基于变工况运行的压缩机动态防喘振的控制方法与流程
本公开涉及石油化工、煤化工、天然气化工等流程行业的离心式压缩机的动态防喘振控制应用中，特别适合于工艺气体分子量mw变化特变大(δmw＞20％)的离心式压缩机防喘振控制方法。
背景技术：
在石油化工、煤化工、天然气化工等流程行业中，工艺生产装置在开车阶段，需要经历空气吹扫、氮气置换、低压气密、高压气密等工艺过程，在这些工艺过程中气体分子量将发生剧烈改变；在正常生产期间，伴随着生产周期的进行，催化剂因为结焦等因素导致活性下降，使得反应气体的分子量mw在开工早期、开工中期、开工末期将发生很大改变；在一个生产周期结束后，伴随着催化剂的烧焦、再生、还原、硫化等工艺过程，气体分子量将再次发生剧烈改变。
对于上述行业中的工艺气体压缩机，由于上述的气体分子量mw发生的剧烈变化，通常考虑压缩机叶轮的功率限制、防止叶片发生功率遮断，在压缩机分子量mw发生剧烈变化的过程中，通常伴随着压缩机入口压力ps的显著改变，以保证在不同的气体分子量mw时压缩机叶轮叶片单位面积上的做功能力大致相当。
因此，对于石油化工、煤化工、天然气化工等流程行业中的离心式压缩机，气体分子量mw、压缩机入口压力ps的改变在所难免。通常压缩机的入口温度ts不会发生显著变化，因为压缩机上游通常有换热器换热。
离心式压缩机在流量降低到一定程度之后，会引起旋转失速现象的发生。旋转失速是离心式压缩机稳定运行的边界，如果流量进一步下降，将会导致离心式压缩机发生喘振。一旦发生喘振，离心式压缩机的振动与位移会明显上升，可能导致离心式压缩机严重的机械损坏，例如轴承损坏、叶片断裂、密封片断裂等等机械事故。另一方面，一旦发生喘振，由该离心式压缩机驱动的工艺过程将发生严重的压力振荡，对正常的工艺运行造成严重危害。因此，无论是出于对离心式压缩机自身的安全、平稳运行而言，还是出于对工艺过程的安全、平稳运行而言，在运行过程中对离心式压缩机进行防喘振控制与保护是十分必要和关键的。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于变工况运行的压缩机动态防喘振的控制方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
本公开提供了一种基于变工况运行的动态压缩机防喘振的控制方法，包括：
s1：在压缩机的性能曲线中的喘振极限线sll上均匀采点，根据性能曲线纵坐标的类型求简化的多变压头hr；
s2：求简化的流量平方qr2；
s3：以简化的流量平方qr2为横坐标，以简化的多变压头hr为纵坐标，建立无因次坐标系(qr2，hr)；
s4：将一台机械结构与内部流道固定不变的离心式压缩机在不同入口运行工况条件下的压缩机运行空间与喘振极限线sll，在该无因次坐标系中进行归一化处理，形成唯一的一条喘振极限线sll。
在本公开一些实施例中，压缩机变工况运行的变化包括压缩机入口压力(ps)改变、压缩机入口温度(ts)改变、压缩机入口气体比热比(ks)改变、压缩机入口气体压缩因子(zs)改变、压缩机入口气体分子量(mw)改变中至少一种。
在本公开一些实施例中，采点的压缩机性能曲线纵坐标为多变压头hp，或者压比rc，或者出口压力pd；采点的压缩机性能曲线横坐标是实际入口体积流量qs。
在本公开一些实施例中，所述步骤s1中，在压缩机的性能曲线中的喘振极限线sll上均匀采点包括：通过性能曲线的包络线获取喘振极限线sll，并使用数学工具，或者以手动的方式，在所述喘振极限线sll上均匀采点6～10点。
在本公开一些实施例中，所述步骤s1中，根据性能曲线纵坐标的类型求简化的多变压头hr包括：
如果性能曲线中的纵坐标是多变压头hp，则采用如下方法求简化的多变压头hr：
其中：
hr为求得的无量纲的简化多变压头，即无因次坐标系中模型参量的纵坐标；
hp为多变压头，单位kj/kg，通过采样工具从性能曲线图的喘振极限线sll上采点得到；
mw为气体分子量，从压缩机参数表得到；
zavg为气体的平均压缩因子，
ro为普适气体常数，通常取ro＝8.31441j/(mol*k)；
ts为压缩机的入口气体温度，单位k，从压缩机性能曲线或者压缩机参数表得到。
在本公开一些实施例中，所述步骤s1中，根据性能曲线纵坐标的类型求简化的多变压头hr包括：
