基于UNISIM的压缩机组动态仿真分析系统

费启智 林峰宝 陈泓辛 陈思诗

【摘要】压缩机组动态仿真分析系统旨在为压缩机的生产制造、试车、投产、使用和维护提供方案和参考。本压缩机组动态仿真分析系统基于UNISIM软件和压缩机组控制系统开发，有着先进的压缩机组仿真理论，仿真结果精度高。是研究压缩机组动态性能，优化和验证压缩机组控制方案的重要工具。

【关键词】压缩机；动态仿真；UniSim

引言

压缩机组动态仿真分析系统提供的所有的模型，都是基于严格的热力学、动力学机理模型构建的。这种方法适应于多组分、多相变的复杂体系，并具有良好的外延性。本系统利用机组设计时使用的物性方程，开发丰富的压缩机模型算法库，这些算法是根据传热、传质、动量传递、流体力学和自动控制等基本原理开发的，具有较高的精确性和真实性。

1.系统开发

压缩机组动态仿真分析系统的结构，由压缩机组控制系统，压缩机组模型，压缩机组3D操作环境组成。压缩机组控制系统采用真实的工厂控制系统程序，控制系统程序在相应的仿真器上运行。压缩机组模型能够模拟压缩机组的运行工况，并为压缩机组控制系统提供实时数据，经过压缩机组控制系统的自动逻辑判断或操作者认为设定，压缩机组控制系统发出控制命令给压缩机组模型。压缩机组3D操作环境能真实的模拟工厂外操环境，与压缩机组控制系统协同操作，以实现对整个压缩机组的控制。压缩机组模型开发是整个压缩机组动态仿真分析系统搭建的核心，正确、合理、准确的建模是保证分析结果是否真实可靠的的关键。压缩机组动态仿真模型，模型由压缩机、驱动机、管路、阀门等组成，除此之外还有其他辅助系统，如润滑油系统，汽轮机疏水系统，控制油系统等。压缩机组建模首先应该定义模型的基础参数，如工厂当地大气压力，模型采用的单位等。在所有的模拟设备中，压缩机是核心设备。确定压缩机的机型和输送介质后，将压缩机的设计参数输入UNISIM软件中的压缩机模型[2]，形成压缩机各个工况的性能曲线。将压缩机模型与其他模型通过物质流连接，通过逐步调试和完善，动态运行压缩机组模型。建立压缩机组模型与压缩机组控制系统和3D外操环境之间的通讯，即压缩机组动态仿真分析系统。

2.功能及特点

2.1研究压缩机组动态性能

压缩机组动态性能直接影响压缩机运行效率，需要专业的模型和算法并结合工艺过程才能得到分析验证。多机组串并联多用于天然气管道输送，负荷分配一直是困扰生产能耗的首要问题，特别针对于功率不同的压缩机组串并联情况，如何分配各个压缩机组的负荷以实现安全生产、降低能量损耗就显得尤为重要[3]。压缩机组动态仿真系统通过精确的物性方程，配合机组性能特性曲线，结合压缩机自身设备参数，与管网及其它设备配合计算，模拟出机组级联最佳工作点及最佳操作方法，从而在完全不影响正常生产的情况下，尽可能的减小能耗，并使各压缩机组均在最优工况下运行。在节能降耗的同时，增加了压缩机的安全运行系数和使用寿命。

2.2防喘振工况模拟分析

在化工生产过程中，压缩机组会受上下游多重因素的影响，使入口组份、压力和温度发生改变。从而可能造成压缩机组喘振甚至停车[4]。压缩机组动态仿真分析系统可以模拟压缩机组不同工况的改变过程，为用户提供工况改变时的应对方案。在压缩机的使用过程中常常会遇到防喘振阀无法完全关闭的情况，防喘振阀不能完全关闭，不仅会使压缩机组不能达到使用要求，还大大降低了压缩机组的使用效率、安全系数和使用寿命。我们可以利用压缩机组动态仿真分析系统模拟压缩机组此时的工况，将模拟得出的参数与实际设备的参数对比分析，从而找到防喘振阀门不能完全关闭的真正原因，对于不同的解决方案亦可进行进一步验证分析。

2.3控制方案模拟验证

压缩机组的控制主要包括转速控制、防喘振控制、电器设备控制等。压缩机组控制系统分别要经过模拟调试、静态调试和试车验证的过程。但常常在压缩机组投产后仍然会出现很多未被发现的问题，如防喘振发无法关闭，转速无法升到额定转速，汽轮机抽气功能无法使用等。这是因为在压缩机组试车时所输送的介质并非设计输送介质，或者模拟调试时控制系统所采集的数据不是连续变化的。而压缩机组动态仿真分析系统能够模拟真实的压缩机组运行情况，能够更好的验证控制方案的正确性和合理性。能够提前发现并修正控制方案的不足之处，尽可能的减少故障，提高试车效率，节约试车成本。

2.4故障模拟及解决方案

压缩机组作为工艺装置的核心设备，在正常生产过程中难免会出现设备、仪表等各方面问题，这些问题能否正确、快速、高效的处理决定了装置的连续运行及高效生产。压缩机组动态仿真分析系统可以为用户模拟出转速大幅波动，阀门漂移、粘连、泄露，阻力系数改变，机组报警故障等所有可能发生的危险过程及后续引起的设备动作。通过此系统可以提前拟制不同故障时的应急解决方案，并对方案的可行性进行验证，可有效避免机组误停车，减少不必要损失。

2.5操作培训（OTS）

压缩机组动态仿真分析系统同时具备内操环境和外操环境，可用作为操作员培训和考核。压缩机组动态仿真分析系统满足操作人员对压缩机组操作培训的需求，能够帮助操作人员熟悉特定机组的操作过程，积累操作经验，提高操作人员现场故障处理和故障诊断分析能力，使操作人员熟悉并熟练掌握压缩机组的操作方法，包括画面调用、仪表操作、参数修改等。

压缩机组的动态仿真分析系统的操作培训课程与实际设备高度相似，能够培养出熟悉设备，操作熟练的操作人员。与传统的培训模式相比，极大地提高了培训效果，节约培训成本。

3.结束语

压缩机组动态仿真分析系统能够准确地模拟压缩机组的各种运行工况，用以处理常規方法无法解决的压缩机组问题，量化不同工况下压缩机组的参数变化，采集真实设备不易采集的数据。是分析压缩机组性能，了解压缩机组工艺的重要方式。随着石油化工行业的快速发展，压缩机组动态仿真分析系统将被广泛的应用。

参考文献

[1]赵建彬，刘君有，郭俊昌等.HYSYS流程模拟技术在油气处理厂的应用[J].油气田地面工程，2010（8）：93-94.

[2]Honeywell.UniSimDesign Operations Guide[Z].2014/11.

[3]梁平，李志军，肖翔等.天然气处理流程模拟技术[J].油气田地面工程，2008（4）：53-54.