CC BY
24
УДК 621.515.1
Цабенко М. В.
Старший викладач, кафедра електронних i електричних anapamie, Запорiзький нацональний технiчний yHieepcumem,
Е-mail: tsabenko@i.ua
СИСТЕМИ АНТИПОМПАЖНОГО КЕРУВАННЯ В1ДЦЕНТРОВИМ
КОМПРЕСОРОМ
Стаття присвячена до^дженню антипомпажних систем захисту та математичному моделюванню систем газоперекачувальних агрегатiв на базi вiдцентрових комnресорiв з використанням антипомпажного клапана або байпасуванням, та змшаною системою захисту. Проведено огляд кнуючих систем антипомпажного захисту газоперекачувальних агрегатiв, який дозволив виявити ряд недолШв при використант антипомпажного клапану або системи байпасування. Запропонована змшана система антипомпажного захисту з одночасним використанням антипомпажного клапану та системи байпасування. Запропонована по^довтсть роботи змшаног системи антипомпажного захисту. Наведена структурна схема електромеха^чног системи вiдцентровий компресор — антипомпажний клапан — двигун постшного струму з системою автоматичного керування. Отримаш перехiднi процеси з використання антипомпажного клапану, байпасування, та змшаног антипомпажног системи. Наведен висновки, яю тдкреслюють актуальтсть проведених до^джень та тдви-щення енергоефективностi антипомпажног системи захисту вiдцентрових компресорiв.
Ключов1 слова: помпаж, антипомпажний захист, байпасування, змiшана система, приводний двигун, вiдцен-тровий компресор
ВСТУП
Другим за значимою для Укра!ни, тсля електрое-нерги, е природний газ. Паливно-енергетичний комплекс е одним з провщних комплекав народного господарства кра!ни. Перед ним поставлене завдання надшного i без-перебшного забезпечення енергоресурсами промисло-восп, транспорту i об'екпв побутового призначення. У газотранспортнш системi Украши експлуатуеться 765 газоперекачувальних агрегапв з сумарною встановле-ною потужшстю бшьше 5,6 млн кВт. Найбшьш розпов-сюдженш газоперекачувальш агрегати з газотурбшним приводом i ввдцентровим нагнiтачем. Газоперекачувальш агрегати е енергоемними технолог1чними системами, що обумовлюе актуальнiсть науково-техшчно! проблеми тдвищення !х технiчного рiвня, зокрема вдосконалення систем управлiння цих агрегапв в аспектi задач ресурсо-i енергозбереження.
В залежностi вiд умов використання масовi витрати можна тдтримувати або направляючи частину потоку зi сторони нагнiтання на вх1д компресора, або стравлю-вати частину в атмосферу. Збшьшення масових витрат рециркулюючого чи викинутого в атмосферу газу вщоб-ражаеться на iнших параметрах процесу (наприклад, зни-жуеться тиск, створюваний нагштачем), тому для обме-ження коливань вказаних змiнних можна використову-вати антипомпажну систему захисту. Розробка стратеги управлiння системами компримування, що реалiзують-ся за допомогою використання автоматизованих систем керування електромеханiчними позицюнерами, з метою тдвищення технiко-економiчних показниюв технолопч-них процесiв, е важливою науковою задачею.
МЕТА ДОСЛ1ДЖЕННЯ
Метою дослщжень е зменшення втрат в газоперекачувальних агрегатах шляхом використання змшано! системи антипомпажного захисту, яка побудована на юну-ючих системах антипомпажного клапану та системи бай-пасування.
МАТЕР1АЛИ ДОСЛ1ДЖЕННЯ
Вiдповiдно до технологи, може виникнути ситуацiя, коли споживання стисненого повiтря зменшуеться, що створюе передумови для виникнення помпажу [1]. Та-кий режим роботи компресора е аваршним i призводить до механiчного руйнування компресора, приводного мехатзму i технологiчного устаткування. Для запобтан-ня помпажу найчастiше використовують байпасування або викид частини стисненого повиря через антипомпажного клапан (АПК) в оточуюче середовище [2].
