СПОСОБ ЗАЩИТЫ КОМПРЕССОРА ОТ ПОМПАЖА
COMPRESSOR ANTISURGE PROTECTION

Изобретение относится к области защиты осевых и центробежных компрессоров от помпажа и может быть использовано в системах защиты и управления газоперекачивающих агрегатов как для нагнетателя, так и для осевых компрессоров газоприводных двигателей.
Известен способ защиты компрессора от помпажа (а.с. СССР № 985450, F04D 27/02, 1982 г.), осуществляемый путем измерения давления газа на выходе компрессора и частоты вращения его ротора, определения производных от измеренных величин, сравнения значений производных с уставками, задержки сигнала превышения уставки для производной от давления и формирования сигнала наличия помпажа при совпадении во времени сигнала превышения уставки производной от частоты вращения и задержанного сигнала превышения уставки производной от давления.
Недостатком способа является низкая степень защиты компрессора от потерь при помпаже, поскольку способ определяет помпаж только при наличии помпажных колебаний с вполне определенной частотой, на которую настраивается заранее блок задержки.
Известен способ защиты компрессора от помпажа (патент РФ № 2041398, F04D 27/02, 1995 г.), реализуемый путем измерения давления за компрессором, определения скорости его изменения, сравнения с пороговым значением, задержки сигнала, использования его в качестве первого параметра защиты, измерения давления за первой группой ступеней компрессора, давления газа на срезе реактивного сопла, формирования второго параметра защиты в случае превышения пороговым значением скорости изменения суммы значений давления за компрессором, давления за первой группой ступеней компрессора и давления газа на срезе реактивного сопла, имея при этом общий сигнал помпажа при появлении первого или второго параметра защиты.
Недостатком способа является то, что он определяет помпаж только в том случае, если нагрузкой компрессора является камера сгорания с реактивным соплом, а также использование элемента задержки, величина которой выставляется заранее и, следовательно, требует предварительных знаний о динамике развития помпажа.
Известен способ защиты компрессора от помпажа (патент РФ № 2150611, F04D 27/02, 2000 г.), где путем измерения давления газа за компрессором, перед компрессором, перепада давлений на конфузоре, частоты вращения его ротора и определения перепада давлений на компрессоре фиксируют первоначальные значения перепада давлений на компрессоре, перепада давлений на конфузоре и частоты вращения ротора в памяти, затем сравнивают текущие значения этих параметров с зафиксированными значениями и, если текущее значение перепада давлений на компрессоре выше зафиксированного, то эти текущие значения фиксируют в памяти в качестве новых значений, обновляя таким образом память, если же текущее значение перепада давлений на компрессоре не выше зафиксированного, значение перепада давлений на конфузоре ниже зафиксированного, а значение частоты вращения ротора не ниже зафиксированного, то формируют первый сигнал защиты, в случае снижения частоты вращения ротора непрерывно определяют разность между текущими значениями и зафиксированными частоты вращения и перепада давлений на конфузоре, определяют отношение разности перепада давлений на конфузоре к разности частот вращения, после снижения частоты на пороговую величину это отношение фиксируют и в дальнейшем сравнивают с ним текущее этого отношения с учетом коэффициента кривизны газодинамических характеристик на границе помпажа, при превышении текущим значением этой функции отношения разностей зафиксированного ранее в памяти формируют второй сигнал защиты, имея при этом общий сигнал помпажа при появлении первого или второго сигналов.
Недостатком этого способа является сложность настройки и отсутствие удовлетворительной работы в условиях возникновения помпажа из-за падения давления на входе компрессора (например - на дожимной газокомпрессорной станции).
Технический результат, полученный при осуществлении (изготовлении) или использовании средств, воплощающих изобретение, выражается в повышении надежности распознавания помпажа в самом начале его зарождения для осевых и центробежных компрессоров независимо от вида нагрузки, на которую работает компрессор, и типа компрессора, а также - в случае работы компрессора в условиях возникновения помпажа в результате повышения выходного давления или понижения входного давления (например - на дожимных газокомпрессорных станциях, где возможно резкое понижение давления на входе в компрессор).
