Способ формирования сигнала помпажа турбокомпрессора
Способ формирования сигнала помпажа турбокомпрессора относится к области компрессоростроения и эксплуатации турбокомпрессоров, в частности к области противопомпажного регулирования и защиты. Сущность изобретения заключается в том, что в способе формирования сигнала помпажа, включающем измерение характерных параметров, вычисление производных по времени от этих параметров, сравнение текущих значений производных со своими пороговыми значениями по величине и по знаку, выработку дискретных сигналов о превышении любой производной своего порогового значения, задерживают выработанные дискретные сигналы на заданное время и формируют сигнал помпажа при одновременном наличии двух или более задержанных дискретных сигналов о превышении производными от параметров своих пороговых значений. При этом для того, чтобы наилучшим образом приспособиться к особенностям конкретного компрессора, его привода и условий эксплуатации, со своими пороговыми значениями сравнивают все или некоторые из следующих производных: положительные производные от давления всасывания, давления в характерной точке проточной части, частоты вращения ротора и отрицательные производные от давления нагнетания, разности давлений нагнетания и всасывания, перепада давления на местном сопротивлении во входном или выходном патрубке, потребляемой компрессором мощности. Технический результат заключается в увеличении эффективности и быстродействия противопомпажной защиты, основанной на использовании дискретного сигнала помпажа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области компрессоростроения и эксплуатации турбокомпрессоров, в частности к области противопомпажного регулирования и защиты.
Дискретный сигнал, свидетельствующий о начале физического помпажа компрессора, используют в системах противопомпажного регулирования и защиты для инициирования срабатывания защиты. Чем быстрее и надежнее формируется сигнал помпажа по первым признакам начала помпажа компрессора, тем эффективнее осуществляется противопомпажная защита компрессора. При этом под надежностью понимается главным образом представительность сформированного сигнала помпажа, то есть то, что сигнал помпажа должен формироваться только как следствие начавшегося помпажа, но не должен формироваться ложно при каких-либо режимных переключениях компрессора, возмущениях со стороны газопровода или помехах в каналах измерения контролируемых параметров. Быстрое формирование сигнала помпажа приводит к уменьшению времени нахождения компрессора в помпаже и, в конечном счете - к увеличению срока эксплуатации компрессора.
Для своевременного выявления признаков начинающегося помпажа и формирования сигнала помпажа используют разные способы.
Известен способ (Авторские свидетельства №504884, СССР, 22.04.76 г., Бюл.№8, F 04 D 27/02) формирования сигнала помпажа при превышении над уставкой отрицательной производной по времени от разности давлений нагнетания и всасывания компрессора.
Известен способ противопомпажного регулирования и защиты турбокомпрессоров, используемый фирмой «Система Сервис», Россия («Автоматизация процессов газовой промышленности». Под общ. ред. А.З. Шайхутдинова и др., СПб., Наука, 2003 г.), в котором формирование сигнала помпажа происходит при одновременном превышении пороговых значений отрицательной производной по времени от перепада давления на конфузоре компрессора и положительной производной от частоты вращения ротора.
Известен способ (Авторское свидетельство №700687, СССР, 30.11.79 г., Бюл.№44, F 04 D 27/02) формирования сигнала помпажа при одновременном превышении над уставками производных по времени от давления нагнетания, расхода газа и частоты вращения ротора компрессора.
Недостатком всех указанных способов является то, что область их использования ограничивается кругом компрессоров и условий их эксплуатации, для начала помпажа которых указанные изменения являются характерными. Для других компрессоров и условий их эксплуатации они не могут быть использованы. Так способ по авторскому свидетельству №504884 не может быть использован для компрессоров с атмосферным всасыванием. Способы по авторскому свидетельству №700687 и применяемый фирмой «Система Сервис» - для компрессоров с электроприводом. Кроме этого, характерные изменения контролируемых в соответствии с указанными способами параметров происходят не всегда строго одновременно. Периоды и фазы помпажных колебаний разных параметров не всегда одинаковы. Поэтому совпадение во времени характерных изменений параметров может наблюдаться не во время первого помпажного колебания, а только с течением времени, что отрицательно сказывается на быстродействии способа формирования сигнала помпажа.
