本发明属于透平压缩机控制，具体涉及一种基于无量纲坐标系的压缩机防喘振控制方法。
背景技术：
1、压缩机是工业生产中的通用机械设备，喘振现象是透平式压缩机的固有特性，当压缩机发生喘振时容易造成工艺波动及压缩机机械损坏，而压缩机的防喘振控制具有保护压缩机不发生喘振和拓宽压缩机供气范围的作用，目前压缩机的防喘振控制主要用到喘振线和防喘振控制线，防喘振控制线由喘振线向安全区偏移预设安全裕度得到，通过使工作点位于防喘振控制线上，来起到防止发生喘振的作用。但是压缩机运行工况复杂，尤其是工艺气压缩机的运行工况尤为复杂和多变，不同工况下的压缩机喘振线也会发生相应的改变，在传统的有量纲压缩机防喘振坐标系中，各喘振线不重合，无法确定唯一的喘振线，因此为了确保运行安全，需要预留较大的安全裕度，但在进行防喘振控制时会使得压力下降很多，进而造成较大的浪费，且很难在各个工况下同时实现压缩机的节能与安全运行。同时压缩机是生产过程中的关键设备，压缩机相关工艺参数控制稳定性，对工艺生产有着积极的作用，因此对压缩机进行防喘振控制的同时还需要对压缩机相关工艺参数的稳定性进行考虑。
2、此外，现有的防喘振控制方案中，当压缩机要开机加载时，主要采用手动同时控制防喘振阀的开度和压缩机的转速或者防喘振阀和转速按照顺序动作(先将转速开到极限位置，然后再关防喘振阀)，来实现压缩机的加载，但是这种加载方法容易造成转速控制超调，压缩机出口压力过高，需要大量的回调动作，使得无效做功时间较长，加载过程时间较长；当压缩机要卸载停机时，有三种控制方案：方案一是由人工卸载(手动开防喘振阀，关转速)之后，再触发停机，但是该方案对人员操作要求较高；方案二是使压缩机在高负荷状态下直接触发停机，但是该方案对压缩机轴系的磨损较大；方案三是采用防喘振阀和转速独立卸载的方式，卸载过程中为开环过程，防喘振阀按照预设速率自动打开，转速按照预设速率自动关，但是当防喘振阀打开的预设速率和转速的预设速率匹配不合理时，也可能会造成压缩机发生喘振。另外，压缩机的防喘振阀开度和转速大小之间具有较强的耦合作用，防喘振阀动作和转速动作都会对压缩机工艺参数造成波动，现有的控制方案很难处理该耦合效应，只能将压缩机转速控制和防喘振阀控制进行分程控制，或者采用将转速控制选择手动控制，防喘振阀选择自动控制的方案，增加了压缩机操作人员的工作负荷和压缩机运行风险。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了克服现有技术不足，提出一种基于无量纲坐标系的压缩机防喘振控制方法。
2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
3、本发明一种基于无量纲坐标系的压缩机防喘振控制方法，具体如下：
4、步骤一、将进口管道安装在压缩机的进口，出口管道安装在压缩机的出口，并在进口管道上安装压力传感器一、温度传感器一和差压流量传感器，在出口管道上安装压力传感器二、温度传感器二和压缩机出口阀，在出口管道上靠近压缩机出口阀进口的位置处通过分流管道并联安装防喘振阀，且防喘振阀由pi控制器控制；接着在不同的工况下进行不同负载下的压缩机性能测试，得到每个工况下由不同负载下的各实验数据组合组成的实验数据集，实验数据组合由设定入口压力、设定入口温度、实际入口压力、实际入口温度、入口流量差压、出口压力和出口温度组成。
5、步骤二、建立压缩机喘振线无量纲坐标系，建立过程为：
6、(1)确定压缩机喘振线无量纲坐标系的横坐标和纵坐标，并建立无量纲直角坐标系。压缩机的体积流量和多变能头的计算公式分别为
7、
8、
9、式中，qs为体积流量，zs为压缩因子，ru为气体常数，且ru＝8.31441j/(mol*k)，ts为入口温度，mw为气体的分子量，dpo为入口流量差压，ps为入口压力，hp为多变能头，rc为压比，且rc＝pd/ps，pd为出口压力，rt为温比，且rt＝td/ts，td为出口温度，a为压缩机进口截面积；
