СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ, СООТВЕТСТВЕННО, РЕГУЛИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТЕРА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ВНУТРИ ТРУБОПРОВОДА ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING AND/OR REGULATING FLUID CONVEYOR FOR CONVEYING FLUID WITHIN FLUID LINE

Данное изобретение относится к способу и устройству для управления/регулирования транспортера текучей среды для транспортировки текучей среды внутри трубопровода для текучей среды, при этом текучая среда может быть газом или нефтью, а транспортер текучей среды может быть компрессором или насосом.
За счет дерегуляризации газового рынка во многих странах возникла оживленная и динамичная торговля газом. Газ продается в настоящее время аналогично ценным бумагам. Эта динамика торговли газом (наряду с влияниями погоды) привела, среди прочего, к тому, что часто операторам трубопроводов ежедневно необходимо вновь планировать расход газа для непосредственно следующего дня. В качестве другого следствия дерегуляризации, в настоящее время операторы газовой сети конкурируют друг с другом. Для оптимизации расходов и одновременно прибыли, операторы газовой сети стремятся возможно более полно использовать пропускную способность трубопроводов, соблюдать обещанные в договорах значения теплоты сгорания и величин расхода газа, соблюдать ограничения для рабочих полей компрессоров и одновременно удерживать возможно более низкой стоимость транспортировки газа.
В US 7 676 283 В2 раскрыт способ оптимизации работы множества компрессорных блоков, при этом компрессорные блоки можно включать и выключать по отдельности, при этом оптимизируется расход энергии.
Задачей данного изобретения является создание способа и устройства для управления, соответственно, регулирования транспортера текучей среды, в частности компрессора или насоса, для добычи или транспортировки текучей среды, в частности газа или нефти, при этом улучшается работа трубопроводной системы для текучей среды, в частности относительно расхода энергии, и она надежно работает, в частности, при изменяющихся требованиях.
Эта задача решена с помощью предметов независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения данного изобретения указанны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения предлагается способ управления (что может содержать также регулирование, при этом может выдаваться регулирующая переменная, например, для управления транспортером, и может считываться (с помощью обратной связи) соответствующий потоку текучей среды сигнал) средством добычи текучей среды или транспортером текучей среды (в частности, насосом или компрессором) для добычи или транспортировки (в частности, для сжатия, соответственно, транспортировки) текучей среды (в частности, газа или нефти) внутри трубопровода для текучей среды (в частности, газопровода или нефтепровода, соответственно, системы газопроводов, соответственно, системы нефтепроводов). При этом способ содержит получение (например, с помощью электрического сигнала, который соединен с источником информации) информации (в частности, в электронном виде) о заданной величине потока (в частности, подлежащей достижению величине потока или скорости потока и, не обязательно, о подлежащем достижению заданном давлении) текучей среды внутри трубопровода для текучей среды, при этом эта информация, в частности заданная величина потока текучей среды, может быть задана в нескольких местах (и/или в нескольких моментах времени) внутри трубопровода для текучей среды. Кроме того, способ содержит определение (в частности, включая моделирование, расчеты или оценки) расхода энергии транспортера текучей среды при работе транспортера текучей среды внутри рабочего диапазона транспортера текучей среды, при этом рабочий диапазон транспортера текучей среды можно задавать с помощью различных рабочих параметров транспортера текучей среды. Кроме того, способ содержит управление и регулирование (в частности, посредством подачи электрического сигнала, в частности, одной или нескольких регулирующих переменных, таких как, например, скорость вращения) транспортера текучей среды относительно потока (и, в частности, не обязательно, создаваемого давления) текучей среды (при этом транспортер текучей среды при работе транспортирует текучую среду с созданием давления или с помощью импульсной передачи в соответствии с потоком текучей среды) на основе информации о заданной величине потока текучей среды внутри трубопровода для текучей среды так, что достигается заданная величина потока текучей среды (в частности, во многих местах, в которых задана величина потока текучей среды), и минимизируется требуемый для этого расход энергии (который требуется для транспортера текучей среды), при этом при управлении (в частности, при регулировании) учитывается, что рабочий диапазон транспортера текучей среды ограничен нелинейными ограничениями. При этом рабочий диапазон транспортера текучей среды задается с помощью множества пар (в частности, n-кратных комплексов) величины потока и соотношения давления на входе и выходе транспортера текучей среды, при этом количество пар ограничено по меньшей мере одной изогнутой кривой.
