基于UNISIM的壓縮機組動態仿真分析系統

費啟智 林峰寶 陳泓辛 陳思詩

【摘要】壓縮機組動態仿真分析系統旨在為壓縮機的生產制造、試車、投產、使用和維護提供方案和參考。本壓縮機組動態仿真分析系統基于UNISIM軟件和壓縮機組控制系統開發，有著先進的壓縮機組仿真理論，仿真結果精度高。是研究壓縮機組動態性能，優化和驗證壓縮機組控制方案的重要工具。

【關鍵詞】壓縮機；動態仿真；UniSim

引言

壓縮機組動態仿真分析系統提供的所有的模型，都是基于嚴格的熱力學、動力學機理模型構建的。這種方法適應于多組分、多相變的復雜體系，并具有良好的外延性。本系統利用機組設計時使用的物性方程，開發豐富的壓縮機模型算法庫，這些算法是根據傳熱、傳質、動量傳遞、流體力學和自動控制等基本原理開發的，具有較高的精確性和真實性。

1.系統開發

壓縮機組動態仿真分析系統的結構，由壓縮機組控制系統，壓縮機組模型，壓縮機組3D操作環境組成。壓縮機組控制系統采用真實的工廠控制系統程序，控制系統程序在相應的仿真器上運行。壓縮機組模型能夠模擬壓縮機組的運行工況，并為壓縮機組控制系統提供實時數據，經過壓縮機組控制系統的自動邏輯判斷或操作者認為設定，壓縮機組控制系統發出控制命令給壓縮機組模型。壓縮機組3D操作環境能真實的模擬工廠外操環境，與壓縮機組控制系統協同操作，以實現對整個壓縮機組的控制。壓縮機組模型開發是整個壓縮機組動態仿真分析系統搭建的核心，正確、合理、準確的建模是保證分析結果是否真實可靠的的關鍵。壓縮機組動態仿真模型，模型由壓縮機、驅動機、管路、閥門等組成，除此之外還有其他輔助系統，如潤滑油系統，汽輪機疏水系統，控制油系統等。壓縮機組建模首先應該定義模型的基礎參數，如工廠當地大氣壓力，模型采用的單位等。在所有的模擬設備中，壓縮機是核心設備。確定壓縮機的機型和輸送介質后，將壓縮機的設計參數輸入UNISIM軟件中的壓縮機模型[2]，形成壓縮機各個工況的性能曲線。將壓縮機模型與其他模型通過物質流連接，通過逐步調試和完善，動態運行壓縮機組模型。建立壓縮機組模型與壓縮機組控制系統和3D外操環境之間的通訊，即壓縮機組動態仿真分析系統。

2.功能及特點

2.1研究壓縮機組動態性能

壓縮機組動態性能直接影響壓縮機運行效率，需要專業的模型和算法并結合工藝過程才能得到分析驗證。多機組串并聯多用于天然氣管道輸送，負荷分配一直是困擾生產能耗的首要問題，特別針對于功率不同的壓縮機組串并聯情況，如何分配各個壓縮機組的負荷以實現安全生產、降低能量損耗就顯得尤為重要[3]。壓縮機組動態仿真系統通過精確的物性方程，配合機組性能特性曲線，結合壓縮機自身設備參數，與管網及其它設備配合計算，模擬出機組級聯最佳工作點及最佳操作方法，從而在完全不影響正常生產的情況下，盡可能的減小能耗，并使各壓縮機組均在最優工況下運行。在節能降耗的同時，增加了壓縮機的安全運行系數和使用壽命。

2.2防喘振工況模擬分析

在化工生產過程中，壓縮機組會受上下游多重因素的影響，使入口組份、壓力和溫度發生改變。從而可能造成壓縮機組喘振甚至停車[4]。壓縮機組動態仿真分析系統可以模擬壓縮機組不同工況的改變過程，為用戶提供工況改變時的應對方案。在壓縮機的使用過程中常常會遇到防喘振閥無法完全關閉的情況，防喘振閥不能完全關閉，不僅會使壓縮機組不能達到使用要求，還大大降低了壓縮機組的使用效率、安全系數和使用壽命。我們可以利用壓縮機組動態仿真分析系統模擬壓縮機組此時的工況，將模擬得出的參數與實際設備的參數對比分析，從而找到防喘振閥門不能完全關閉的真正原因，對于不同的解決方案亦可進行進一步驗證分析。

2.3控制方案模擬驗證

壓縮機組的控制主要包括轉速控制、防喘振控制、電器設備控制等。壓縮機組控制系統分別要經過模擬調試、靜態調試和試車驗證的過程。但常常在壓縮機組投產后仍然會出現很多未被發現的問題，如防喘振發無法關閉，轉速無法升到額定轉速，汽輪機抽氣功能無法使用等。這是因為在壓縮機組試車時所輸送的介質并非設計輸送介質，或者模擬調試時控制系統所采集的數據不是連續變化的。而壓縮機組動態仿真分析系統能夠模擬真實的壓縮機組運行情況，能夠更好的驗證控制方案的正確性和合理性。能夠提前發現并修正控制方案的不足之處，盡可能的減少故障，提高試車效率，節約試車成本。

2.4故障模擬及解決方案

壓縮機組作為工藝裝置的核心設備，在正常生產過程中難免會出現設備、儀表等各方面問題，這些問題能否正確、快速、高效的處理決定了裝置的連續運行及高效生產。壓縮機組動態仿真分析系統可以為用戶模擬出轉速大幅波動，閥門漂移、粘連、泄露，阻力系數改變，機組報警故障等所有可能發生的危險過程及后續引起的設備動作。通過此系統可以提前擬制不同故障時的應急解決方案，并對方案的可行性進行驗證，可有效避免機組誤停車，減少不必要損失。

2.5操作培訓（OTS）

壓縮機組動態仿真分析系統同時具備內操環境和外操環境，可用作為操作員培訓和考核。壓縮機組動態仿真分析系統滿足操作人員對壓縮機組操作培訓的需求，能夠幫助操作人員熟悉特定機組的操作過程，積累操作經驗，提高操作人員現場故障處理和故障診斷分析能力，使操作人員熟悉并熟練掌握壓縮機組的操作方法，包括畫面調用、儀表操作、參數修改等。

壓縮機組的動態仿真分析系統的操作培訓課程與實際設備高度相似，能夠培養出熟悉設備，操作熟練的操作人員。與傳統的培訓模式相比，極大地提高了培訓效果，節約培訓成本。

3.結束語

壓縮機組動態仿真分析系統能夠準確地模擬壓縮機組的各種運行工況，用以處理常規方法無法解決的壓縮機組問題，量化不同工況下壓縮機組的參數變化，采集真實設備不易采集的數據。是分析壓縮機組性能，了解壓縮機組工藝的重要方式。隨著石油化工行業的快速發展，壓縮機組動態仿真分析系統將被廣泛的應用。

參考文獻

[1]趙建彬，劉君有，郭俊昌等.HYSYS流程模擬技術在油氣處理廠的應用[J].油氣田地面工程，2010（8）：93-94.

[2]Honeywell.UniSimDesign Operations Guide[Z].2014/11.

[3]梁平，李志軍，肖翔等.天然氣處理流程模擬技術[J].油氣田地面工程，2008（4）：53-54.