天然氣壓縮機(jī)仿真測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

錢 迪鄭 會(huì)張 沛王 帥劉 超趙 陽

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司；2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司）

1 概述

陜京管道榆林壓氣站壓縮機(jī)組原有控制系統(tǒng)已運(yùn)行十多年，硬件模塊已經(jīng)老化，日常使用中經(jīng)常發(fā)生停車現(xiàn)象?？刂葡到y(tǒng)的風(fēng)冷控制和負(fù)荷分配控制均不能正常工作，而且機(jī)組服務(wù)器之間、上位機(jī)與CPU之間一直存在不同步現(xiàn)象，所以亟需對(duì)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造。控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造項(xiàng)目是對(duì)三臺(tái)DY401-DY403曼透平壓縮機(jī)組。進(jìn)行調(diào)研后，對(duì)機(jī)組硬件系統(tǒng)提出更換電源模塊、輸入輸出模塊、通訊模塊等的替換方案，軟件上考慮兼容性，使其更新至SIMATIC PCS7最新版本V8.2。同時(shí)還需對(duì)上位機(jī)畫面友好度、下位機(jī)控制算法等提出改造方案。為了對(duì)三臺(tái)機(jī)組改造后控制系統(tǒng)的關(guān)鍵程序進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了仿真測(cè)試平臺(tái)。選擇UniSim仿真平臺(tái)并搭建以DY401-DY403三臺(tái)壓縮機(jī)為核心設(shè)備的虛擬工廠。此外，仿真測(cè)試平臺(tái)還具備針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的培訓(xùn)（OTS）功能，如模擬開車及運(yùn)維管理等。

2 仿真模型搭建

當(dāng)壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)的軟、硬件及配套設(shè)備改造完成后，需要搭建以壓縮機(jī)為核心設(shè)備的虛擬工廠，并進(jìn)行數(shù)據(jù)連接完成仿真模型搭建。

2.1 仿真系統(tǒng)平臺(tái)

UniSim軟件是Honeywell公司推出的新一代過程模擬平臺(tái)，具有強(qiáng)大的流程模擬功能。利用UniSim流程模擬軟件建立的工藝模型，不僅能夠?qū)φ麄€(gè)工藝過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，還能為實(shí)際設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)和方案優(yōu)化提供依據(jù)[1]。

2.2 潤(rùn)滑油站系統(tǒng)搭建

在管線壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，潤(rùn)滑油站為壓縮機(jī)提供潤(rùn)滑油。潤(rùn)滑油應(yīng)滿足總管壓力、冷卻前油溫等技術(shù)參數(shù)，為主軸等旋轉(zhuǎn)零件提供潤(rùn)滑與降溫作用，保障機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。在UniSim平臺(tái)中按照榆林站壓縮機(jī)組潤(rùn)滑油站設(shè)備原件的實(shí)際尺寸與設(shè)備參數(shù)逐一調(diào)試并連接模型元件，其模型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 潤(rùn)滑油站仿真模型Fig.1 Simulation model of lubricating oil station

2.3 密封系統(tǒng)搭建

管線壓縮機(jī)運(yùn)行過程中采用干氣密封方式為壓縮機(jī)密封端面提供密封氣。壓縮機(jī)干氣密封通常采用兩種氣源，即氮?dú)夂凸に嚉鈁3]。搭建仿真模型如圖2所示，在開車階段以穩(wěn)定的低壓氮?dú)鉃槎嗣嫣峁└綦x氣、二級(jí)密封氣和一級(jí)密封氣。開車后，使工藝氣成為一級(jí)密封氣的氣源。調(diào)試低壓氮?dú)馀c工藝氣的電磁閥控制邏輯、一級(jí)密封氣與平衡管差壓的手/自動(dòng)控制邏輯，為驗(yàn)證真實(shí)機(jī)組性能提供可靠的參考依據(jù)。

2.4 氣路系統(tǒng)搭建

壓縮機(jī)組的性能曲線是氣路系統(tǒng)模型的關(guān)鍵。在氣路模型連接完成后，分別為不同控制邏輯創(chuàng)建Sheet表，以編寫腳本的形式寫入響應(yīng)邏輯，如圖3所示。其中防喘振控制采用無量綱坐標(biāo)系。

圖2 密封系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of sealing system

圖3 氣路系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of gas path system

2.5 虛擬工廠的組建及其與控制系統(tǒng)的通訊

潤(rùn)滑油站系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)組建成一個(gè)完整的虛擬工廠。若滿足允許啟動(dòng)邏輯則可以通過手動(dòng)或者一鍵開車邏輯（順控控制）進(jìn)行開車。運(yùn)行后逐步關(guān)閉防喘振閥，機(jī)組進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。改變模型中溫度控制、壓力控制、流量控制等控制閥的設(shè)定值或PI等參數(shù)便可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制邏輯。此時(shí)模型已經(jīng)完全符合模擬啟停車、性能驗(yàn)證的基本條件。

