天然气长输管道压缩机组负荷分配控制系统

摘要

本发明公开了一种天然气长输管道压缩机组负荷分配控制系统，包括第一压缩机机组、第二压缩机机组和第三压缩机机组，所述第一压缩机机组、第二压缩机机组和第三压缩机机组的压力定值和压力测量值的输出端分别接与出口压力PID控制相接，出口压力PID控制和主出口压力控制分别并联在对应的选择器上，本天然气长输管道压缩机组负荷分配控制系统，负荷分配及负荷平衡控制技术，即将总负荷按照压缩机运行点与喘振控制线的绝对距离，分配每台压缩机的负荷；当总负荷发生变化时，控制系统在机组允许的时间内，快速完成加减载的控制目标，通过机组运行点到喘振控制线的距离相等，机组的效率不一定是最优的，通过增加或减少偏置值，达到优化的负荷平衡。

权利要求

1.一种天然气长输管道压缩机组负荷分配控制系统，包括第一压缩机机组、第二压缩机机组和第三压缩机机组，其特征在于：所述第一压缩机机组、第二压缩机机组和第三压缩机机组的压力定值和压力测量值的输出端分别与出口压力PID控制相接，出口压力PID控制和主出口压力控制分别并联在对应的选择器上，选择器的输出端接在负荷分配上，各个负荷分配的输入端之间通过I/O通讯，负荷分配的输入端还与复合偏执模块连接，负荷分配将转动定值输出至UCPC原控制系统上；所述第一压缩机机组、第二压缩机机组和第三压缩机机组的入口流量、入口温度、入口压力、出口温度以及出口压力均接在防喘振控制器上进行负荷分配控制模式；所述选择器控制单台压缩机运行还是多台压缩机并联运行，单台压缩机运行模式通过投用机组的孤立运行性能控制出口压力PID控制来实现压缩机出口压力的自动控制；多台压缩机同时并联运行模式时，出口压力PID控制的输出到单台压缩机的负荷分配，负荷分配和其它并联机组负荷的对比；所述负荷分配至防喘振控制器的平均距离，与每台压缩机工作点到控制线的距离进行各自的比较，进行负荷分配算法；所述负荷分配实现燃机节能通过资料收集及运行状况调研、建立数学模型以及优化方法；综合多压缩机组并联运行效率的影响因素，引入负荷偏置变量，并研究多压缩机组并联时，压缩机机组的布置位置、机组的型号、机组的驱动方式，增加或减少偏置值。

说明书

天然气长输管道压缩机组负荷分配控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及到天然气分配控制系统，特别涉及天然气长输管道压缩机组负荷分配控制系统。

背景技术

[0002] 西气东输管道上使用的压缩机，西二、三线压缩机组从机组厂家以及驱动方式存在多达七种不同组合方式，新增西三线在多数站上机组厂家或型号与西二线机组不同，转
子性能不同，目前二线机组运行完全靠手动操作，不能自动进行负荷分配，不能投入远程控
制，并且机组启动切换时也不能自动。在未增加三线机组时，手动操作的依据是操作员的经
验。使用手动操作调节多机组等转速来进行负荷分配的方式，使得机组和管网运行效率降
低、控制难度增加。生产运行要求各站中的压缩机应该能够根据输气量任意组合自动负荷
分配、远程操控和稳定运行。手动操作难以实现如此复杂的调节，因此，改造负荷分配控制
系统，实现全自动负荷优化控制，无人化操作是生产急需解决的问题。同时，未来管线增输，
站场机组的组合会越来越复杂，需要更优化的控制方案和系统。

发明内容

[0003] 发明的目的在于提供一种天然气长输管道压缩机组负荷分配控制系统，具有的优点，以解决上述背景技术中提出的问题。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种天然气长输管道压缩机组负荷分配控制系统，包括第一压缩机机组、第二压缩机机组和第三压缩机机组，所述第一压缩机
机组、第二压缩机机组和第三压缩机机组的压力定值和压力测量值的输出端分别接与出口
压力PID控制相接，出口压力PID控制和主出口压力控制分别并联在对应的选择器上，选择
器的输出端接在负荷分配上，负荷分配的输入端之间通过I/O通讯，负荷分配输入还与复合
偏执模块连接，负荷分配将转动定值输出至UCPC原控制系统上。

