壓縮機(jī)回流閥自動(dòng)控制研究

伍星光 賀 宏 梁 凡 潘慧潔 周子翔 黃壹暄

1. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司南寧輸油氣分公司, 廣西 南寧 530000;2. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司昆明輸油氣分公司, 云南 昆明 650501;3. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司蘭成渝輸油分公司, 四川 成都 610037

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,用戶對(duì)天然氣需求持續(xù)增長(zhǎng),尤其在冬季,天然氣保供任務(wù)更加艱巨,往往需要2臺(tái)或多臺(tái)壓縮機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行為天然氣進(jìn)行增壓。當(dāng)管道運(yùn)行處于多機(jī)組投用、低流量或壓縮機(jī)出入口壓力有明確限制等工況下,容易使壓縮機(jī)組發(fā)生喘振,損壞壓縮機(jī)的密封和軸封,破壞壓縮機(jī)的整體結(jié)構(gòu),甚至引發(fā)火災(zāi)爆炸事故[1-3]。為避免進(jìn)口流量低于喘振流量,通常在壓縮機(jī)出口處設(shè)置防喘閥,實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)喘振的監(jiān)測(cè)和預(yù)防。當(dāng)進(jìn)口流量逼近或低于喘振設(shè)定流量時(shí),防喘閥迅速打開(kāi),使出口天然氣回流,補(bǔ)充進(jìn)口流量,從而避免壓縮機(jī)發(fā)生喘振。通常情況下,防喘閥幾乎是預(yù)防壓縮機(jī)喘振最關(guān)鍵的也是唯一屏障,當(dāng)流量較低或多機(jī)組運(yùn)行時(shí),壓縮機(jī)容易進(jìn)入喘振工況,但防喘閥的頻繁啟動(dòng)工作會(huì)顯著降低設(shè)備的運(yùn)行可靠性,增加設(shè)備疲勞損壞和故障失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此,在壓縮機(jī)出口處增設(shè)旁通回流閥對(duì)壓縮機(jī)喘振進(jìn)行超前預(yù)防是一種有效的工藝設(shè)計(jì)方式[4]。壓縮機(jī)出口加裝回流閥為壓縮機(jī)系統(tǒng)提供了一道新的屏障,當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行工作點(diǎn)靠近喘振區(qū)域時(shí),首先控制打開(kāi)回流閥補(bǔ)充進(jìn)口流量,使工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振區(qū)域,若回流閥不足以使壓縮機(jī)脫離喘振危險(xiǎn),此時(shí)防喘閥開(kāi)啟使壓縮機(jī)逐漸回到正常運(yùn)行狀態(tài)。這種雙重預(yù)防機(jī)制在預(yù)防喘振后果的同時(shí)也為防喘閥提供了有效保護(hù),增強(qiáng)了壓縮機(jī)防喘振性能的可靠性。但目前回流閥的控制只能通過(guò)手動(dòng)操作,非常依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn),回流量過(guò)低無(wú)法有效緩解喘振風(fēng)險(xiǎn),回流量過(guò)高又會(huì)造成資源浪費(fèi)和壓縮機(jī)效率低下。因此,有必要對(duì)回流閥進(jìn)行自動(dòng)控制研究,在保證安全的前提下,最大限度減小回流量,實(shí)現(xiàn)降本增效。