Использование в способе, применяемом фирмой «Система Сервис», производной от перепада давления на конфузоре компрессора иногда бывает затруднено или даже не представляется возможным из-за значительных высокочастотных помех (пульсаций), связанных с турбулентностью потока и особенностями организации замера, в канале измерения этого параметра. Наличие пульсаций может приводить при устойчивой работе компрессора к периодической выработке дискретного сигнала о превышении производной этого параметра своего порогового значения и потому - к уменьшению надежности этого способа. Этот же недостаток относится и к способу по авторскому свидетельству №700687.
Известен способ противопомпажного регулирования турбокомпрессоров, используемый фирмой «Compressor Controls Corporation», США (Проспект фирмы «Регулирование, улучшающее надежность и эффективность турбомашин», США, 1992 г.; «Автоматизация процессов газовой промышленности». Под общ. ред. А.З.Шайхутдинова и др., СПб., Наука, 2003 г.), в котором для формирования сигнала помпажа компрессора с пороговыми значениями сравнивают до двух производных по времени любых из следующих параметров: перепада давления газа на местном сопротивлении во входном или выходном трубопроводе компрессора, давления нагнетания и потребляемой компрессором мощности. Сигнал помпажа формируется, когда своего порогового значения достигает любая из двух производных от выбранных параметров. Выбор параметров и установка пороговых значений осуществляются при наладке системы. Возможность наилучшим образом приспособить систему к особенностям компрессора, его привода и условий эксплуатации путем выбора наиболее характерных, наиболее помехозащищенных и поддающихся непосредственному измерению параметров является достоинством рассматриваемого способа формирования сигнала помпажа. То что сигнал помпажа в этом способе формируется при первом же характерном изменении параметров, положительно сказывается на быстродействии. Недостатком этого способа является низкая помехозащищенность: возможность ложного формирования сигнала помпажа при различных технологических переключениях и изменениях режима данного или работающего совместно на общую сеть компрессора, вызывающих достаточно интенсивное изменение какого-либо одного из контролируемых параметров.
Известен также ближайший по технической сущности и достигаемой эффективности к заявляемому и выбранный в качестве прототипа способ (Авторское свидетельство №985450, СССР, 30.12.82 г., Бюл.№48, F 04 D 27/02) формирования сигнала помпажа при одновременном наличии двух сигналов, первым из которых является задержанный сигнал превышения над уставкой отрицательной производной по времени от давления нагнетания, вторым - сигнал превышения над уставкой положительной производной по времени от частоты вращения ротора компрессора.
В способе-прототипе, как и в заявляемом способе, измеряют параметры, изменение которых характерно для начала помпажа данного компрессора, вычисляют производные по времени от этих параметров, сравнивают текущие значения производных со своими пороговыми значениями по величине и по знаку, и при превышении любой производной своего порогового значения, вырабатывают соответствующий дискретный сигнал. При этом в способе-прототипе измеряют давление нагнетания и частоту вращения ротора, а сигнал помпажа формируют при одновременном наличии двух сигналов: сигнала превышения над уставкой положительной производной по времени от частоты вращения ротора и задержанного сигнала превышения над уставкой отрицательной производной по времени от давления нагнетания.
Формирование сигнала помпажа при наличии характерных изменений не одного параметра, а выбранной совокупности параметров, более представительно характеризующей начало помпажа, увеличивает помехозащищенность способа-прототипа. Введение задержки сигнала превышения над уставкой отрицательной производной давления нагнетания позволяет обеспечить формирование сигнала помпажа в тех случаях, когда резкое уменьшение давления нагнетания происходит первым, а резкое увеличение частоты вращения следует за ним с некоторым сдвигом по времени, когда условия формирования первого сигнала уже не соблюдаются. Указанное позволяет сформировать сигнал помпажа при первом же помпажном колебании, что положительно отражается на быстродействии способа-прототипа.
Недостатком способа-прототипа является то, что он, как и рассмотренные ранее способы-аналоги (Авт. св. №504884, №700687 и применяемый фирмой «Система Сервис»), не является универсальным, область его применения является ограниченной: для большинства компрессоров и условий их эксплуатации этот способ не может дать хороших результатов или вообще не может быть применим. Как уже отмечалось выше, при помпаже компрессоров с электроприводом изменения частоты вращения ротора не наблюдается. При помпаже некоторых компрессоров вначале наблюдается интенсивное увеличение частоты вращения и только потом происходит провал давления нагнетания. В последнем случае формирование сигнала помпажа при использовании способа-прототипа произойдет не во время первого помпажного колебания, а лишь с течением времени, что отрицательно сказывается на быстродействии и эффективности противопомпажной защиты, основанной на использовании дискретного сигнала помпажа.