Это достигается тем, что в способе защиты компрессора от помпажа путем измерения давления газа за компрессором, давления газа перед компрессором, перепада давлений на входном сужающем устройстве (конфузоре), частоты вращения его ротора, перепада давлений на конфузоре, сравнения текущих значений этих параметров с зафиксированными значениями определяют скорость изменения расхода через компрессор или скорость изменения перепада давлений на входном сужающем устройстве (конфузоре) и ускорение частоты вращения ротора компрессора, в случае если ускорение частоты вращения ротора компрессора  превышает заранее заданную , либо скорость падения расхода через компрессор  с обратным знаком больше заранее заданной  формируют сигнал «Предпомпаж», после чего запускают отсчет времени сигнала помпажа и отсчет времени удержания сигнала предпомпажа, если в течение времени удержания сигнала «Предпомпаж» приходит новый сигнал «Предпомпаж» - время удержания перезапускается, в случае если к моменту окончания отсчета времени сигнала «Помпаж» время удержания сигнала предпомпажа ни разу не досчиталось до конца, формируют сигнал «Помпаж».
При этом сигнал «Предпомпаж» могут формировать только в случае, если ускорение частоты вращения ротора компрессора  превышает заранее заданную , и скорость падения расхода через компрессор  с обратным знаком больше заранее заданной .
nn
n
nn
n
При этом сигнал «Помпаж» могут формировать, если количество появления сигнала «Предпомпаж» n в течение заданного времени t от появления первого сигнала «Предпомпаж» превышает критическое, , а также сигнал «Помпаж» могут формировать, если количество появления сигнала «Предпомпаж» n в течение заданного времени t от появления первого сигнала «Предпомпаж» превышает критическое .
На фиг.1 представлено изменение положения рабочей точки компрессора при осуществлении перепуска перекачиваемого газа с выхода на вход компрессора по сигналу «Предпомпаж» или «Помпаж».
На фиг.2 представлена временная диаграмма генерации сигнала «Предпомпаж».
На фиг.3 представлена временная диаграмма генерации сигнала «Помпаж».
Способ осуществляется путем измерения расхода среды через компрессор и частоты вращения его ротора и определения скорости изменения этих параметров. В ряде случаев вместо измерения и анализа расхода среды возможно измерение и анализ перепада давлений на входном сужающем устройстве (конфузоре). Алгоритм определения предпомпажного состояния отличается при анализе сжатия с вероятностью помпажа из-за повышения выходного давления или понижения входного давления. В случае если возникновение помпажа предполагается из-за повышения выходного давления, предпомпажное состояние диагностируется, если происходит одно из двух событий:
1. ускорение частоты вращения ротора компрессора  превышает заранее заданную , то есть:
2. скорость падения расхода через компрессор  с обратным знаком больше заранее заданной , то есть:
в ряде случаев, если расход через компрессор определяется с помощью измерения перепада давлений на сужающем устройстве (конфузоре) вместо скорости изменения расхода  в формуле (2) можно использовать скорость изменения перепада на конфузоре . Формула (2) в этом случае примет следующий вид:
В случае если возникновение помпажа предполагается из-за понижения входного давления, предпомпажное состояние диагностируется в случае одновременного присутствия условий (1) и (2) (или (1) и (2a)).
При получении сигнала «Предпомпаж» конструкция компрессорного агрегата должна предусматривать ряд мер, способствующих выводу компрессора из предпомажного состояния. К таким мерам можно отнести:
- открытие антипомпажного байпасирующего клапана, перепускающего часть компримируемой среды с выхода компрессора на его вход, при этом осуществляется частичный перепуск перекачиваемого газа с выхода на вход компрессора, расход газа через компрессор увеличивается, что приводит к возвращению в зону устойчивой работы (фиг.1);
- увеличение критической степени сжатия компрессора за счет резкого увеличения мощности привода компрессора;
- другие меры.
