СПОСОБ ПРОТИВОПОМПАЖНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРА Российский патент 2005 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к области компрессоростроения и эксплуатации турбокомпрессоров, в частности к области противопомпажного регулирования и защиты.

Известны способы противопомпажного регулирования турбокомпрессоров (Авторское свидетельство №985450, СССР, 30.12.82 г., Бюл. №48, F 04 D 27/02, патент РФ №1466394, 10.06.97 г., Бюл. №16/97, F 04 D 27/02, Шабашов С.З. и др. Регулирование газотурбинных агрегатов, г. Ленинград, изд. Недра, 1983 г., патенты РФ №2187711, F 04 D 27/02, опубл. 20.08.02 г., и №2172433, F 04 D 27/02, опубл. 20.08.01 г.) путем формирования сигнала при помпажном или предпомпажном состоянии компрессора и использования полученного сигнала в открытом алгоритме полного открытия противопомпажного клапана компрессора, остающегося открытым вплоть до вмешательства обслуживающего персонала. Способ обеспечивает защиту компрессора от помпажа, но в результате открытия клапана рабочая точка компрессора перемещается бесконтрольно и оказывается в области устойчивых режимов на значительном удалении от границы помпажа, компрессор перестает работать на потребителя.

Известны также способы противопомпажного регулирования турбокомпрессоров ("Опыт эксплуатации систем противопомпажного регулирования и защиты газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций", ВНИИЭГазпром, Обзорная информация. Серия "Транспорт и хранение газа", вып.10, М., 1986 г.; "Автоматизация процессов газовой промышленности". Под общ. ред. А.З.Шайхутдинова и др., СПб., Наука, 2003 г., Авторское свидетельство №1201555, СССР, опубл. 30.12.85 г., Бюл. №4, патенты РФ №2220328, F 04 D 27/02, опубл. 27.12.03 г. и №2168071, F 04 D 27/02, опубл. 27.05.01 г.), в которых управляющее воздействие, подаваемое на привод противопомпажного клапана, формируют в замкнутом контуре регулирования в зависимости от отклонения рабочей точки компрессора от линии регулирования, отстоящей на заданную величину зоны безопасности от границы помпажа в область устойчивых режимов. При отклонении рабочей точки от линии регулирования в направлении границы помпажа управляющее воздействие открывает клапан, а при отклонении в противоположном направлении - закрывает его.

Чем больше величина зоны безопасности, тем эффективнее замкнутый контур регулирования может противостоять возмущениям, могущим привести к помпажу компрессора.

Однако увеличение величины зоны безопасности отрицательно сказывается на экономичности компрессора из-за того, что открытие противопомпажного клапана происходит в области заведомо устойчивых режимов, а работа компрессора с открытым противопомпажным клапаном резко ухудшает его экономические показатели. В практике противопомпажного регулирования величину зоны безопасности выбирают обычно равной 5...12% регулируемой величины в точке номинального режима компрессора.

Стремление максимально уменьшить зону безопасности приводит к тому, что описанный замкнутый контур регулирования оказывается не в состоянии противостоять достаточно быстрым и мощным возмущениям по расходу через компрессор, которые возможны в процессе эксплуатации. В результате известные способы оказываются недостаточно эффективными и компрессор, несмотря на действие системы регулирования, может оказаться в помпаже.

Известен также ближайший по технической сущности и достигаемой эффективности к заявляемому и выбранный в качестве прототипа способ противопомпажного регулирования турбокомпрессоров, используемый фирмой "Compressor Controls Corporation", США (способ описан в проспекте фирмы "Регулирование, улучшающее надежность и эффективность турбомашин", США, 1992 г., а также в книге "Автоматизация процессов газовой промышленности", Под общ. ред. А.З.Шайхутдинова и др., СПб., Наука, 2003 г.), в котором для компенсации возмущений, с которыми не в состоянии справиться замкнутый контур пропорционально-интегрального регулирования, применяют специальный алгоритм дифференцирующего воздействия, обеспечивающий временное смещение линии регулирования в область устойчивых режимов навстречу быстро движущейся в направлении границы помпажа рабочей точке. Величина смещения линии регулирования определяется скоростью движения рабочей точки: чем больше скорость, тем больше смещение линии регулирования. При этом скорость движения рабочей точки в способе-прототипе определяют, дифференцируя текущее значение регулируемого параметра. Указанный алгоритм обеспечивает упреждающее открытие противопомпажного клапана, когда рабочая точка еще находится в области устойчивых режимов, но быстро движется к помпажу и достигает смещающуюся навстречу к ней линию регулирования.

