СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПОМПАЖА ТУРБОКОМПРЕССОРА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2005 года по МПК F04D27/02 G01M15/00 

Изобретение относится к области компрессоростроения, в частности к системам защиты от помпажа турбокомпрессоров, и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известны способы и устройства обнаружения помпажа турбокомпрессоров, основанные на многопараметрическом анализе динамики процесса компримирования и распознавания помпажа по совокупности признаков, например, по одновременному снижению давления нагнетания и перепада давления на расходомерном устройстве при постоянном или повышающемся давлении всасывания (Compressor Controls Corporation, “Система управления и противопомпажного регулирования газоперекачивающих агрегатов”, Методика проведения помпажных испытаний компрессора, 1999 г.).

Недостатком такого способа, равно как и других, связанных с определением скорости изменения измеряемых параметров путем дифференцирования сигнала датчиков, является низкая помехоустойчивость. Это повышает вероятность ложного формирования сигнала помпажа из-за наличия помех различной природы в измеряемых сигналах. Также к недостаткам следует отнести то, что в ряде случаев при помпаже турбокомпрессоров амплитуда и скорость изменения как давления нагнетания, так и перепада давления на расходомерном устройстве, весьма незначительны, и данный способ становится неэффективным.

Ближайшим по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ диагностики помпажа турбокомпрессора и система для его реализации (патент РФ №2172433, МПК F 04 D 27/02, опубл. БИ №23, 20.08.2001 г.).

Способ, принятый за прототип, включает измерение параметра, отражающего динамику процесса компримирования, непрерывное вычисление отношения среднеквадратичного отклонения измеряемого параметра к его среднему значению и формирование сигнала помпажа при превышении указанным отношением порогового значения.

При этом параметр помпажа, равный отношению среднеквадратичного отклонения измеряемого значения параметра к его среднему значению, определяют согласно системы уравнений:

R=σ/

,

где R - отношение среднеквадратичного отклонения измеряемого значения параметра к его среднему значению (параметр помпажа);

σ - среднеквадратичное отклонение измеряемого параметра;

- среднее значение измеряемого параметра;

S_i - значение сигнала на i-м отсчете;

N - число отсчетов сигнала.

Система, реализующая данный способ диагностики помпажа турбокомпрессора, содержит датчик измеряемого параметра, выход которого соединен через вычислитель с пороговым элементом, при этом вычислитель включает первые фильтр нижних частот и квадратор и вторые квадратор и фильтр нижних частот, соединенные последовательно, соответственно, причем входы первого фильтра и второго квадратора являются входом вычислителя, а выходы первого квадратора и второго фильтра присоединены, соответственно, к инвертирующему и прямому входам сумматора, выход которого соединен через корнеизвлекающее устройство с первым входом делителя, второй вход которого присоединен к выходу первого фильтра (см. описание к патенту РФ №2172433, кл. F 04 D 27/02, 2001 г.).

Преимуществом способа по прототипу перед аналогом является использование статистических методов обработки измеряемых сигналов при формировании параметра диагностики (распознавания) помпажа. Это позволяет повысить помехоустойчивость без снижения чувствительности за счет математически корректных процедур обработки сигналов.

Недостатком способа по прототипу является малая достоверность, присущая однопараметрическим способам диагностики (распознавания) помпажа, опирающимся на результаты обработки сигнала только одного измеряемого параметра. Это вызвано тем, что схожие признаки могут быть вызваны причинами, не имеющими отношения к помпажу, а определяться, например, сменой технологических режимов компрессорной установки (турбокомпрессора) или динамикой истечения газа в трубопроводах.

Изобретение решает задачу повышения качества опознавания помпажа, предусматривающую получение технического результата, заключающегося в увеличении достоверности и надежности диагностики помпажа, что расширяет область его практического применения.

Данный технический результат в части способа достигается за счет того, что в способе диагностики помпажа турбокомпрессора, включающем измерение параметра, отражающего динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре, статистическую обработку полученных результатов измерения, определение по результатам обработки значения величины помпажа турбокомпрессора и установление наличия помпажа турбокомпрессора при превышении полученным значением величины помпажа его заданного значения, одновременно с измерением основного измеряют не менее одного дополнительного параметра, отражающего динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре и коррелированно вместе с основным параметром, характеризующего процесс помпажа турбокомпрессора, при этом наличие помпажа турбокомпрессора устанавливают как значение ковариации значений величин основного и одного из дополнительных параметров. Кроме того, в качестве параметров, отражающих динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре, могут быть использованы перепад давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора и осевой сдвиг ротора турбокомпрессора, а значение величины помпажа турбокомпрессора определяют как значение ковариации значений величины перепада давления на расходомерном устройстве и значений величины осевого сдвига ротора турбокомпрессора. Кроме того, в качестве параметров, отражающих динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре, могут быть использованы также перепад давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора и скорость вращения ротора турбокомпрессора, а значение величины помпажа турбокомпрессора определяют как значение ковариации значений величины перепада давления на расходомерном устройстве и значений величины скорости вращения ротора турбокомпрессора.