[0005] 优选的，所述第一压缩机机组、第二压缩机机组和第三压缩机机组的入口流量、温度、压力、湿度以及压力均接在防喘振控制器上进行负荷分配控制模式。

[0006] 优选的，所述选择器控制单台压缩机运行还是多台压缩机并联运行，单台压缩机运行模式通过投用机组的孤立运行性能控制出口压力PID控制来实现压缩机出口压力的自
动控制；多台压缩机同时并联运行模式时，出口压力PID控制的输出到单台压缩机的负荷分
配，负荷分配和其它并联机组负荷的对比。

[0007] 优选的，所述负荷分配至防喘振控制器的平均距离，与每台压缩机工作点到控制线的距离与比较，进行负荷分配算法。

[0008] 优选的，所述负荷分配实现燃机节能通过资料收集及运行状况调研、建立数学模型以及优化方法。

[0009] 优选的，所述综合多压缩机组并联运行效率的影响因素，引入负荷偏置变量，并研究多压缩机组并联时，压缩机机组的布置位置、机组的型号、机组的驱动方式，增加或减少
偏置值。

[0010] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本天然气长输管道压缩机组负荷分配控制系统，负荷分配及负荷平衡控制技术，即将总负荷按照压缩机运行点与喘振控制线的绝
对距离，分配每台压缩机的负荷，保证压缩机运行点到喘振控制线的距离相等；当总负荷发
生变化时，控制系统在机组允许的时间内，快速完成加减载的控制目标，并实现无扰动；多
机组并联时，机组的布置位置、机组的型号、机组的驱动方式等，对机组负荷平衡都有一定
的影响，通过机组运行点到喘振控制线的距离相等，机组的效率不一定是最优的，通过增加
或减少偏置值，达到优化的负荷平衡。

附图说明

[0011] 图1为本发明的方案逻辑框图；

[0012] 图2为本发明的负荷分配控制模式图；

[0013] 图3为本发明的多变效率图；

[0014] 图4为本发明的工况记录图；

[0015] 图5为本发明的标准性能曲线图。

具体实施方式

[0016] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0017] 实施例：

[0018] 请参阅图1，一种天然气长输管道压缩机组负荷分配控制系统，包括第一压缩机机组、第二压缩机机组和第三压缩机机组，所述第一压缩机机组、第二压缩机机组和第三压缩
机机组的压力定值和压力测量值的输出端分别接与出口压力PID控制相接，出口压力PID控
制和主出口压力控制分别并联在对应的选择器上，选择器的输出端接在负荷分配上，负荷
分配的输入端之间通过I/O通讯，负荷分配输入还与复合偏执模块连接，负荷分配将转动定
值输出至UCPC原控制系统上，在此压气站，选择器控制单台压缩机运行还是多台压缩机并
联运行，单台压缩机运行模式通过投用机组的孤立运行性能控制出口压力PID控制来实现
压缩机出口压力的自动控制；多台压缩机同时并联运行模式时，出口压力PID控制的输出到
单台压缩机的负荷分配，负荷分配和其它并联机组负荷的对比，根据实际生产负荷的大小
有时需要多台压缩机并联同时运行，有时需要单台机组独立运行，通过操作画面上与选择
器相接的的选择开关来选择是单台运行还是多台并联运行，单台机组运行模式独立运行时
只需要操作人员设定好压力的设定值，性能控制就可以控制压缩机的出/入口压力稳定在
设定值上；当选择多台机组同时并联运行模式时，负荷分配控制器再根据单台机组的负荷
和其它并联机组负荷的对比来调整本台机组的负荷，在控制总管压力到达设定值的同时，
调整每台机组的负荷，使之实现负荷均衡控制。