1 回流閥應(yīng)用現(xiàn)狀

本文以中緬管道某壓氣站為研究對(duì)象,對(duì)壓縮機(jī)回流閥應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研。該壓氣站采用2臺(tái)離心式電驅(qū)壓縮機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行方式對(duì)天然氣進(jìn)行增壓,總裝機(jī)功率22 MW，壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)見(jiàn)圖1。當(dāng)壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí),防喘閥處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)壓縮機(jī)有喘振風(fēng)險(xiǎn)時(shí),首先開(kāi)啟回流閥補(bǔ)充進(jìn)口流量以預(yù)防喘振現(xiàn)象,當(dāng)回流閥功能不足以使工作點(diǎn)偏離喘振區(qū)域時(shí),防喘閥打開(kāi)避免壓縮機(jī)喘振。目前該壓氣站內(nèi)壓縮機(jī)回流閥控制方式屬于手動(dòng)控制,通過(guò)值班人員對(duì)壓縮機(jī)防喘振界面進(jìn)行監(jiān)視,主觀判斷壓縮機(jī)工作點(diǎn)與喘振控制線的距離,調(diào)節(jié)回流閥的開(kāi)度。該壓氣站站控值班室監(jiān)視界面見(jiàn)圖2,其中白線為喘振線,工作點(diǎn)處于白線附近時(shí)壓縮機(jī)進(jìn)入喘振工況,紅線為防喘振線,工作點(diǎn)進(jìn)入紅線左邊區(qū)域時(shí)防喘閥自動(dòng)開(kāi)啟使工作點(diǎn)向右偏移遠(yuǎn)離喘振區(qū)域。鑒于回流閥超前保護(hù)的設(shè)計(jì)目的,對(duì)回流閥的控制趨于保守,通常當(dāng)工作點(diǎn)與防喘振線的喘振裕度在10%內(nèi)時(shí),值班人員就會(huì)開(kāi)啟回流閥,使工作點(diǎn)遠(yuǎn)離防喘振線,每次以5%的開(kāi)度向上調(diào)整;當(dāng)上游流量很小,且工作點(diǎn)與防喘振線非常接近時(shí),值班人員通常會(huì)每次以10%的開(kāi)度調(diào)節(jié)回流閥。

圖1 壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)圖Fig.1 Compressor anti-surge control system diagram

為探究回流閥的工作性能,在工作點(diǎn)接近防喘振線時(shí)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)度試驗(yàn),見(jiàn)圖2。當(dāng)工作點(diǎn)逼近防喘振線時(shí),將回流閥開(kāi)度設(shè)置為10%,隨著回流閥開(kāi)度的增加,壓縮機(jī)工作點(diǎn)逐漸偏離防喘振線,但進(jìn)口流量處于波動(dòng)狀態(tài),壓縮機(jī)運(yùn)行尚不穩(wěn)定,在20%開(kāi)度時(shí),壓縮機(jī)工作點(diǎn)已經(jīng)遠(yuǎn)離防喘振線,穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間發(fā)現(xiàn)進(jìn)口流量逐漸趨于穩(wěn)步增長(zhǎng)狀態(tài),此時(shí)繼續(xù)增加開(kāi)度至30%,雖然又進(jìn)一步偏移了一點(diǎn),但實(shí)際對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行并無(wú)實(shí)質(zhì)影響。因此在該工況下,20%～30%的開(kāi)度就足以使壓縮機(jī)運(yùn)行趨于穩(wěn)定,而在趨于穩(wěn)定后,即可逐漸關(guān)閉回流閥。但事實(shí)上,出于保守考慮,人工控制仍然會(huì)傾向于再觀察一段時(shí)間再逐漸關(guān)閉,同時(shí)值班人員也會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楣ぷ髅β刀P(guān)回流閥的情況。為進(jìn)一步探究該壓氣站回流閥應(yīng)用情況,搜集整理上下游基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和站場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),對(duì)2021年5～6月回流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,見(jiàn)圖3。由圖3可看出,2021年5～6月這段時(shí)間回流量達(dá)到35×104～400×104m3/d,回流比最高達(dá)13%，壓縮機(jī)入口流量中回流量占比很大,驅(qū)動(dòng)功率存在大量浪費(fèi)。因此,壓縮機(jī)回流閥自動(dòng)控制研究對(duì)于提質(zhì)增效大有裨益。