Задача, решаемая изобретением, состоит в расширении области применения известного способа. Решение указанной задачи позволяет достичь технического результата, заключающегося в увеличении эффективности и быстродействия противопомпажной защиты, основанной на использовании дискретного сигнала помпажа.
Для решения поставленной задачи в известном способе формирования сигнала помпажа, включающем измерение характерных параметров, вычисление производных по времени от этих параметров, сравнение текущих значений производных со своими пороговыми значениями по величине и по знаку, выработку дискретных сигналов о превышении любой производной своего порогового значения, задерживают выработанные дискретные сигналы на заданное время и формируют сигнал помпажа при одновременном наличии двух или более задержанных дискретных сигналов о превышении производными от параметров своих пороговых значений. При этом для того, чтобы наилучшим образом приспособиться к особенностям конкретного компрессора, его привода и условий эксплуатации, со своими пороговыми значениями сравнивают все или некоторые из следующих производных: положительные производные от давления всасывания, давления в характерной точке проточной части, частоты вращения ротора и отрицательные производные от давления нагнетания, разности давлений нагнетания и всасывания, перепада давления на местном сопротивлении во входном или выходном патрубке, потребляемой компрессором мощности.
Выбранные параметры должны позволять их непосредственное измерение с достаточным быстродействием. В канале измерения параметра должны отсутствовать высокочастотные помехи, затрудняющие дифференцирование параметра. Совокупные заданные изменения выбранных параметров должны представительно характеризовать начало помпажа, то есть являться следствием только помпажа, а не каких-либо технологических или режимных изменений.
Например, для момента начала помпажа компрессора с газотурбинным приводом характерны происходящие одновременно или с небольшим сдвигом по времени достаточно интенсивные увеличение частоты вращения ротора вследствие уменьшения потребляемой компрессором мощности и несовершенства системы автоматического регулирования частоты вращения, уменьшение расхода сжимаемого газа, уменьшение давления нагнетания, увеличение давления всасывания. При режимном увеличении частоты вращения, наоборот, расход и давление нагнетания увеличиваются, а давление всасывания уменьшается. Перестановка арматуры в газопроводах или помпаж соседнего из работающих параллельно на общую сеть компрессоров приводят обычно к изменению расхода и давлений сжимаемого газа, но не отражается на частоте вращения ротора и мощности, потребляемой данным компрессором.
Выбор совокупности параметров, участвующих в формировании сигнала помпажа, и установка пороговых значений производных, а также времени задержек дискретных сигналов должны осуществляться заранее при проектировании или наладке конкретного устройства, предназначенного для формирования сигнала помпажа - сигнализатора помпажа, исходя из особенностей проявления помпажа конкретного компрессора и конкретных условий его эксплуатации на базе результатов помпажного тестирования. Время задержки дискретных сигналов должно быть сопоставимо с периодом помпажных колебаний параметров и составлять от 0,1 до 5,0 секунд.
Указанные существенные признаки, характеризующие сущность заявляемого технического решения, не известны в подобной совокупности и взаимосвязи в настоящее время для способов формирования сигнала помпажа турбокомпрессоров. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам изобретения, в ходе проведения патентных исследований не обнаружен. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна».
Существенные признаки не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата. Из этого следует вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Изобретательский уровень».
Заявляемый способ может быть осуществлен на базе программно-технических средств. В качестве программно-технических средств может быть использован любой промышленный контроллер со временем цикла счета не более 50 мс. Требование к быстродействию контроллера определяется малыми временами процессов, характерных для помпажа компрессоров. При помощи контроллера реализуют алгоритм функционирования сигнализатора помпажа. Кроме контроллера для осуществления сигнализатора помпажа используют датчики физических параметров, сигналы которых являются входными сигналами контроллера. Выходной сигнал контроллера используют для противопомпажной защиты компрессора и оповещения обслуживающего персонала.
Сущность заявляемого способа поясняется следующими чертежами.