При досягненш робочо! точки меж1 помпажу, необх-iдно збiльшувати об'емш витрати, щоб уникнути перетину лши помпажу та запобirти виникненню циклiчних коливань в системi. Для будь-яко! характеристично! криво! точка, в якш регулятор повинен шщшвати ввдкриття клапана, називають точкою контролю помпажу. Геомет -ричне мюце таких точок визначаеться як лiнiя контролю помпажу, вiдстань мiж щею точкою i лiнiею меж1 помпажу називають границею безпеки, а зону лiворуч вiд лiнi! контролю помпажу - зоною контролю помпажу.
Функцюнальш схеми систем антипомпажного керування яю перераховаш вище наведеш на рис. 1 та рис. 2.
Розглянемо динам^ системи, яка наведена на рис. 1. Для цього доповнимо рiвняння вщцентрового компресора у виглядi уточнено! системи Мура-Грейтцера [3, 4, 5] витратою через АПК [6]. (1)
©Цабенко М. В., 2016
а^ ф к —ф=—+— а т т
г
^С0 (ю)+ н(ю 1
Г ( \ ( <3 ^ ^
1+3У--11-1Г^фЕ^.-ц
/
л 4В2С
2 ^Ж(ю) J 2 ^Ж(ю)
(ф-фГ-фАПК )■
(1)
В рiвняннях (3) втрати Фапк пов'язаш з кутом повороту клапану залежшстю [6]
Ф
АПК
= / (Ф)
(2)
де / (ф) - характеристика клапана.
АПК можна представити у виглядi електромехашч-ного позицiонеру, який можна описати рiвняннями дви-гуна постiйного струму незалежного збудження [7]. Кут ввдкриття Ф визначаеться керуючим впливом, який над-ходить на електропривод клапану, та визначаеться на-ступними диференщйними рiвняннями [8]:
РФ = ки юд;
ю = Кя . рю Д кФТм'Д;
Р Д
кФ
-ЕГ
--ю Д--1 Д +--ЕП■
о т Л ^г Л Т> Т 11 >
КЯТЯ ТЯ КЯТЯ
(3)
РЕП ЕП + иу,
Т П Т П
ки =
1 якщо, Фапк ^ 0, 0 якщо, Фапк = 0.
(4)
Оптимальне керування електроприводом клапану визначаеться з умов мiнiмiзацil iнтегрального функцю-налу якосл [7, 9]
I =
ТО
| ( + УмР + Уз4р2 + ^44Р3 )
А
(5)
Рисунок 1 - Структурна схема застосування електромехашчного позицюнера в систем1 з антипомпажним клапаном
Рисунок 2 - Структурна схема застосування електромехашчного позицюнера в систем1 перепуску надлишкового газу
й прийме наступний вигляд [7, 9]:
и = -sign
( ( + ^24 Р + ^34 Р 2 + ^44 Р3 ) П1
(6)
де ¥г 4 - коефiцiент Ляпунова У ^ п зп, п, П / -
л=0
коефщенти збуреного руху електропривода, ni = у^ - у*, у1 - коефщент електропривода в вщносних одиницях, у* - бажане значення координат ЕП. Структурна схема що, реалiзуе закон керування (6) електромехашчного позиц-iонеру наведена на рис. 3.
*
При нормальнш роботi системи Ф > Ф регулятор витрат через АПК знаходиться в насиченнi■ Коли робоча точка змiщуеться по газодинамiчнiй характеристицi (ГДХ) компресора до меж1 помпажу та при досягнент
нею граничного значення Ф - гранично допустимих витрат при данш швидкостi обертання, регулятор витрат виходить з насичення, дае завдання на вадкриття АПК. Перейдемо тепер до розгляду системи перепуску, що
показана на рис. 4. Для цього введемо нову змiну Ф' -витрати компресора на виходi з дифузор, тодi [5]
Фп + Ф' = Ф,
(7)
де Фп - витрати газу через перепуск.
З урахуванням, що при перепуску з виходу на вхвд газ повинен охолоджуватися, а цей процес тривалий, то в першому наближеннi його можна описати аперюдич-
ною ланкою першу порядку . Тодi вираз що описуе витрати перепуску буде мати вигляд [5]
(
Ф п =Ф'
Кь
ТЪР +1
(8)
де Къ , Тъ - параметри труби та охолоджувача.