Кроме того, в качестве параметров, отражающих динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре, могут быть также использованы давление нагнетания в турбокомпрессор и перепад давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора, а значение величины помпажа турбокомпрессора определяют как значение величины отношения значения ковариации значений величины давления нагнетания в турбокомпрессор и значений величины перепада давления на расходомерном устройстве к их средним значениям, при этом наличие помпажа турбокомпрессора устанавливают при условии неувеличения значений величины давления нагнетания с одновременным превышением значением величины помпажа турбокомпрессора его установленного значения. Кроме того, что в качестве параметров, отражающих динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре, могут быть также использованы давление нагнетания в турбокомпрессор и ток электропривода в турбокомпрессоре, а значение величины помпажа турбокомпрессора определяют как значение величины отношения ковариации значений величины давления нагнетания в турбокомпрессор и значений величины тока электропривода в турбокомпрессоре к их средним значениям, при этом наличие помпажа турбокомпрессора устанавливают при условии неувеличения значений величины давления нагнетания с одновременным превышением значением величины помпажа турбокомпрессора его установленного значения. Кроме того, в качестве параметров, отражающих динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре, могут быть также использованы перепад давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора и ток электропривода в турбокомпрессоре, а значение величины помпажа турбокомпрессора определяют как значение величины отношения ковариации значений величины перепада давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора и значений величины тока электропривода турбокомпрессора к их средним значениям, при этом наличие помпажа турбокомпрессора устанавливают при условии неувеличения значений величины перепада давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора с одновременным превышением значением величины помпажа турбокомпрессора его установленного значения.

Кроме того, значение ковариации величин параметров, отражающих динамику процесса компримирования, может быть определено согласно системе уравнений:

где X_i - текущее значение сигнала первого параметра;

Y_i - текущее значение сигнала второго параметра;

Х_i-1 - значение сигнала первого параметра на предыдущем отсчете;

Y_i-1 - значение сигнала второго параметра на предыдущем отсчете;

- текущее среднее значение сигнала первого параметра;

- текущее среднее значение сигнала второго параметра;

cov_i - текущее значение ковариации (параметр помпажа);

cov_i-1 - значение ковариации на предыдущем отсчете;

k - постоянный коэффициент (0<k<1).

Коэффициент k определяет постоянную времени усреднения в рекурсивных формулах для определения ковариации и характеризует временную апертуру распознавания помпажа. Выбор коэффициента определяется требуемым быстродействием распознавания помпажа, газодинамическими характеристиками компрессорной установки, периодом дискретизации и соотношением сигнал/шум измеряемых параметров.

Данный технический результат в части системы достигается за счет того, что система диагностики помпажа турбокомпрессора, содержащая датчик параметров компримирования, установленный на турбокомпрессоре и соединенный со входом первого фильтра нижних частот, второй фильтр нижних частот и сумматор, имеет дополнительный датчик параметров компримирования, установленный на турбокомпрессоре и соединенный выходом со входом второго фильтра нижних частот и прямым входом дополнительного сумматора, основной датчик параметров компримирования дополнительно связан выходом с прямым входом сумматора, выходы обоих сумматоров подключены ко входам умножителя, выход которого через третий фильтр нижних частот связан с одним из входов компаратора, соединенного другим входом с выходом источника пороговой величины напряжения, соответствующей помпажу турбокомпрессора, а выходом - со входом элемента задержки на включение сигнала помпажа, причем выходы первого и второго фильтров нижних частот связаны с инверсными входами, соответственно, основного и дополнительного сумматоров. Кроме того, элемент задержки на включение сигнала помпажа может быть выполнен с возможностью формирования соответствующего наличию помпажа турбокомпрессора непрерывного сигнала за счет задерживания заднего фронта поступающего на него импульса.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в качестве критерия диагностики (распознавания) помпажа принимают результаты сравнения со своими пороговыми значениями параметра помпажа, равного значению параметра помпажа, равного значению ковариации сигналов измеряемых параметров. В качестве источников сигналов, в зависимости от типа и состава компрессорной установки и ее системы автоматизации, может быть использована практически любая пара датчиков из следующих параметров: перепад давления на расходомерном устройстве, давление нагнетания, ток электропривода, частота вращения ротора компрессора и осевой сдвиг ротора. Также может быть использована и другая пара измеряемых параметров, но при этом необходимо, чтобы групповые свойства поведения сигналов этих параметров при помпаже удовлетворяли предложенному способу диагностики (распознавания).