Таким образом, способ может содержать управляющие составляющие для выдачи регулирующих переменных, а также регулировочные составляющие для создания регулирующих переменных с применением обратной связи.
В частности, информация может указывать также заданное давление.
Величина потока может быть выражена, например, в нормальных кубических метрах, при этом учитывается качество газа, с целью обеспечения возможности соотнесения нормальных кубических метров с определенным содержанием энергии. Величина потока может быть выражена, например, величиной потока энергии, за счет чего достигается поставка заданного количества энергии за счет поставки определенного количества нормальных кубических метров, при этом количество зависит от качества газа. В зависимости от качества колеблется содержание энергии в одном нормальном кубическом метре. Содержание энергии может быть задано в Btu (British Thermal unit=британская тепловая единица). Для определенного количества энергии в виде газа необходимо при более низком содержании энергии поставлять больше нормальных кубических метров, чем при более высоком содержании энергии.
При этом может быть задано нелинейное ограничение с помощью изогнутой кривой, которая тем самым не является прямой. За счет учета нелинейных ограничений рабочего диапазона транспортера текучей среды (в частности, компрессора в случае, в котором текучая среда является газом), регулирование транспортера текучей среды может быть улучшено, в частности, относительно расхода энергии. Кроме того, заданную величину потока (в частности, также заданное давление) можно обеспечивать с высокой точностью, поскольку можно с высокой точностью моделировать характеристики текучей среды внутри транспортера для текучей среды. Таким образом, за счет этого обеспечивается возможность более точного и более надежного определения одной или нескольких регулирующих переменных, которые выдаются в транспортер текучей среды для управления, соответственно, регулирования транспортера текучей среды.
В частности, допустимый рабочий диапазон транспортера текучей среды может задавать диапазон транспортера текучей среды, в котором может работать транспортер без повреждения. В частности, должна предотвращаться работа транспортера текучей среды вне рабочего диапазона, с целью защиты транспортера текучей среды от повреждения или даже разрушения. В зависимости от варианта выполнения рабочий диапазон может быть задан также другим образом с помощью множества точек, например, посредством задания скорости вращения, транспортируемого количества, лишь давления на входе и/или лишь давления на выходе транспортера текучей среды. В любом случае рабочий диапазон ограничен изогнутыми кривыми, которые тем самым не могут быть представлены исключительно с помощью одной или нескольких прямых. При этом форма кривой учитывается при управлении, соответственно, регулировании. Таким образом, может быть дополнительно улучшено регулирование транспортера текучей среды.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения способ дополнительно содержит получение информации о действительном давлении (действительно имеющемся в определенное время давления) и действительной величины потока (действительно имеющейся в определенное время величины потока) текучей среды внутри трубопровода для текучей среды, при этом управление, соответственно, регулирование транспортера текучей среды дополнительно базируется на информации о действительном давлении и действительной величине потока текучей среды внутри трубопровода для текучей среды.
При этом информацию о действительном давлении и действительной величине потока текучей среды можно определять с помощью одного или нескольких измерений в одном или нескольких местах вдоль или внутри трубопровода для текучей среды. В частности, информацию о действительном давлении и действительной величине потока можно получать непрерывно или с регулярными интервалами (например, каждую секунду, каждую минуту, каждый час).
