СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОМПРЕССОРАМИ ГРУППЫ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК В СОСТАВЕ КОМПРЕССОРНОГО УЧАСТКА Российский патент 2022 года по МПК F04D27/00 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования скорости группы синхронных двигателей в приводах компрессоров установок компрессорного участка.

Известен способ регулирования компрессорной станции (А.С. 1701989, опубл. 30.12.1991 г.),с входным и выходным коллекторами компрессоров, снабженных байпасными клапанами и приводами с датчиками и регуляторами частоты вращения, включающий измерение давления газа на входе и выходе каждого из компрессоров, а также давления в выходном коллекторе и перепадов давления на входных измерительных диафрагмах компрессоров, формирование по измеренным величинам контрольных сигналов и сигналов коррекции задания регуляторов частоты вращения приводов, с учетом заданной величины давления газа в выходном коллекторе и разность заданного и измеренного давлений в выходном коллекторе. Управление открытием байпасных клапанов каждого компрессора осуществляли при превышении контрольными сигналами заданных величин.

Недостатком известного способа является отсутствие возможности прогнозирования производительности компрессорных установок и организации перераспределения нагрузки, что снижает эффективность данного способа, так как не позволяет минимизировать расход энергии на поддержание технологических параметров.

Известен способ антипомпажного регулирования компрессорной станции (RU 2210008, опубл. 10.08.2003 г.), который позволяет поддерживать значение основного параметра газа на заданном уровне и осуществлять автоматическое управление каждым компрессором, В данном способе предварительно с использованием математической модели газодинамической сети компрессорной станции рассчитывают прогнозируемые результаты возможных помпажных ситуаций, которые были использованы для регулирования

Недостатком данного способа является отсутствие целевых функций энергоэффективности, что не дает возможности говорить о достижении сколь угодно значимых значений экономии используемых ресурсов (в данном случае топливного газа) на поддержание технологических параметров.

Наиболее близким к заявляемому является способ ограничения критического параметра регулирования группы компрессоров (RU 2210007,опубл.10.08.2003 г.), согласно которому в случаях переменной частоты вращения приводного двигателя работа каждого приводного двигателя, оснащенного ПИД-регулятором, управляется конечным управляющим элементом

Недостатками прототипа являются возможные перерегулирования технологических параметров и угловой скорости приводного двигателя во время пусковых режимов, а также отсутствие возможности балансировки мощности компрессорных установок и прогнозирования включения/выключения отдельных компрессоров, что приводит к низкой энергоэффективности управления из-за высокого удельного расхода электроэнергии на выработку сжатого воздуха.

Технический результат заключается в повышении энергоэффективности способа управления группой компрессоров установок компрессорного участка за счет сокращения удельного потребления электроэнергии путем выбора оптимальных режимов работы отдельных компрессор, исходя из нужд обеспечения необходимым расходом суточного потребления сжатого воздуха с помощью прогнозируемого контура.

Указанный технический результат достигается в результате того, что в способе управления компрессорами группы компрессорных установок компрессорного участка, осуществляющем включение/выключение отдельных компрессоров по сигналам пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, согласно изобретению, предварительно для каждого i-ого компрессора по газодинамической характеристике определяют диапазон объемной производительности Q₁-Q₂,

где Q₁ - минимальная объемная производительность, при которой обеспечено заданное давление P_z, в общем коллекторе компрессорных установок,

Q₂ - максимальная объемная производительность, при которой обеспечено заданное давление в общем коллекторе компрессорных установок, приведенное к нормальным условиям работы, далее по найденному диапазону определяют диапазон потребляемой мощности

где - потребляемая из сети мощность компрессора, соответствующая минимальной объемной производительности Q₁,

- потребляемая из сети мощность компрессора, соответствующая максимальной объемной производительности Q₂,

затем на основании накопленных данных по суточному графику производительности компрессорного участка определяют максимальный расход воздуха Q_maxt, выполняемый совместной работой выбранных на данном интервале управления компрессоров,

а выбор компрессоров осуществляют минимизацией целевой функции которая рассчитана по формуле:

где

- общее количество компрессоров в группе,

- общее количество временных интервалов,.

- индексы компрессора и временного интервала,

- функция, отражающая эксплуатационные и амортизационные затраты i-го компрессора., рассчитанная по формуле:

где

- объемная производительность i-го компрессора, коэффициенты, отражающие эксплуатационные и

амортизационные затраты i-го компрессора при выработке за время t,

и учитывает потери на запуск агрегата, при этом , где

- минимальная объемная производительность i-го компрессора

- максимальная объемная производительность i-го компрессора, причем каждый шаг управления обеспечивает неравенство

затем на основе данных суточного потребления воздуха прогнозируемый контур подает сигнал на включение/выключение отдельных компрессоров.

Техническая проблема решена с использованием линейного программирования по принципу выбора оптимального режима включения отдельных компрессоров, обеспечивая минимизацию суммарной потребляемой мощности работающих компрессоров в условиях поддержания необходимого расхода и давления в группе компрессорных установок.

На фигуре представлена блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ.

1 - Синхронный двигатель (СД) осуществляющий привод 1-го компрессора.

