СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ КОМПРЕССОРНОГО ЦЕХА
METHOD FOR CONTROL OF COMPRESSOR SHOP

Изобретение относится к области эксплуатации цеховых регуляторов на компрессорных цехах компрессорных станций в системе магистральных газопроводов и может быть использовано для снижения расхода топливного газа, потребляемого компрессорными цехами компрессорных станций магистральных газопроводов.
Известен способ управления работой комплекса агрегатов компрессорного цеха, при котором измеряется давление транспортируемого газа на входе и выходе нагнетателей, частота вращения роторов нагнетателей, значение основного параметра газа (выходного давления или расхода) компрессорного цеха, которое сравнивается с заданным значением основного параметра, после чего формируется управляющее воздействие на системы подачи топлива приводов ГПА, входящих в состав компрессорного цеха (Патент № RU 2181854 С1. Способ управления комплексом агрегатов компрессорного цеха / Заявитель: Закрытое акционерное общество «Научно-производственная фирма «Система-сервис», Открытое акционерное общество «Газпром». - Опубл. 27.04.2002). Необходимые значения частот вращения роторов нагнетателей определяют с использованием статических функций, включая функцию зависимости механической мощности на валу нагнетателя от расхода топливного газа привода ГПА. Алгоритм определения частот следующий. Для заданного значения параметра цеха (давления или расхода) рассчитывается политропическая мощность цеха, соответствующая этому значению. Далее, используя указанные выше статические функции, расчетным путем находят ряд комплексов значений частот вращения ГПА цеха, обеспечивающих данную политропическую мощность цеха, а также соответствующие этим комплексам частот совокупные расходы топливного газа по цеху в целом. Затем с использованием методов интерполяции находят тот набор частот, при котором необходимая мощность цеха обеспечивается минимальным расходом топливного газа по цеху в целом. После этого соответствующие значения частот вращения роторов нагнетателей устанавливаются для ГПА цеха в качестве заданий.
Основным недостатком данного способа является ключевая роль в определении оптимальных частот вращения нагнетателей теоретических статических функций, которые, несмотря на заявленную в патенте их подстройку по измеренным реальным параметрам ГПА, с высокой степенью вероятности являются слишком грубыми для учета индивидуальных характеристик и зависимостей отдельных ГПА.
Известен также другой способ регулирования цеха, при котором при стабильном режиме работы цеха цеховой регулятор производит циклически перераспределение нагрузки между отдельными ГПА с целью определения коэффициента чувствительности каждого ГПА, характеризующего приращение суммарного расхода топливного газа компрессорного цеха по отношению к приращению мощности, отдаваемой компрессорным цехом в газопровод при изменении мощности i-го ГПА. На основании определенных таким образом коэффициентов осуществляется такое распределение мощностных нагрузок между ГПА, которое приводит к минимизации расхода топливного газа цеха (Патент № RU 2210006 С2. Способ регулирования цеха / Заявитель: ДК «Укртрансгаз» (UA). - Опубл. 10.08.2003).
Определение коэффициента чувствительности каждого ГПА производится путем модуляции скорости вращения данного ГПА инфранизкой частотой F с амплитудой модуляции ΔN, одновременного приращения суммарного расхода топливного газа по компрессорному цеху и приращения параметра, характеризующего приращение мощности, отдаваемой компрессорным цехом в газопровод при изменении мощности данного ГПА, после окончания переходного процесса и деления приращения расхода топливного газа на приращение параметра, характеризующего приращение мощности, отдаваемой в газопровод данным ГПА, при этом величину инфранизкой частоты F выбирают в пределах от 0.005 до 0.02 Гц, величину амплитуды ΔN в пределах от 0.005 до 0.01 Nном, а модуляцию производят в течение 4-11 периодов инфранизкой частоты.
Основным недостатком способа является крайняя трудность его практической реализации (если она вообще возможна), так как для обеспечения соответствия регулируемого параметра цеха (давления, расхода, степени сжатия) заданной уставке изменять частоту вращения ротора турбины низкого давления (ТНД) более чем на ±20…30 об/мин недопустимо (пробное изменение режима проводится на одном ГПА, а это приводит к отклонению параметра цеха от уставки), что, в свою очередь, крайне усложняет выявление положительного эффекта изменения расхода топливного газа цеха из-за сильной зашумленности сигнала расхода топливного газа. Последнее усугубляется тем, что измеряется отклонение расхода топливного газа всего цеха с целью выделить его изменение, связанное с данным пробным изменением режима одного ГПА.
Этот способ является наиболее близким к заявляемому. Он выбран в качестве прототипа.
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача усовершенствования способа (алгоритма) выявления изменения расхода топливного газа цеха при перераспределении нагрузок между ГПА компрессорного цеха (КЦ) компрессорной станции магистрального газопровода при одновременном поддержании заданного режима цеха по выбранному параметру (выходное давление, расход, степень сжатия).
Техническим результатом заявляемого способа является снижение расхода топливного газа (повышение КПД КЦ).