В способе-прототипе, как и в способе, который заявляется, для реализации замкнутого контура регулирования измеряют текущие значения параметров, характеризующих положение рабочей точки компрессора в принятой системе координат. Вычисляют по измеренным параметрам текущее значение регулируемого параметра. Вычисляют текущее значение задания регулятора, соответствующее линии регулирования, положение которой не постоянно. Вычисляют текущее рассогласование регулятора в виде разности значений регулируемого параметра и задания. Формируют по пропорционально-интегральному закону управляющее воздействие и подают управляющее воздействие на вход привода противопомпажного клапана. При этом в способе-прототипе положение линии регулирования изменяется в зависимости от скорости движения рабочей точки в направлении границы помпажа, определяемой путем дифференцирования текущего значения регулируемого параметра. При неподвижной рабочей точке или при движении рабочей точки в направлении устойчивых режимов положение линии регулирования постоянно и соответствует базовому положению. При движении рабочей точки в направлении границы помпажа чем больше скорость движения, тем больше линия регулирования смещается из базового положения в зону устойчивых режимов. Указанное позволяет замкнутому контуру регулирования в способе-прототипе лучше, чем в способах-аналогах, противостоять опасным возмущениям, могущим привести к помпажу компрессора, так как обеспечивает упреждающее открытие противопомпажного клапана, когда рабочая точка еще находится в зоне устойчивых режимов, но движется с опасной скоростью в направлении границы помпажа.

Недостатком способа-прототипа является недостаточная надежность алгоритма дифференцирующего воздействия, а зачастую невозможность его использования в связи со следующим обстоятельством. Положение рабочей точки на поле характеристик компрессора определяется комплексом параметров, среди которых определяющим является расход газа через компрессор. Для канала измерения этого параметра характерно наличие высокочастотных помех (пульсаций), связанных с турбулентностью потока и особенностями измерения расхода по перепаду давления на сопротивлении во входном патрубке компрессора. Иногда амплитуда пульсаций сопоставима с величиной измеряемого параметра. Наличие пульсаций делает невозможным дифференцирование этого параметра для вычисления скорости движения рабочей точки. Попытки использования высокочастотных фильтров приводят к уменьшению быстродействия канала измерения, что сводит на нет преимущества, получаемые от использования дифференцирующего алгоритма, и приводит к нецелесообразности, а часто и к невозможности его применения.

Другой недостаток способа-прототипа связан с тем, что начало и величина упреждающего открытия противопомпажного клапана зависят не только от скорости движения рабочей точки, но и от первоначального ее положения. Это приводит к сложности в определении оптимальной зависимости величины сдвига линии регулирования от скорости движения рабочей точки, которая с одной стороны должна обеспечивать достаточную эффективность замкнутого контура регулирования с точки зрения недопущения помпажа, а с другой стороны не должна приводить к неоправданно частым и необоснованным открытиям противопомпажного клапана в области устойчивых режимов. Последнее отрицательно сказывается на экономических показателях работы компрессора.

Задача, решаемая изобретением, состоит в расширении области применения способа противопомпажной защиты, обеспечивающего упреждающее открытие противопомпажного клапана при опасных возмущениях, могущих привести к помпажу в тех случаях, когда известный способ оказывается не применим из-за сильных помех в канале измерения расхода газа. Решение указанной задачи позволяет достичь технического результата, заключающегося в увеличении эффективности, экономичности и надежности противопомпажного регулирования.

