往复式天然气压缩机节能降耗技术分析

往复式天然气压缩机节能降耗技术分析

刘莎

天津市天通燃气有限公司      天津市300280

摘  要：天然气压缩机因操作复杂，判断和评估的数据、逻辑条件比较多，需要其控制系统实现节能降耗。使控制系统能像人一样思考、判断、综合推理，并对这个控制对象做出微调，使操作结果达到令人满意的效果。模糊控制因其不过度依赖数学模型并能够结合专家的经验做出正确判断和推理，使控制系统对执行机构的非线性控制起到了很好的效果，代替了人员手动操作。

关键词：节能降耗;模糊控制;判断;推理

0  引  言

天然气压缩机对石油中的伴生气和天然气进行回收和再利用起到了关键的作用，为海洋油气田的节能减排和降本增效提供保障。随着工业技术的进步，设备的功能越来越复杂，保护越来越完善，对天然气压缩机的控制系统提出了更高的要求。节能降耗成为发展的趋势，一种非线性的模糊控制算法使控制系统有了像人一样分析和判断的能力。

1  项目背景

天然气压缩机在整个运行周期有吹扫、预润滑、起动主机、等待滑油温度、手动加载、自动加载等流程，在这些流程中除了自动加载流程以外其他流程是需要人员参与的，自动加载是依靠PID调节自动实现。压缩机的各个流程环环相扣，依次执行，在每个流程内部又有许多逻辑条件，都满足后才能进入下一步。这样对操作人员的经验和判断力有严格的要求。虽然在操作页面有开机向导，减小了操作难度，但操作人员还是希望能有一个更简便的傻瓜式的操作方案，一键起动和节能降耗等。一键起动即点击一次起动按钮，触发机器进入流程，剩下工作的交给压缩机的控制系统来自己完成全部流程顺序操作的过程，节能降耗要求机器像人一样可以自己思考和判断，能够完成一些更为复杂的工作。

2  项目的原理分析和算法的实现

2.1  项目原理分析

天然气压缩机要实现一键起动和节能降耗，需要压缩机控制系统自己去判断每个流程执行的进度，以及每个流程内部的执行的任务是否完成，逻辑条件是否满足，没有完成时如何处置或协助完成，条件满足后自己去触发进入下一个流程，如此顺序执行。

在主电机起动流程中为减小起动阻力，回流阀的开度开到100%。主电机起动流程结束后，面临的一个最主要的困难是手动加载流程。手动加载流程为逐步减小回流阀的开度，来逐步提升压缩机出口的压力。在等速度的关闭回流阀的过程中，因存在着许多不同程度的不确定因素，包括模型误差和外部干扰。每次起动压缩机，上游来的天然气压力、流量、温度都有差异，天气、外界环境等因素也有差异，需要依靠人的经验和判断做出千差万别的操作。压缩机的出口压力上涨的速度并不匀称，上涨过快给控制系统的稳定带来冲击，也给切换到自动加载时PID调节初期带来较大的波动，操作错误就会出现关停，所有流程需要从头再来，操作难度有点大。

此时被控对象的数学模型不准确，而且误差比较大，需要采用一种非线性，减小对数学模型准确度的依赖，将控制系统设计成能像人一样思考、判断、综合推理，并对这个过程做出微调，使结果达到令人满意的效果。