2 - Датчик скорости (Дс) на валу двигателя 1 -го компрессора.

3 - Вычислитель скорости (ВС), выполняющий функцию определения угла потокосцепления и угловой скорости ротора синхронного двигателя.

4 - Блок задания оптимальной скорости выполнен в виде регулятора давления, который представляет собой ПИД-регулятор (ПИДр) конечного давления воздуха при выходе из нагнетательного патрубка (не показан).

Пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор - устройство в управляющем контуре с обратной связью. Используется в системах автоматического управления для формирования управляющего сигнала с целью получения необходимых точности и качества переходного процесса. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трех слагаемых, первое из которых пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе - интеграл сигнала рассогласования, третье - производная сигнала рассогласования, (https://ru.wikipedia.org).

Конечное давление воздуха фиксируется датчиком абсолютного давления (не показан).

5 - Блок расчета коэффициентов регулятора (БРк),который выполняет расчет коэффициентов регуляторов скорости тока и скорости системы управления СД. Для расчета регулятора тока используются параметры схемы замещения СД.

6 - Блок регулятора скорости, выполняющий функции регулирования механической скорости СД и представляет собой ПИ-регулятор (ПИр), который обеспечивает апериодический характер изменения скорости с нулевым перерегулированием при изменении момента статического сопротивления по квадратичной зависимости от частоты вращения ротора двигателя. Для расчета ПИр используют следующие параметры: передаточное число редуктора, коэффициент инерции, коэффициент сухого трения.

7 - Блок расчета оптимального потокосцепления (БРп) ротора.

8 - Блок регулятора тока (БРт), выполняющий функцию регулирования тока, выполнен в виде ПИ-регулятора с ограничением длины вектора статорного тока.

9 - Датчик тока (Дт), фиксирующий статорные токи в двух фазах.

10 - Преобразователь координат (Пк), выполняющий преобразование реальных статорных токов в систему координат dq.

11 - Блок компенсации (Бком) перекрестных связей, выполняющий функцию линеаризации отношений вектора статорного тока и напряжения, добавляющей к проекциям напряжения на оси d, q соответствующие величины:

где - добавочная величина напряжение статора по оси d,

- добавочная величина напряжение статора по оси q,

- индуктивность статора по оси q,

- индуктивность статора по оси d,

- ток статора по оси q,

- ток статора по оси d,

- электрическая скорость вращения,

- потокосцепление.

12 - Преобразователь координат (Пкоор), выполняющий преобразование dq проекций статорного тока в ABC координаты.

13 - Векторный широтно-импульсный модулятор (ВШМ), выполняющий функцию формирования импульсов управления для АИН 14.

14 - Блок автономного инвертора напряжения (АИН), выполняющий функцию формирования напряжения на статорных обмотках СД.

15- Датчик давления (Дд) при выходе из нагнетательного патрубка компрессора.

16 - 1-ый компрессор в составе установок компрессорного участка.

17 - Прогнозируемый контур, представляющий собой блок расчета включения компрессора и решающий задачу линейного программирования. Работает по принципу выбора оптимального режима включения/выключения отдельных компрессоров участка для балансировки мощности, исходя из нужд обеспечения необходимого расхода. Производительность определяется из накопленных исторических данных работы участка и косвенно зависит от загруженности производства. Ретроспективный анализ зависимости объема сжатого воздуха от времени может быть скорректирован на основании плана производства. На выходе блока 17 формируется сигнал на разрешение работы ВШМ13 и регуляторов БТр8 и ПИр6.

18 -Тиристорный возбудитель (ТВ), выполненный в виде преобразователя напряжения для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя.

19 - Задвижка (З₁).c электроприводом для сброса воздуха в атмосферу до выхода компрессора на рабочий режим.

20 - Задвижка (З₂) с электроприводом для подачи сжатого воздуха в общий коллектор.

21 - Система автоматического управления 1-го компрессора (САУ1).

22 - Система автоматического управления i-го компрессора (САУ1).

23 - i-ый компрессор.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

На силовые входы блока автономного инвертора напряжения АИН 14 подают выпрямленное напряжение от сети. Векторный широтно-импульсный модулятор ВШИМ 13 получает сигналы с преобразователя координат Пкоор 12 в виде проекций вектора статорного напряжения и формирует управляющие импульсы, которые поступают на вход АИН 14, который реализует вектор напряжения на статорных обмотках синхронного двигателя СД 1. рассчитывает и выбирает оптимальное время включения отдельных компрессоров, подавая сигнал разрешения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на ВШМ 13.

Прогнозируемый контур ПК 17 также подает сигнал на блок расчета коэффициентов регулятора БРк 5, в котором инициализируются параметры регуляторов для ступенчатого изменения интегральных составляющих регуляторов с 0 до расчетного значения.

Блок регулятора тока БРт 8, получает сигналы с регулятора скорости ПИр 6 и блока расчета оптимального потокосцепления БРп 7. Обратная связь с датчиков тока Дт 9, фиксирующих статорные токи в двух фазах, преобразованная через преобразователь координат Пк 10 к системе координат dq, формирует задание в виде вектора статорного тока, который линеаризуется с помощью добавочного вектора, полученного от блока компенсации перекрестных связей Бком 11.