a)靠近喘振線a)Near the surge line

圖3 壓縮機(jī)組回流量分析圖Fig.3 Analysis of the return flow of the compressor unit

2 回流閥自動(dòng)控制方法

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外采用的防喘振控制方法主要有固定極限流量法[5-7]、可變極限流量法[5-7]、主動(dòng)控制法[8-10]和模糊控制法[11-13]。固定極限流量法以固定臨界流量為限,只要使壓縮機(jī)入口流量不超過(guò)此固定臨界流量,壓縮機(jī)就不會(huì)發(fā)生喘振，該方法雖簡(jiǎn)單易行,但會(huì)使喘振區(qū)域顯著增加,造成回流量和能耗增大[14]。對(duì)于采用變頻驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)或壓縮機(jī)負(fù)荷波動(dòng)頻繁的場(chǎng)合,通常采用可變極限流量法進(jìn)行防喘振控制[15]，該方法回避了固定極限流量法能源浪費(fèi)的缺點(diǎn),但控制實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。主動(dòng)控制法能使壓縮機(jī)工作范圍擴(kuò)展至喘振線左側(cè),使運(yùn)行效率得以提升,但喘振檢測(cè)技術(shù)的不完善和主動(dòng)控制算法的復(fù)雜性制約了主動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[16-17]。模糊控制法是一種新興的智能控制方法,無(wú)需對(duì)控制對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型,且對(duì)于工況波動(dòng)和隨機(jī)干擾具有較好的控制效果[18-20]，該方法既保留了自動(dòng)控制的特點(diǎn),又回避了人工控制的不精確性,對(duì)于實(shí)現(xiàn)回流閥自動(dòng)控制具有經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和可操作性。一方面,在實(shí)際生產(chǎn)中,壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)受設(shè)備本體、氣質(zhì)參數(shù)和環(huán)境變化等多種因素影響,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,在一定程度上會(huì)使傳統(tǒng)PID防喘振控制效果難達(dá)預(yù)期[21]；另一方面,回流閥是壓縮機(jī)喘振預(yù)防的輔助設(shè)備,主要作用在于控制和緩解惡化或趨向惡化的工況,對(duì)其進(jìn)行精確的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)是不必要的。因此,本文基于模糊控制思想對(duì)回流閥進(jìn)行自動(dòng)控制設(shè)計(jì)。

如圖2所示,回流閥啟停和開(kāi)度的控制與工作點(diǎn)到防喘振線的距離有關(guān),因此,對(duì)回流閥的控制應(yīng)首先確定壓縮機(jī)的特性曲線。人工控制回流閥的策略主要基于工作點(diǎn)與防喘振線的距離以及工作點(diǎn)向防喘振線方向移動(dòng)的速率這兩種情況。一方面,當(dāng)工作點(diǎn)靠近防喘振線時(shí),人工開(kāi)啟回流閥使工作點(diǎn)遠(yuǎn)離防喘振區(qū)域,向正常運(yùn)行區(qū)域移動(dòng);另一方面,即使工作點(diǎn)離防喘振線有一定的距離,但當(dāng)工作點(diǎn)向防喘振線移動(dòng)的速率增大,并且有持續(xù)惡化的趨勢(shì),此時(shí)也會(huì)開(kāi)啟回流閥進(jìn)行工況調(diào)節(jié)。由此可知,進(jìn)口流量與防喘振設(shè)定流量的偏差值和偏差變化率大小是回流閥控制的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。因此,本文以這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為研究對(duì)象進(jìn)行回流閥自動(dòng)控制研究。

3 壓縮機(jī)特性曲線分析

對(duì)回流閥進(jìn)行自動(dòng)控制研究首先需要明確壓縮機(jī)特性曲線。初始的特性曲線是基于廠家提供的性能試驗(yàn)工況分析繪制的,不能準(zhǔn)確反映工況變化時(shí)的壓縮機(jī)性能,需要將設(shè)計(jì)條件下的特性曲線轉(zhuǎn)換為實(shí)際工況下的特性曲線。由于壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中工況多變,很難通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到各種工況下的特性曲線,通常采用相似原理對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行性能換算,計(jì)算得到實(shí)際工況下的特性曲線[22-25]。由于該壓氣站壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行壓比<2.5,采用絕熱指數(shù)相等、特征馬赫數(shù)不等的近似性能換算方法。算法具體公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