В частности, информацию о заданной величине потока, а также информацию о действительном давлении и действительной величине потока можно получать через сеть (по кабелю или без кабеля). С помощью информации о действительном давлении и действительной величине потока текучей среды можно дополнительно улучшать способ управления.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения способ дополнительно содержит моделирование (в частности, содержащее имитацию с помощью физических уравнений динамики потока, в частности, дифференциальных уравнений, в частности, с учетом температуры текучей среды, свойств стенки трубопровода для текучей среды, плотности текучей среды и т.п.) потока (в частности, движения) текучей среды через трубопровод для текучей среды и давления текучей среды внутри трубопровода для текучей среды, при этом управление, соответственно, регулирование транспортера текучей среды базируется дополнительно на моделировании потока текучей среды через трубопровод для текучей среды (и, в частности, давления текучей среды внутри трубопровода для текучей среды).
В частности, моделирование потока текучей среды через трубопровод для текучей среды (и, в частности, давления текучей среды внутри трубопровода для текучей среды) содержит учет трения между внутренней стенкой трубопровода для текучей среды и текучей средой, которое может быть описано, в частности, с помощью нелинейного уравнения. Трение между текучей средой и трубопроводом для текучей среды, соответственно, трение между отдельными составляющими текучей среды приводит к уменьшению потока и/или к уменьшению давления текучей среды внутри трубопровода для текучей среды. В частности, поток текучей среды и/или давление текучей среды может уменьшаться тем больше, чем дальше удалена текучая среда внутри трубопровода для текучей среды от транспортера текучей среды. Учет трения текучей среды со стенкой трубопровода для текучей среды и учет внутреннего трения текучей среды может улучшать управление, соответственно, регулирование транспортера текучей среды так, что достигается заданная величина потока в одном или нескольких местах внутри трубопровода для текучей среды при одновременной минимизации расхода энергии.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения моделируют поток текучей среды через трубопровод для текучей среды и давление текучей среды внутри трубопровода для текучей среды с использованием системы парциальных нелинейных дифференциальных уравнений. С помощью парциальных дифференциальных уравнений можно моделировать весь трубопровод, включая трение. Таким образом, может быть описано или моделировано, соответственно, имитировано трение текучей среды с поверхностью стенки трубопровода для текучей среды, с целью улучшения управления, соответственно, регулирования транспортера текучей среды.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения управление, соответственно, регулирование транспортера текучей среды базируется дополнительно на разнице величины потока между заданной величиной потока и действительной величиной потока (в частности, в нескольких местах трубопровода для текучей среды). Разница величины потока может представлять сигнал погрешности величины потока, при этом управление, соответственно, регулирование транспортера текучей среды выполняется так, что минимизируются сигналы погрешности. Тем самым может быть упрощено и улучшено регулирование транспортера текучей среды.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения определение расхода энергии транспортера текучей среды содержит определение (или учет) расхода энергии транспортера текучей среды при включении и/или выключении.
В частности, расход энергии транспортера текучей среды при включении и/или выключении учитывается при минимизации требуемого расхода энергии. При этом тем самым может учитываться действительное или мгновенное состояние транспортера текучей среды (включен или выключен). Если, например, устанавливается, что выключение и последующее включение приводит к большему расходу энергии, чем продолжение работы транспортера текучей среды при меньшей производительности или меньшей мощности, то транспортер текучей среды можно эксплуатировать при меньшей мощности, без его выключения и последующего включения. Тем самым обеспечивается возможность дальнейшего улучшения управления, соответственно, регулирования транспортера текучей среды, в частности, относительно минимизации расхода энергии, при этом одновременно обеспечивается сохранение заданной величины потока.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения учитывается расстояние между транспортером текучей среды и местом вдоль трубопровода для текучей среды, в котором должна достигаться заданная величина потока, с целью управления/регулирования транспортера текучей среды. Чем больше расстояние, тем большие запаздывания могут возникать (например, разница во времени между выдачей регулирующей переменной в транспортер и соответствующей установкой измененного потока текучей среды). Учет этих запаздываний, которые могут возникать, может улучшать способ управления/регулирования, с целью, в частности, действительного достижения заданной величины потока.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения учитывается по меньшей мере одно дополнительное условие из множества дополнительных условий при управлении/регулировании транспортера текучей среды, при этом множество дополнительных условий содержит: предотвращение давления в трубопроводе для текучей среды, которое лежит выше максимального давления трубопровода (с целью, в частности, предотвращения повреждения трубопровода для текучей среды); предотвращение давления в транспортере текучей среды, которое лежит выше максимального давления транспортировки (с целью, в частности, предотвращения повреждения транспортера текучей среды); и удерживание на расстоянии рабочей точки (рабочей точки, в которой работает транспортер текучей среды, в частности, задаваемой с помощью скорости вращения, коэффициента пропускания или создаваемого соотношения давлений на входе, соответственно, на выходе транспортера текучей среды) от линии ограничения рабочего диапазона, которая ограничивает, в частности, рабочий диапазон величин потока, которые лежат ниже рабочего диапазона (т.е. имеют меньшие величины потока, чем рабочий диапазон).
