壓縮機回流閥自動控制研究

伍星光 賀 宏 梁 凡 潘慧潔 周子翔 黃壹暄

1. 國家管網集團西南管道有限責任公司南寧輸油氣分公司, 廣西 南寧 530000;2. 國家管網集團西南管道有限責任公司昆明輸油氣分公司, 云南 昆明 650501;3. 國家管網集團西南管道有限責任公司蘭成渝輸油分公司, 四川 成都 610037

0 前言

隨著經濟的發展,用戶對天然氣需求持續增長,尤其在冬季,天然氣保供任務更加艱巨,往往需要2臺或多臺壓縮機組并聯運行為天然氣進行增壓。當管道運行處于多機組投用、低流量或壓縮機出入口壓力有明確限制等工況下,容易使壓縮機組發生喘振,損壞壓縮機的密封和軸封,破壞壓縮機的整體結構,甚至引發火災爆炸事故[1-3]。為避免進口流量低于喘振流量,通常在壓縮機出口處設置防喘閥,實現對壓縮機喘振的監測和預防。當進口流量逼近或低于喘振設定流量時,防喘閥迅速打開,使出口天然氣回流,補充進口流量,從而避免壓縮機發生喘振。通常情況下,防喘閥幾乎是預防壓縮機喘振最關鍵的也是唯一屏障,當流量較低或多機組運行時,壓縮機容易進入喘振工況,但防喘閥的頻繁啟動工作會顯著降低設備的運行可靠性,增加設備疲勞損壞和故障失效的風險。因此,在壓縮機出口處增設旁通回流閥對壓縮機喘振進行超前預防是一種有效的工藝設計方式[4]。壓縮機出口加裝回流閥為壓縮機系統提供了一道新的屏障,當壓縮機運行工作點靠近喘振區域時,首先控制打開回流閥補充進口流量,使工作點遠離喘振區域,若回流閥不足以使壓縮機脫離喘振危險,此時防喘閥開啟使壓縮機逐漸回到正常運行狀態。這種雙重預防機制在預防喘振后果的同時也為防喘閥提供了有效保護,增強了壓縮機防喘振性能的可靠性。但目前回流閥的控制只能通過手動操作,非常依賴于技術人員的經驗,回流量過低無法有效緩解喘振風險,回流量過高又會造成資源浪費和壓縮機效率低下。因此,有必要對回流閥進行自動控制研究,在保證安全的前提下,最大限度減小回流量,實現降本增效。

1 回流閥應用現狀

本文以中緬管道某壓氣站為研究對象,對壓縮機回流閥應用現狀進行了調研。該壓氣站采用2臺離心式電驅壓縮機組并聯運行方式對天然氣進行增壓,總裝機功率22 MW，壓縮機防喘振控制系統見圖1。當壓縮機正常運行時,防喘閥處于關閉狀態,當壓縮機有喘振風險時,首先開啟回流閥補充進口流量以預防喘振現象,當回流閥功能不足以使工作點偏離喘振區域時,防喘閥打開避免壓縮機喘振。目前該壓氣站內壓縮機回流閥控制方式屬于手動控制,通過值班人員對壓縮機防喘振界面進行監視,主觀判斷壓縮機工作點與喘振控制線的距離,調節回流閥的開度。該壓氣站站控值班室監視界面見圖2,其中白線為喘振線,工作點處于白線附近時壓縮機進入喘振工況,紅線為防喘振線,工作點進入紅線左邊區域時防喘閥自動開啟使工作點向右偏移遠離喘振區域。鑒于回流閥超前保護的設計目的,對回流閥的控制趨于保守,通常當工作點與防喘振線的喘振裕度在10%內時,值班人員就會開啟回流閥,使工作點遠離防喘振線,每次以5%的開度向上調整;當上游流量很小,且工作點與防喘振線非常接近時,值班人員通常會每次以10%的開度調節回流閥。