10、对体积流量和多变能头的计算公式进行简化，移除相同部分，进而得到简化流量平方和简化能头的计算公式分别为
11、
12、
13、进一步简化简化能头的计算公式，得到
14、hr＝rc＝pd/ps
15、以dpo/(ps*x_h)*100％为横坐标，pd/(ps*y_h)*100％为纵坐标，建立无量纲直角坐标系，其中x_h为无量纲直角坐标系的横坐标上限系数，y_h为无量纲直角坐标系的纵坐标上限系数。
16、(2)将不同工况下的喘振线拟合成唯一的一条喘振线sl。
17、(3)绘制工作点op，并根据喘振线sl绘制防喘振控制线ascl、分段加载界线f_load和转速卸载起始线margin，进而得到压缩机喘振线无量纲坐标系。
18、步骤三、压缩机工作过程中实时计算防喘振控制偏差、限制控制偏差和超驰控制偏差，并采用偏差高选的方法，选取防喘振控制偏差、限制控制偏差以及超驰控制偏差中的最大偏差值作为pi控制算法的偏差值，然后根据偏差值计算pi控制算法的比例控制部分和积分控制部分，将比例控制部分和积分控制部分相加的结果作为pi控制器的输出值，来控制防喘振阀的开度，使工作点始终位于防喘振控制线上，同时使压缩机工艺参数满足工艺生产的需求。
19、优选地，将不同工况下的喘振线拟合成唯一的一条喘振线sl的过程为：将测得的入口流量差压值通过温压补偿公式计算到真实的入口流量差压，并将计算得到的各真实的入口流量差压代替各实验数据集中相应的测得的入口流量差压值；根据替换后的各实验数据集在无量纲直角坐标系内绘制每个工况下不同负载下的性能曲线；接着绘制每个工况下的喘振线，喘振线为不同负荷下压缩机的各喘振点从低到高的连线，各喘振点为不同负荷下性能曲线上的最左侧点，进而得到多条喘振线，然后将多条喘振线拟合成唯一一条的喘振线sl，且喘振线sl的左侧为压缩机喘振区，右侧为压缩机安全区。
20、更优选地，入口流量差压的温压补偿公式为
21、
22、式中，dpo_com为经过补偿后实际工况下真实的入口流量差压，dpo工为实际工况下测得的入口流量差压，p设为设计工况下的入口压力，t设为设计工况下的入口温度，p工为实际工况下测得的入口压力，t工为实际工况下测得的入口温度。
23、优选地，所述工作点op为压缩机运行时由实时监测得到的入口压力ps、出口压力pd和入口流量差压dpo计算得到的；防喘振控制线ascl为各防喘振控制点从低到高的连线，各防喘振控制点为喘振线sl上各喘振点沿压缩机安全区方向偏转预设安全裕度m1得到；分段加载界线f_load为各分段加载点从低到高的连线，各分段加载点由喘振线sl上各喘振点沿压缩机安全区方向偏转预设安全裕度m2得到；转速卸载起始线margin为各转速卸载点从低到高的连线，各转速卸载点由喘振线sl上各喘振点沿压缩机安全区方向偏转预设安全裕度m3得到；分段加载界线f_load和转速卸载起始线margin用于压缩机自动加载和自动卸载过程中的压缩机控制；其中，m3＞m2＞m1。
24、更优选地，设喘振点的坐标为(sl_x，sl_y)，防喘振控制点的坐标为(ascl_x，ascl_y)，分段加载点的坐标为(f_load_x，f_load_y)，转速卸载点的坐标为(margin_x，margin_y)，则ascl_y＝sl_y，ascl_x＝sl_x/(1-m1)，f_load_y＝sl_y，f_load_x＝sl_x/(1-m2)，margin_y＝sl_y，margin_x＝sl_x/(1-m3)。
25、优选地，防喘振控制偏差为
26、surge_diff＝surge_sv-surge_pv
27、其中，surge_pv为工作点op的横坐标值，且
28、surge_pv＝dpo时/(ps时*x_h)*100％
29、surge_sv为与工作点op所对应设定的防喘振控制点为过实时工作点的水平线与防喘振控制线ascl交点的横坐标值，且