На фиг.1 линия a-b является границей зоны устойчивой работы и называется границей помпажа. Зона, расположенная левее линии a-b, является неустойчивой. При работе нагнетателя следует не допускать работы в зоне, расположенной левее линии c-d (граница регулирования). Обычно режим работы компрессорной станции выбирается таким, чтобы нагнетатели работали в зоне устойчивой работы, однако различные возмущающие воздействия могут приводить к тому, что нагнетатель будет приближаться к границе помпажа. Для того чтобы удержать нагнетатель в зоне устойчивой работы, осуществляется частичный перепуск перекачиваемого газа с выхода на вход нагнетателя при помощи антипомпажного клапана с аналоговым управлением, при этом расход газа через нагнетатель увеличивается (линия e-f), что приводит к возвращению в зону устойчивой работы.
Если такие меры предусмотрены конструкцией компрессорного агрегата, его система управления приступает к их реализации. Если таких мер не предусмотрено - система управления отключает компрессорный агрегат от магистрали сжатия и останавливает его привод.
В ряде случаев даже принятие мер по борьбе с предпомажным состоянием не в состоянии вывести компрессор из опасного состояния. Для определения этого состояния предусмотрен сигнал «Помпаж». По этому сигналу система управления производит аварийный останов компрессорного агрегата с отключением компрессора от магистрали сжатия. Для определения сигнала «Помпаж» применяются различные алгоритмы для случаев однородной и неоднородной среды.
В случае если возникновение помпажа предполагается из-за повышения выходного давления, система управления (САУ) генерирует сигнал «Помпаж» следующим образом.
1. При выставлении сигнала «Предпомпаж» в САУ запускаются два таймера: таймер удержания сигнала предпомпажа и таймер сигнала «Помпаж». Таймер сигнала «Помпаж» в несколько раз длиннее таймера удержания сигнала «Предпомпаж».
2. Если в течении таймера удержания сигнала «Предпомпаж» приходит новый сигнал «Предпомпаж» - таймер удержания запускается снова.
3. Если к моменту окончания отсчета времени таймером сигнала «Помпаж» таймер удержания сигнала предпомпаж ни разу не досчитал до конца - САУ генерирует сигнал «Помпаж».
В случае если возникновения помпажа предполагается из-за понижения входного давления, система управления (САУ) генерирует сигнал «Помпаж» следующим образом.
1. При возникновении сигнала «Предпомпаж» запускается два таймера: таймер «нечувствительности» и таймер сигнала «Помпаж». Таймер сигнала «Помпаж» в несколько раз длиннее таймера «нечувствительности».
2. Пои возникновении сигнала «Передпомпаж» в промежутке времени между срабатыванием таймера «нечувствительности» и таймера сигнала «Помпаж» генерируется сигнал «Помпаж».
Средства для осуществления данного способа могут быть реализованы на базе устройств систем комплексного управления мультипроцессорных МСКУ 5000-01, МСКУ-СС 4510 производства ЗАО «НПФ «Система-Сервис» (Санкт-Петербург).
МСКУ-5000 построена на базе программно-технических средств фирмы Siemens Simatic S7. В этой системе вычислительное ядро реализовано на базе процессоров семейства CPU 4xx. Ввод-вывод осуществляется через распределенную периферию на базе модулей семейства ET-200S, ЕТ-200М. Программно способ реализован на языке Simatic S7-SCL (язык стандарта МЭК 61131-3). МСКУ-СС 4510 построена на базе технических средств Octagon и Fastwel и программного обеспечения собственной разработки ЗАО «НПФ «Система-Сервис»». Вычислительное ядро системы реализовано на базе процессорного модуля Octagon 5066, ввод-вывод осуществляется через модули аналогового и дискретного ввода-вывода производства фирм Octagon, Fastwel и собственной разработки и производства ЗАО «НПФ «Система-Сервис»».
Предлагаемое изобретение пригодно для защиты от помпажа осевых и центробежных компрессоров, как турбоприводных, так и электроприводных.
По сравнению с прототипом способ обладает более высокой точностью и надежностью распознавания помпажа и пригоден для компрессоров, работающих на любую нагрузку, в том числе и емкостную, а не только на реактивное сопло.