根據(jù)最小二乘法原理,對(duì)經(jīng)過(guò)相似變換后的出口壓力(p)、壓比(ε)、多變能頭(Hpol)、多變效率(η)進(jìn)行擬合,分別得到轉(zhuǎn)速4 916 r/min、4 500 r/min和4 015 r/min時(shí)的特性曲線,見(jiàn)圖4。

a)出口壓力—流量曲線a)p-Q curve

由于回流閥是作為防喘閥前的一道保護(hù)屏障而設(shè)計(jì)的,因此,在分析回流閥調(diào)節(jié)前,需要先確定喘振線。通過(guò)對(duì)擬合曲線的進(jìn)一步分析,確定喘振線和防喘振線,由于該壓氣站的防喘振線是在喘振線的基礎(chǔ)上向右平移10%的喘振裕量,因此確定了喘振線的曲線方程就能相應(yīng)確定防喘振線的曲線方程。壓比—流量曲線的喘振線和防喘振線見(jiàn)圖5。

圖5 帶喘振線的壓比—流量曲線圖Fig.5 ε-Q curve with surge line

選用該壓氣站壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對(duì)擬合的壓縮機(jī)特性曲線進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)所采集的70個(gè)樣本點(diǎn)的實(shí)測(cè)壓比和預(yù)測(cè)壓比進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者的誤差均不超過(guò)1%，見(jiàn)圖6。因此,擬合的特性曲線與實(shí)際相符合,可以用來(lái)進(jìn)行壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算和預(yù)測(cè)。

圖6 特性曲線預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)壓比對(duì)比圖Fig.6 Comparison of predicted pressure ratio andactual pressure ratio of characteristic curve

4 回流閥模糊控制算法

對(duì)回流閥模糊自動(dòng)控制算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究,設(shè)計(jì)了關(guān)于閥門開(kāi)度的二維模糊控制器,算法計(jì)算原理見(jiàn)圖7(a、b代表輸入信號(hào)，c代表輸出信號(hào))。首先通過(guò)將輸入信號(hào)進(jìn)行模糊化處理,基于已有知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)建立模糊控制規(guī)則,最后將規(guī)則推理的結(jié)果進(jìn)行清晰化處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。

圖7 模糊控制算法原理圖Fig.7 Principle of fuzzy control algorithm

4.1 模糊化處理

取壓縮機(jī)進(jìn)口流量與其對(duì)應(yīng)的設(shè)定流量值偏差(E)及偏差變化率(EC)為輸入。由于回流閥是壓縮機(jī)喘振預(yù)防的輔助設(shè)備,從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性角度沒(méi)有必要進(jìn)行精確自動(dòng)控制設(shè)計(jì),因此E范圍的設(shè)定只需滿足工程實(shí)際需要即可,如果初始偏差較大,則回流閥初始開(kāi)啟程度較大,如果初始偏差較小,則回流閥初始開(kāi)啟程度也較小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和操作經(jīng)驗(yàn),一般在工作點(diǎn)離防喘振線10%左右的工況下開(kāi)啟回流閥進(jìn)行調(diào)節(jié),而該壓氣站進(jìn)口流量通常情況下維持在11 000～18 000 m3/h,綜合歷史調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn),設(shè)定E變化范圍為[0,1 300],EC變化范圍為[-1 000,1 000](單位均為m3/h)。由于回流閥開(kāi)度不宜過(guò)大,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),確定回流閥開(kāi)度(U)范圍為[0,0.35]。E、EC和U的論域分別取為[0,12]、[-6,6]、[0,12],則E和EC的量化因子為KE=12/1 300=0.009,KEC=6/1 000=0.006,U的比例因子為KU=0.35/12=0.029。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,E、EC和U的模糊語(yǔ)言變量值均取為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},對(duì)應(yīng){負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大},分別用于描述各變量取值的狀態(tài)和程度。3個(gè)模糊變量的隸屬函數(shù)見(jiàn)圖8～10，離散化后各變量的隸屬度見(jiàn)表1～3。隸屬函數(shù)用于表征一個(gè)元素隸屬于一個(gè)模糊集合的程度,論域中某一元素對(duì)應(yīng)的函數(shù)值即為該元素關(guān)于此模糊集合的隸屬度,函數(shù)值越大,則隸屬度越大。如本例中U的隸屬函數(shù)和隸屬度見(jiàn)圖10和表3,論域元素12隸屬于PM和PB的程度分別為0和1,即當(dāng)論域取值為12時(shí),回流閥開(kāi)度將開(kāi)到最大值。