圖1 壓縮機防喘振控制系統圖Fig.1 Compressor anti-surge control system diagram

為探究回流閥的工作性能,在工作點接近防喘振線時進行了現場開度試驗,見圖2。當工作點逼近防喘振線時,將回流閥開度設置為10%,隨著回流閥開度的增加,壓縮機工作點逐漸偏離防喘振線,但進口流量處于波動狀態,壓縮機運行尚不穩定,在20%開度時,壓縮機工作點已經遠離防喘振線,穩定運行一段時間發現進口流量逐漸趨于穩步增長狀態,此時繼續增加開度至30%,雖然又進一步偏移了一點,但實際對壓縮機運行并無實質影響。因此在該工況下,20%～30%的開度就足以使壓縮機運行趨于穩定,而在趨于穩定后,即可逐漸關閉回流閥。但事實上,出于保守考慮,人工控制仍然會傾向于再觀察一段時間再逐漸關閉,同時值班人員也會出現因為工作忙碌而忘關回流閥的情況。為進一步探究該壓氣站回流閥應用情況,搜集整理上下游基礎數據和站場實時數據,對2021年5～6月回流量進行統計分析,見圖3。由圖3可看出,2021年5～6月這段時間回流量達到35×104～400×104m3/d,回流比最高達13%，壓縮機入口流量中回流量占比很大,驅動功率存在大量浪費。因此,壓縮機回流閥自動控制研究對于提質增效大有裨益。

a)靠近喘振線a)Near the surge line

圖3 壓縮機組回流量分析圖Fig.3 Analysis of the return flow of the compressor unit

2 回流閥自動控制方法

當前，國內外采用的防喘振控制方法主要有固定極限流量法[5-7]、可變極限流量法[5-7]、主動控制法[8-10]和模糊控制法[11-13]。固定極限流量法以固定臨界流量為限,只要使壓縮機入口流量不超過此固定臨界流量,壓縮機就不會發生喘振，該方法雖簡單易行,但會使喘振區域顯著增加,造成回流量和能耗增大[14]。對于采用變頻驅動的壓縮機或壓縮機負荷波動頻繁的場合,通常采用可變極限流量法進行防喘振控制[15]，該方法回避了固定極限流量法能源浪費的缺點,但控制實現較為復雜。主動控制法能使壓縮機工作范圍擴展至喘振線左側,使運行效率得以提升,但喘振檢測技術的不完善和主動控制算法的復雜性制約了主動控制技術的進一步發展[16-17]。模糊控制法是一種新興的智能控制方法,無需對控制對象建立精確的數學模型,且對于工況波動和隨機干擾具有較好的控制效果[18-20]，該方法既保留了自動控制的特點,又回避了人工控制的不精確性,對于實現回流閥自動控制具有經濟性、實用性和可操作性。一方面,在實際生產中,壓縮機運行狀態受設備本體、氣質參數和環境變化等多種因素影響,難以建立精確的數學模型,在一定程度上會使傳統PID防喘振控制效果難達預期[21]；另一方面,回流閥是壓縮機喘振預防的輔助設備,主要作用在于控制和緩解惡化或趨向惡化的工況,對其進行精確的自動控制設計是不必要的。因此,本文基于模糊控制思想對回流閥進行自動控制設計。

如圖2所示,回流閥啟停和開度的控制與工作點到防喘振線的距離有關,因此,對回流閥的控制應首先確定壓縮機的特性曲線。人工控制回流閥的策略主要基于工作點與防喘振線的距離以及工作點向防喘振線方向移動的速率這兩種情況。一方面,當工作點靠近防喘振線時,人工開啟回流閥使工作點遠離防喘振區域,向正常運行區域移動;另一方面,即使工作點離防喘振線有一定的距離,但當工作點向防喘振線移動的速率增大,并且有持續惡化的趨勢,此時也會開啟回流閥進行工況調節。由此可知,進口流量與防喘振設定流量的偏差值和偏差變化率大小是回流閥控制的兩個關鍵參數。因此,本文以這兩個關鍵參數為研究對象進行回流閥自動控制研究。

3 壓縮機特性曲線分析

對回流閥進行自動控制研究首先需要明確壓縮機特性曲線。初始的特性曲線是基于廠家提供的性能試驗工況分析繪制的,不能準確反映工況變化時的壓縮機性能,需要將設計條件下的特性曲線轉換為實際工況下的特性曲線。由于壓縮機實際運行過程中工況多變,很難通過現場實測得到各種工況下的特性曲線,通常采用相似原理對壓縮機進行性能換算,計算得到實際工況下的特性曲線[22-25]。由于該壓氣站壓縮機實際運行壓比<2.5,采用絕熱指數相等、特征馬赫數不等的近似性能換算方法。算法具體公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

