基于UNISIM的壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)

費啟智 林峰寶 陳泓辛 陳思詩

【摘要】壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)旨在為壓縮機的生產(chǎn)制造、試車、投產(chǎn)、使用和維護提供方案和參考。本壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)基于UNISIM軟件和壓縮機組控制系統(tǒng)開發(fā)，有著先進的壓縮機組仿真理論，仿真結(jié)果精度高。是研究壓縮機組動態(tài)性能，優(yōu)化和驗證壓縮機組控制方案的重要工具。

【關(guān)鍵詞】壓縮機；動態(tài)仿真；UniSim

引言

壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)提供的所有的模型，都是基于嚴格的熱力學、動力學機理模型構(gòu)建的。這種方法適應于多組分、多相變的復雜體系，并具有良好的外延性。本系統(tǒng)利用機組設(shè)計時使用的物性方程，開發(fā)豐富的壓縮機模型算法庫，這些算法是根據(jù)傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞、流體力學和自動控制等基本原理開發(fā)的，具有較高的精確性和真實性。

1.系統(tǒng)開發(fā)

壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，由壓縮機組控制系統(tǒng)，壓縮機組模型，壓縮機組3D操作環(huán)境組成。壓縮機組控制系統(tǒng)采用真實的工廠控制系統(tǒng)程序，控制系統(tǒng)程序在相應的仿真器上運行。壓縮機組模型能夠模擬壓縮機組的運行工況，并為壓縮機組控制系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過壓縮機組控制系統(tǒng)的自動邏輯判斷或操作者認為設(shè)定，壓縮機組控制系統(tǒng)發(fā)出控制命令給壓縮機組模型。壓縮機組3D操作環(huán)境能真實的模擬工廠外操環(huán)境，與壓縮機組控制系統(tǒng)協(xié)同操作，以實現(xiàn)對整個壓縮機組的控制。壓縮機組模型開發(fā)是整個壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)搭建的核心，正確、合理、準確的建模是保證分析結(jié)果是否真實可靠的的關(guān)鍵。壓縮機組動態(tài)仿真模型，模型由壓縮機、驅(qū)動機、管路、閥門等組成，除此之外還有其他輔助系統(tǒng)，如潤滑油系統(tǒng)，汽輪機疏水系統(tǒng)，控制油系統(tǒng)等。壓縮機組建模首先應該定義模型的基礎(chǔ)參數(shù)，如工廠當?shù)卮髿鈮毫?，模型采用的單位等。在所有的模擬設(shè)備中，壓縮機是核心設(shè)備。確定壓縮機的機型和輸送介質(zhì)后，將壓縮機的設(shè)計參數(shù)輸入UNISIM軟件中的壓縮機模型[2]，形成壓縮機各個工況的性能曲線。將壓縮機模型與其他模型通過物質(zhì)流連接，通過逐步調(diào)試和完善，動態(tài)運行壓縮機組模型。建立壓縮機組模型與壓縮機組控制系統(tǒng)和3D外操環(huán)境之間的通訊，即壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)。

2.功能及特點

2.1研究壓縮機組動態(tài)性能

壓縮機組動態(tài)性能直接影響壓縮機運行效率，需要專業(yè)的模型和算法并結(jié)合工藝過程才能得到分析驗證。多機組串并聯(lián)多用于天然氣管道輸送，負荷分配一直是困擾生產(chǎn)能耗的首要問題，特別針對于功率不同的壓縮機組串并聯(lián)情況，如何分配各個壓縮機組的負荷以實現(xiàn)安全生產(chǎn)、降低能量損耗就顯得尤為重要[3]。壓縮機組動態(tài)仿真系統(tǒng)通過精確的物性方程，配合機組性能特性曲線，結(jié)合壓縮機自身設(shè)備參數(shù)，與管網(wǎng)及其它設(shè)備配合計算，模擬出機組級聯(lián)最佳工作點及最佳操作方法，從而在完全不影響正常生產(chǎn)的情況下，盡可能的減小能耗，并使各壓縮機組均在最優(yōu)工況下運行。在節(jié)能降耗的同時，增加了壓縮機的安全運行系數(shù)和使用壽命。

