Интегрированный алгоритм противопомпажного регулирования и защиты компрессора

   Рассматривается построение интегрированного статико-динамического алгоритма противо-помпажного регулирования и защиты (ППРиЗ) турбокомпрессора на основе статического алгоритма фирмы TRICONEX и блока динамического обнаружения помпажа (БДОП), выполненного по схеме голосования 2 из 3.
   Газодинамическая устойчивость работы нагнетающих машин - одно из непременных условий их надежности. Режим неустойчивости (помпаж) часто вызывает интенсивные колебания газа в системе, способные привести к аварии или значительному снижению надежности и ресурса турбомашины.

   Проблема ППРиЗ была и остается весьма актуальной. В последние годы в связи с внедрением мощных современных микропроцессорных средств автоматизации появилась возможность исполнения сложных программ управления, в том числе и емких эффективных алгоритмов ППРиЗ. Нахождение путей повышения запаса устойчивости и устранения помпажа при его реальной опасности является важной задачей.

   Зачастую внедрение АСУ ТП заключается в переложении устаревших неэффективных алгоритмов управления на современную аппаратную платформу. В результате вынужденные простои по вине АСУ ТП прекратятся, но экономического эффекта от повышения качества регулирования, эффективности алгоритмической базы, повышения качества продукции, оптимального использования материальных потоков предприятие не получит.

   Пути совершенствования систем ППРиЗ

   Их можно представить следующим образом (рис. 1).
   Добиться уменьшения зоны неустойчивой работы турбокомпрессора можно только путем внесения конструкционных изменений, применения высокопрочных материалов. Установка входного направляющего аппарата (ВНА) в компрессорах с электроприводом позволяет эффективнее регулировать производительность по сравнению с дросселированием потока.

   Усовершенствования САР компрессора можно разбить на несколько задач:

   ¦  повышение надежности аппаратной части системы (применение высоконадежных контроллеров с развитой системой диагностики и резервирования);
   ¦  повышение эффективности алгоритмов (точное определение границы помпажа, минимизация зоны безопасности, т.е. расстояния от границы помпажа до контрольной линии, уменьшение рециркуляции газа за счет оптимальных настроек ПИ регулятора и учета динамики изменений в проточной части компрессора). Следует отметить, что минимизация зоны безопасности возможна только в том случае, когда достоверность определения границы помпажа 100%, время цикла и полного открытия антипомпажного клапана как можно меньше (время цикла <50 мс, Wp <2 с). Кроме того, необходимо уделять особое внимание расположению датчиков и исполнительных механизмов в соответствии с требованиями поставщиков систем ППРиЗ.
   ¦  уменьшение затрат на обслуживание системы (развитая диагностика, высокие показатели надежности, простота интеграции САУ в SCADA и DCS системы других производителей, применение интегрированного подхода к задачам управления).

   Для программно-технического комплекса (ПТК) должно подходить понятие «открытая архитектура», т.е. применимость стандартных протоколов обмена данными, разработка программного и алгоритмического обеспечения в соответствии со стандартом IEC6 1131.

   Два принципа построения алгоритмов ППРиЗ

   Условно можно определить два метода реализации алгоритмов противопомпажного регулирования и защиты - динамический и статический.
   Динамический способ определения наступления помпажных явлений основан на анализе изменений в потоке газа, проходящего через нагнетатель. Критерии и параметры потока газа сравниваются с режимом устойчивой работы. В таком антипомпажном алгоритме не контролируется положение рабочей точки компрессора. Недостаток способа в том, что можно организовать только антипомпажную защиту при уже проявляющихся помпажных явлениях, управлять в автоматическом режиме положением рабочей точки в такой системе невозможно.
   При статическом способе срывные явления, связанные с помпажом, рассматриваются как проявляющиеся при определенных внешних условиях работы нагнетателя. Это позволяет использовать характеристику нагнетателя для определения помпажной зоны. Задача систем противопомпажного управления в данном случае сводится к предотвращению подхода рабочей точки к границе помпажа (кривая на характеристике нагнетателя, до которой наблюдается устойчивая работа агрегата) за счет регулирования параметров нагнетателя. Недостатком такой системы является то, что по истечении определенного периода эксплуатации характеристики компрессора могут измениться, в результате работа алгоритма не будет отражать текущее состояние компрессора.

   Выход из сложившегося положения - применение интегрированного статико-динамического подхода к построению алгоритма ППРиЗ.

   Интегрированный алгоритм ППРиЗ

   Суть применения статико-динамического алгоритма ППРиЗ заключается в том, что за основу принимается статический алгоритм (в данном случае алгоритм фирмы TRICONEX) и дополняется блоком динамического обнаружения помпажа (БДОП).
   Рассмотрим принцип построения интегрированного алгоритма ППРиЗ на примере однокорпусного компрессора (рис. 2).
Возможны и другие варианты расположения КИП, в каждом конкретном случае этот вопрос рассматривается отдельно.
На основании газодинамических характеристик рассчитывается универсальная линия помпажа, строится в координатах: степень сжатия Е - приведенный расход he, %. Особенность универсальной границы помпажа - нечувствительность к изменению состава газа, давлению и температуре газа на всасывании, что позволяет применять статический алгоритм ППРиЗ в широком диапазоне изменений входных условий.