Таким образом, для реализации способа необходимо в реальном масштабе времени измерение двух параметров и определение значения ковариации их сигналов, в основу расчета которых заложена вышеприведенная система уравнений. Необходимые вычисления легко реализуются на современных микропроцессорных контроллерах промышленной автоматизации.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема системы диагностики помпажа для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 изображены графики, иллюстрирующие способ диагностики помпажа на реальных сигналах, измеренных при проведении помпажных испытаний центробежного компрессора. Здесь представлены следующие графики: 1 - давление нагнетания; 2 - ток электропривода; 3 - ковариация сигналов нагнетания и тока электропривода; 4 - сигнал помпажа.

Система диагностики помпажа турбокомпрессора содержит датчики параметров компримирования 2 и 3, установленные на трубокомпрессоре (компрессорной установке) 1, фильтры нижних частот (ФНЧ) 4, 5 и 9, сумматоры 6 и 7, умножитель 8, компаратор 10 и элемент задержки на выключение сигнала помпажа, а также источник 12 пороговой величины напряжения, соответствующей помпажу турбокомпрессора.

В системе выход датчика 3 соединен со входами сумматора 6 и ФНЧ 4, выход ФНЧ 4 соединен с инверсным входом сумматора 6, выход датчика 2 соединен со входами сумматора 7 и ФНЧ 5, выход ФНЧ 5 соединен с инверсным входом сумматора 7, выходы сумматоров 6 и 7 соединены со входами умножителя 8, выход которого соединен со входом ФНЧ 9, в свою очередь, сигнал с выхода ФНЧ 9 поступает на один вход компаратора 10, выход которого соединен со входом элемента 11 задержки на выключение. Другой вход компаратора 10 соединен с выходом источника 12.

Система работает следующим образом.

В процессе работы компрессорной установки 1 датчики 2 и 3 непрерывно измеряют параметры компримирования. При этом сигнал датчика 3 поступает на ФНЧ 4, на выходе которого формируется среднее значение сигнала. Одновременно, сигнал датчика 3 поступает на сумматор 6, на инвертирующий вход которого поступает среднее значение указанного сигнала, при этом на выходе сумматора 6 формируется разность между текущим и средним значением сигнала датчика. Аналогично, сигнал датчика 2 поступает на ФНЧ 5 и сумматор 7, на выходе которого формируется разность между текущим и средним значением сигнала датчика 2. Разностные сигналы поступают на входы умножителя 8, на выходе которого формируется произведение разностей между текущими и средними значениями сигналов датчиков 2 и 3. Сигнал произведения поступает на вход ФНЧ 9, на выходе которого формируется значение ковариации сигналов датчиков. Превышение текущим значением ковариации установленного порогового значения, характеризующее помпаж турбокомпрессора, фиксируется компаратором 10, на выходе которого формируются импульсы, соответствующие каждому помпажному хлопку, или, в зависимости от характера помпажа, группе хлопков. Помпажные импульсы с выхода компаратора поступают на вход элемента 11 задержки на выключение сигнала помпажа, который на своем выходе формирует непрерывный сигнал помпажа за счет задержки заднего фронта каждого импульса, формируемого компаратором 10.

Сигнал наличия помпажа предназначен для использования в системах антипомпажной защиты компрессорных установок в целях экстренного вывода компрессора из опасных режимов работы или аварийной остановки.

Способность данного способа к распознаванию помпажа иллюстрируется фиг.2, где изображены графики давления нагнетания 1, тока электропривода 2, ковариации сигналов давления нагнетания и тока электропривода 3, а также сигнала помпажа 4.

Использование данного изобретения позволяет увеличить достоверность и надежность диагностики помпажа, расширяя, тем самым, область его практического применения.