利用OPC通訊模塊，開發(fā)出用于仿真平臺(tái)與控制系統(tǒng)通訊的專業(yè)通訊軟件。需要通訊的點(diǎn)包括PCS7控制系統(tǒng)中所有的模擬量、數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)，以及為完成操作動(dòng)作或者為強(qiáng)制某些值而建立的通訊點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)分為100ms的快周期點(diǎn)與500ms的慢周期點(diǎn)[4]，如圖4所示。

圖4 OPC專業(yè)通訊軟件Fig.4 OPC professional communication software

虛擬工廠與PCS7控制系統(tǒng)建立通訊后組成了壓縮機(jī)仿真測(cè)試平臺(tái)，如圖5所示。左邊兩塊屏幕中分別是PCS7的上位機(jī)與下位機(jī)。通過專業(yè)通訊軟件連接右側(cè)的仿真平臺(tái)。操作者可以在上位機(jī)操作各種控制邏輯。

圖5 天然氣壓縮機(jī)仿真測(cè)試平臺(tái)Fig.5 The simulation experiment test system of gas compressor

3 仿真測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證控制系統(tǒng)性能

組建完成的仿真測(cè)試平臺(tái)可以真實(shí)有效地模擬壓縮機(jī)運(yùn)行，為驗(yàn)證改造后的控制算法提供可靠依據(jù)。壓縮機(jī)模型會(huì)真實(shí)反映由于進(jìn)口流量減小等工況變化而導(dǎo)致的喘振情況。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，減小進(jìn)口流量或增大出口壓力，觀察防喘振閥開閥動(dòng)作，驗(yàn)證防喘振控制算法的準(zhǔn)確性。最后對(duì)三臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷分配控制邏輯與風(fēng)冷控制邏輯進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 風(fēng)冷控制邏輯與其仿真驗(yàn)證

榆林站原有的控制系統(tǒng)是把壓縮機(jī)出口溫度與上位機(jī)的溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，以其偏差結(jié)果來控制空冷風(fēng)扇的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)，但是空冷風(fēng)扇一直未實(shí)現(xiàn)有效控制。榆林站有9組空冷風(fēng)扇，每組兩臺(tái)風(fēng)扇，每臺(tái)風(fēng)扇有高低不同轉(zhuǎn)速的兩臺(tái)電機(jī)，見圖6風(fēng)冷控制模型。原有控制方法總體響應(yīng)過長(zhǎng)，且振蕩時(shí)間長(zhǎng)，很難穩(wěn)定?，F(xiàn)根據(jù)啟動(dòng)的壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)快速打開若干臺(tái)風(fēng)扇，使壓縮機(jī)出口溫度快速下降，然后微調(diào)使其接近設(shè)定溫度，同時(shí)考慮四季的不同環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組的風(fēng)冷效果造成不同的影響，把外部環(huán)境溫度與壓縮機(jī)出口溫度同時(shí)作為參考維度，則在年平均溫度下，只啟動(dòng)一臺(tái)壓縮機(jī)，按如下順序啟動(dòng)風(fēng)扇。

圖6 風(fēng)冷控制模型Fig.6 Air cooling control model

啟動(dòng)前三臺(tái)風(fēng)扇的兩臺(tái)電機(jī)都為高速

啟動(dòng)第四臺(tái)風(fēng)扇的第一臺(tái)電機(jī)為低速

調(diào)節(jié)上一臺(tái)風(fēng)扇電機(jī)為高速

啟動(dòng)第四臺(tái)風(fēng)扇的第二臺(tái)電機(jī)為低速

調(diào)節(jié)上一臺(tái)風(fēng)扇電機(jī)為高速

啟動(dòng)第五臺(tái)風(fēng)扇的第一臺(tái)電機(jī)為低速

調(diào)節(jié)上一臺(tái)風(fēng)扇電機(jī)為高速

啟動(dòng)第五臺(tái)風(fēng)扇的第二臺(tái)電機(jī)為低速

調(diào)節(jié)上一臺(tái)風(fēng)扇電機(jī)為高速

……

對(duì)風(fēng)冷算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖7所示，改進(jìn)前的風(fēng)冷控制方法降溫速度慢，振蕩周期長(zhǎng)，很難趨于穩(wěn)定（圖7虛線）。改進(jìn)后的控制方法可以使高溫的天然氣快速降到相對(duì)低的溫度，并通過改進(jìn)PID調(diào)節(jié)，使溫度曲線迅速接近上位機(jī)溫度設(shè)定值，快速平穩(wěn)，風(fēng)冷效果有很大提升。