На вход тиристорного возбудителя ТВ 18 с регулятора тока оси d -блока регулятора тока БРт 8 поступает составляющая вектора напряжения по оси d, которая формируется на обмотке возбуждения синхронного двигателя СД1.

Регулятор скорости ПИр 6 поддерживает скорость задания ω_z, получая обратную связь от вычислителя скорости ВС 3, вход которого соединен с выходом датчика скорости Дс 2. Задание скорости на регулятор скорости ПИр 6 приходит с блока задания оптимальной скорости ПИДр 4, который осуществляет поддержание давления на выходе из нагнетательного патрубка компрессора на заданном уровне Pz. Обратная связь по давлению приходит с датчика давления Дд 15.

Два локально-управляемых контура электроприводами задвижек З₁ 19, З₂ 20 осуществляют сброс воздуха в атмосферу и подачу сжатого воздуха в общий коллектор, соответственно.

По сравнению с прототипом удельное потребление электроэнергии компрессорами группы установок в составе компрессорного участка сократится на 20-30%.

Изобретение относится к способу управления компрессорами группы компрессорных установок в составе компрессорного участка. Технический результат заключается в повышении энергоэффективности способа управления группой компрессоров. В способе управления компрессорами группы компрессорных установок компрессорного участка, осуществляющем включение/выключение отдельных компрессоров по сигналам пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, согласно изобретению, предварительно для каждого i-го компрессора по газодинамической характеристике определяют диапазон объемной производительности Q₁-Q₂, где Q₁ - минимальная объемная производительность, при которой обеспечено заданное давление P_z в общем коллекторе компрессорных установок, Q₂ - максимальная объемная производительность, при которой обеспечено заданное давление P_z в общем коллекторе компрессорных установок, приведенное к нормальным условиям работы, далее по найденному диапазону Q₁-Q₂ определяют диапазон потребляемой мощности N₁-N₂, где N₁ - потребляемая из сети мощность компрессора, соответствующая минимальной объемной производительности Q₁, N₂ - потребляемая из сети мощность компрессора, соответствующая максимальной объемной производительности Q₂, затем на основании накопленных данных по суточному графику производительности компрессорного участка определяют максимальный расход воздуха выполняемый совместной работой выбранных на данном интервале управления компрессоров, а выбор компрессоров осуществляют минимизацией целевой функции которая рассчитана по формуле где - общее количество компрессоров в группе, - общее количество временных интервалов, - индексы компрессора и временного интервала, - функция, отражающая эксплуатационные и амортизационные затраты i-го компрессора, рассчитанная по формуле где - объемная производительность i-го компрессора, и - коэффициенты, отражающие эксплуатационные и амортизационные затраты i-го компрессора при выработке за время t, при этом , где - минимальная объемная производительность i-го компрессора, - максимальная объемная производительность i-го компрессора, причем каждый шаг управления обеспечивает неравенство затем на основе данных суточного потребления воздуха прогнозируемый контур подает сигнал на включение/выключение отдельных компрессоров. 1 ил.

Способ управления компрессорами группы компрессорных установок в составе компрессорного участка, осуществляющий включение/выключение отдельных компрессоров по сигналам пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, отличающийся тем, что предварительно для каждого i-го компрессора по газодинамической характеристике определяют диапазон объемной производительности Q₁-Q₂,

где Q₁ - минимальная объемная производительность, при которой обеспечено заданное давление P_z в общем коллекторе компрессорных установок,

Q ₂ - максимальная объемная производительность, при которой обеспечено заданное давление P_z в общем коллекторе компрессорных установок, приведенное к нормальным условиям работы,

далее по найденному диапазону Q₁-Q₂ определяют диапазон потребляемой мощности N₁-N₂,

где N₁ - потребляемая из сети мощность компрессора, соответствующая минимальной объемной производительности Q₁,

N ₂ - потребляемая из сети мощность компрессора, соответствующая максимальной объемной производительности Q₂,

затем на основании накопленных данных по суточному графику производительности компрессорного участка определяют максимальный расход воздуха Q_maxt, выполняемый совместной работой выбранных на данном интервале управления компрессоров,

а выбор компрессоров осуществляют минимизацией целевой функции J_Σ, которая рассчитана по формуле

,

где N - общее количество компрессоров в группе,

T - общее количество временных интервалов,

i, t - индексы компрессора и временного интервала,

Ji - функция, отражающая эксплуатационные и амортизационные затраты i-го компрессора, рассчитанная по формуле

,

где - объемная производительность i-го компрессора,

и - коэффициенты, отражающие эксплуатационные и амортизационные затраты i-го компрессора при выработке за время t

и учитывает потери на запуск агрегата,

при этом ,

где - минимальная объемная производительность i-го компрессора,

- максимальная объемная производительность i-го компрессора,

причем каждый шаг управления обеспечивает неравенство

,

затем на основе данных суточного потребления воздуха прогнозируемый контур подает сигнал на включение/выключение отдельных компрессоров.