如果性能曲线中的纵坐标是压比rc，则采用如下方法求简化的多变压头hr：
其中：
hr为求得的无量纲的简化多变压头，即无因次坐标系中模型参量的纵坐标；
rc为压缩机的出口比入口的压比，通过采样工具从性能曲线图的喘振极限线sll上采点得到；
σ为多变压缩过程的多变指数，
在本公开一些实施例中，所述步骤s1中，根据性能曲线纵坐标的类型求简化的多变压头hr包括：
如果性能曲线中的纵坐标是出口压力pd，则采用如下方法求简化的多变压头hr：
其中：
hr为求得的无量纲的简化多变压头，即无因次坐标系中模型参量的纵坐标；
rc为压缩机的出口比入口的压比，
σ为多变压缩过程的多变指数，
在本公开一些实施例中，所述步骤s2中，简化的流量平方qr2的求解方法如下：
其中：
qr2为求得的无量纲的简化流量平方，即无因次坐标系中模型参量的横坐标；
δpo，s为由采样点的采样数据计算得到的压缩机入口流量元件的流量差压，单位kpa；
其中：
qs为实际每小时的入口体积流量，单位acmh，通过采样工具从性能曲线图的喘振极限线sll上采点得到；
a为压缩机入口流量元件的流量系数，单位为mm2，其由流量元件计算书提供或者计算得到；
ρs为压缩机入口的气体密度，
其中，ps为压缩机入口气体压力，单位kpaa；
mw为气体分子量；
ro为普适气体常数，通常取ro＝8.31441j/(mol*k)；
ts为压缩机入口气体温度，单位k；
zs为压缩机入口气体压缩因子；
ps、mw、ro、ts、zs五个参数压缩机参数表得到。
在本公开一些实施例中，所述步骤s3中，建立无因次坐标系(qr2，hr)，其横坐标为无因次参量——简化的流量平方qr2，其纵坐标为无因次参量——简化的多变压头hr，其中，在该无因次坐标系中，同一台压缩机在不同工况下的喘振极限线sll重合。
在本公开一些实施例中，所述步骤s4中，所述不同入口运行工况条件包括气体分子量mw、入口压力ps、入口温度ts、入口气体比热比ks、入口气体压缩因子zs中至少一个参数发生改变时的工况。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于变工况运行的动态压缩机防喘振的控制方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)通过采用上述从相关工况坐标系到无因次坐标系的转换计算方法，能够唯一准确地定位压缩机在任何运行工况中的真实喘振极限线sll的位置，很好地克服了工艺气体分子量mw很大幅度变化时精确定义压缩机的喘振极限线sll、喘振控制线scl的困难，实现准确、高效、安全的离心式压缩机动态防喘振控制，显著提升压缩机组控制的自动化率；
(2)由于精确定位了当前压缩机入口工况条件下的真实的喘振极限线sll和喘振控制线scl，因此能够实现精确的防喘振控制，在很大程度上降低防喘振回流阀门或者放空阀门的开度，从而降低机组的能量消耗，产生明显的节能效果。
附图说明
图1为压缩机在入口工况条件1时的性能曲线。
图2为压缩机在入口工况条件2时的性能曲线。
图3为压缩机在入口工况条件3时的性能曲线。
图4为本公开第一实施例基于变工况运行的动态压缩机防喘振控制方法流程图。
具体实施方式
本公开提供了一种基于变工况运行的压缩机动态防喘振的控制方法。在石油化工流程行业，大量的离心式压缩机被广泛使用以增压和输送各类工艺气体以满足各类化工工艺装置的生产要求。然而在石油化工行业中，工艺气体压缩机的气体分子量mw通常剧烈变化，尤其是在装置的开车阶段和生产周期的不同阶段，气体分子量mw变化范围可能从几倍到十几倍，同时伴随很大程度的入口压力ps的变化。通常情况下，如果工艺气体分子量变化δmw超过20％，就会对离心式压缩机的防喘振控制造成很大困难，并导致离心式压缩机的防喘振控制不能实现准确、安全、高效和自动的控制方式，只能采用手动控制的方式，并且通常造成较大的能量浪费，机组的自动化率比较低。
本公开一种基于变工况运行的压缩机动态防喘振的控制方法，能够很好地克服工艺气体分子量mw很大幅度变化时精确定义压缩机的喘振极限线sll、喘振控制线scl的困难，实现准确、高效、安全的离心式压缩机动态防喘振控制，显著提升压缩机组控制的自动化率，同时因为该方法准确定位了各种入口运行工况条件下离心式压缩机喘振极限线sll的位置，因此具有非常好的节能效果。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，对本公开进一步详细说明。