Для решения поставленной задачи в известном способе противопомпажного регулирования, включающем формирование управляющего воздействия на положение противопомпажного клапана замкнутым контуром пропорционально-интегрального регулирования при отклонении рабочей точки от линии регулирования, положение которой не постоянно, сдвигают линию регулирования из ее базового положения в область устойчивых режимов на величину f (см. фиг.1) так, чтобы линия регулирования безынерционно следовала бы за рабочей точкой с заданным смещением d (см. фиг.1), находясь между рабочей точкой и границей помпажа, но при этом контролируют текущее значение сдвига f линии регулирования, ограничивая сдвиг линии регулирования в область устойчивых режимов от базового положения заданным значением, ограничивают приближение линии регулирования к границе помпажа базовым положением линии регулирования, то есть чтобы линия регулирования не приблизилась ближе, чем на заданную величину зоны безопасности, или удалилась от базового положения на расстояние, большее, чем заданное значение fmax, и контролируют текущее значение скорости движения линии регулирования в направлении границы помпажа, ограничивая ее заданным предельно-большим значением. При пересечении рабочей точкой линии регулирования, двигающейся в направлении границы помпажа, текущее положение линии регулирования фиксируют на все время нахождения рабочей точки между фактическим положением линии регулирования и границей помпажа.

Заданное смещение линии регулирования от рабочей точки может составлять 1...20%, максимально-большой сдвиг линии регулирования от базового положения - 10...100% регулируемого параметра в точке номинального режима. Заданное предельно-большое значение скорости движения линии регулирования в направлении границы помпажа может составлять 1...50% в секунду.

Конкретные значения заданного смещения линии регулирования от рабочей точки, заданного максимально-большого сдвига линии регулирования от базового положения и заданного предельно-большого значения скорости движения линии регулирования в направлении границы помпажа определяют при настройке конкретной системы и устанавливают такими, чтобы, с одной стороны, упреждающе открывать клапан в области устойчивых режимов при мощных возмущениях, которые не могут быть компенсированы работой регулятора при базовом положении линии регулирования, а с другой, - не открывать клапан в области устойчивых режимов при слабых возмущениях, не создающих реальной угрозы помпажа.

Заданное смещение линии регулирования от рабочей точки можно делать переменным, зависящим от текущего расстояния между рабочей точкой и линией регулирования в ее базовом положении, таким образом, чтобы при нахождении рабочей точки на линии регулирования в ее базовом положении заданное смещение было минимально, а по мере увеличения расстояния между рабочей точкой и базовым положением линии регулирования, когда опасность помпажа уменьшается, заданное смещение увеличивалось бы, например, пропорционально степени удаленности.

Применение заявляемого способа в отличие от известных способов позволяет держать под контролем все изменения режима работы компрессора, в том числе и при нахождении рабочей точки в области устойчивых режимов. При опасной с точки зрения возникновения помпажа скорости движения рабочей точки в направлении границы помпажа, удерживающейся в течение времени, необходимого для того, чтобы рабочая точка догнала и пересекла двигающуюся в направлении границы помпажа с предельной скоростью линию регулирования, заявляемый способ обеспечивает упреждающее открытие противопомпажного клапана и последующее регулируемое движение рабочей точки в направлении границы помпажа по заданной траектории со скоростью, не превосходящей заданное предельно-большое значение.

В заявляемом способе в отличие от способа-прототипа, определяют скорость движения линии регулирования, ограничивают эту скорость в направлении границы помпажа и формируют управляющее воздействие на упреждающее регулируемое открытие противопомпажного клапана в случае, когда рабочая точка перегоняет двигающуюся в направлении границы помпажа с предельной скоростью линию регулирования и оказывается между ней и границей помпажа. Таким образом, заявляемый способ предполагает упреждающее регулируемое открытие противопомпажного клапана при движении рабочей точки в направлении границы помпажа со скоростью, большей, чем заданное пороговое значение, без определения скорости движения рабочей точки путем дифференцирования пульсирующего параметра.

Указанные существенные признаки, характеризующие сущность заявляемого технического решения, не известны в подобной совокупности и взаимосвязи в настоящее время для способов противопомпажного регулирования 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".

Сущность заявляемого способа поясняется следующими чертежами:

Фиг.1 - взаимное расположение рабочей точки компрессора, границы помпажа, базового и текущего положения линии регулирования на поле характеристик компрессора.