Доповнимо систему (1) рiвнянням (8). У результатi отримаемо систему описуе динам^ системи «вщцент-ровий компресор - перепуска» [10, 11]
_ Ф К 1
РФ = —+—
Т Т
* п * п
^ (с (ф)-^,
1
4В 21С
-(Ф-ФТ),
рф'=^:+к 1± .((С (Ф)-Т)+ф -Ф(1+къ).
Т Т \ 1 ^ С ^ ' ' т т
(9)
Тп Тп\ 1С
Для вщкриття клапану електромеханiчного позищо-нера необхщно задатися витратами Фп - яш будуть за-лежати вiд наближення до меж1 помпажу.
На рис. 4 приведено результати математичного мо-делювання ГПА з використанням АПК. Як видно з рисунку робоча точка перемiщуеться по меж1 помпажу, але залишаеться на початковш ГДХ, що дозволяе завдя-ки викиду «надлишкового газу» стабшзувати роботу ГПА.
На рис. 5 приведено результати математичного мо-делювання байпасування. При використаннi перепуску газу робоча точка перемiщуеться з одно! ГДХ на шшу
Рисунок 3 - Структурна схема вщцентровий компресор - АПК-ДПС
Як видно з рис. 5 робоча точка перемiщуеться до межу помпажу, а при спрацюванш байпасування робоча точка змiнюючи кут нахилу перемiщуеться на ГДХ з меншою швидк1стю обертання приводного мехашзму.
Розглянемо змiшану систему анитипомпажний за-хист (АПЗ), яка складаеться з АПК та системи байпасу-вання. Змiшана система налаштована наступним чином: при зниженнi витрат до 0,95 вщ номiнального значення Ф буде вмикатися система АПК, яка зайвий газ буде до-давати в трубу байпасування; при зниженш витрат ниж-
че 0,8 вщ номiнального буде вмикатися система байпасування. Перехвдш процеси приведенi на рис. 6.
При порiвняннi систем АПЗ отримаемо перехiднi процеси, яю наведен1 на рис. 7. Стандарта системи захисту спрацьовують при наближенш до меж1 помпажу та стабшзують робочi точки на рiзних ГДХ. При викорис-танш змiшаноï системи рух робочо! точки спочатку ру-хаеться за траекгорiею, що вiдповiдае руху газу при вико-ристаннi АПК, а при початку роботи системи байпасування рух робочо! точки змiнюе траекторш свого руху
Рисунок 4 - Перехщш процеси з використанням АПК 1 - амейство газодинам1чних характеристик, 2 - газодинам1чна характеристика АПК
ч\ d.o.
Ф, В.О.
0.2 0.4 0.6 0.8
1.2 1.4 1.6
Рисунок 5 - Перехщш процеси з використанням байпасування 1 - амейство газодинам1чних характеристиказодинам1чна характеристика при байпасуванш 2 - газодинам1чна характеристика при байпасуванш
та переходить на iншу ГДХ, як i при звичайному викори-станнi байпасування.
ВИСНОВОК
При використанш запропонованих стратегий керуван-ня встановлено, що при використаннi лише АПК (лЫя 1, рис. 7), робоча точка системи не змiнюe траекторш руху i нахил ГДХ, але при цьому дозволяе «зайвому повпрю» вийти з компресора i запоб^и помпажу. При викорис-таннi перепуску (лшя 2, рис. 7) робоча точка змiнюе положения та переходить на шшу ГДХ. Використання змгшанох системи захисту (лiнiя 3, рис. 7) дозволяе стабь лiзувати систему, при цьому змiшана система не набли-
жаеться до предпомпажно1 лiнil, що в свою чергу дозволяю працювати системi на ГДХ з бшьшим ККД при да-них витратах газу.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Цабенко М. В. Прогноз возникновения помпажа в центробежном компрессоре [Текст] / М. В. Цабенко, Р. С. Волянский, А. В. Садовой, Н. Т. Тищенко // Тематический выпуск «Проблеми автоматизован-ного электропривода. Теория и практика» научно-технического журнала «Электроинформ». - 2009. -С. 404-405.
2. Цабенко М. В. Математические модели устранения
Рисунок 6 - Перехщш процеси з використанням змшано! системи АПЗ 1 - амейство газодинам1чних характеристик 2 - газодинам1чна характеристика при змшанш систем1
1.5
1.4
1.2
0.3
Ч>. в.о.