通常情况下，离心式压缩机本身都有一个运行空间，运行空间的最小边界条件的集合称之为喘振极限线sll，如图1所示，为离心式压缩机运行空间的最典型的性能曲线，其横坐标通常是压缩机的入口体积流量qs，而纵坐标通常是被压缩气体的多变压头hp。通常由汽轮机拖动的离心式压缩机，在其表征运行空间的性能曲线上，显示5条由压缩机转速决定的性能曲线，分别为70％ne、80％ne、90％ne、100％ne和105％ne，其中ne为设计的额定转速，即100％转速。在离心式压缩机的运行过程中，压缩机的转速能够在70％ne～105％ne的范围内连续变化。在性能曲线中，所有转速线的最左边的端点的集合形成了离心式压缩机的喘振极限线sll。在压缩机的正常运行中，压缩机的运行点不能进入喘振极限线sll左边的空间运行，否则压缩机将发生喘振、对压缩机本体和生产装置产生巨大危害。
必须明确指出的是，压缩机的运行空间与性能曲线不是固定不变的，而是完全由压缩机的入口工况条件决定的。表示压缩机运行空间的性能曲线唯一有效于在该性能曲线上标明的入口工况条件，入口工况条件包括气体分子量mw、入口压力ps、入口温度ts、入口气体比热比ks、入口气体压缩因子zs。通常情况下，气体分子量mw、入口压力ps、入口温度ts三个参数中的任何一个或几个发生变化，会导致入口气体比热比ks和入口气体压缩因子zs变化。入口工况条件的五个参数发生改变，就会导致压缩机的运行空间与性能曲线发生变化，即压缩机的运行空间、性能曲线包括喘振极限线sll在压缩机的入口参数不同时，具体的空间位置是不一样的。
图2与图3显示的是与图1同一台压缩机的性能曲线与喘振极限线sll，即机械结构与内部流道固定不变的情况下，在不同的压缩机入口工况条件下时的性能曲线与喘振极限线sll的空间示意。为了对比在不同的压缩机入口工况条件下时的性能曲线与喘振极限线sll的区别，将入口工况1、入口工况2和入口工况3依次排列如下。由此可以看出压缩机的运行空间、性能曲线包括喘振极限线sll在压缩机的入口参数不同时，具体的空间位置也不一样。考虑到在石油化工领域中，离心式压缩机的入口工况条件通常会在一个完整的生产周期中发生很大的变化，因此对于入口工况条件变化很大的离心式压缩机，实现根据入口工况条件的变化而自动适应变化的动态防喘振控制方法与技术是非常关键和必要的。
以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于变工况运行的动态压缩机防喘振控制方法，该控制方法基于无因次建模技术，采用简化多变压头hr和简化流量平方qr2的坐标系统。在该坐标系统中，多变压头hr是无量纲的比值型参量，简化流量平方qr2同样是无量纲的比值型参量，通过采用这种基于比值的无量纲参量建立的无因此模型，可以将一台机械结构与内部流道固定不变的离心式压缩机在不同入口运行工况条件下，即气体分子量mw、入口压力ps、入口温度ts、入口气体比热比ks、入口气体压缩因子zs中任何一个或者任何几个参数发生改变而导致不同的压缩机运行空间与喘振极限线sll，在该无因次坐标系中得到归一化处理，形成唯一的一条喘振极限线sll。
所述归一化的喘振极限线sll，与压缩机的实际入口运行工况条件无关，而只与压缩机的机械结构与内部流道有关。由于压缩机的机械结构与内部流道是固定不变的(除非更换不同型号的转子与叶轮组件)，因此压缩机本身存在归一化的喘振极限线sll。
具体地，图4为本公开第一实施例基于变工况运行的动态压缩机防喘振控制方法流程图。如图4所示，本公开基于变工况运行的动态压缩机防喘振控制方法包括：
s1：在压缩机的性能曲线中的喘振极限线sll上均匀采点，根据性能曲线纵坐标的类型求简化的多变压头hr；
s2：求简化的流量平方qr2；
s3：以简化的流量平方qr2为横坐标，以简化的多变压头hr为纵坐标，建立无因次坐标系(qr2，hr)；
s4：将一台机械结构与内部流道固定不变的离心式压缩机在不同入口运行工况条件下的压缩机运行空间与喘振极限线sll，在该无因次坐标系中进行归一化处理，形成唯一的一条喘振极限线sll。
以下分别对本实施例基于变工况运行的动态压缩机防喘振控制方法的各个步骤进行详细描述。