Фиг.2 - пример осуществления заявляемого способа противопомпажного регулирования турбокомпрессора - блок-схема алгоритма, предназначенного для реализации заявляемого способа.

Фиг.3 - алгоритм работы блока автоматического задатчика.

Фиг.4 - осциллограммы переходных процессов, подтверждающие решение задачи и достижение технического результата изобретения.

На Фиг.1 взаимное расположение рабочей точки компрессора, границы помпажа и линии регулирования на поле характеристик компрессора изображены в условных координатах X-Y, где X, Y представляют собой выбранные комплексы параметров. Для целей противопомпажного регулирования могут использоваться различные системы координат. Критерием выбора служит независимость рассогласования регулятора (разности регулируемого параметра и задания) от параметров газа на входе в компрессор. Параметр Х обычно характеризует расход газа через компрессор, а параметр Y - приращение энергии газа в компрессоре. Широко применяется система координат, в которой осью ординат (Y) является политропический напор компрессора, который для компрессоров с маленькой (меньше двух) степенью сжатия может быть заменен разностью давлений нагнетания и всасывания, а осью абсцисс (X) - частное от деления перепада давления на сопротивлении во входном патрубке компрессора на давление всасывания.

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 противопомпажного регулятора, описание которого приведено ниже. Кроме контроллера в противопомпажном регуляторе используют датчики физических параметров, сигналы которых являются входными сигналами контроллера. Выходной сигнал контроллера используют для управления приводом противопомпажного клапана.

В противопомпажный регулятор вводят положение границы помпажа, получаемое обычно экспериментально при помпажном тестировании, и величина зоны безопасности, которая определяет смещение линии регулирования от границы помпажа в область устойчивых режимов, составляющее обычно 5...12% значения регулируемой величины в точке номинального режима. Граница помпажа в общем случае является кривой произвольной формы. Обычно ее аппроксимируют кусочно-линейной кривой, состоящей из одного-трех прямых участков. На фиг.1 для примера граница помпажа изображена состоящей из трех прямых участков.

Датчиками физических параметров измеряют текущие значения параметров, характеризующих положение рабочей точки компрессора в принятой системе координат. Вычисляют по измеренным параметрам текущее значение регулируемого параметра. Вычисляют текущее значение задания регулятора (Хзд б), соответствующее базовому положению линии регулирования, сдвинутой на заданную величину зоны безопасности (ЗБ) от границы помпажа в область устойчивых режимов.

Если текущее значение регулируемого параметра меньше, чем предыдущее значение задания (Х<Хзд*, где Х - текущее значение регулируемого параметра, Хзд* - задание регулятора, определенное на предыдущем цикле счета) - то есть требуется открытие противопомпажного клапана, текущему значению задания присваивают его предыдущее значение (Хзд=Хзд*, где Хзд - текущее значение задания). То есть в этом случае значение задания фиксируют. В противном случае текущему заданию присваивают предварительное значение (Хзд=Х-d, где d - заданное смещение задания от регулируемого параметра) и рассматривают следующие варианты.

Если предварительное значение текущего задания регулятора (Хзд) оказывается больше, чем значение задания, соответствующее базовому положению линии регулирования (Хзд б), увеличенное на величину максимально-большого сдвига (fmax), то есть (Хзд>Хздб+fmax) окончательно текущему заданию присваивают значение (Хзд=Хздб+fmax). То есть ограничивают величину сдвига линии регулирования от базового положения.

Если предварительное значение текущего задания регулятора оказывается равно или меньше, чем текущее значение задания, соответствующего базовому положению линии регулирования (Хзд≤Хздб), окончательно текущему заданию присваивают значение задания, соответствующего базовому положению линии регулирования (Хзд=Хздб). То есть линии регулирования не разрешают приближаться к границе помпажа ближе, чем ее базовое положение.

В противном случае определяют направление движения рабочей точки.

Если рабочая точка движется в направлении устойчивых режимов от границы помпажа или неподвижна, то есть текущее значение регулируемого параметра больше или равно, чем его значение на предыдущем цикле счета (Х≥Х*), текущему заданию окончательно присваивают его предварительное значение (Хзд=Х-d). То есть линия регулирования отслеживает изменение регулируемого параметра со смещением d.