\ \ V ^^^1
ч Л \ \
V \ э
Ф. в.о.
0.8
1.2
Рисунок 7 - Перехщш процеси з використанням змшано! системи АПЗ 1 -траектор1я руху робочо! точки при використанш АПК 2 - траектор1я руху робочо! точки при використанш байпасуванш 3 - траектор1я руху робочо! точки при використанш змшанш систем! захисту
помпажа в центробежном компрессоре [Текст] / М.
B. Цабенко, А. В. Садовой, Р. С. Волянский // Вестник Кременчугского государственного университета имени М. Остроградского. - 2010. - Вып. 4 (63). -
C. 167-169.
3. Aben E. H. Bifurcation analysis of surge and ratating stall in axial flow compressors [Text] / E. H. Aben, P. K. Houpt, W. M. Hosny // Journal of Turbomachinery. - 1993. - № 115. - Р. 724-817.
4. Gravdahl J. T. Modeling and Control of surge and rotating stall in compressor [Text] / J. T. Gravdahl // Journal of Turbomachinery. - 1998. - № 152. -Р. 544-615.
5. Venturini M. Development and experimental validation of a compressor dynamic model [Text] / M. Venturini // Journal of Turbomachinery. - 2005. - № 127. -Р. 599-608.
6. Цабенко М. В. Применение электромеханического позиционера для защиты компрессора от помпажа [Текст] / М. В. Цабенко, А. В. Садовой, Р. С. Волянский // V мiжнародна наково-практична конференция Проблем, перспективи та нормативно-правове за-безпечення енерго-, ресурсозбереженням в житло-во-комунальному господарств^ м. Алушта, АР Крим 2013.
7. Садовой А. В. Системы оптимального управления
прецизионными электроприводами [Текст] /
A. В. Садовой, Б. В. Сухинин, Ю. В. Сохина. - К.: ИСИМО, 1996. - 298 с.
8. Китаев А. В. Схемы замещения электрических машин [Текст] / А. В. Китаев, В. Л. Агбомассу,
B. И. Глухова // Электротехника и электроэнергетика. - 2013. - №2. - С. 14-26.
9. Садовой А. В. Релейные системы оптимального управления электроприводами [Текст] / А. В. Садовой, Б. В. Сухинин, Ю. В. Сохина, А. Л. Дерец. - Днепродзержинск: ДГТУ, 2011. - 337 с.
10. Цабенко М. В. Математические модели устранения помпажа в центробежном компрессоре [Текст] / М.
B. Цабенко, А. В. Садовой, Р. С. Волянский // Вестник Кременчугского государственного университета имени М. Остроградского. - 2010. - Вып. 4 (63). -
C. 167-169.
11. Цабенко М. В. Прогноз возникновения помпажа в
центробежном компрессоре [Текст] / М. В. Цабен-ко, Р. С. Волянский, А. В. Садовой, Н. Т. Тищенко // Тематический выпуск «Проблеми автоматизован-ного электропривода. Теория и практика» научно-технического журнала «Электроинформ». - 2009. -С. 404-405.
Цабенко М. В.
Старш. преподаватель, Запорожский национальный технический университет, Украина СИСТЕМЫ АНТИПОМПАЖНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ КОМПРЕССОРОМ
Статья посвящена исследованию антипомпажного систем защиты и математическому моделированию систем газоперекачивающих агрегатов на базе центробежных компрессоров с использованием антипомпажного клапана или байпасуванням, и смешанной системой защиты. Проведен обзор существующих систем антипомпажного защиты газоперекачивающих агрегатов, который позволил выявить ряд недостатков при использовании антипомпажного клапана или системы байпасування. Предложенная смешанная система ан-типомпажного защиты с одновременным использованием антипомпажного клапана и системы байпасуван-ня. Предложенная последовательность работы смешанной системы антипомпажного защиты. Приведенная структурная схема электромеханической системы центробежный компрессор - антипомпажного клапан -двигатель постоянного тока с системой автоматического управления. Полученные переходные процессы по использованию антипомпажного клапана, байпасування, и смешанной антипомпажного системы. Приведенные выводы, которые подчеркивают актуальность проведенных исследований и повышения энергоэффективности антипомпажного системы защиты центробежных компрессоров.