30、surge_sv＝[dpo喘/(ps喘*x_h)*100％］/(1-m1)
31、式中，dpo时为实际测得的入口流量差压，ps时为实际测得的入口压力，pd时为实际测得的出口压力，dpo喘为压缩机处于与设定的防喘振控制点相对应喘振点时的入口流量差压，ps喘为压缩机处于与设定的防喘振控制点相对应喘振点时的入口压力；
32、限制控制偏差为
33、lmt_diff＝lmt_pv-lmt_sv
34、其中
35、lmt_pv＝(a2/a1)*100％
36、lmt_sv＝(a3/a1)*100％
37、式中，a1为限制控制的运行参数量程上限值，a2为限制控制的运行参数实际测得值，a3为限制控制的运行参数安全设定上限值；
38、超驰控制偏差为
39、orc_diff＝orc_pv-orc_sv
40、其中，
41、orc_pv＝(b2/b1)*100％
42、orc_sv＝(b3/b1)*100％
43、式中，a1为超驰控制的控制变量量程上限值，b2为超驰控制的控制变量实际测得值，b3为超驰控制的控制变量安全设定上限值。
44、更优选地，dpo喘/(ps喘*x_h)*100％的计算过程为：首先将喘振线sl拟合成多项式函数f(x)，f(x)＝sl_y，然后计算出多项式函数f(x)的反函数f-1(sl_y)，则dpo喘/(ps喘*x_h)*100％＝f-1(sl_y)，surge_sv＝f-1(sl_y)/(1-m1)。
45、优选地，压缩机加载或卸载过程时，pi控制器实时根据由防喘振控制偏差、限制控制偏差和超驰控制偏差中最大的偏差值来计算输出值，实时控制防喘振阀的开度以及压缩机的转速，使工作点始终位于防喘振控制线上，同时使压缩机的工艺参数满足工艺生产的需求，进而实现压缩机的自动加载或自动卸载。
46、本发明具有以下有益效果：
47、1、本发明能够将各工况下的喘振线拟合为一条唯一的喘振线，减小了所需预留的安全裕度，减少了浪费，且本发明在实现防喘振自动控制的同时，还能够满足工艺参数需求。具体地，本发明建立了压缩机喘振线无量纲坐标系，与传统的压缩机喘振线有量纲坐标系相比，本发明建立的压缩机喘振线无量纲坐标系使得不同工况下的各喘振线能够部分重合，进而使得各喘振线能够拟合为一条唯一的喘振线，从而减小了所需预留的安全裕度，减少了浪费，保证了压缩机安全和节能，且有利于防喘振控制基准的确定；进一步，本发明通过在压缩机工作时实时计算防喘振控制偏差、限制控制偏差和超驰控制偏差，并采用偏差高选的方法，选取各偏差中最大的偏差值作为pi控制算法的偏差值，然后pi控制器根据由选取的最大偏差值计算出的输出值来控制防喘振阀的开度，使得压缩机喘振线有量纲坐标系中的工作点始终位于防喘振控制线上，实现防喘振的自动控制，且由于由实时选取的最大偏差值计算的pi控制器输出值为当时防喘振阀的最大阀门开度值，可以在满足压缩机防喘振控制需求的同时，还能满足限制控制和超驰控制的控制需求，进而使得在实现防喘振的自动控制同时，还能够满足工艺参数需求。
48、2、本发明在将各工况下的喘振线拟合为一条唯一的喘振线之前，通过对入口流量差压进行温压补偿，将实际测得的入口流量经差压补偿至真实的入口流量差压，避免了压缩机的入口温度和入口压力对入口流量差压的影响，保证了入口流量差压值的准确性，进而保证了后续pi控制器的控制精度。
49、3、本发明具备解耦控制功能，使得压缩机在不发生喘振，且工艺参数满足需求的同时，实现防喘振阀和压缩机转速的同步自动控制，进而实现压缩机的自动加载或自动卸载。具体地，压缩机在加载或卸载过程中，根据工作点的位置，自动调整转速增大或减小的速率，并自动调整防喘振阀开闭的速率，直至完成压缩机的加载或卸载，使得压缩机在加载过程中，在防止发生喘振的同时，最大限度的缩短了加载过程，减少了无效做功时间，使得压缩机无需使用人工卸载、直接卸载或防喘振阀和转速独立卸载的卸载方式，也能够在防止发生喘振的同时，通过防喘振阀和转速同时卸载的卸载方式完成卸载工作。