Если рабочая точка движется в направлении границы помпажа, то есть текущее значение регулируемого параметра меньше, чем его значение на предыдущем цикле счета (Х<Х*), предварительное значение задания сравнивают со значением задания на предыдущем цикле счета. В случае если разность этих величин меньше или равна заданному значению разности (Хзд*-Хзд≤s, где s - заданное значение разности, или физически - заданное предельно большое значение скорости перемещения линии регулирования в направлении границы помпажа), текущему заданию окончательно присваивают его предварительное значение (Хзд=Х-d). То есть линия регулирования движется в направлении границы помпажа перед рабочей точкой со скоростью рабочей точки, сохраняя смещение d.

В случае если разность величин Хзд* и Хзд больше заданного значения разности (Хзд*-Хзд>s), величину текущего задания окончательно вычисляют, вычитая из величины задания на предыдущем цикле счета заданное значение разности (Хзд=Хзд*-s). В этом случае линия регулирования движется в направлении границы помпажа со своей, предельно большой скоростью, а рабочая точка движется в том же направлении с большей скоростью, постепенно сокращая расстояние между ней и линией регулирования. В момент, когда рабочая точка перегоняет линию регулирования (Х<Хзд*), линию регулирования фиксируют в соответствии с рассмотренным выше случаем.

После определения окончательного текущего значения задания регулятора вычисляют текущее рассогласование регулятора в виде разности текущих значений регулируемого параметра и задания (е=Х-Хзд). Формируют по пропорционально-интегральному закону управляющее воздействие и подают управляющее воздействие на вход привода противопомпажного клапана.

При нахождении рабочей точки компрессора на линии регулирования рассогласование регулятора равно нулю (е=Х-Хзд=0). Равно нулю и управляющее воздействие, формируемое замкнутым контуром регулирования. Перепускной противопомпажный клапан сохраняет свое положение неизменным.

При отклонении рабочей точки от линии регулирования в направлении границы помпажа и возникновении отрицательного рассогласования регулятора (е=Х-Хзд<0) формируется управляющее воздействие, представляющее собой сумму управляющих воздействий пропорциональной и интегральной частей замкнутого контура регулирования и направленное на открытие клапана. Клапан открывается, препятствуя дальнейшему движению рабочей точки в направлении границы помпажа и возвращая рабочую точку на линию регулирования.

При отклонении рабочей точки от линии регулирования в направлении области устойчивых режимов в соответствии с положительной величиной рассогласования (е=Х-Хзд>0) аналогичным образом формируется управляющее воздействие, направленное на закрытие клапана. Клапан закрывается. Рабочая точка при этом стремится к линии регулирования, но линия регулирования на каждом цикле счета отступает от нее, сохраняя величину смещения d. Этот процесс продолжается до тех пор, пока линия регулирования не достигнет своего базового положения или до полного закрытия клапана. В последнем случае клапан остается полностью закрытым, пока рабочая точка находится в области устойчивых режимов и не перемещается в направлении границы помпажа со скоростью, большей, чем заданная.

При выборе величины смещения d следует руководствоваться следующими соображениями. Во-первых, величина d должна обеспечивать постоянное формирование управляющего воздействия, направленного на закрытие клапана. При этом скорость закрытия клапана должна быть такой, чтобы рабочая точка двигалась в направлении границы помпажа со скоростью, не превышающей заданное предельно разрешенное значение. Во-вторых, величина d, с одной стороны, должна обеспечивать упреждающее открытие клапана для компенсации опасных возмущений, характеризующихся достаточной интенсивностью и длительностью, и с другой стороны, должна отфильтровывать хотя и интенсивные, но кратковременные возмущения. В частности, величина d должна превосходить реально имеющую место амплитуду пульсаций регулируемого параметра.