根據最小二乘法原理,對經過相似變換后的出口壓力(p)、壓比(ε)、多變能頭(Hpol)、多變效率(η)進行擬合,分別得到轉速4 916 r/min、4 500 r/min和4 015 r/min時的特性曲線,見圖4。

a)出口壓力—流量曲線a)p-Q curve

由于回流閥是作為防喘閥前的一道保護屏障而設計的,因此,在分析回流閥調節前,需要先確定喘振線。通過對擬合曲線的進一步分析,確定喘振線和防喘振線,由于該壓氣站的防喘振線是在喘振線的基礎上向右平移10%的喘振裕量,因此確定了喘振線的曲線方程就能相應確定防喘振線的曲線方程。壓比—流量曲線的喘振線和防喘振線見圖5。

圖5 帶喘振線的壓比—流量曲線圖Fig.5 ε-Q curve with surge line

選用該壓氣站壓縮機實際運行參數對擬合的壓縮機特性曲線進行驗證。對所采集的70個樣本點的實測壓比和預測壓比進行對比,發現兩者的誤差均不超過1%，見圖6。因此,擬合的特性曲線與實際相符合,可以用來進行壓縮機運行數據的運算和預測。

圖6 特性曲線預測與實測壓比對比圖Fig.6 Comparison of predicted pressure ratio andactual pressure ratio of characteristic curve

4 回流閥模糊控制算法

對回流閥模糊自動控制算法進行了設計和研究,設計了關于閥門開度的二維模糊控制器,算法計算原理見圖7(a、b代表輸入信號，c代表輸出信號)。首先通過將輸入信號進行模糊化處理,基于已有知識和現場經驗建立模糊控制規則,最后將規則推理的結果進行清晰化處理轉換為數字信號輸出。

圖7 模糊控制算法原理圖Fig.7 Principle of fuzzy control algorithm

4.1 模糊化處理

取壓縮機進口流量與其對應的設定流量值偏差(E)及偏差變化率(EC)為輸入。由于回流閥是壓縮機喘振預防的輔助設備,從實用性和經濟性角度沒有必要進行精確自動控制設計,因此E范圍的設定只需滿足工程實際需要即可,如果初始偏差較大,則回流閥初始開啟程度較大,如果初始偏差較小,則回流閥初始開啟程度也較小。根據現場實際和操作經驗,一般在工作點離防喘振線10%左右的工況下開啟回流閥進行調節,而該壓氣站進口流量通常情況下維持在11 000～18 000 m3/h,綜合歷史調節經驗,設定E變化范圍為[0,1 300],EC變化范圍為[-1 000,1 000](單位均為m3/h)。由于回流閥開度不宜過大,根據工程經驗,確定回流閥開度(U)范圍為[0,0.35]。E、EC和U的論域分別取為[0,12]、[-6,6]、[0,12],則E和EC的量化因子為KE=12/1 300=0.009,KEC=6/1 000=0.006,U的比例因子為KU=0.35/12=0.029。

根據現場實際,E、EC和U的模糊語言變量值均取為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},對應{負大,負中,負小,零,正小,正中,正大},分別用于描述各變量取值的狀態和程度。3個模糊變量的隸屬函數見圖8～10，離散化后各變量的隸屬度見表1～3。隸屬函數用于表征一個元素隸屬于一個模糊集合的程度,論域中某一元素對應的函數值即為該元素關于此模糊集合的隸屬度,函數值越大,則隸屬度越大。如本例中U的隸屬函數和隸屬度見圖10和表3,論域元素12隸屬于PM和PB的程度分別為0和1,即當論域取值為12時,回流閥開度將開到最大值。