圖8 E的隸屬函數(shù)圖Fig.8 Membership function of deviation E

圖9 EC的隸屬函數(shù)圖Fig.9 Membership function of deviation change rate EC

圖10 U的隸屬函數(shù)圖Fig.10 Membership function of valve opening U

表1 E的隸屬度表

表2 EC的隸屬度表

表3 U的隸屬度表

4.2 建立模糊控制規(guī)則

對(duì)輸入、輸出值的關(guān)系進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了閥門開(kāi)度模糊控制規(guī)則,總體原則為當(dāng)進(jìn)口流量靠近防喘振線時(shí),回流閥開(kāi)啟以補(bǔ)充進(jìn)口流量,進(jìn)口流量越靠近防喘振線,即E越小,則閥門開(kāi)度越大;當(dāng)E較大時(shí),綜合考慮EC的大小對(duì)閥門開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。分析得到的49條模糊控制規(guī)則見(jiàn)表4，表4中的模糊控制規(guī)則可轉(zhuǎn)化為“IF-THEN”條件語(yǔ)句模式。表5展示了對(duì)部分模糊控制規(guī)則的解釋，如表5所示,第1條規(guī)則是“IF(E is NB)and (EC is NB)Then (U is PB)”,即如果偏差距離很小且偏差有向防喘振線方向靠近的強(qiáng)烈趨勢(shì)時(shí),則回流閥開(kāi)啟程度非常大；第2條規(guī)則是“IF (E is NB)and (EC is ZE)Then (U is PB)”,即雖然此時(shí)偏差變化率為零,但由于偏差距離很小,此時(shí)應(yīng)將回流閥開(kāi)到足夠大以防止情況惡化；第3條規(guī)則是“IF (E is NB)and (EC is PB)Then (U is PS)”,表示如果偏差距離很小,而偏差有回到正常工作區(qū)域的強(qiáng)烈趨勢(shì),考慮到此時(shí)偏差距離很小,保守起見(jiàn)仍將回流閥需開(kāi)啟到中偏上的程度；第4條規(guī)則是“IF (E is ZE)and (EC is NB)Then (U is PB)”,即如果偏差距離適中且偏差有向防喘振線方向靠近的強(qiáng)烈趨勢(shì)時(shí),則回流閥開(kāi)啟程度非常大；第5條規(guī)則是“IF (E is PB)and (EC is NB)Then (U is PS)”,表示雖然偏差有向防喘振線方向靠近的強(qiáng)烈趨勢(shì),但由于此時(shí)偏差距離很大,先將回流閥需開(kāi)啟到中偏上的程度,視后續(xù)情況再行調(diào)整；第6條規(guī)則是“IF (E is PB)and (EC is NS)Then (U is ZO)”,即如果偏差距離很大且偏差有向防喘振線方向靠近的趨勢(shì)時(shí),則回流閥需開(kāi)啟到中等程度；第7條規(guī)則是“IF (E is PB)and (EC is PB)Then (U is NB)”,表示雖然偏差有向遠(yuǎn)離防喘振線方向變化的強(qiáng)烈趨勢(shì),但由于此時(shí)偏差距離很大,只需稍微開(kāi)啟回流閥即可。值得注意的是,這里所提到的偏差距離遠(yuǎn)近只是在論域范圍討論,如果工作點(diǎn)與防喘振線的距離非常遠(yuǎn),已經(jīng)超出論域范圍,說(shuō)明此時(shí)壓縮機(jī)工況穩(wěn)定,也就無(wú)需開(kāi)啟回流閥。其他模糊控制規(guī)則可參照表5的示例解釋,本文不再贅述。

