Система противопомпажного регулирования и защиты турбокомпрессора

Система противопомпажного регулирования и защиты турбокомпрессора относится к области компрессоростроения и эксплуатации турбокомпрессоров, в частности к области противопомпажного регулирования и защиты.

Сущность полезной модели заключается в применении статико-динамической схемы регулирования, включающий формирование суммарного управляющего воздействия на положение противопомпажного клапана замкнутым контуром пропорционально-интегрального регулирования и контуром динамического обнаружения помпажа.

Положение линии регулирования зависит от заданного смещения от границы помпажа и автоматически увеличивается на установленное приращение, если обнаружен помпаж динамическим контуром системы в области между границей помпажа и положением линии регулирования.

При отклонении рабочей точки от линии регулирования, линию задания сдвигают так, чтобы она безынерционно следовала за рабочей точкой с заданным смещением в направлении от границы помпажа, но ограничивают сдвиг линии задания в область устойчивых режимов от положения линии регулирования заданным значением, ограничивают приближение линии задания к границе помпажа положением линии регулирования и ограничивают скорость движение линии задания в направлении границы помпажа заданной скоростью, а в момент пересечения рабочей точкой двигающейся в направлении границы помпажа линии задания последняя движется следом с заданной скоростью, что ограничивает скорость приближения рабочей точки к границе помпажа и стабилизирует ее положение. Технический результат заключается в увеличении эффективности, экономичности и надежности противопомпажного регулирования и защиты.

Полезная модель относится к области компрессоростроения и эксплуатации турбокомпрессоров, в частности к области противопомпажного регулирования и защиты. Известны системы противопомпажного регулирования турбокомпрессоров, например патенты РФ 1466394, 2172433, в которых формирование сигнала при помпажном или предпомпажном состоянии компрессора направлено на полное открытие противопомпажного клапана компрессора. Системы обеспечивают защиту компрессора от помпажа, но при этом рабочая точка компрессора перемещается бесконтрольно и оказывается на значительном удалении от границы помпажа, поэтому компрессор перестает работать на потребителя.

Известны также системы противопомпажного регулирования турбокомпрессоров, например патенты РФ 2220328, 2168071, в которых управляющее воздействие на противопомпажный клапан формируют в замкнутом контуре регулирования в зависимости от отклонения рабочей точки компрессора от линии регулирования, отстоящей на заданную величину зоны безопасности от границы помпажа в область устойчивых режимов.

Однако увеличение величины зоны безопасности приводит к ухудшению экономических показателей антипомпажного регулирования.

Стремление максимально уменьшить зону безопасности приводит к тому, что описанный замкнутый контур регулирования оказывается не в состоянии противостоять достаточно быстрым и мощным возмущениям по расходу через компрессор, которые возможны в процессе эксплуатации. В результате известные способы оказываются недостаточно эффективными и компрессор, несмотря на действие системы регулирования, может оказаться в помпаже.

Известна также ближайшая по технической сущности и достигаемой эффективности к заявляемой и выбранной в качестве прототипа система, описанная в патенте РФ 2263233.

В системе для компенсации возмущений, с которыми не в состоянии справиться замкнутый контур пропорционально-интегрального регулирования, применяют линию регулирования, положение которой не постоянно и может быть сдвинуто из ее базового положения в область устойчивых режимов. При этом линию регулирования сдвигают так, чтобы она безынерционно следовала за рабочей точкой с заданным смещением в направлении от границы помпажа, но ограничивают сдвиг линии регулирования в область устойчивых режимов от базового положения заданным значением.

Недостатком системы выбранной в качестве прототипа является чрезмерная рециркуляция газа в момент нахождения рабочей точки между базовой линией регулирования и линией регулирования в устойчивой области. Это связано с необходимостью возврата рабочей точки в положение правее линии регулирования, т.к. в момент пересечения при приближении к границе помпажа линия регулирования фиксируется, и замкнутый контур подает излишнее управляющее воздействие на привод противопомпажного клапана. Данный недостаток отрицательно сказывается на экономических показателях работы компрессора.

Другим недостатком системы является отсутствие блоков динамического обнаружения помпажа по характерным «динамическим» изменениям измеряемых параметров, что приводит с течением времени к «устареванию» первоначальных настроек алгоритма противопомпажного регулирования вследствие изменения газодинамических характеристик турбокомпрессора (износ, засорение, коррозия). Это с течением времени может привести к «не адекватной» работе системы.