2.2  项目算法的实现

采用压缩机出口压力上涨速度为自变量，对调节阀开度调节速度干预程度为输出量建立关系。采用一种非线性算法，模糊控制算法。

模糊數学模型能够不过度依赖数学模型，设压缩机出口压力上涨速度为自变量，对调节阀开度调节速度的干预程度为输出量。

以ho为出口压力上涨速度的目标值，h为实际值，偏差e=ho-h，

将自变量模糊化处理，负偏大说明压力上涨速度过快，正偏大说明压力上涨太慢，其他类推，e的矢量值如表1所示。

将输出量u模糊化处理，负大说明促使调节阀关闭速度加快，0偏差对调节速度不干预，正大说明促使调节阀的调节速度减慢，u的矢量值如表2所示。

模糊规则：

（1）若e负大，则u正大。

（2）若e负小，则u正小。

（3）若e为0，则u为0。

（4）若e正小，则u为0。

（5）若e正大，则u为0。

因为压力上涨速度慢，不会造成危险，可以不对调节阀的调节速度干预，任其按照固定的速度往小调节。

模糊关系：

模糊关系矩阵：

根据模糊关系，规则内取交集，规则间取并集。得：

模糊决策：

当e为负大时，

当e为负小时，

当e为0时，

当e为正小时，

当e为正大时，

控制量反模糊化：

当e为负大时，

当e为负小时，

当e为0时，

当e为正小时，

当e为正大时，

按照隶属度最大关系，e为负大、负小、0、正小、正大时。u对应的值是4、2、0、0、0即在压力上涨速度大于目标设定速度时对回流阀的关闭速度按照等级进行干预，上涨越快干预越强，低于时不对调节阀关闭速度干预，即按照设定速度逐步关闭。

现场实际使用过程中，会有特殊情况。为此按照有经验的调试工程师编制了一个专家经验数据库，在参数出现特殊情况时，控制系统按照专家经验数据库的规则可以提出更高优先级的干预，让系统动作暂停并保持，留出足够的时间让上游设备做出反应和让压缩机本体内的压力充分上涨，避免过快迭代。

在手动加载的过程中，可能出现如下状况：

出现上游天然气补充不及时造成一级入口压力暂时偏低，继续减小回流阀的开度会对上游工艺系统造成影响，需要回流阀短暂等待上游压力恢复;

出现上游天然气补充波动造成一级入口压力暂时偏高，即使出口满足设计要求也要使回流阀的开度继续下降，直到入口压力满足要求将回流阀切入到PID控制。

两台回流调节阀配合不当造成级间压力高，或级间压力低。

根据以上几条，应对压力特殊情况的经验列表如表4所示。

其中P1表示一級入口压力，L1表示入口压力低报警值，H1表示入口压力高报警值，P2表示一级出口压力，L2表示出口压力低报警值，H2表示出口压力高报警值;P3表示二级入口压力，L3表示二级入口压力低报警值，H3表示二级入口压力高报警值，P4表示二级出口压力，L4表示二级出口压力低报警值，H4表示二级出口压力高报警值;PV1表示一级回流阀开度值，PV2表示二级回流阀开度值。

对于有两级压缩机的机型需要考虑一级加载与二级加载不均衡出现偏载，造成排气温度差异较大，排气温度大的一侧容易温度高高关停，也对机械本身不利。

根据上面，应对温度不平衡的经验列表如表5所示。

T1表示一级排气温度，T2表示二级排气温度，温度允许有上下10 ℃的偏差;PV1表示一级回流阀开度值，PV2表示二级回流阀开度值。

以上这些表格存储于数据库中，当现场的压力或阀门的开度与预先设定有较大偏差时，机器可以从数据库查表，并作出类似于人类判断，并对机器进行干预。

3  结  论

在实际使用时，回流调节阀回关动作速度与压力上涨速度协调，很好地控制了压力过快上涨造成的冲击、和载荷的不平衡，减轻了天然气压缩机对上游设备的冲击，降低了操作人员的工作量，降低了操作错误带来的风险。实现了控制系统拥有丰富的经验和像人一样能够思考的能力。提高了控制系统的节能降耗水平。

参考文献：

[1] 诸静.模糊控制理论与系统原理 [M].北京：机械工业出版社，2005：208-228.

[2] 谢季坚，刘承平.模糊数学方法及其应用 [M].武汉：华中科技大学出版社，2006：219-220.

[3] 李德毅，杜鹢.不确定性人工智能 [M].北京：国防工业出版社，2005：102-103.

[4] 章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用 [M].西安：西北工业大学出版社，2004：177-200.

第一作者简介：刘莎，女，1986年11月，汉族，天津市滨海新区，在天津市天通燃气有限公司，联系地址：天津市天通燃气有限公司，邮编：300280。