Тем самым предотвращается, в частности, приближение к линии ограничения, которая задает переход к диапазону пульсации. Пульсация может возникать, если выходное давление компрессора относительно потока через компрессор является слишком высоким. Поток может быстро сильно изменяться, когда возникает внезапное изменение нагрузки, с которым должен справляться компрессор. Если пульсацию не предотвращать, то компрессор может быть разрушен. Обычно при грозящей пульсации автоматически открываются клапаны. За счет регулирования транспортера текучей среды, согласно этому варианту выполнения изобретения, можно предотвращать критические рабочие условия транспортера текучей среды тем, что транспортер текучей среды работает лишь в допустимом рабочем диапазоне. Тем самым может быть улучшено и упрощено регулирование транспортера текучей среды, без опасности повреждения транспортера текучей среды.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения способ дополнительно содержит получение другой информации о другой заданной величине потока текучей среды, при этом заданная величина потока отличается от другой заданной величины потока, при этом управление/регулирование транспортера текучей среды дополнительно базируется на другой заданной величине потока.
В частности, заданная величина потока может задавать первое заданное состояние, а другая заданная величина потока может задавать второе заданное состояние. Тем самым регулирование транспортера текучей среды обеспечивает возможность перехода из первого заданного состояния во второе заданное состояние. При этом первое заданное состояние и второе заданное состояние заданы каждое с помощью определенных заданных величин потока во множестве пунктах поставки текучей среды. Таким образом, достигается динамически изменяющаяся конфигурация потока и конфигурация давления внутри трубопровода для текучей среды за счет соответствующего управления, соответственно, регулирования транспортера текучей среды (или, в частности, множества транспортеров текучей среды).
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения текучая среда является газом, а транспортер текучей среды является компрессором. При этом компрессор может приводиться в действие с помощью электродвигателя или, в частности, газовой турбины (которая, например, приводится в действие с помощью текучей среды, при этом привод с помощью текучей среды учитывается в расходе энергии транспортера текучей среды). Таким образом, обеспечивается способ регулирования для управления/регулирования одного или нескольких компрессоров системы газопроводов.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения текучая среда является нефтью, а транспортер текучей среды является насосом, в частности, электронасосом, за счет чего обеспечивается способ управления/регулирования насоса системы нефтепроводов.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения получение информации о заданной величине потока текучей среды внутри трубопровода для текучей среды содержит получение (в частности, с помощью электрического сигнала, например, через беспроводную или проводную сеть) информации о заданной величине потока текучей среды в множестве мест внутри или на трубопроводе для текучей среды, в частности, в множестве различных моментов времени.
Тем самым может быть более точно определено заданное состояние. При этом способ дополнительно содержит определение расхода энергии по меньшей мере одного другого транспортера текучей среды (или множества других транспортеров текучей среды) при работе внутри другого рабочего диапазона (или множества других рабочих диапазонов) другого транспортера текучей среды; и управление/регулирование транспортера текучей среды и/или по меньшей мере одного другого транспортера текучей среды (или множества других транспортеров текучей среды) относительно создаваемого давления и потока текучей среды на основании информации о заданной величине потока текучей среды в множестве мест трубопровода для текучей среды так, что достигается заданная величина потока во множестве мест и минимизируется требуемый для этого расход энергии, который вызывается транспортером текучей среды и по меньшей мере одним другим транспортером текучей среды. Таким образом, обеспечивается возможность оптимальной относительно общего расхода энергии эксплуатации комплексной системы трубопроводов для текучей среды за счет управления/регулирования множества транспортеров текучей среды.