В приведенной на фиг.2 блок-схеме алгоритма, предназначенного для реализации предлагаемого способа и являющегося примером осуществления заявляемого способа противопомпажного регулирования турбокомпрессора, используются три датчика физических параметров: давления нагнетания (Рн), давления всасывания (Рвс) и перепада давления на входном патрубке компрессора (dp). Сигналы датчиков (Рвс) и (dp) подают на блок вычисления текущего значения регулируемого параметра X, который в данном примере вычисляют как частное от деления перепада давления на входном патрубке компрессора на давление всасывания (dp/Рвс). Сигналы датчиков (Рн) и (Рвс) подают на блок вычисления текущего значения параметра Y, который вычисляют как разность давлений нагнетания и всасывания (Рн-Рвс).

В рассматриваемом примере для простоты принято, что границу помпажа аппроксимируют прямой линией с угловым коэффициентом (а), смещенную из начала координат на величину (в).

Текущее значение параметра Y подают на блок вычисления абсциссы точки, находящейся на границе помпажа и имеющей ординату Y:(Хгп=a*Y+B), а затем на блок вычисления абсциссы соответствующей ей точки, находящейся на линии регулирования в ее базовом положении: (Хздб=Хгп+ЗБ), где ЗБ - зона безопасности, - заданное смещение линии регулирования от границы помпажа в направлении устойчивых режимов и составляющее в описываемом примере 6% величины Х в точке номинального режима. Величина Хздб является текущим заданием регулятора, соответствующим базовому положению линии регулирования.

Отличительной особенностью описываемого алгоритма противопомпажного регулирования является то, что перед вычислением текущего рассогласования регулятора текущие значения регулируемого параметра Х и задания (Хздб) подают на блок автоматического задатчика, в котором производится определение текущего значения задания регулятора в соответствии с алгоритмом работы блока автоматического задатчика, который в графической форме приведен на фиг.3 и заключается в следующем.

Производят сравнение текущего значения регулируемого параметра (X) и значения задания регулятора, определенного на предыдущем цикле счета (Хзд*).

При (Х<Хзд*) текущему значению задания присваивают его значение, определенное на предыдущем цикле счета (Хзд=Хзд*), то есть значение задания фиксируют.

В противном случае производят вычисление смещения d как функции от разности (Х-Хздб) и текущему значению задания регулятора присваивают предварительное значение (Хзд=Х-d). Сравнивают полученное значение задания со значением задания, соответствующим базовому положению линии регулирования.

При (Хзд>Хздб+fmax) текущему значению задания присваивают значение (Хзд=Хздб+fmax), то есть ограничивают величину максимального сдвига заданным значением (fmax).

При (Хзд≤Хздб) текущему значению задания присваивают текущее значение задания, соответствующее базовому положению линии регулирования (Хзд=Хздб), то есть не разрешают линии регулирования приближаться к границе помпажа ближе, чем базовое положение.

В противном случае определяют направление движения рабочей точки, сравнивая текущее значение регулируемого параметра (X) и значение регулируемого параметра на предыдущем цикле счета (X*).

При (Х≥Х*), что соответствует неподвижной рабочей точке или ее движению в направлении устойчивых режимов, текущее значение задания регулятора окончательно оставляют равным его предварительному значению (Хзд=Х-d). В этом случае задание регулятора отслеживает значение регулируемого параметра со смещением (d).

В противном случае предварительное значение задания регулятора (Хзд) сравнивают с заданием регулятора на предыдущем цикле счета (Хзд*).

При (Хзд*-Хзд>s, где s - предельно-допустимое изменение задания регулятора в направлении границы помпажа за один цикл счета, определяемое исходя из заданной предельно-большой скорости смещения линии регулирования в направлении границы помпажа) текущему заданию регулятора окончательно присваивают значение (Хзд=Хзд*-s). То есть скорость движения линии регулирования в направлении границы помпажа ограничивают заданным предельно-большим значением.

В противном случае текущее значение задания регулятора окончательно оставляют равным его предварительному значению (Хзд=Х-d). То есть в этом случае, когда линия регулирования движется в направлении границы помпажа со скоростью, не превышающей заданное предельно-большое значение, так же как и при движении рабочей точки в область устойчивых режимов текущее задание регулятора отслеживает значение регулируемого параметра со смещением (d).

В конце алгоритма производится подготовка к следующему циклу счета: значению регулируемого параметра на предыдущем цикле счета присваивают его текущее значение (Х*=Х) и значению задания на предыдущем цикле счета присваивают его текущее значение (Хзд*=Хзд).