圖8 E的隸屬函數圖Fig.8 Membership function of deviation E

圖9 EC的隸屬函數圖Fig.9 Membership function of deviation change rate EC

圖10 U的隸屬函數圖Fig.10 Membership function of valve opening U

表1 E的隸屬度表

表2 EC的隸屬度表

表3 U的隸屬度表

4.2 建立模糊控制規則

對輸入、輸出值的關系進行分析,設計了閥門開度模糊控制規則,總體原則為當進口流量靠近防喘振線時,回流閥開啟以補充進口流量,進口流量越靠近防喘振線,即E越小,則閥門開度越大;當E較大時,綜合考慮EC的大小對閥門開度進行調節。分析得到的49條模糊控制規則見表4，表4中的模糊控制規則可轉化為“IF-THEN”條件語句模式。表5展示了對部分模糊控制規則的解釋，如表5所示,第1條規則是“IF(E is NB)and (EC is NB)Then (U is PB)”,即如果偏差距離很小且偏差有向防喘振線方向靠近的強烈趨勢時,則回流閥開啟程度非常大；第2條規則是“IF (E is NB)and (EC is ZE)Then (U is PB)”,即雖然此時偏差變化率為零,但由于偏差距離很小,此時應將回流閥開到足夠大以防止情況惡化；第3條規則是“IF (E is NB)and (EC is PB)Then (U is PS)”,表示如果偏差距離很小,而偏差有回到正常工作區域的強烈趨勢,考慮到此時偏差距離很小,保守起見仍將回流閥需開啟到中偏上的程度；第4條規則是“IF (E is ZE)and (EC is NB)Then (U is PB)”,即如果偏差距離適中且偏差有向防喘振線方向靠近的強烈趨勢時,則回流閥開啟程度非常大；第5條規則是“IF (E is PB)and (EC is NB)Then (U is PS)”,表示雖然偏差有向防喘振線方向靠近的強烈趨勢,但由于此時偏差距離很大,先將回流閥需開啟到中偏上的程度,視后續情況再行調整；第6條規則是“IF (E is PB)and (EC is NS)Then (U is ZO)”,即如果偏差距離很大且偏差有向防喘振線方向靠近的趨勢時,則回流閥需開啟到中等程度；第7條規則是“IF (E is PB)and (EC is PB)Then (U is NB)”,表示雖然偏差有向遠離防喘振線方向變化的強烈趨勢,但由于此時偏差距離很大,只需稍微開啟回流閥即可。值得注意的是,這里所提到的偏差距離遠近只是在論域范圍討論,如果工作點與防喘振線的距離非常遠,已經超出論域范圍,說明此時壓縮機工況穩定,也就無需開啟回流閥。其他模糊控制規則可參照表5的示例解釋,本文不再贅述。

表4 閥門開度模糊控制規則表

表5 模糊控制規則的解釋表

15

4.3 清晰化處理

通過對模糊控制規則進行編程計算,將模糊控制規則清晰化,建立模糊控制查詢表輸出系統能夠識別的數字信號。閥門開度模糊控制查詢見表6。通過查詢表6得到論域范圍的閥門開度值,乘以比例因子即可得到實際的閥門開度輸出值。

表6 閥門開度模糊控制查詢表

5 回流閥模糊控制系統設計

回流閥控制系統設計原理見圖11。首先,系統實時監測進口流量和設定流量的狀態,對二者的偏差值進行檢測,判斷是否需要對回流閥進行調節,其中不同轉速下的防喘振設定流量值通過第3節“壓縮機特性曲線”擬合所得的特性曲線計算得到。如果偏差值大于設定值,則無需開啟回流閥,如果偏差值不大于設定值,則觸發模糊控制器,模糊控制器根據E和EC對U進行調節,防止進口流量進一步靠近防喘振線。

圖11 回流閥控制系統原理框圖Fig.11 Principle diagram of the return valve control system

基于MATLAB Simulink軟件建立回流閥模糊控制系統仿真模型,實施回流閥開度狀態動態模擬?；亓鏖y模糊控制系統仿真模型見圖12,該系統包含兩個子系統,分別是圖13所示的大偏差子系統和圖14所示的模糊控制子系統?？刂葡到y對進口流量和設定流量進行在線采集,通過條件判斷控制器判斷偏差值是否>1 300 m3/h,如果>1 300 m3/h則無需開啟回流閥,否則觸發模糊控制子系統對回流閥進行調節。