Для специалистов в данной области техники очевидно, что признаки, которые раскрыты, описаны или используются отдельно или в любой комбинации в связи со способом управления/регулирования транспортера текучей среды, можно использовать также (по отдельности или в любой комбинации) для устройства для управления/регулирования транспортера текучей среды, согласно одному варианту выполнения данного изобретения, или наоборот.
Согласно одному варианту выполнения данного изобретения предлагается устройство для управления/регулирования транспортера текучей среды для транспортировки текучей среды внутри трубопровода для текучей среды, при этом устройство содержит: вход для получения информации о заданной величине потока текучей среды внутри трубопровода для текучей среды; определяющий модуль для определения расхода энергии транспортера текучей среды при работе внутри рабочего диапазона транспортера текучей среды; и управляющий модуль для управления/регулирования транспортера текучей среды относительно создаваемого давления и потока текучей среды на основании информации о заданной величине потока текучей среды внутри трубопровода для текучей среды так, что достигается заданная величина потока текучей среды и минимизируется требуемый для этого расход энергии, при этом при управлении учитывается ограничение рабочего диапазона транспортера текучей среды нелинейными ограничениями. При этом рабочий диапазон транспортера текучей среды может задаваться с помощью множества пар (в частности, n-кратных комплексов) величины потока и соотношения давления на входе и выходе транспортера текучей среды, при этом количество пар ограничено по меньшей мере одной изогнутой кривой (см. фиг. 2).
Кроме того, предлагается система транспортировки текучей среды, которая имеет трубопровод для текучей среды, транспортер текучей среды и устройство для управления/регулирования транспортера текучей среды. При этом устройство для управления/регулирования транспортера текучей среды может быть расположено удаленно от трубопровода для текучей среды и транспортера текучей среды, при этом связь между устройством для управления/регулирования транспортера текучей среды и транспортером текучей среды может осуществляться через сеть, и значения измерения измерительных датчиков на трубопроводе для текучей среды можно также передавать через сеть в устройство для управления/регулирования транспортера текучей среды.
Следует отметить, что описание вариантов выполнения изобретения приведено относительно различных предметов изобретения. В частности, описание некоторых вариантов выполнения изобретения дано в относящихся к устройству пунктах формулы изобретения, а других вариантов выполнения изобретения - в относящихся к способу пунктах формулы изобретения. Однако для специалистов в данной области техники при чтении данной заявки понятно, что если явно не указано другое, то дополнительно к комбинации признаков, которые относятся к одному типу предмета изобретения, возможны также любые комбинации признаков, которые относятся к различным типам предмета изобретения.
Другие преимущества и признаки данного изобретения следуют из приведенного ниже в качестве примера описания предпочтительных в настоящее время вариантов выполнения. Отдельные фигуры данной заявки следует рассматривать лишь в качестве схемы и без соблюдения масштаба.
Ниже приводится пояснение вариантов выполнения изобретения, при этом изобретение не ограничивается иллюстрированными и поясненными вариантами выполнения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - схема системы транспортировки текучей среды, которая содержит устройство для управления/регулирования транспортера текучей среды согласно одному варианту выполнения, а также систему трубопроводов для текучей среды с множеством транспортеров текучей среды и измерительных датчиков;
фиг. 2 - график для задания рабочего диапазона транспортера текучей среды согласно одному варианту выполнения данного изобретения.