Задача, решаемая полезной моделью, заключается в расширении области применения противоположного регулирования и защиты, обеспечивающего упреждающего открытие противопомпажного клапана при опасных возмущениях, которые могут привести к помпажу в тех случаях, когда известные способы оказываются неприменимы, например, из-за сильных помех в канале измерения газа, а также изменения со временем газодинамических характеристик компрессора вследствие износа, коррозии, засорения проточной части.

Технический результат заключается в увеличении эффективности, надежности и экономичности антипомпажного регулирования и защиты турбокомпрессора

Достижением технического результата в заявленной системе противопомпажного регулирования и защиты является применение суммарного управляющего воздействия на положение противопомпажного клапана, сформированного подсистемой статического регулирования и подсистемой динамического обнаружения помпажа.

Структура системы показана на фиг.2. Она содержит датчик расхода на всасе 1, датчик давления на всасе 2, датчик давления на нагнетании 3, подсистему статического регулирования, размещенную на машиночитаемых носителях, включающую блок абсциссы рабочей точки 4, блок ординаты рабочей точки 5, блок абсциссы границы помпажа 6, блок запаса безопасности 7, блок абсциссы линии регулирования 8, блок динамического задатчика 9, блок рассогласования 10, блок ПИ-регулятора 11, блок запаса регулирования 12 блок анализа запаса регулирования 13, третий логический блок «И» 14, блок управляющего воздействия 15. Структурная схема также содержит также блок производной расхода 16, блок анализа производной расхода 17, первый блок временной задержки 18, блок производной давления нагнетания 19, блок анализа производной давления нагнетания 20, второй блок временной задержки 21, первый логический блок «И» 22, второй логический блок «И» 23, счетчик помпажей 24, противопомпажный клапан 25. Выход датчика расхода 1 соединен с первым входом блока абсциссы рабочей точки 4 и с входом блока производная расхода 16. Выход датчика давления на всасе 2 соединен со вторым входом блока абсциссы рабочей точки 4 и с первым входом блока ординаты рабочей точки 5, при этом выход датчика давления на нагнетании 3 соединен со вторым входом блока ординаты рабочей точки 5 и с входом блока производной давления нагнетания 19.

Выход блока абсциссы рабочей точки 4 соединен с первым входом блока динамического задатчика 9, блока рассогласования 10 и с первым входом блока запаса регулирования 12. Выход блока ординаты рабочей точки 5 соединен с входом блока абсциссы границы помпажа 6, а выход блока абсциссы границы помпажа 6 соединен с первым входом абсциссы линии регулирования 8, а второй вход абсциссы линии регулирования 8 соединен с выходом блока запаса безопасности 7. Выход блока абсциссы линии регулирования 8 соединен со вторым входом блока динамического задатчика 9 и со вторым входом блока запаса регулирования 12, при этом выход блока динамического задатчика 9 соединен со вторым входом блока рассогласования 10, причем выход блока рассогласования 10 соединен со входом блока ПИ-регулятора 11, а выход блока ПИ-регулятора 11 соединен с первым входом блока управляющего воздействия 15, при этом второй вход блока управляющего воздействия 15 соединен с выходом третьего логического блока «И» 14, а выход блока управляющего воздействия 15 соединен с входом противопомпажного клапана 25. Выход блока запаса регулирования 12 соединен со входом блока анализа запаса регулирования 13, а выход блока анализа запаса регулирования 13 соединен с первым входом третьего логического блока «И» 14 и со вторым входом второго логического блока «И» 23, причем выход второго логического блока «И» 23 соединен со входом счетчика помпажей 24, а выход счетчика помпажей 24 соединен со входом блока запаса безопасности 7. Выход блока производной расхода 16 соединен со входом блока анализа производной расхода 17, а выход блока анализа производной расхода 17 соединен с первым блоком временной задержки 18, при этом выход первого блока временной задержки 18 соединен с первым входом первого логического блока «И» 22, причем выход блока производной давления нагнетания 19 соединен со входом блока анализа производной давления нагнетания 20, а выход блока анализа производной давления нагнетания 20 соединен со входом второго блока временной задержки 21, при этом выход второго блока временной задержки 21 соединен со вторым входом первого логического блока «И» 22, а выход первого логического блока «И» 22 соединен с первым входом второго логического блока «И» и со вторым входом третьего логического блока «И».

Сущность заявляемой системы поясняется следующими чертежами:

Фиг.1 - взаимное расположение рабочей точки компрессора, границы помпажа, базового и текущего положения линии регулирования на карте характеристик компрессора.