Фиг.1 - пример осуществления заявляемого способа - структурная схема трехканального сигнализатора помпажа.
Фиг.2 - осциллограмма помпажа нагнетателя 2Н-25-76-1,44 газоперекачивающего агрегата ГТН-25-1, оснащенного сигнализатором помпажа в соответствии с заявляемым способом.
Фиг.3 - осциллограмма помпажа нагнетателя 2Н-25-76-1,44 газоперекачивающего агрегата ГТН-25-1, оснащенного сигнализатором помпажа в соответствии со способом-прототипом.
На Фиг.1 для примера изображена структурная схема устройства, предназначенного для реализации предлагаемого способа и являющегося примером осуществления заявляемого способа формирования сигнала помпажа - трехканального сигнализатора помпажа.
В рассматриваемом примере в качестве входных параметров используются сигналы трех датчиков: давления нагнетания, перепада давления на входном патрубке нагнетателя и частоты вращения ротора. Каждый из каналов сигнализатора помпажа состоит из датчика параметра - 1 (2, 3), блока вычисления знака и величины производной параметра - 4 (5, 6), блока сравнения знака и величины производной параметра со своим пороговым значением - 7 (8, 9) и блока задержки - 10 (11, 12).
Задержанные сигналы превышения производных - выходы каналов - подаются на общий для каналов элемент «И» - 13.
Сущность заявляемого способа заключается в том, что измеряют текущие значения входных параметров, вычисляют производные от параметров по времени, сравнивают производные со своими пороговыми значениями, вырабатывают дискретные сигналы при превышении производными своих пороговых значений. Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что перед подачей дискретных сигналов превышения производными параметров своих пороговых значений на элемент «И» их задерживают на заданное время, а дискретный сигнал наличия помпажа, являющийся выходным сигналом устройства, формируют при наличии одновременно трех задержанных сигналов.
Пороговые значения производных и времена задержки по каждому каналу определяют и задают при наладке системы на базе результатов помпажного тестирования.
Описанный трехканальный сигнализатор помпажа испытан в условиях компрессорных станций магистальных газопроводов применительно к нагнетателю 2Н-25-76-1,44 газоперекачивающего агрегата ГТН-25-1.
На фиг.2 приведена осциллограмма помпажа нагнетателя, оснащенного трехканальным сигнализатором помпажа в соответствии с заявляемым способом.
В сигнализатор были внесены следующие настройки: пороговое значение производной от давления нагнетания - минус 0,4 МПа за одну секунду, пороговое значение производной от перепада давления на патрубке - минус 2,5 кПа за одну секунду, пороговое значение производной частоты вращения ротора - плюс 250 об/мин за одну секунду, время задержки сигналов в каналах - 2 секунды в каждом канале.
Сигнал помпажа использовался для подачи команды на открытие противопомпажного крана фирмы «Моквелд» со временем полного открытия 2 секунды. Для измерения перепада давления на входном патрубке был применен датчик со встроенным фильтром (типа ТЖИУ406Д). Контур замкнутого противопомпажного регулирования был отключен. Помпаж вызывался плавным прикрытием крана в линии нагнетания, а ликвидировался открытием перепускного противопомпажного крана.
На осциллограмме фиг.2: Рн - давление нагнетания, n - частота вращения ротора, dH - перепад давления на входном патрубке, 0 - момент возникновения помпажа (условно, т.к. помпаж в данном опыте возник не жестко, а развивался постепенно с предпомпажными колебаниями), 1 - момент срабатывания канала перепада давления, 2 - момент срабатывания канала частоты вращения, 3 - момент срабатывания канала давления нагнетания и формирования сигнала помпажа, 4 - момент страгивания на открытие противопомпажного крана.
Зафиксировано срабатывание канала перепада давления на патрубке через 0,2 секунд, срабатывание канала частоты вращения через 0,4 секунд и срабатывание канала давления нагнетания и одновременно срабатывание сигнализатора через 1,4 секунды с момента возникновения помпажа. Перепускной кран стронулся на открытие через 2,8 секунды с момента фактического наступления помпажа (через 1,4 секунды с момента формирования сигнала помпажа). Помпаж проявился в виде одиночного хлопка.
