錢 迪鄭 會張 沛王 帥劉 超趙 陽

（1.中國石油天然氣股份有限公司；2.沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司）

1 概述

陜京管道榆林壓氣站壓縮機組原有控制系統(tǒng)已運行十多年，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。控制系統(tǒng)的風(fēng)冷控制和負(fù)荷分配控制均不能正常工作，而且機組服務(wù)器之間、上位機與CPU之間一直存在不同步現(xiàn)象，所以亟需對控制系統(tǒng)國產(chǎn)化改造?？刂葡到y(tǒng)國產(chǎn)化改造項目是對三臺DY401-DY403曼透平壓縮機組。進(jìn)行調(diào)研后，對機組硬件系統(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。同時還需對上位機畫面友好度、下位機控制算法等提出改造方案。為了對三臺機組改造后控制系統(tǒng)的關(guān)鍵程序進(jìn)行驗證，搭建了仿真測試平臺。選擇UniSim仿真平臺并搭建以DY401-DY403三臺壓縮機為核心設(shè)備的虛擬工廠。此外，仿真測試平臺還具備針對現(xiàn)場操作人員的培訓(xùn)（OTS）功能，如模擬開車及運維管理等。

2 仿真模型搭建

當(dāng)壓縮機組控制系統(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

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

2.2 潤滑油站系統(tǒng)搭建

在管線壓縮機運行過程中，潤滑油站為壓縮機提供潤滑油。潤滑油應(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)零件提供潤滑與降溫作用，保障機組的穩(wěn)定運行[2]。在UniSim平臺中按照榆林站壓縮機組潤滑油站設(shè)備原件的實際尺寸與設(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

管線壓縮機運行過程中采用干氣密封方式為壓縮機密封端面提供密封氣。壓縮機干氣密封通常采用兩種氣源，即氮氣和工藝氣[3]。搭建仿真模型如圖2所示，在開車階段以穩(wěn)定的低壓氮氣為端面提供隔離氣、二級密封氣和一級密封氣。開車后，使工藝氣成為一級密封氣的氣源。調(diào)試低壓氮氣與工藝氣的電磁閥控制邏輯、一級密封氣與平衡管差壓的手/自動控制邏輯，為驗證真實機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

潤滑油站系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)組建成一個完整的虛擬工廠。若滿足允許啟動邏輯則可以通過手動或者一鍵開車邏輯（順控控制）進(jìn)行開車。運行后逐步關(guān)閉防喘振閥，機組進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)運行狀態(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)便可以實現(xiàn)相應(yīng)的控制邏輯。此時模型已經(jīng)完全符合模擬啟停車、性能驗證的基本條件。

利用OPC通訊模塊，開發(fā)出用于仿真平臺與控制系統(tǒng)通訊的專業(yè)通訊軟件。需要通訊的點包括PCS7控制系統(tǒng)中所有的模擬量、數(shù)字量輸入輸出點，以及為完成操作動作或者為強制某些值而建立的通訊點。這些數(shù)據(jù)點分為100ms的快周期點與500ms的慢周期點[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仿真測試平臺，如圖5所示。左邊兩塊屏幕中分別是PCS7的上位機與下位機。通過專業(yè)通訊軟件連接右側(cè)的仿真平臺。操作者可以在上位機操作各種控制邏輯。

圖5 天然氣壓縮機仿真測試平臺Fig.5 The simulation experiment test system of gas compressor

3 仿真測試平臺驗證控制系統(tǒng)性能

組建完成的仿真測試平臺可以真實有效地模擬壓縮機運行，為驗證改造后的控制算法提供可靠依據(jù)。壓縮機模型會真實反映由于進(jìn)口流量減小等工況變化而導(dǎo)致的喘振情況。在機組運行時，減小進(jìn)口流量或增大出口壓力，觀察防喘振閥開閥動作，驗證防喘振控制算法的準(zhǔn)確性。最后對三臺機組的負(fù)荷分配控制邏輯與風(fēng)冷控制邏輯進(jìn)行驗證。