Окончательное текущее значение задания регулятора (Хзд), являющееся выходом блока автоматического задатчика, и текущее значение регулируемого параметра используют для вычисления текущего рассогласования (е=Х-Хзд), которое подают к блоку ПИ-регулятора (см. фиг.2).

В блоке ПИ-регулятора по пропорционально-интегральному закону формируют управляющее воздействие, являющееся функцией величины рассогласования (е). Управляющее воздействие подают на вход привода противопомпажного клапана (ППК), который осуществляет перемещение противопомпажного клапана таким образом, чтобы уменьшить текущее рассогласование регулятора - возвратить рабочую точку на линию регулирования.

Описанный алгоритм прошел стадию лабораторных исследований на модели.

На фиг.4 приведены осциллограммы переходных процессов, полученные при проведении двух опытов. На осциллограммах: кривая 1 - перемещение крана в напорной магистрали компрессора (0% - кран закрыт, 100% - кран открыт), кривая 2 - ход противопомпажного клапана (0% - клапан закрыт, 100% - клапан открыт), кривая 3 - регулируемый параметр, кривая 4 - линия регулирования, кривая 5 - базовое положение линии регулирования, кривая 6 - граница помпажа.

На осциллограмме а) приведен переходный процесс согласно заявляемому способу противопомпажного регулирования. Для простоты смещение линии регулирования от рабочей точки задавалось постоянным, не зависящим от расстояния рабочей точки от базового положения границы помпажа (d=const=3% величины Х в точке номинального режима, что составило 3 кПа, Х_пом=100 кПа). Ограничение на предельно-большую величину сдвига линии регулирования f не вводилось (fmax=100%, что составило 100 кПа). Предельно-большая скорость s движения линии регулирования в направлении границы помпажа была задана 4% в секунду, что составило 4 кПа/с.

На осциллограмме б) для сравнения приведен переходный процесс с постоянным нахождением линии регулирования в ее базовом положении.

При проведении обоих опытов исходный режим, параметры возмущения и настройки регулятора одинаковы.

В исходном состоянии рабочая точка компрессора находится в зоне устойчивых режимов далеко от линии регулирования и границы помпажа. Противопомпажный клапан полностью закрыт. Возмущение в систему вносится частичным закрытием крана в напорной магистрали, что приводит к уменьшению расхода газа в ней и через компрессор. В соответствии с уменьшением расхода газа через компрессор рабочая точка смещается в сторону границы помпажа.

В первом случае (осциллограмма а - заявляемый способ) рабочая точка пересекает линию регулирования еще в области устойчивых режимов. В этот момент перемещающаяся до этого в направлении границы помпажа линия регулирования фиксируется. Появляющееся отрицательное рассогласование приводит к формированию блоком ПИ-регулятора управляющего воздействия, направленного на открытие противопомпажного клапана. Открытие клапана приводит сначала к замедлению движения рабочей точки в направлении границы помпажа, а затем и к изменению направления ее движения. При достижении рабочей точкой зафиксированной линии регулирования линия регулирования перемещается на величину смещения d в направлении границы помпажа. Появляющееся положительное рассогласование e=d приводит к формированию управляющего воздействия, направленного на закрытие противопомпажного клапана. В процессе плавного закрытия клапана рабочая точка и линия регулирования монотонно смещаются к базовому положению линии регулирования и стабилизируются на ней при частично открытом противопомпажном клапане. В результате нанесенное мощное возмущение приводит к упреждающему открытию противопомпажного клапана при нахождении рабочей точки в области устойчивых режимов. Открытие клапана препятствует движению рабочей точки в направлении границы помпажа, а затем обеспечивает стабилизацию режима в соответствии с базовым положением линии регулирования. За время переходного процесса рабочая точка не приближается к границе помпажа ближе, чем величина зоны безопасности.

Во втором случае (осциллограмма б) открытие противопомпажного клапана начинается позже, чем в первом случае: только в момент пересечения рабочей точкой линии регулирования в ее базовом положении. Происходящее открытие клапана не успевает компенсировать наносимое возмущение. В результате рабочая точка отклоняется от базового положения линии регулирования на величину, превышающую зону безопасности, и пересекает границу помпажа. Регулятор оказывается не в состоянии выполнить свою основную задачу, заключающуюся в предотвращении помпажа.