[0019] 请参阅图2，第一压缩机机组、第二压缩机机组和第三压缩机机组的入口流量、温度、压力、湿度以及压力均接在防喘振控制器上进行负荷分配控制模式，负荷分配至防喘振
控制器的平均距离，与每台压缩机工作点到控制线的距离与比较，进行负荷分配算法，然后
决定本台机组是增加负荷还是减少负荷，根据本台机组的负荷到平均负荷的距离，来决定
调整控制输出的变化率，同时实现多台机组同时升降负荷的功能。

[0020] 综合多压缩机组并联运行效率的影响因素，引入负荷偏置变量，并研究多压缩机组并联时，压缩机机组的布置位置、机组的型号、机组的驱动方式，增加或减少偏置值，通过
机组运行点到喘振控制线的距离相等，使多机组达到负荷平衡后，据气体压缩的原理，压缩
机将机械能转换被压缩气体的势能(提高压力),在压缩同样单位气体时出口温度越高，压
缩机的效率越低，即压缩机将更多的机械能转换为热能。

[0021] 请参阅图3，压缩机的效率与出口温度之间的关系可用以下公式表述：

[0022] 出口温度计算法:η＝1/(k/(k‑1))*lg((p2/p1)/(t2/t1))

[0023] 其中η，压缩机多变效率T2压缩机的出口温度；T1压缩机的入口温度；P2压缩机出口压力；P1压缩机入口压力；k比热比；在公式中可以看到在压缩同样单位的气体时，两台压
缩机的入口压力与出口压力相同时(并联机组的基本运行条件)，出口温度高的压缩压缩机
效率低，在计算偏置时需要效率高的压缩机多做功，从而提高整体效率实现节能。

[0024] 以管道压缩机的典型工况为例进行计算出口温度与机组多变效率的关系：

[0025]条件设定：  
流量 8000Nm3/min
入口压力 5.66Mpa
入口温度 14℃
出口压力 9.1Mpa
出口温度(℃) 多变效率(％)
52 82％
52.5 81％
53 80％
53.5 79％
54 78.14％
54.5 77.24％
55 76.36％

[0026] 请参阅图4，图中可见压缩机A的转速为4461RPM(D‑SI‑110)，出口温度为52.68℃(A‑TI‑11),而压缩机D的转速为4501RPM(D‑SI‑110)，出口温度为50.98℃(D‑TI‑11)。站内
四台机组的型号相同，但明显效率是不同的，通过负荷分配优化偏置可使整体效率提高。

[0027] 实际偏置的计算(运行中每台机组的质量流量)可以用以下简化的理论公式作为指导，并在实际运行中加以修正：

[0028]

[0029] 其中：

[0030] T_AVG_FLOW为母管混合气体温度的(目标)平均值；

[0031] MFLOW1为1号机组的质量流量；

[0032] T1为1号机组的出口温度

[0033] MFLOW2为2号机组的质量流量

[0034] T2为2号机组的出口温度；

[0035] 偏置与效率的关系：在负荷分配控制系统投入使用后，使得参与负荷分配的压缩机组运行点到喘振控制线的相对距离相等，实现负荷平衡。由于每台压缩机的实际效率经
过一定时间的使用和管网特性原因效率会有偏差，其中最明显的特征是在同等输气量时各
台压缩机出口温度有高有低，此时引入控制优化的偏置算法，通过手动或者自动增加偏置
量，使效率高的压缩机多输气，效率低的压缩机少输气，从而提高运行中多台压缩机组的整
体效率。因为引入了偏置算法调整压缩机组的转速，在并联机组总压缩比不变时，压缩机驱
动端的转速也会随之调整，效率高的机组转速较高，输气量较大。对于电驱压缩机来说，节
能效果能够实际显示并得以计量。

[0036] 请参阅图5，对于燃驱压缩机组来说，实情况则比较复杂，曲线的纵轴为输出轴功率，横轴为输出轴的转速，燃气轮机的热耗率是与燃机的输出轴功率和输出轴的速度有关，
热耗率曲线在100％额定输出功率和100％额定转速为100％时，热耗率随着转速下降和功
率下降方向增加，即输出功率越小，热耗率越高；转速越低，热耗率也会增加。