表4 閥門開(kāi)度模糊控制規(guī)則表

表5 模糊控制規(guī)則的解釋表

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4.3 清晰化處理

通過(guò)對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行編程計(jì)算,將模糊控制規(guī)則清晰化,建立模糊控制查詢表輸出系統(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。閥門開(kāi)度模糊控制查詢見(jiàn)表6。通過(guò)查詢表6得到論域范圍的閥門開(kāi)度值,乘以比例因子即可得到實(shí)際的閥門開(kāi)度輸出值。

表6 閥門開(kāi)度模糊控制查詢表

5 回流閥模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

回流閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖11。首先,系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)口流量和設(shè)定流量的狀態(tài),對(duì)二者的偏差值進(jìn)行檢測(cè),判斷是否需要對(duì)回流閥進(jìn)行調(diào)節(jié),其中不同轉(zhuǎn)速下的防喘振設(shè)定流量值通過(guò)第3節(jié)“壓縮機(jī)特性曲線”擬合所得的特性曲線計(jì)算得到。如果偏差值大于設(shè)定值,則無(wú)需開(kāi)啟回流閥,如果偏差值不大于設(shè)定值,則觸發(fā)模糊控制器,模糊控制器根據(jù)E和EC對(duì)U進(jìn)行調(diào)節(jié),防止進(jìn)口流量進(jìn)一步靠近防喘振線。

圖11 回流閥控制系統(tǒng)原理框圖Fig.11 Principle diagram of the return valve control system

基于MATLAB Simulink軟件建立回流閥模糊控制系統(tǒng)仿真模型,實(shí)施回流閥開(kāi)度狀態(tài)動(dòng)態(tài)模擬。回流閥模糊控制系統(tǒng)仿真模型見(jiàn)圖12,該系統(tǒng)包含兩個(gè)子系統(tǒng),分別是圖13所示的大偏差子系統(tǒng)和圖14所示的模糊控制子系統(tǒng)。控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)口流量和設(shè)定流量進(jìn)行在線采集,通過(guò)條件判斷控制器判斷偏差值是否>1 300 m3/h,如果>1 300 m3/h則無(wú)需開(kāi)啟回流閥,否則觸發(fā)模糊控制子系統(tǒng)對(duì)回流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖12 回流閥模糊控制系統(tǒng)仿真模型圖Fig.12 Simulation model of the return valve fuzzy control system

圖13 大偏差子系統(tǒng)仿真模型圖Fig.13 Simulation model of large deviation subsystem

圖14 模糊控制子系統(tǒng)仿真模型圖Fig.14 Simulation model of fuzzy control subsystem

6 結(jié)果分析

6.1 回流閥開(kāi)度仿真結(jié)果

為驗(yàn)證模糊控制系統(tǒng)的有效性和可靠性,對(duì)自動(dòng)控制效果和手動(dòng)控制效果進(jìn)行對(duì)比,模擬采集了1 000 min的數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)、判斷和模擬得到該時(shí)間段回流閥開(kāi)度調(diào)節(jié)過(guò)程,見(jiàn)圖15。在實(shí)際手動(dòng)控制的1 000 min數(shù)據(jù)中,回流閥在不同時(shí)間段分別粗略地開(kāi)啟到10%、15%、20%、25%和30%的開(kāi)度,而圖15的自動(dòng)控制結(jié)果顯示,回流閥能根據(jù)壓縮機(jī)實(shí)際工況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)度,回流閥最大開(kāi)度達(dá)到27%,不需要開(kāi)啟的時(shí)候保持關(guān)閉狀態(tài),避免資源浪費(fèi)。仿真結(jié)果顯示,該控制系統(tǒng)能對(duì)回流閥狀態(tài)進(jìn)行有效控制。