На фиг. 1 показана система транспортировки текучей среды, в частности система транспортировки газа, которая имеет устройство 100 для управления/регулирования транспортера текучей среды, согласно одному варианту выполнения данного изобретения, а также газопроводную систему 110 с множеством компрессоров 112, которыми управляет устройство 100 для управления/регулирования транспортера текучей среды. Устройство 100 для управления/регулирования транспортера текучей среды можно называть также нелинейным основанным на моделировании предиктивным регулятором с предварительно включенной интегральной составляющей.
Газопроводная система 110 содержит множество участков 114 трубопровода для текучей среды и ответвлений 116, которые ответвляются от участков 114 трубопровода для текучей среды, с целью подачи протекающей в газопроводной системе 110 текучей среды или газа 118 в различные пункты 120 поставки. В частности, текучая среда 118, в частности газ, подлежит доставке в пунктах 120 поставки в определенное время с определенной величиной потока или скоростью потока.
Для обеспечения заданных величин потока в местах 120 поставки в заданные моменты времени, газопроводная система 110 снабжена множеством компрессоров 112, которые транспортируют газ 118 посредством воздействия давлением через участки 114 трубопровода, соответственно, ответвления 116, с целью достижения пунктов 120 поставки. При этом осуществляется управление компрессорами 112 через линии 122 передачи данных от нелинейного, основанного на моделировании предиктивного регулятора 100.
В конце газопроводов 114, 116 (т.е. перед пунктами 120 поставки) нет необходимости в расположении компрессоров или насосов.
В противоположность этому, в пункте 122 ввода (в котором вводится газ) расположен (непосредственно или вблизи) компрессор 112, поскольку в пунктах ввода необходимо нагружать газ давлением.
Кроме того, газопроводная система 110 содержит множество датчиков потока, датчиков давления и температурных датчиков 124, которые измеряют действительную величину потока, действительное давление и действительную температуру газа 118 в пунктах 120 поставки или же в других точках или местах вдоль или в газопроводе 114, 116 и выдают электрические сигналы через линии 126 передачи сигналов.
Через линию 126 передачи данных в предиктивный регулятор 100, который показан на фиг. 1, передается информация о действительной величине потока, действительном давлении и действительной температуре во множестве пунктов 120 поставки. Кроме того, в предиктивный регулятор 100 подается через линию 129 передачи данных, соответственно, вход 129 информация 128 о заданной величине потока (не обязательно, также о заданном давлении) газа 118 во множестве пунктов 120 поставки.
На основании подводимой через входы 126, 128 информации предиктивный регулятор 100 создает сигнал разницы величины потока между заданной величиной потока и действительной величиной потока и подает эти разницы в интегрирующий элемент 130. Интегральные составляющие (для каждого пункта поставки) можно вводить в модель предиктивного регулятора 100 в качестве дополнительных состояний. Интегрирующий элемент 130 может быть также расположен в другом месте обработки сигналов. Интегрирующий элемент 130 интегрирует, соответственно, суммирует сигнал разницы давления и/или сигнал разницы потока в течение определенного интервала времени, с целью получения суммы разниц давления и/или сумм разниц величины потока. Эти суммарные сигналы затем подают в математический процессор 132 моделирования трубопровода, в котором может использоваться алгоритм динамической оптимизации 134 (для минимизации расхода энергии и задания рабочего диапазона компрессоров 112).
Кроме того, в процессоре 132 используются различные критерии оптимизации и дополнительные условия, которые запрашиваются из памяти 136, которая может содержать, в частности, характеристические кривые компрессора, включая линии пульсации, максимальные рабочие давления, договорные условия поставки, коэффициенты эквивалентности и др.
В частности, рабочий диапазон 240 могут задавать дополнительные условия 136, как показано в виде графика на фиг. 2 и поясняется подробно ниже.
Предиктивный регулятор 100 затем вычисляет одну или несколько регулирующих переменных, таких как скорость вращения компрессора 112, и выдает их через выход 138, который соединен с линиями 122 ввода данных компрессора 112. Таким образом, регулирующие переменные осуществляют управление/регулирование множества компрессоров 112 через линии 122 передачи данных, с целью обеспечения работы газопроводной системы 110 для достижения заданных состояний в пунктах 120 поставки при минимизации расхода энергии.