Фиг.2 - структурная схема осуществления заявленной системы противопомпажного регулирования и защиты турбокомпрессора. Фиг.3 -алгоритм работы блока динамического задатчика. Фиг.4 - структурная схема реализации заявленной системы. На Фиг.1 взаимное расположение рабочей точки компрессора, границы помпажа, линии регулирования и линии задания на поле характеристик компрессора изображены в условных координатах X-Y, где X, Y представляют собой выбранные комплексы параметров. Для целей противопомпажного регулирования могут использоваться различные системы координат. Критерием выбора служит независимость рассогласования регулятора (разности регулируемого параметра и задания) от параметров газа на входе в компрессор. Параметр Х обычно характеризует расход газа через компрессор, а параметр Y - приращение энергии газа в компрессоре. Широко применяется система координат, в которой осью ординат (Y) является степень сжатия, определяемая как отношение давления нагнетания к давлению на всасе компрессора, а осью абсцисс (X) - частное от деления перепада давления на сопротивлении во входном патрубке компрессора на давление всасывания.

Положение линии здания не постоянно: ее сдвигают из базового положения в область устойчивых режимов на величину f (см. фиг.1) так, чтобы линия задания безынерционно следовала бы за рабочей точкой с заданным смещением d (см. фиг.1), находясь между рабочей точкой и границей помпажа, ограничивают приближение линии задания к границе помпажа положением линии регулирования, то есть чтобы линия задания не приблизилась ближе, чем на заданную величину зоны безопасности, или удалилась от положения линии регулирования на расстояние, большее, чем заданное значение f, и контролируют текущее значение скорости движения линии задания в направлении границы помпажа, ограничивая ее заданным значением s (см. фиг.3).

При пересечении рабочей точкой линии задания, двигающейся в направлении границы помпажа, последняя движется следом с допустимой скоростью, что ограничивает скорость приближения рабочей точки к границе помпажа и стабилизирует ее положение.

Для решения поставленной задачи в заявленной системе противопомпажного регулирования и защиты применяется формирование суммарного управляющего воздействия на положение противопомпажного клапана: замкнутым контуром пропорционально-интегрального регулирования и контуром динамического обнаружения помпажа (если помпаж обнаружен и рабочая точка находится левее или на линии регулирования).

Заданное смещение линии регулирования от рабочей точки может составлять 120%, максимально-большой сдвиг линии задания от линии регулирования 0100%. Заданное значение скорости движения линии задания в направлении границы помпажа может составлять 120% в секунду.

Конкретные значения заданного смещения линии задания от рабочей точки, заданного максимально-большого сдвига линии задания от положения линии регулирования и заданного значения скорости движения линии задания в направлении границы помпажа определяют при настройке конкретной системы и устанавливают такими, чтобы, с одной стороны, упреждающе открывать клапан в области устойчивых режимов при мощных возмущениях, которые не могут быть компенсированы работой регулятора при положении линии регулирования, а с другой, - не открывать клапан в области устойчивых режимов при слабых возмущениях, не создающих реальной угрозы помпажа.

В заявленной системе противопомпажной защиты применяется подсистема динамического распознавания помпажа по характерным «динамическим» изменениям измеряемых параметров, который позволяет повысить качество за счет взаимодействия с замкнутым контуром противопомпажного регулирования в области нахождения рабочей точки между границей помпажа и положением линии регулирования. Последнее позволяет предотвратить нежелательные последствия ложного срабатывания системы динамического распознавания помпажа в области устойчивой работы компрессора.

Заявленная система осуществляется программно-технических средствами поддерживающих стандартные языки программирования согласно стандарту МЭК 6-1131/3. В качестве программно-технических средств может быть использован любой промышленный контроллер со временем цикла счета не более 50 мс, такие как ПЛК повышенной надежности Triconex (среда разработки для ПЛК Triconex), а также программном обеспечении с поддержкой языков FBD, ST, например общего применения Allen-Bradley и др. Требование к быстродействию контроллера определяется малыми временами процессов, характерных для помпажа компрессоров.

Пример практического использования поясним по фиг.2, где для реализации системы используются параметры четырех датчиков: давления нагнетания Рн-3, давления всасывания Рв-2, перепада давления на входном патрубке компрессора dP-1 и в случае электропривода - датчик мощности (1эд, на фиг.2 не показан). Сигналы датчиков Рв и dP подают на блок абсциссы рабочей точки в котором происходит вычисление параметра Хрт, определяемое как отношения dP/Рв перепада давления на входном патрубке компрессора на давление всасывания. Одновременно сигналы датчиков Рн и Рв подают на блок вычисления ординаты рабочей точки YpT, определяемой отношением параметров давления нагнетания к давлению всасывания Рн/Рв от соответствующих датчиков.