Изобретение относится к области компрессоростроения, в частности к системам защиты от помпажа турбокомпрессоров, и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Изобретение позволяет повысить качество диагностики помпажа за счет увеличения достоверности и надежности диагностики помпажа, расширяя, тем самым, область практического применения. В основе способа диагностики помпажа лежит использование ковариации сигналов датчиков, измеряемые параметры которых коррелированно отражают явление помпажа. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в качестве критерия распознавания помпажа принимают результат сравнения с пороговым значением параметра помпажа, равного ковариации сигналов измеряемых параметров. Система распознавания помпажа содержит датчики параметров компримирования 2 и 3, установленные на компрессорной установке 1, фильтры нижних частот (ФНЧ) 4, 5 и 9, сумматоры 6 и 7, умножитель 8, компаратор 10 и элемент задержки на выключение 11. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ диагностики помпажа турбокомпрессора, включающий измерение параметра, отражающего динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре, статистическую обработку полученных результатов измерения, определение по результатам обработки значения величины помпажа турбокомпрессора и установление наличия помпажа турбокомпрессора при превышении полученным значением величины помпажа его заданного значения, отличающийся тем, что одновременно с измерением основного измеряют не менее одного дополнительного параметра, отражающего динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре и коррелированно вместе с основным параметром характеризующего процесс помпажа турбокомпрессора, при этом наличие помпажа турбокомпрессора устанавливают как значение ковариации значений величин основного и одного из дополнительных параметров.2. Способ диагностики помпажа турбокомпрессора по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров, отражающих динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре, используют перепад давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора и осевой сдвиг ротора турбокомпрессора, а значение величины помпажа турбокомпрессора определяют как значение ковариации значений величины перепада давления на расходомерном устройстве и значений величины осевого сдвига ротора турбокомпрессора.3. Способ диагностики помпажа турбокомпрессора по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров, отражающих динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре, используют перепад давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора и скорость вращения ротора турбокомпрессора, а значение величины помпажа турбокомпрессора определяют как значение ковариации значений величины перепада давления на расходомерном устройстве и значений величины скорости вращения ротора турбокомпрессора.4. Способ диагностики помпажа турбокомпрессора по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров, отражающих динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре, используют давление нагнетания в турбокомпрессор и перепад давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора, а значение величины помпажа турбокомпрессора определяют как значение величины отношения значения ковариации значений величины давления нагнетания в турбокомпрессор и значений величины перепада давления на расходомерном устройстве к их средним значениям, при этом наличие помпажа турбокомпрессора устанавливают при условии неувеличения значений величины давления нагнетания с одновременным превышением значением величины помпажа турбокомпрессора его установленного значения.5. Способ диагностики помпажа турбокомпрессора по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров, отражающих динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре, используют давление нагнетания в турбокомпрессор и ток электропривода в турбокомпрессоре, а значение величины помпажа турбокомпрессора определяют как значение величины отношения ковариации значений величины давления нагнетания в турбокомпрессор и значений величины тока электропривода в турбокомпрессоре к их средним значениям, при этом наличие помпажа турбокомпрессора устанавливают при условии неувеличения значений величины давления нагнетания с одновременным превышением значением величины помпажа турбокомпрессора его установленного значения.6. Способ диагностики помпажа турбокомпрессора по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров, отражающих динамику процесса компримирования в турбокомпрессоре, используют перепад давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора и ток электропривода в турбокомпрессоре, а значение величины помпажа турбокомпрессора определяют как значение величины отношения ковариации значений величины перепада давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора и значений величины тока электропривода турбокомпрессора к их средним значениям, при этом наличие помпажа турбокомпрессора устанавливают при условии неувеличения значений величины перепада давления на расходомерном устройстве турбокомпрессора с одновременным превышением значением величины помпажа турбокомпрессора его установленного значения.7. Способ диагностики помпажа турбокомпрессора по п.1, что значение ковариации величин параметров, отражающих динамику процесса компримирования, определяют согласно системе уравнений

где X_i - текущее значение сигнала первого параметра;

Y_i - текущее значение сигнала второго параметра;

X_i-1 - значение сигнала первого параметра на предыдущем отсчете;

Y_i-1 - значение сигнала второго параметра на предыдущем отсчете;

- текущее среднее значение сигнала первого параметра;

- текущее среднее значение сигнала второго параметра;

cov_i - текущее значение ковариации (параметр помпажа);

cov_i-1 - значение ковариации на предыдущем отсчете;

k - постоянный коэффициент (0<k<1).