夏季環(huán)境溫度會(huì)明顯升高，考慮實(shí)際溫度與年平均溫度的偏差，可以適當(dāng)調(diào)整風(fēng)扇開啟數(shù)量，使控制方法得以修正[5]，即環(huán)境溫度較高時(shí)，開啟風(fēng)扇的數(shù)量可以適當(dāng)增加；當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，開啟風(fēng)扇的數(shù)量可以適當(dāng)減少。

圖7 風(fēng)冷控制改進(jìn)前后對(duì)比Fig.7 Comparison of air cooling control before and after improvement

3.2 負(fù)荷分配控制策略與其仿真驗(yàn)證

榆林站壓縮機(jī)組國(guó)產(chǎn)化改造項(xiàng)目對(duì)機(jī)組的負(fù)荷分配采用等相對(duì)喘振距離法，即通過調(diào)節(jié)，使壓縮機(jī)工作點(diǎn)到防喘線的相對(duì)距離相等[6]。如圖8所示，并聯(lián)的三臺(tái)機(jī)組負(fù)荷分配控制系統(tǒng)由SCP（分配控制盤）中的MS（中央性能控制回路）、UCP（單機(jī)控制盤）中的LSIC1、LSIC2、LSIC3（單機(jī)性能控制回路）與AS1、AS2、AS3（冷回流控制回路）組成。其中SCP通過現(xiàn)場(chǎng)LAN及硬線與兩個(gè)UCP數(shù)據(jù)通訊。MS用于檢測(cè)機(jī)組出口總管壓力，經(jīng)過偏差計(jì)算PID后對(duì)其加權(quán)，再發(fā)送到單機(jī)的LSIC1、LSIC2、LSIC3單元，再經(jīng)過PID計(jì)算發(fā)送至電機(jī)的變頻控制和冷回流閥的開度控制上。

圖8 負(fù)荷分配控制圖Fig.8 Load distribution control chart

對(duì)負(fù)荷分配控制算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖9所示，提取冷回流閥門開度、單機(jī)組轉(zhuǎn)速、三機(jī)組總功率等要監(jiān)控的變量與相關(guān)操作變量。投入負(fù)荷分配控制，三臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)速逐漸上升，冷回流閥逐漸關(guān)閉，總功率逐漸上升，壓縮機(jī)工作點(diǎn)逐漸向壓比增高、流量增大的趨勢(shì)移動(dòng)。當(dāng)運(yùn)行穩(wěn)定后，得到三臺(tái)機(jī)組的工作點(diǎn)及性能曲線圖（圖10）。圖中相鄰排列的性能曲線代表不同轉(zhuǎn)速的工況。所有性能曲線最左端的點(diǎn)連成一條線，則這條線就是喘振線?？梢杂^察到，穩(wěn)定后三臺(tái)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)與喘振線的相對(duì)距離基本相等，符合等相對(duì)喘振距離法的要求，從而實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷分配控制算法的驗(yàn)證。

圖9 負(fù)荷分配控制模型Fig.9 Load distribution control model

圖10 三機(jī)組工作點(diǎn)及性能曲線圖Fig.10 Working point and performance curve diagram of the three units

4 結(jié)束語

搭建天然氣壓縮機(jī)仿真測(cè)試平臺(tái)可以對(duì)陜京榆林站DY401-DY403曼透平壓縮機(jī)組國(guó)產(chǎn)化改造后的控制系統(tǒng)進(jìn)行可操作性驗(yàn)證與控制邏輯驗(yàn)證?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)元件模型參數(shù)和控制邏輯變化來探索更加符合實(shí)際需求的參數(shù)設(shè)置或者控制算法，為提高控制精度、加快系統(tǒng)響應(yīng)提供足夠?qū)拸V、便捷的操作空間。同時(shí)，操作人員可以通過人機(jī)界面對(duì)虛擬工廠進(jìn)行實(shí)時(shí)操控，確保壓縮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的培訓(xùn)。

[1]August D,Chang J,Girbal S,et al.UNISIM:An Open Simulation Environment and Library for Complex Architecture Design and Collaborative Development[J].IEEE Computer Architecture Letters,2007,6(2):45-48.

[2]張瑞琳,王文友,王威,等.新型壓縮機(jī)潤(rùn)滑油站系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].潤(rùn)滑與密封,2007,32(10):115-119.

[3]李桂芹,王玉華.壓縮機(jī)干氣密封基本原理及使用分析[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2000(1):19-23.

[4]林躍,張彥武.OPC技術(shù)及其在工控組態(tài)軟件中的應(yīng)用[J].控制工程,2001,8(2):41-43.

[5]楊建華,唐維新,袁文華.風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)離心式冷卻風(fēng)扇的優(yōu)化試驗(yàn)技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2002,23(1):81-84.

[6]張鵬.管道壓縮機(jī)的負(fù)荷分配控制[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2014(z1):102-105.