3.1 風(fēng)冷控制邏輯與其仿真驗證

榆林站原有的控制系統(tǒng)是把壓縮機出口溫度與上位機的溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，以其偏差結(jié)果來控制空冷風(fēng)扇的啟動臺數(shù)，但是空冷風(fēng)扇一直未實現(xiàn)有效控制。榆林站有9組空冷風(fēng)扇，每組兩臺風(fēng)扇，每臺風(fēng)扇有高低不同轉(zhuǎn)速的兩臺電機，見圖6風(fēng)冷控制模型。原有控制方法總體響應(yīng)過長，且振蕩時間長，很難穩(wěn)定?，F(xiàn)根據(jù)啟動的壓縮機臺數(shù)快速打開若干臺風(fēng)扇，使壓縮機出口溫度快速下降，然后微調(diào)使其接近設(shè)定溫度，同時考慮四季的不同環(huán)境溫度對機組的風(fēng)冷效果造成不同的影響，把外部環(huán)境溫度與壓縮機出口溫度同時作為參考維度，則在年平均溫度下，只啟動一臺壓縮機，按如下順序啟動風(fēng)扇。

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

啟動前三臺風(fēng)扇的兩臺電機都為高速

啟動第四臺風(fēng)扇的第一臺電機為低速

調(diào)節(jié)上一臺風(fēng)扇電機為高速

啟動第四臺風(fēng)扇的第二臺電機為低速

調(diào)節(jié)上一臺風(fēng)扇電機為高速

啟動第五臺風(fēng)扇的第一臺電機為低速

調(diào)節(jié)上一臺風(fēng)扇電機為高速

啟動第五臺風(fēng)扇的第二臺電機為低速

調(diào)節(jié)上一臺風(fēng)扇電機為高速

……

對風(fēng)冷算法進(jìn)行仿真驗證，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，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)境溫度會明顯升高，考慮實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，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，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證

榆林站壓縮機組國產(chǎn)化改造項目對機組的負(fù)荷分配采用等相對喘振距離法，即通過調(diào)節(jié)，使壓縮機工作點到防喘線的相對距離相等[6]。如圖8所示，并聯(lián)的三臺機組負(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（單機控制盤）中的LSIC1、LSIC2、LSIC3（單機性能控制回路）與AS1、AS2、AS3（冷回流控制回路）組成。其中SCP通過現(xiàn)場LAN及硬線與兩個UCP數(shù)據(jù)通訊。MS用于檢測機組出口總管壓力，經(jīng)過偏差計算PID后對其加權(quán)，再發(fā)送到單機的LSIC1、LSIC2、LSIC3單元，再經(jīng)過PID計算發(fā)送至電機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

對負(fù)荷分配控制算法進(jìn)行仿真驗證，如圖9所示，提取冷回流閥門開度、單機組轉(zhuǎn)速、三機組總功率等要監(jiān)控的變量與相關(guān)操作變量。投入負(fù)荷分配控制，三臺機組的轉(zhuǎn)速逐漸上升，冷回流閥逐漸關(guān)閉，總功率逐漸上升，壓縮機工作點逐漸向壓比增高、流量增大的趨勢移動。當(dāng)運行穩(wěn)定后，得到三臺機組的工作點及性能曲線圖（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連成一條線，則這條線就是喘振線?？梢杂^察到，穩(wěn)定后三臺壓縮機的工作點與喘振線的相對距離基本相等，符合等相對喘振距離法的要求，從而實現(xiàn)了負(fù)荷分配控制算法的驗證。

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

圖10 三機組工作點及性能曲線圖Fig.10 Working point and performance curve diagram of the three units

4 結(jié)束語

搭建天然氣壓縮機仿真測試平臺可以對陜京榆林站DY401-DY403曼透平壓縮機組國產(chǎn)化改造后的控制系統(tǒng)進(jìn)行可操作性驗證與控制邏輯驗證?？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，操作人員可以通過人機界面對虛擬工廠進(jìn)行實時操控，確保壓縮機組穩(wěn)定運行，同時實現(xiàn)對現(xiàn)場操作人員的培訓(xùn)。

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

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

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