圖12 回流閥模糊控制系統仿真模型圖Fig.12 Simulation model of the return valve fuzzy control system

圖13 大偏差子系統仿真模型圖Fig.13 Simulation model of large deviation subsystem

圖14 模糊控制子系統仿真模型圖Fig.14 Simulation model of fuzzy control subsystem

6 結果分析

6.1 回流閥開度仿真結果

為驗證模糊控制系統的有效性和可靠性,對自動控制效果和手動控制效果進行對比,模擬采集了1 000 min的數據，通過實時檢測、判斷和模擬得到該時間段回流閥開度調節過程,見圖15。在實際手動控制的1 000 min數據中,回流閥在不同時間段分別粗略地開啟到10%、15%、20%、25%和30%的開度,而圖15的自動控制結果顯示,回流閥能根據壓縮機實際工況實時動態調整開度,回流閥最大開度達到27%,不需要開啟的時候保持關閉狀態,避免資源浪費。仿真結果顯示,該控制系統能對回流閥狀態進行有效控制。

圖15 回流閥開度仿真結果圖Fig.15 Simulation results of the return valve opening

6.2 自動控制與人工控制對比

通過搭建的控制系統采集模擬了1 000組數據,結果顯示所搭建的自動控制系統能根據實際工況變化有效控制回流閥開度狀態。圖16顯示了部分人工控制和自動控制的數據對比。由圖16可看出,該時間段內,回流閥開度被人為設置為30%,而自動控制模擬過程回流閥開度遠小于30%,且能根據工況變化逐漸減小開度,最后完全關閉回流閥。該時間段對應的現場實際是,壓縮機工作點非常接近防喘振線,值班人員將回流閥調至30%開度操作后，工作點逐漸遠離防喘振線,且運行在較為舒適的正常工作區域,此時，值班人員因為忙于事務卻忘記關閉回流閥。表7顯示了所采集模擬的1 000組數據下回流閥開度情況,其中,人工控制的數據是實際操作過程中值班人員憑經驗設置的開度,而自動控制數據是實時動態變化的,表7中自動控制數據是在某一特定人工控制開度狀態下,通過自動控制方式所得到的同一時間段的平均開度值。例如,在人工控制方式下回流閥開度設置為10%的期間,自動控制方式所得到的回流閥平均開度為12.5%,而在回流閥開度被人為設置為30%的期間,自動控制方式所得到的回流閥平均開度為14.3%。對比結果顯示,自動控制比人工控制平均回流量減少了6.3%,節能降耗效果顯著。

圖16 人工控制和自動控制結果對比圖Fig.16 Comparison of manual control and automatic control results

表7 不同控制類別回流閥平均開度對比表

6.3 經濟效益分析

根據該壓氣站天然氣輸送情況,以2 300×104m3/d的轉供量計算,壓縮機組電能損耗約21.56×104kW·h,相當于每100×104m3的轉供量需要消耗電能0.937 4×104kW·h。而回流閥開度30%情況下,回流量約200×104m3/d,以自動控制實現回流閥開度減小5%計算,即每天減少回流量約33.33×104m3,節約電能則為3 124.67 kW·h。因此,全年節約電能可達到114.05×104kW·h。根據當前電價0.573 1元/(kW·h)計算,全年預期節約電費65.36萬元。

7 結論

1)本文以提質增效、節能降耗為目的,對回流閥進行自動化控制設計,在深入調研分析回流閥應用現狀基礎上,通過現場大量實測數據分析站場每日回流量情況,論證了回流閥自動控制設計的必要性。

2)基于相似原理對設計條件下的壓縮機特性曲線進行性能換算,得到實際工況下的特性曲線,通過與現場實測數據進行對比,發現預測誤差不超過1%,驗證了換算后特性曲線的可靠性和適用性。

3)綜合考慮進口流量與設定流量的E和EC對U的影響,建立了關于閥門開度的二維模糊控制器,基于MATLAB Simulink軟件建立了回流閥控制系統仿真模型。仿真分析結果顯示,自動控制較人工控制平均回流量減少了6.3%,預期節省電費65.36萬元/a,仿真分析成果可為后續離心式壓縮機防喘振設計和運行優化提供理論參考和技術指導。