Показанная на фиг. 1 система транспортировки текучей среды может быть выполнена для добычи, соответственно, транспортировки нефти или газа. В случае нефти компрессоры 112 заменяются насосами.
На фиг. 2 показан график с абсциссой 242, на которой обозначена величина потока газа 118 в компрессоре 112, и ординатой 244, которая отражает отношение давлений (отношение давления на входе и на выходе) компрессора 112. Рабочий диапазон 240, который задает допустимый диапазон работы компрессора 112, ограничен ограничительными линиями 246, 248, 250 и 252. В частности, ограничительная линия 252 проходит вдоль максимальной скорости вращения компрессора 112. Другая линия 253 проходит вдоль меньшей скорости вращения, линия 254 проходит вдоль еще меньшей скорости вращения компрессора 112, и ограничительная линия 248 рабочего диапазона 240 проходит вдоль минимальной скорости вращения компрессора 112.
Диапазон 256 вне ограничительной линии 246 представляет не стабильный диапазон работы компрессора 112 (или диапазон пульсаций) и должен предотвращаться. Точка 258 представляет оптимальную рабочую точку с наилучшим коэффициентом полезного действия компрессора 112. Линии 260 и 262 представляют линии одинакового коэффициента полезного действия, при этом коэффициент полезного действия, который относится к линии 260, больше коэффициента полезного действия, который относится к линии 262. Согласно одному варианту выполнения данного изобретения выдерживается расстояние Δ от ограничительных линий 246, 248, 250, 252 при работе компрессора 112. В частности, тем самым компрессор 112 работает лишь в нижней части 264 рабочего диапазона 240, с целью предотвращения опасности повреждения компрессора. Отношение площади нижней части 264 и рабочего диапазона 240 может составлять между 0,8 и 0,99.
Компрессоры 112 (включая ограничения рабочего диапазона 240) и трение в самом трубопроводе имеют нелинейные характеристики, и трубопровод может иметь относительно давления и пропускной способности характеристики запаздывания. Для регулирования, с одной стороны, расхода энергии компрессоров 112 при одновременном учете нелинейных ограничений рабочего диапазона 240, используется многосвязной регулятор 100, который оптимизирует расход энергии с учетом ограничения рабочего диапазона компрессора (и максимального рабочего давления) и может эффективно справляться с временем запаздывания. Нелинейные регуляторы МРС (Modell Predictive Control=основанное на моделировании управление) могут эффективно решать эту задачу.
В противоположность обычным линейным регуляторам МРС, можно за счет применения нелинейного регулятора МРС эксплуатировать трубопровод более точно и ближе к желаемым пограничным значениям.
Представленная здесь концепция МРС-регулятора 100 базируется на нелинейной модели трубопровода 114, 116 и компрессора 112. Ограничения компрессора 112 не линеаризируются, а отображаются с помощью нелинейных функций. Описание трубопровода 114, 116 может быть выполнено с помощью нелинейных парциальных дифференциальных уравнений (например, Weimann: Modelierung und Simulation der Dynamik Gasverteilnetzen im Hinblick auf Gasnetzfuehrung und Gasnetzueberwachung, Dissertation TU Muenchen, Fachbereich Elektrotechnik, 1978) или в комбинации с компрессором в виде модели Винера-Хаммерштайна (например, Wellers: Nichlineare Modellgestuetzte Praedikative Regelung auf Basis von Wiener- und Hammerstein-Modellen, VDI Verlag, Fortschrittberichte, Reihe 8, Nr. 742, 1998).
Собственно критерий оптимизации содержит по существу расход энергии отдельных компрессоров. Дополнительными условиями 136 могут быть:
расстояние Δ компрессора до границ пульсации (Surge line). Таким образом, направленное против пульсации регулирование может быть заменено предохранительными выключателями и клапанами;
максимальное рабочее давление (MAOP=Maximum Operating Pressure) трубопровода и
допустимые давления и пропускные способности в пунктах 120 поставки, интегрированные в проект регулятора.