Осциллограмма, приведенная на фиг.2, подтверждает целесообразность введения задержек сигналов срабатывания каналов: к моменту срабатывания канала давления нагнетания (момент 3) производные от частоты вращения и перепада давления уже становятся меньше своих пороговых значений.
На фиг.3 для сравнения приведена осциллограмма помпажа нагнетателя, оснащенного двухканальным сигнализатором помпажа в соответствии со способом-прототипом.
В сигнализатор были внесены следующие настройки: пороговое значение производной от давления нагнетания - минус 0,4 МПа за одну секунду, пороговое значение производной частоты вращения ротора - плюс 250 об/мин за одну секунду, задержка сигнала в канале давления нагнетания - 2 секунды.
Условия проведения обоих опытов аналогичны за исключением того, что при проведении данного опыта в качестве противопомпажного крана использовался кран со временем полного открытия 18 секунд (фаза застоя - 6,8 секунд, фаза движения - 11,2 секунды).
На осциллограмме фиг.3: Рн - давление нагнетания, n - частота вращения ротора, 0 - момент возникновения помпажа (условно), 1 - момент первого срабатывания канала частоты вращения, 2 - момент срабатывания канала давления нагнетания, 3 - момент второго срабатывания канала частоты вращения и формирования сигнала помпажа.
На осциллограмме зафиксировано достаточно интенсивное изменение контролируемых параметров. При этом первым произошло срабатывание канала частоты вращения через 0,2 секунды с момента начала помпажа. Срабатывание канала давления нагнетания произошло через 1,1 секунды с момента возникновения помпажа. К моменту срабатывания канала давления дискретный сигнал первого срабатывания канала частоты вращения уже был сброшен на нуль. Поэтому срабатывания сигнализатора помпажа во время первого помпажного хлопка не произошло. Второе срабатывание канала частоты вращения и срабатывание сигнализатора помпажа произошло во время второго помпажного хлопка спустя 1,8 секунды после начала помпажа. В связи с малым быстродействием противопомпажного крана в приведенный фрагмент осциллограммы процесс ликвидации помпажа не вошел.
Приведенная на фиг.3 осциллограмма подтверждает необходимость введения задержек всех дискретных сигналов превышения производными своих пороговых значений: время наиболее интенсивных изменений параметров не совпадает, и к моменту срабатывания канала давления производная частоты вращения оказывается уже меньше своего порогового значения. В результате формирование сигнала помпажа в данном опыте произошло с опозданием на 0,7 секунды по сравнению с возможным во время второго, а не первого помпажного хлопка.
Таким образом, приведенные осциллограммы свидетельствуют о том, что формирование сигнала помпажа в соответствии с заявляемым способом приводит к увеличению быстродействия противопомпажной защиты, основанной на использовании сигнала помпажа, а значит и эффективности защиты, приводит к увеличению достоверности распознавания помпажа, и, тем самым, подтверждают достижение технического результата.
Данное техническое решение представляет собой разработанный с целью обеспечения технического результата перечень конкретных действий, осуществляемых в определенной последовательности в зависимости от определенных условий. Указанная последовательность действий достаточно подробно описана в приведенном описании, содержащем пример технической реализации заявляемого способа в виде структурной схемы устройства, подтверждающего возможность осуществления предлагаемого технического решения. Описанное устройство - сигнализатор помпажа, реализован с использованием программно-технических средств и испытан в промышленных условиях. Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «Промышленная применимость».
1. Способ формирования сигнала помпажа турбокомрессора, включающий измерение параметров компрессора, определение знака и вычисление величины производных по времени от этих параметров, сравнение каждой производной со своим пороговым значением и формирование дискретных сигналов превышения производными от параметров своих пороговых значений, отличающийся тем, что все дискретные сигналы превышения производными от параметров своих пороговых значений задерживают и сигнал помпажа формируют при наличии одновременно двух или более задержанных дискретных сигналов о превышении производными от параметров своих пороговых значений.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для формирования сигнала помпажа в зависимости от конкретных особенностей компрессора, условий его эксплуатации и типа его привода с пороговыми значениями сравнивают все или некоторые из следующих производных по времени от параметров: положительные производные от давления всасывания, давления в характерной точке проточной части, частоты вращения ротора и отрицательные производные от давления нагнетания, разности давлений нагнетания и всасывания, перепада давления на местном сопротивлении во входном или выходном патрубке, потребляемой компрессором мощности.