   Функциональность статического алгоритма TRICONEX:
   -  универсальная граница помпажа;
   -  перекалибровка зоны безопасности при обнаружении факта пересечения рабочей точки границы помпажа;


- алгоритм реакции на быстрое (выше заданной скорости) перемещение рабочей точки в направлении границы помпажа;
- замкнутый контур ПИД регулирования с адаптивным коэффициентом усиления и адаптивным коэффициентом при интегральной составляющей; - независимый разомкнутый контур защиты, открывающий АПК при приближении рабочей точки к границе помпажа на опасное расстояние;
- в случае привода с управляемой частотой вращения уставка регулятора скорости связана с антипомпажным алгоритмом;
- гибкая логика разрешения пуска и останова;
- возможность автоматического, полуавтоматического, ручного управления АПК;
- линеаризация для равнопроцентных клапанов;
- стравливание избыточного давления в клапане рециркуляции, когда рабочая точка находится вблизи линии помпажа;
- разгрузка клапана рециркуляции при надвигающемся помпаже или при аварийном отключении привода.

   Статический алгоритм дополняется динамическим алгоритмом, который реализуется блоком динамического опознавания помпажа (БДОП).

Назначение БДОП:
-  противопомпажная защита даже при неправильном задании линии помпажа;
-  противопомпажная защита в случае неработоспособности статического алгоритма;
-  участие в процедуре корректировки границы помпажа;
-  минимизация запаса безопасности до границы помпажа


   На рис. 3 представлена структурная схема интегрированного статико-динамического алгоритма ППРиЗ. В качестве динамического алгоритма формирования сигнала помпажа используется трехканальная схема с голосованием 2 из 3 на выходе. Подобный алгоритм описан в патенте RU 2263234 С1 ЗАО «Система Комплекс».
   Информативные сигналы (расход на всасывании или нагнетании компрессора Q, давление всасывания Рвх, давление на нагнетании Рвых) поступают на блоки АОС, сигналы с АОС поступают на блоки временной задержки Т, затем на схему голосования 2 из 3.
   На блок АОС поступает непрерывный сигнал, характеризующий измеряемый параметр, в результате обработки сигнала АОС на выходе получаем дискретный сигнал 0 или 1 (сигнал помпажа по параметру не обнаружен или обнаружен).

   Периоды и фазы помпажных колебаний разных параметров не всегда одинаковы. Поэтому совпадение во времени характерных изменений параметров может наблюдаться не во время первого помпажного колебания, а только с течением времени, что требует введения в систему блоков временной задержки Т. Время задержки дискретных сигналов должно быть сопоставимо с периодом помпажных колебаний параметров и составлять от 0,1 до 5,0 с.

   Формирование сигнала помпажа при наличии характерных изменений не одного параметра, а выбранной совокупности параметров, более представительно характеризующей начало помпажа, увеличивает помехозащищенность. Однако если существует реальная опасность помпажа, что характеризуется приближением рабочей точки к границе помпажа, запас менее 5% (Х<5%), формирование сигнала помпажа может происходить по каждому из трех каналов минуя схему голосования 2 из 3.
   Кроме рассмотренных выше, в качестве информативных параметров могут применяться следующие сигналы: потребляемая компрессором мощность, разность давления нагнетания и всасывания, частота вращения ротора (если приводом является паровая или газовая турбина). Выбранные параметры должны позволять непосредственное их измерение с достаточным быстродействием.

   Выбор совокупности параметров, участвующих в формировании сигнала помпажа, настроечных параметров АОС, а также времени задержки дискретных сигналов должен осуществляться заранее при проектировании или наладке сигнализатора помпажа, исходя из особенностей проявления помпажа конкретного компрессора и конкретных условий его эксплуатации на базе результатов помпажного тестирования.


Рис. 3. Структурная схема статико-динамического алгоритма ППРиЗ: X- расстояние от рабочей точки до границы помпажа, %;
Z - расстояние от рабочей точки до контрольной линии, %;
АОС - алгоритм обработки сигнала;
Т - блок временной задержки; АПК - антипомпажный клапан

   Для реализации АОС можно применить три подхода:
1. Анализ динамики изменения процесса по значениям производных информативных параметров;
2. Применение искусственной нейросети (ИНС) в задаче распознавания помпажа;
3. Использование статистического метода распознавания помпажа.

   Был протестирован третий способ, основанный на статистическом анализе отношения среднеквадратичного отклонения измеряемого параметра к его среднему значению за определенный интервал времени, а сигнал наличия помпажа формировался при превышении указанным отношением порогового значения.
   В качестве аппаратной базы использовался ПЛК TRIDENT. Программирование осуществлялось на языке блок-схем в соответствии со стандартом IEC6 1131 -3.

   Выводы
   Применение интегрированного алгоритма ППРиЗ позволяет избавиться от недостатков примененных в отдельности статического и динамического алгоритмов.
   При износе элементов турбокомпрессора, засорении проточной части и, как следствие, сдвиге границы помпажа, интегрированный алгоритм будет «чувствовать» физическое состояние турбокомпрессора и вырабатывать адекватное управляющее воздействие.

   Применение БДОП позволит реализовать:
- противопомпажную защиту даже при условии неработоспособности статического алгоритма;
- корректировку границы помпажа;
- минимизацию запаса безопасности до границы помпажа.