圖15 回流閥開(kāi)度仿真結(jié)果圖Fig.15 Simulation results of the return valve opening

6.2 自動(dòng)控制與人工控制對(duì)比

通過(guò)搭建的控制系統(tǒng)采集模擬了1 000組數(shù)據(jù),結(jié)果顯示所搭建的自動(dòng)控制系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)際工況變化有效控制回流閥開(kāi)度狀態(tài)。圖16顯示了部分人工控制和自動(dòng)控制的數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖16可看出,該時(shí)間段內(nèi),回流閥開(kāi)度被人為設(shè)置為30%,而自動(dòng)控制模擬過(guò)程回流閥開(kāi)度遠(yuǎn)小于30%,且能根據(jù)工況變化逐漸減小開(kāi)度,最后完全關(guān)閉回流閥。該時(shí)間段對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際是,壓縮機(jī)工作點(diǎn)非常接近防喘振線,值班人員將回流閥調(diào)至30%開(kāi)度操作后，工作點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離防喘振線,且運(yùn)行在較為舒適的正常工作區(qū)域,此時(shí)，值班人員因?yàn)槊τ谑聞?wù)卻忘記關(guān)閉回流閥。表7顯示了所采集模擬的1 000組數(shù)據(jù)下回流閥開(kāi)度情況,其中,人工控制的數(shù)據(jù)是實(shí)際操作過(guò)程中值班人員憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的開(kāi)度,而自動(dòng)控制數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的,表7中自動(dòng)控制數(shù)據(jù)是在某一特定人工控制開(kāi)度狀態(tài)下,通過(guò)自動(dòng)控制方式所得到的同一時(shí)間段的平均開(kāi)度值。例如,在人工控制方式下回流閥開(kāi)度設(shè)置為10%的期間,自動(dòng)控制方式所得到的回流閥平均開(kāi)度為12.5%,而在回流閥開(kāi)度被人為設(shè)置為30%的期間,自動(dòng)控制方式所得到的回流閥平均開(kāi)度為14.3%。對(duì)比結(jié)果顯示,自動(dòng)控制比人工控制平均回流量減少了6.3%,節(jié)能降耗效果顯著。

圖16 人工控制和自動(dòng)控制結(jié)果對(duì)比圖Fig.16 Comparison of manual control and automatic control results

表7 不同控制類別回流閥平均開(kāi)度對(duì)比表

6.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)該壓氣站天然氣輸送情況,以2 300×104m3/d的轉(zhuǎn)供量計(jì)算,壓縮機(jī)組電能損耗約21.56×104kW·h,相當(dāng)于每100×104m3的轉(zhuǎn)供量需要消耗電能0.937 4×104kW·h。而回流閥開(kāi)度30%情況下,回流量約200×104m3/d,以自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)回流閥開(kāi)度減小5%計(jì)算,即每天減少回流量約33.33×104m3,節(jié)約電能則為3 124.67 kW·h。因此,全年節(jié)約電能可達(dá)到114.05×104kW·h。根據(jù)當(dāng)前電價(jià)0.573 1元/(kW·h)計(jì)算,全年預(yù)期節(jié)約電費(fèi)65.36萬(wàn)元。

7 結(jié)論

1)本文以提質(zhì)增效、節(jié)能降耗為目的,對(duì)回流閥進(jìn)行自動(dòng)化控制設(shè)計(jì),在深入調(diào)研分析回流閥應(yīng)用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析站場(chǎng)每日回流量情況,論證了回流閥自動(dòng)控制設(shè)計(jì)的必要性。

2)基于相似原理對(duì)設(shè)計(jì)條件下的壓縮機(jī)特性曲線進(jìn)行性能換算,得到實(shí)際工況下的特性曲線,通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)誤差不超過(guò)1%,驗(yàn)證了換算后特性曲線的可靠性和適用性。

3)綜合考慮進(jìn)口流量與設(shè)定流量的E和EC對(duì)U的影響,建立了關(guān)于閥門開(kāi)度的二維模糊控制器,基于MATLAB Simulink軟件建立了回流閥控制系統(tǒng)仿真模型。仿真分析結(jié)果顯示,自動(dòng)控制較人工控制平均回流量減少了6.3%,預(yù)期節(jié)省電費(fèi)65.36萬(wàn)元/a,仿真分析成果可為后續(xù)離心式壓縮機(jī)防喘振設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化提供理論參考和技術(shù)指導(dǎo)。