Для компенсации возмущений, подобных нанесенному в рассматриваемом опыте, в способе-прототипе прибегают к использованию алгоритма дифференцирующего воздействия. Однако, как отмечалось выше, при наличии высокочастотных помех в канале измерения расхода газа использование этого алгоритма часто не приводит к положительному результату или не осуществимо.

Таким образом, приведенные осциллограммы свидетельствуют о том, что осуществление противопомпажного регулирования в соответствии с заявляемым способом приводит к увеличению способности замкнутого контура регулирования противостоять опасным возмущениям, могущим привести к помпажу, а следовательно, позволяет увеличить эффективность, экономичность и надежность противопомпажного регулирования и тем самым подтверждает достижение технического результата.

Заявляемое 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 блок-схемы алгоритма, подтверждающего возможность осуществления предлагаемого технического решения. Описанный алгоритм реализован с использованием программно-технических средств и испытан на модели. Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Промышленная применимость".

Способ противопомпажного регулирования турбокомпрессора относится к области компрессоростроения и эксплуатации турбокомпрессоров. Сущность изобретения заключается в том, что в способе противопомпажного регулирования, включающем формирование управляющего воздействия на положение противопомпажного клапана замкнутым контуром пропорционально-интегрального регулирования при отклонении рабочей точки от линии регулирования, положение которой не постоянно и может быть сдвинуто из ее базового положения в область устойчивых режимов, линию регулирования сдвигают так, чтобы она безынерционно следовала за рабочей точкой с заданным смещением в направлении границы помпажа, но ограничивают сдвиг линии регулирования в область устойчивых режимов от базового положения заданным значением, ограничивают приближение линии регулирования к границе помпажа базовым положением линии регулирования и ограничивают движение линии регулирования в направлении границы помпажа заданной предельно-большой скоростью, а в момент пересечения рабочей точкой двигающейся в направлении границы помпажа линии регулирования последнюю фиксируют на все время нахождения рабочей точки между фактическим положением линии регулирования и границей помпажа. Технический результат заключается в увеличении эффективности, экономичности и надежности противопомпажного регулирования. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ противопомпажного регулирования турбокомпрессора, включающий формирование управляющего воздействия на положение противопомпажного клапана замкнутым контуром пропорционально-интегрального регулирования при отклонении рабочей точки от линии регулирования, положение которой непостоянно и может быть сдвинуто из ее базового положения в область устойчивых режимов, отличающийся тем, что линию регулирования сдвигают так, чтобы она безынерционно следовала за рабочей точкой с заданным смещением в направлении границы помпажа, но ограничивают сдвиг линии регулирования в область устойчивых режимов от базового положения заданным значением, ограничивают приближение линии регулирования к границе помпажа базовым положением линии регулирования и ограничивают движение линии регулирования в направлении границы помпажа заданной предельно большой скоростью, а в момент пересечения рабочей точкой двигающейся в направлении границы помпажа линии регулирования последнюю фиксируют на все время нахождения рабочей точки между фактическим положением линии регулирования и границей помпажа.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заданный сдвиг линии регулирования от базового положения, заданное смещение линии регулирования от рабочей точки и заданное значение скорости движения линии регулирования в направлении границы помпажа определяют при настройке конкретной системы и устанавливают такими, чтобы с одной стороны упреждающе открывать клапан в области устойчивых режимов при мощных возмущениях, которые не могут быть компенсированы работой регулятора при базовом положении линии регулирования, а с другой - не открывать клапан при слабых возмущениях, не создающих реальной угрозы помпажа.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что заданное смещение линии регулирования от рабочей точки делают переменным, зависящим от степени удаленности рабочей точки от базового положения линии регулирования, таким образом, чтобы при нахождении рабочей точки на линии регулирования в ее базовом положении заданное смещение было минимально, а по мере увеличения степени удаленности рабочей точки от базового положения линии регулирования в сторону устойчивых режимов заданное смещение увеличивалось бы, например, пропорционально степени удаленности.