所述步骤s1中，在压缩机的性能曲线上均匀采点时包括：使用数学工具，或者以手动的方式，从一台压缩机的性能曲线上采点。
本实施例中，一条喘振极限线sll均匀采点6～10点；其中，采点的压缩机性能曲线纵坐标可以是多变压头hp，或者压比rc，或者出口压力pd；采点的压缩机性能曲线横坐标可以是实际入口体积流量qs；
所述步骤s1中，根据性能曲线纵坐标的类型求简化的多变压头hr包括：
s101，如果性能曲线中的纵坐标是多变压头hp，则采用如下方法求简化的多变压头hr：
其中：
hr为求得的无量纲的简化多变压头，即无因次坐标系中模型参量的纵坐标；
hp为多变压头，单位kj/kg，通过采样工具从性能曲线图的喘振极限线sll上采点得到；
mw为气体分子量，从压缩机参数表得到；
zavg为气体的平均压缩因子，
ro为普适气体常数，通常取ro＝8.31441j/(mol*k)；
ts为压缩机的入口气体温度，单位k，从压缩机性能曲线或者压缩机参数表得到。
s102，如果性能曲线中的纵坐标是压比rc，则采用如下方法求简化的多变压头hr：
其中：
hr为求得的无量纲的简化多变压头，即无因次坐标系中模型参量的纵坐标；
rc为压缩机的出口比入口的压比，通过采样工具从性能曲线图的喘振极限线sll上采点得到；
σ为多变压缩过程的多变指数，
所述步骤s1中，多变压缩过程的多变指数σ因其本身的气体热力学特性，在压缩机入口气体工况发生改变时基本为常数，因此可以采用简化计算方法，即用压比rc代替简化多变压头hr作为无因次坐标系的纵坐标，同样能够实现对离心式压缩机在各种变化的运行工况中进行准确、高效、安全的动态防喘振计算与控制。
s103，如果性能曲线中的纵坐标是出口压力pd，则采用如下方法求简化的多变压头hr：
其中：
hr为求得的无量纲的简化多变压头，即无因次坐标系中模型参量的纵坐标；
rc为压缩机的出口比入口的压比，
σ为多变压缩过程的多变指数，
所述步骤s2中，简化的流量平方qr2的求解方法如下：
其中：
qr2为求得的无量纲的简化流量平方，即无因次坐标系中模型参量的横坐标；
δpo，s为由采样点的采样数据计算得到的压缩机入口流量元件的流量差压，单位kpa；
其中：
qs为实际每小时的入口体积流量，单位acmh，通过采样工具从性能曲线图的喘振极限线sll上采点得到；
a为压缩机入口流量元件的流量系数，单位为mm2，其由流量元件计算书提供或者计算得到；
ρs为压缩机入口的气体密度，
其中，ps为压缩机入口气体压力，单位kpaa；
mw为气体分子量；
ro为普适气体常数，通常取ro＝8.31441j/(mol*k)；
ts为压缩机入口气体温度，单位k；
zs为压缩机入口气体压缩因子；
ps、mw、ro、ts、zs五个参数压缩机参数表得到。
所述步骤s3中，建立无因次坐标系(qr2，hr)，其横坐标为无因次参量——简化的流量平方qr2，其纵坐标为无因次参量——简化的多变压头hr。在该无因次坐标系中，同一台压缩机在不同工况下的喘振极限线sll几乎是重合的，不管实际运行过程中压缩机的气体分子量mw、入口压力ps、入口温度ts、入口气体比热比ks、入口气体压缩因子zs如何变化，其真实的入口工况下的喘振极限线sll均与这条计算归一化的喘振极限线sll重合。
所述步骤s4中，机械结构与内部流道固定不变的离心式压缩机在不同入口运行工况条件下，即气体分子量mw、入口压力ps、入口温度ts、入口气体比热比ks、入口气体压缩因子zs中任何一个或者任何几个参数发生改变时，都会有不同的压缩机运行空间与喘振极限线sll，在该无因次坐标系中将喘振极限线sll归一化处理，形成唯一的一条喘振极限线sll。
通过采用上述从相关工况坐标系到无因次坐标系的转换计算方法，能够唯一准确地定位压缩机在任何运行工况中的真实喘振极限线sll的位置，从而为离心式压缩机安全、准确、高效的防喘振控制奠定了可靠的技术基础。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。
本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
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