Ключевые слова: помпаж, антипомпажн/z защита, байпасирование, смешанная система, приводной двигатель, центробежный компрессор
Tsabenko M. V.
Senior lecturer, Zaporozhye National Technical University, Ukraine CONTROLSYSTEMSURGEOFCENTRIFUGALCOMPRESSORS
The article investigates the anti-surge protection systems and mathematical modeling of systems of gas compressor units on the basis of centrifugal compressors with anti-surge valve or baypass, and a mixed protection system. The review of existing systems, surge protection of gas compressor units, which revealed a number of shortcomings when using antisurge valve or baypass system. The proposed mixed system of surge protection with simultaneous use of surge valve and baypass system. The proposed sequence of the mixed system of surge protection. The above block diagram of an electromechanical system centrifugal compressor — anti-surge valve - direct current motor with an automatic control system. Obtained by use of transient surge valve baypass and mixed anti-surge system. These conclusions underline the relevance of the research and energy efficiency centrifugal compressor anti-surge protection system.
Key words: surge, anty-surge protection, baypass, mixed system, drive motor, centrifugal compressor
REFERENCES
1. Tsabenko M. V., Volyanskii R. S., Sadovoi A. V., Tishchenko N. T. Prognoz vozniknoveniya pompazha v tsentrobezhnom kompressore. Tematicheskii vypusk «Problemi avtomatizovannogo elektroprivoda. Teoriya i praktika» nauchno-tekhnicheskogo zhurnala «Elektroinform», 2009, pp. 404-405.
2. Tsabenko M. V., Sadovoi A. V., Volyanskii R. S.
Matematicheskie modeli ustraneniya pompazha v tsentrobezhnom kompressore. Vestnik Kremenchugskogo gosudarstvennogo universiteta imeni M. Ostrogradskogo, 2010, Vyp. 4 (63), pp. 167-169.
3. Aben E. H., Houpt P. K., Hosny W. M. Bifurcation analysis of surge and ratating stall in axial flow compressors. Journal ofTurbomachinery, 1993, No 115, pp. 724-817.
4. Gravdahl J. T. Modeling and Control of surge and rotating stall in compressor. Journal ofTurbomachinery, 1998, No 152, pp. 544-615.
5. Venturini M. Development and experimental validation of a compressor dynamic model. Journal of Turbomachinery, 2005, No 127, pp. 599-608.
6. Tsabenko M. V., Sadovoi A. V., Volyanskii R. S. Primenenie elektromekhanicheskogo pozitsionera dlya zashchity kompressora ot pompazha. V mizhnarodna nakovo-praktichna konferentsiya Problem, perspektivi
ta normativno-pravove zabezpechennya energo-, resursozberezhennyam v zhitlovo-komunal'nomu gospodarstvi, m. Alushta, AR Krim 2013.
7. Sadovoi A. V., Sukhinin B. V., Sokhina Yu. V. Sistemy optimal'nogo upravleniya pretsizionnymi elektroprivodami. Kiev, ISIMO, 1996, 298 s.
8. Kitaev A. V., Agbomassu V L., Glukhova V. I. Ckhemy zameshcheniya elektricheskikh mashin. Elektrotekhnika i elektroenergetika, 2013, No 2, pp. 14-26.
9. Sadovo A. V., Sukhinin B. V., Sokhina Yu. V., Derets A. L. Releinye sistemy optimal'nogo upravleniya elektroprivodami. Dneprodzerzhinsk: DGTU, 2011, 337 s
10. Tsabenko M. V., Sadovoi A. V., Volyanskii R. S. Matematicheskie modeli ustraneniya pompazha v tsentrobezhnom kompressore. Vestnik Kremenchugskogo gosudarstvennogo universiteta imeni M. Ostrogradskogo, 2010, Vyp. 4 (63), S. 167-169.
11. Tsabenko M. V., Volyanskii R. S., Sadovoi A. V., Tishchenko N. T. Prognoz vozniknoveniya pompazha v tsentrobezhnom kompressore. Tematicheskii vypusk «Problemi avtomatizovannogo elektroprivoda. Teoriya i praktika» nauchno-tekhnicheskogo zhurnala «Elektroinform», 2009, pp. 404-405.