Технический результат достигается тем, что в способе регулирования компрессорного цеха, включающем контроль расхода топливного газа компрессорного цеха по отношению к мощности, отдаваемой цехом в газопровод (КПД цеха), поочередно изменяют нагрузки групп ГПА, работающих в трассу, для чего двум ГПА группы одновременно меняют частоты вращения роторов турбин низкого давления (ТНД) в противоположных направлениях на одинаковую величину. Для нейтрализации влияния шумов на измерение КПД применяют программные фильтры с большими постоянными времени. Измерение измененного КПД производят после выдержки времени, превышающей не менее чем в 3…5 раз наибольшую постоянную времени фильтров. Направление каждого шага изменения частот вращения роторов ТНД определяют по знаку приращения КПД, полученного на предыдущем шаге, при этом окончанием оптимизации (максимизации КПД) группы считают малое (меньше зоны нечувствительности) приращение КПД либо приближение рабочей точки ГПА к технологическому ограничению. После завершения оптимизации одной группы переходят к оптимизации следующих групп. Процедуру осуществляют циклически.
прив
На чертеже показана зависимость КПД от приведенного расхода Q. Предлагаемый способ предназначен для максимизации КПД (минимизации расхода топливного газа) неполнонапорного КЦ, работающего в двухступенчатом режиме группами по два ГПА в группе, соединенных последовательно.
Для двух ГПА одной группы массовый расход один и тот же, а объемный расход отличается на степень сжатия первого (по ходу газа) ГПА (т.к. степень сжатия 1.15…1.2, то расходы отличаются на 15…20%). В обычном режиме частоты вращения обоих ГПА почти одинаковы (отличаются на 50…150 об/мин, что соответствует одинаковому удалению от ограничений обоих ГПА), их режимы обозначены на фигуре точками A1, А2. Для группы ГПА (с близкими характеристиками) наиболее экономный режим соответствует максимальным оборотам первого по ходу газа ГПА и минимальным оборотам второго (А.Н. Козаченко, В.И. Никишин, Б.П. Поршаков. Энергетика трубопроводного транспорта. М., 2001 г., гл. 3). Это можно пояснить следующим образом: на чертеже показана зависимость КПД от приведенного расхода ,
где Nном=4800 /мин - номинальные обороты, N - текущие обороты нагнетателя, Q - объемный расход. Поэтому при увеличении оборотов первого ГПА расход делится на большее число, и рабочая точка первого ГПА смещается в положение В1, уменьшение оборотов второго ГПА приводит к смещению рабочей точки в положение В2 и таким образом КПД достигает максимума. Одновременно с этим изменение оборотов ГПА группы в разные стороны обладает рядом дополнительных положительных свойств. Первое, при таком изменении оборотов расход группы меняется незначительно, что ослабляет угрозу введения в помпаж данной группы или соседней. Второе, общее изменение мощности группы также незначительно, что способствует поддержанию заданного режима цеха. Возникающий при этом незначительный дефицит или избыток суммарной мощности цеха можно ликвидировать общим (однонаправленным) фоновым изменением частот ГПА цеха в нужную сторону. Наконец, одновременное разведение частот нагнетателей позволяет сделать эффект изменения КПД более ощутимым по сравнению с прототипом, так как общее одновременное пробное изменение частот будет вдвое больше, чем у прототипа.
С учетом сказанного в основу решения поставленной выше задачи положен принцип поочередной оптимизации (выведения на максимум КПД) групп ГПА, работающих в трассу. КПД группы вычисляется как отношение суммарной политропной мощности двух ГПА к суммарному расходу топливного газа двух ГПА. Так как часть базовых измеряемых параметров (перепады давления на сужающих устройствах) сильно флуктуируют, это делает практически невозможным непосредственное измерение малых изменений КПД. (Известно, что теоретически достижимый эффект не превышает 1…1,5%, поэтому требуется измерение малых приращений сильно зашумленного параметра (А.Н. Козаченко, В.И. Никишин, Б.П. Поршаков. Энергетика трубопроводного транспорта. М., 2001 г., гл. 3).). С целью нейтрализации влияния шумов измеряемые и вычисляемые параметры фильтруются программными фильтрами с большими постоянными времени - порядка 50…90 с.
Предлагаемый способ работает следующим образом. В подлежащей оптимизации группе запоминается текущее значение КПД и производится пробный шаг: значимое изменение оборотов двух ГПА в группе в разные стороны. Например, первому по ходу газа ГПА частота увеличивается на 50 об/мин, а второму по ходу газа ГПА уменьшается на 50 об/мин (общее изменение частот у двух ГПА составляет 100 об/мин). Как известно, достоверное значение на выходе фильтра устанавливается через время, превышающее постоянную времени фильтра не менее чем в 3…5 раз. Поэтому измерение измененного КПД производится спустя 5 мин после изменения частот. Вычисляется приращение КПД, полученное в результате пробного шага, и в зависимости от полученного результата выбирается дальнейшее направление выполнения алгоритма оптимизации. Результат может быть:
1. Положительным. Пробный шаг оказался удачным, и алгоритм производит повторно аналогичное изменение частот вращения;
2. Отрицательным. Следующий шаг алгоритма - изменение частот вращения ГПА группы в направлениях, противоположных предыдущему шагу;
3. Несущественным. Приращение КПД лежит в пределах зоны нечувствительности. Следующий шаг - переход к оптимизации следующей группы. Это может произойти в случаях:
- рабочие точки ГПА группы близки к точкам В1, В2 на чертеже - оптимизация данной группы закончена;
- рабочие точки обоих ГПА лежат по одну сторону от максимума кривой на чертеже - оптимизация в данном режиме невозможна;
- техническое состояние одного или обоих ГПА группы не позволяет получить положительный эффект.
На каждом шаге контролируется удаленность рабочей точки от технологических ограничений, и при уменьшении запаса менее 3…5% оптимизация КПД данной группы прекращается. В этом случае алгоритм также переходит к оптимизации следующей по очереди группы.