Для удерживания в границах объема вычислений, можно работать с конечными предиктивными горизонтами. Для предотвращения проблем нестабильности в этих моделях используется способ с гарантированной стабильностью. Для предотвращения отклонений регулирования в пунктах поставки, указанный МРС-регулятор 100 снабжен интегральными составляющими 130.
Для достижения уменьшения расхода энергии компрессоров 112, отдельные компрессоры должны работать в рабочих точках с наивысшим коэффициентом полезного действия. Поскольку обычно несколько компрессоров устанавливаются в одной компрессорной станции, необходимо дополнительно принимать решение, в какой конфигурации работают компрессоры (т.е. какие компрессоры включаются, соответственно, выключаются). Для стационарного состояния и переходного состояния (т.е. в переходе от одной рабочей точки к следующей рабочей точке) можно использовать МРС-регулятор 100. Указанный здесь нелинейный МРС-регулятор 100 закрывает этот пробел тем, что в каждой стадии считывания определяет оптимальную совокупность компрессоров (т.е. какие компрессоры включаются и выключаются) и оптимальные рабочие точки включенных компрессоров. Такие системы можно называть также гибридными, поскольку они имеют как бинарные, так и аналоговые переменные, соответственно, состояния. При этом учитывается, что включение и выключение компрессоров 112 требует больше энергии, чем собственно работа. Энергия для включения и выключения компрессоров включается в качестве дополнительных членов в критерий оптимизации.
Для компенсации неточностей моделирования и явлений старения, нелинейный МРС-регулятор 100 выполнен адаптивным.
Компрессоры для газа приводятся в действие, как правило, либо с помощью электродвигателей, либо газовых турбин. Представленный принцип можно применять для обоих вариантов привода. При приводе с помощью газовых турбин необходимо при создании модели и оптимизировании лишь учитывать, что часть транспортируемого по трубопроводу газа используется для привода.
Указанный основанный на моделировании предиктивный регулятор вычисляет заданные значения для отдельных приводов и передает их в локальные регуляторы станций. Местные станционные регуляторы и регуляторы приводов, включая логику управления и регулирования, необходимы для реагирования на быстрые события, такие как, например, отказы. На основании большого объема вычислений основанные на моделировании предиктивные регуляторы не пригодны или лишь ограниченно пригодны для регулирования быстрых процессов или реагирования на быстрые события.
Применение гибридного нелинейного, основанного на моделировании предиктивного регулятора 100 с интегральными составляющими и интегрированным противопульсационным регулированием в нефтяном или газовом трубопроводе может обеспечивать следующие преимущества:
за счет учета нелинейности достигается лучшая оптимизация и тем самым больше уменьшается расход энергии при заданных ограничениях, чем при линейных способах МРС. Поскольку линейные ограничения можно учитывать без линеаризации регулятора, то можно сократить предохранительные расстояния до ограничений и тем самым достигать при некоторых обстоятельствах улучшенные результаты оптимизации.
За счет ввода интегральных составляющих предотвращаются отклонения регулирования в пунктах поставки.
Интеграция функции защиты от пульсаций в способ МРС позволяет отказаться от регулирования пульсаций и заменить его предохранительными клапанами и предохранительными выключателями.
Совокупность компрессоров подвергаются оптимизации не только в стационарном состоянии, но также в переходном состоянии. За счет этого дополнительно уменьшается расход энергии компрессорной станции.
Не требуется отдельного внешнего устройства оптимизации для совокупности компрессоров.
Выше приведено описание возможности применения изобретения в газопроводах. В принципе это относится также к нефтепроводам. Вместо компрессоров в этом случае используются нефтяные насосы. Поэтому указанный выше регулятор 100 можно применять также в нефтепроводах, когда свойства компрессоров заменяются характеристиками насосов. В нефтепроводах в противоположность газопроводам необходимо учитывать не только характеристики насосов, но также различные свойства текучей среды.