Текущее значение параметра YpT подают на блок вычисления абсциссы точки, находящейся на границе помпажа и имеющей ординату Xm=a*YpT+b),

В рассматриваемом примере для простоты принято, что границу помпажа аппроксимируют прямой линией с угловым коэффициентом (а), смещенную из начала координат на величину (в), а с выхода блока ординаты рабочей точки сигнал передается на блок абсциссы линии регулирования 8 для вычисления абсциссы соответствующей ей точки, находящейся на линии регулирования в ее базовом положении:

Хлр=Хгп+ЗБ, где ЗБ - зона безопасности, заданное смещение линии регулирования от границы помпажа в направлении устойчивых режимов. В блоке запаса безопасности 7 формируется зона безопасности ЗБ=ЗБруч+N×ЗБ как сумма постоянного смещения от границы помпажа в область устойчивых режимов, (типично 5%15%) и произведения автоматической корректировки ЗБ при обнаружении помпажа в области левее или на линии регулирования, ограниченное максимальным количеством раз автоматической корректировки (не более 5-ти).

ДЗБ выбирают из ряда 1%3% исходя их динамических характеристик компрессора на этапе пусконаладочных работ. Далее в блоке запаса регулирования 12 определяется величина запаса регулирования ЗР=Хрт-Хлр, которая поступает на вход блока анализа запаса регулирования 13. В результате анализа вырабатывается логический сигнал Д1, который идет на логический блок «И» 2 и логический блок «И» 3 Блок динамического задатчика 9 формирует величину Хзд, которая является текущим заданием регулятора, соответствующим текущему значению абсциссы точки регулирования Хрт и положению линии регулирования Хлр.

Особенностью описываемого подсистемы статической подсистемы противопомпажного регулирования является то, что перед вычислением текущего рассогласования регулятора текущие значения регулируемого параметра Хрт и задания Хзд подают на блок рассогласования 10 с выхода которого величина рассогласования в виде разности е=Хрт-Хзд подается на вход блока ПИ-регулятора 11. С выхода блока ПИ-регулятора управляющее воздействие УВпи подается на первый вход блока управляющего воздействия 12.

В выработке управляющего воздействия на противопомпажный клапан участвует также динамическая подсистема обнаружения помпажа.

С датчика расхода на всасе 1 и с датчика давления нагнетания 3 подаются сигналы соответственно на блок производной расхода 16 и блок производной давления нагнетания 19. В блоке производной расхода 16 вычисляется значение производной расхода dP=dP-dP* где dP*-показания датчика перепада давления на входном патрубке компрессора на предыдущем цикле счета. В блоке производной давления нагнетания 19 вычисляется производная Рн=Рн-Рн*, где Рн* - показания датчика давления нагнетания на предыдущем цикле счета. В блоке анализа производной расхода 17 сравнивают производную расхода dP с ее пороговым значением. Если |dP|dPmax и производная имеет отрицательный знак, дискретной переменной ДЗ присваивается «I» и через 1-й блок временной задержки на выключение Т1 18 (время задержки на выключение t1) ДЗ подается на 1-й вход 1-го логического блока «И». Аналогично в в блоке анализа производной нагнетания 20 сравнивают производную давления нагнетания |Рн| и ее пороговое значение. Если [Рн|Рн max и производная имеет отрицательный знак, дискретной переменной Д4 присваивается «I» и через 2-й блок временной задержки на выключение Т2 21 (время задержки на выключение t2) Д4 подается на второй вход первого логического блока «И». При наличии 2-х любых сигналов «I» на выходе первого логического блока «И» формируется сигнал «помпаж», который поступает в статическую ^подсистему противопомпажного регулирования и служит для корректировки положения линии регулирования и форсированного открытия противопомпажного клапана, если рабочая точка находится левее или на линии регулирования. Это обеспечивает защиту от ложного, не оправданного открытия противопомпажного клапана в условиях когда рабочая точка находится правее базовой линии регулирования, а срабатывания динамического контура противопомпажной защиты вызваны помехами в измерительных каналах.

Пороговые значения производных и времена задержки по каждому каналу определяют и задают при наладке системы на базе результатов помпажного тестирования.

Для учета текущего состояния компрессора в условиях изменения газодинамических характеристик вследствие износа, коррозии, засорения проточной части в заявленном системе предусмотрена динамическая подсистема противопомпажной защиты, формирующий сигнал помпажа по характерным «динамическим» изменениям измеряемых параметров, а именно по характерному изменению показаний датчиков перепада давления на входном патрубке компрессора (dP) и давления нагнетания (Рн).

