到加減器3 5，得到喘振過程控制值PV = a-b+喘振裕度S，進入喘 振控制器進行控制。
[0066] 符號說明：
[0067] P為氣體絕對壓力;I?。為壓比；A P。為流量壓差;Qv為體積流量;f為流量系數;Ma為 馬赫數;2為壓縮因子;賦1轉速;1?為氣體常數，1?=私/^胖(私為普適氣體常數，8.31441，麗為 分子質量）；T為氣體絕對溫度;0為指數，0 = (n-1)/n;n為多變指數;k為氣體定賭指數，k = Cp/Cv(Cp為氣體定壓比熱，Cv為氣體定容比熱）；P為氣體密度；下標d表示出口（即排氣口）； 下標S表入口。
【主權項】
1. 一種基于相似原理的通用特性曲線喘振控制方法，其特征在于：該喘振控制方法包 括以下步驟： 1) 根據相似原理構造無因次組合參數，利用所述無因次組合參數建立適用于多種工況 下的喘振控制的壓縮機通用特性曲線； 2) 根據所述壓縮機通用特性曲線建立喘振控制線，計算壓縮機實際運行點與喘振控制 線的距離并作為偏差信號，根據偏差信號控制壓縮機的實際運行狀態，避免壓縮機運行進 入喘振區。2. 如權利要求1所述的基于相似原理的通用特性曲線喘振控制方法，其特征在于:所述 工況包括入口溫度、入口壓力以及氣體分子質量。3. 如權利要求1所述的基于相似原理的通用特性曲線喘振控制方法，其特征在于:所述 壓縮機通用特性曲線選自Rc-供特性曲線或者Rc-Ma特性曲線，R c表示壓比，供表示流量系 數，Ma表示馬赫數#以無因次組合參數-表示，Qv表示體積流量，Z表 示壓縮因子，R表示氣體常數，T表示氣體絕對溫度，fk(〇)表示多變指數的函數;Ma&無因次 組合參數_表示，N表示轉速。4. 如權利要求3所述的基于相似原理的通用特性曲線喘振控制方法，其特征在于：將1 勺計算等同轉化為計算，A P。, s為入口流量壓差，Ps為入口壓力。5. 如權利要求4所述的基于相似原理的通用特性曲線喘振控制方法，其特征在于:利用 安裝在排氣口的流量壓差測量元件測量得到出口流量壓差△ P〇,d，通過壓比及溫比將A PQ,d 換算為AP〇,s。6. 如權利要求1或3所述的基于相似原理的通用特性曲線喘振控制方法，其特征在于： 所述喘振控制方法具體包括以下步驟： a) 根據壓縮機廠商提供的某一入口工況下的壓縮機特性曲線，經換算和擬合得到所述 壓縮機通用特性曲線，或通過喘振試驗得到的試驗特性數據建立所述壓縮機通用特性曲 線；以所述壓縮機通用特性曲線作為喘振極限線，將喘振極限線偏移一定裕度S得到喘振控 制線； b) 壓縮機實際運行中，通過壓力傳感器測量入口壓力Ps和排氣壓力Pd，通過流量壓差測 量元件測量入口流量壓差A P〇, s; C)通過計算壓比Rc^Pd/Ps和，得到實際運行點； d)計算實際運行點與喘振控制線對應控制點的距離，根據距離產生用于控制防喘振閥 開度或壓縮機運行轉速的控制信號。7. -種基于相似原理的通用特性曲線喘振控制系統，其特征在于:所述喘振控制系統 包括用于計算實際運行點的模塊、用于計算喘振極限線上與所述實際運行點對應的喘振點 的模塊以及用于根據所述喘振點計算所述實際運行點與喘振控制線的距離的模塊，所述喘 振極限線是利用根據相似原理構造的無因次組合參數建立的適用于多種工況下的喘振控 制的壓縮機通用特性曲線。8. 如權利要求7所述的基于相似原理的通用特性曲線喘振控制系統，其特征在于:所述 壓縮機通用特性曲線選自R。一f特性曲線或者1?。一]^特性曲線，R。表示壓比，表示流量系 數，Ma表示馬赫數;貧以無因次組合參數表示，Qv表示體積流量，Z表 示壓縮因子，R表示氣體常數，T表示氣體絕對溫度，fk(〇)表示多變指數的函數;Ma&無因次 組合參數：表示，N表示轉速。9. 如權利要求7所述的基于相似原理的通用特性曲線喘振控制系統，其特征在于：將_的計算等同轉化為計算，A P。, s為入口流量壓差，Ps為入口壓力。10. 如權利要求9所述的基于相似原理的通用特性曲線喘振控制系統，其特征在于:所 述喘振控制系統具體包括第一乘除器模塊、第二乘除器模塊、開方器模塊、特性修正模塊以 及加減器模塊;第一乘除器模塊計算壓比Rc^=Pd/P s，Pd為排氣壓力;第二乘除器模塊和開方 器模塊計算；特性修正模塊根據第一乘除器模塊計算的壓比以及所述壓縮機通用特 性曲線得到喘振點，加減器模塊根據所述喘振點及喘振裕度S計算實際運行點與喘振控制 線對應控制點的距離，所述實際運行點通過計算壓比Rc^Pd/Ps和
【文檔編號】F04D27/02GK106050722SQ201610538337
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月8日
【發明人】秦國良, 紀云鋒, 陳雪飛, 張帥甲
【申請人】西安交通大學, 杭州澎康自動化科技有限公司