2.2防喘振工況模擬分析

在化工生產(chǎn)過程中，壓縮機組會受上下游多重因素的影響，使入口組份、壓力和溫度發(fā)生改變。從而可能造成壓縮機組喘振甚至停車[4]。壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)可以模擬壓縮機組不同工況的改變過程，為用戶提供工況改變時的應對方案。在壓縮機的使用過程中常常會遇到防喘振閥無法完全關(guān)閉的情況，防喘振閥不能完全關(guān)閉，不僅會使壓縮機組不能達到使用要求，還大大降低了壓縮機組的使用效率、安全系數(shù)和使用壽命。我們可以利用壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)模擬壓縮機組此時的工況，將模擬得出的參數(shù)與實際設(shè)備的參數(shù)對比分析，從而找到防喘振閥門不能完全關(guān)閉的真正原因，對于不同的解決方案亦可進行進一步驗證分析。

2.3控制方案模擬驗證

壓縮機組的控制主要包括轉(zhuǎn)速控制、防喘振控制、電器設(shè)備控制等。壓縮機組控制系統(tǒng)分別要經(jīng)過模擬調(diào)試、靜態(tài)調(diào)試和試車驗證的過程。但常常在壓縮機組投產(chǎn)后仍然會出現(xiàn)很多未被發(fā)現(xiàn)的問題，如防喘振發(fā)無法關(guān)閉，轉(zhuǎn)速無法升到額定轉(zhuǎn)速，汽輪機抽氣功能無法使用等。這是因為在壓縮機組試車時所輸送的介質(zhì)并非設(shè)計輸送介質(zhì)，或者模擬調(diào)試時控制系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)不是連續(xù)變化的。而壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)能夠模擬真實的壓縮機組運行情況，能夠更好的驗證控制方案的正確性和合理性。能夠提前發(fā)現(xiàn)并修正控制方案的不足之處，盡可能的減少故障，提高試車效率，節(jié)約試車成本。

2.4故障模擬及解決方案

壓縮機組作為工藝裝置的核心設(shè)備，在正常生產(chǎn)過程中難免會出現(xiàn)設(shè)備、儀表等各方面問題，這些問題能否正確、快速、高效的處理決定了裝置的連續(xù)運行及高效生產(chǎn)。壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)可以為用戶模擬出轉(zhuǎn)速大幅波動，閥門漂移、粘連、泄露，阻力系數(shù)改變，機組報警故障等所有可能發(fā)生的危險過程及后續(xù)引起的設(shè)備動作。通過此系統(tǒng)可以提前擬制不同故障時的應急解決方案，并對方案的可行性進行驗證，可有效避免機組誤停車，減少不必要損失。

2.5操作培訓（OTS）

壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)同時具備內(nèi)操環(huán)境和外操環(huán)境，可用作為操作員培訓和考核。壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)滿足操作人員對壓縮機組操作培訓的需求，能夠幫助操作人員熟悉特定機組的操作過程，積累操作經(jīng)驗，提高操作人員現(xiàn)場故障處理和故障診斷分析能力，使操作人員熟悉并熟練掌握壓縮機組的操作方法，包括畫面調(diào)用、儀表操作、參數(shù)修改等。

壓縮機組的動態(tài)仿真分析系統(tǒng)的操作培訓課程與實際設(shè)備高度相似，能夠培養(yǎng)出熟悉設(shè)備，操作熟練的操作人員。與傳統(tǒng)的培訓模式相比，極大地提高了培訓效果，節(jié)約培訓成本。

3.結(jié)束語

壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)能夠準確地模擬壓縮機組的各種運行工況，用以處理常規(guī)方法無法解決的壓縮機組問題，量化不同工況下壓縮機組的參數(shù)變化，采集真實設(shè)備不易采集的數(shù)據(jù)。是分析壓縮機組性能，了解壓縮機組工藝的重要方式。隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，壓縮機組動態(tài)仿真分析系統(tǒng)將被廣泛的應用。

參考文獻

[1]趙建彬，劉君有，郭俊昌等.HYSYS流程模擬技術(shù)在油氣處理廠的應用[J].油氣田地面工程，2010（8）：93-94.

[2]Honeywell.UniSimDesign Operations Guide[Z].2014/11.

[3]梁平，李志軍，肖翔等.天然氣處理流程模擬技術(shù)[J].油氣田地面工程，2008（4）：53-54.