Применение в заявляемой системе динамического контура регулирования позволяет держать под контролем все изменения режима работы компрессора, в том числе и при нахождении рабочей точки в области устойчивых режимов, учитывать текущее техническое состояние компрессора путем автоматической корректировки положения линии регулирования на заданную величину АЗБ ограниченное кол-во раз (см. фиг.2) при обнаружении помпажа, форсировать открытие противопомпажного клапана на величину УВда (см. фиг.2) при обнаружении помпажа в области левее или на линии регулирования. Корректировка ЗБ выбирается из диапазона 13%, максимальное количество возможных корректировок но не более 5-ти.

При опасной с точки зрения возникновения помпажа скорости движения рабочей точки в направлении границы помпажа, заявляемая система обеспечивает упреждающее открытие противопомпажного клапана и последующее регулируемое движение рабочей точки в направлении границы помпажа по заданной траектории со скоростью, не превосходящей заданное предельно-большое значение, без лишней рециркуляции газа.

Совокупность признаков «Подсистемы статического регулирования», «Подсистема динамического регулирования», (см. Фиг.2), выхода первого логического блока «И» обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.

Система противопомпажного регулирования и защиты турбокомпрессора, включающая датчик расхода на всасе, датчик давления на всасе, датчик давления на нагнетании, противопомпажный клапан, подсистему статического регулирования, размещенную на машиночитаемых носителях, включающую блок абсциссы рабочей точки, блок ординаты рабочей точки, блок абсциссы границы помпажа, блок абсциссы линии регулирования, блок динамического задатчика, блок рассогласования, блок ПИ-регулятора, причем выход датчика расхода на всасе соединен с первым входом блока абсциссы рабочей точки, а выход датчика давления на всасе соединен со вторым входом блока абсциссы рабочей точки и с первым входом блока ординаты рабочей точки, при этом выход датчика давления на нагнетании соединен со вторым входом блока ординаты рабочей точки, а выход блока абсциссы рабочей точки соединен с первым входом блока рассогласования и с первым входом блока динамического задатчика, причем выход блока ординаты рабочей точки соединен со входом блока абсциссы границы помпажа, а выход блока абсциссы границы помпажа соединен с первым входом блока абсциссы линии регулирования, при этом выход блока динамического задатчика соединен со вторым входом блока рассогласования, а выход блока рассогласования соединен со входом ПИ-регулятора, отличающаяся тем, что в подсистему статического регулирования на машиночитаемых носителях включены блок запаса безопасности, блок запаса регулирования, блок анализа запаса регулирования, третий логический блок «И», блок управляющего воздействия, второй логический блок «И», счетчик помпажей, причем выход блока абсциссы линии регулирования соединен со вторым входом блока запаса регулирования, при этом выход блока абсциссы рабочей точки соединен с первым входом блока запаса регулирования, а выход блока запаса регулирования соединен с блоком анализа запаса регулирования, причем выход блока анализа запаса регулирования соединен с первым входом второго логического блока «И» и с первым входом третьего логического блока «И», а выход третьего логического блока «И» соединен со вторым входом блока управляющего воздействия, при этом выход второго логического блока «И» соединен со входом счетчика помпажей, причем в систему введена динамическая подсистема противопомпажного регулирования, расположенная на машиночитаемых носителях, включающая блок производной расхода, блок анализа производной расхода, первый блок временной задержки, блок производной давления нагнетания, блок анализа производной давления нагнетания, второй блок временной задержки, первый логический блок «И», причем выход датчика расхода на всасе соединен с входом блока производной расхода, а выход блока производной расхода соединен со входом блока анализа производной расхода, при этом выход блока анализа производной расхода соединен с первым блоком временной задержки, причем выход первого блока временной задержки соединен с первым входом первого логического блока «И», а выход датчика давления на нагнетании соединен с входом блока производной давления нагнетания, при этом выход блока производной давления на нагнетании соединен со входом блока анализа производной давления на нагнетании, причем выход блока анализа производной давления на нагнетании соединен с входом второго блока временной задержки, а выход второго блока временной задержки соединен со вторым входом первого логического блока «И», при этом выход первого логического блока «И» соединен со вторым входом второго логического блока «И» и со вторым входом третьего логического блока «И», причем выход датчика расхода на всасе соединен со входом блока производной расхода, причем пороговые значения производных и времена задержки по каждому каналу динамической подсистемы обнаружения помпажа определяют и задают при наладке системы на базе результатов помпажного тестирования.