[0037] 图中(1)的位置热耗率为101％对应的是94％的额定转速和99％的额定功率；沿曲线到(2)的位置，热耗率为102％对应89％的额定转速和98％的额定功率；到(5)时热耗率为
107％，对应功率为94％和75％的额定转速。

[0038] 同时，等热耗率的曲线也在图中标明：在(3)的位置，热耗率为103％对应97％额定功率和85％额定转速，到(4)的位置，热耗率同为103％对应80％额定功率和90％转速。以此
得出在输出功率大于80％的区间，5％的转速差别，输出功率差17％，而燃机的热耗率(效
率)是相同的。也就是说，当采用并联负荷分配偏置算法，在运行中的机组压缩比相同，通过
让效率高的压缩机(出口温度较低的)多承担负荷(转速较高)，在燃机高负荷区域内，燃机
效率几乎不受转速降低的影响，并联机组综合效率的提高将直接降低总体所需轴率的需
求，从而实现节能的目标。

[0039] 在使用偏置算法时不能只是依靠压缩机出口温度作为转速的调节的依据，此时应通过流量、转速、压缩机出口温度和燃料消耗量等参数建立数学模型，并找到这些参数之间
的对应关系，并在这个对应关系下根据压缩机出口温度的偏置计算得到一个转速调节的限
定值。在此限定值范围内，对转速进行调节，使得燃机效率发生微小变化，甚至不变化。从而
保证偏置调节在可接受的燃机效率变化范围内，从而提高整体的效率实现节能，负荷分配
实现燃机节能通过资料收集及运行状况调研、建立数学模型以及优化方法；

[0040] 1.资料收集及运行状况调研：现场运行燃气轮机的标准性能曲线；燃驱压缩机组的运行参数，包括燃料供给、进气温度、排烟温度和流量、进出口温度、进出口压力和输量
等；燃气轮机的燃料特性，包括燃料组份、燃料发热量和消耗量等。

[0041] 2.建立数学模型：燃驱压缩机组包括两大设备：燃气轮机和压缩机组。两个设备相互独立又相互关联。在燃气轮机负荷高于设计负荷80％时，压缩机组调整转速，燃机效率的
变化不大，可看做两个独立的设备进行建模，在燃气轮机负荷低于80％的设计负荷时，压缩
机组调整转速会对燃机效率产生较大影响，应联合建立模型。此项工作涉及大量数据分析
和理论计算，可联合有相关经验的高校进行。

[0042] 3.优化方法利用：建立好的数学模型，计算出燃驱压缩机组在各种组合方式下的性能。根据计算结果，模拟在不同组合情况下燃气轮机都运行在较高负荷下，将所有负荷按
照负荷分配控制系统的控制参数分配到压缩机组上，并通过偏置算法，调整压缩机的负荷，
以满足输气量以及效率提高的目标。如果燃驱机组在较高负荷不能满足输气量的要求，需
要增加压缩机机组数量时，将总负荷按照负荷分配控制系统的控制参数分配到各运行中的
压缩机组，此时燃气轮机的输出功率满足输气量要求，但是燃机有可能运行在较低负荷区
域内，此时偏置算法应按照数学模型中，在低负荷区域内的调整策略，对压缩机组进行调
节，使得燃驱机组在低负荷区域内，提高压缩机组的效率而对燃气轮机效率仅有较小影响，
从而提高燃驱压缩机组的综合效率。

[0043] 综上所述，本天然气长输管道压缩机组负荷分配控制系统，负荷分配及负荷平衡控制技术，即将总负荷按照压缩机运行点与喘振控制线的绝对距离，分配每台压缩机的负
荷，保证压缩机运行点到喘振控制线的距离相等；当总负荷发生变化时，控制系统在机组允
许的时间内，快速完成加减载的控制目标，并实现无扰动；多机组并联时，机组的布置位置、
机组的型号、机组的驱动方式等，对机组负荷平衡都有一定的影响，通过机组运行点到喘振
控制线的距离相等，机组的效率不一定是最优的，通过增加或减少偏置值，达到优化的负荷
平衡。

[0044] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其
发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。