天然气压缩机仿真测试平台的设计

钱 迪郑 会张 沛王 帅刘 超赵 阳

（1.中国石油天然气股份有限公司；2.沈阳鼓风机集团股份有限公司）

1 概述

陕京管道榆林压气站压缩机组原有控制系统已运行十多年，硬件模块已经老化，日常使用中经常发生停车现象。控制系统的风冷控制和负荷分配控制均不能正常工作，而且机组服务器之间、上位机与CPU之间一直存在不同步现象，所以亟需对控制系统国产化改造。控制系统国产化改造项目是对三台DY401-DY403曼透平压缩机组。进行调研后，对机组硬件系统提出更换电源模块、输入输出模块、通讯模块等的替换方案，软件上考虑兼容性，使其更新至SIMATIC PCS7最新版本V8.2。同时还需对上位机画面友好度、下位机控制算法等提出改造方案。为了对三台机组改造后控制系统的关键程序进行验证，搭建了仿真测试平台。选择UniSim仿真平台并搭建以DY401-DY403三台压缩机为核心设备的虚拟工厂。此外，仿真测试平台还具备针对现场操作人员的培训（OTS）功能，如模拟开车及运维管理等。

2 仿真模型搭建

当压缩机组控制系统的软、硬件及配套设备改造完成后，需要搭建以压缩机为核心设备的虚拟工厂，并进行数据连接完成仿真模型搭建。

2.1 仿真系统平台

UniSim软件是Honeywell公司推出的新一代过程模拟平台，具有强大的流程模拟功能。利用UniSim流程模拟软件建立的工艺模型，不仅能够对整个工艺过程进行动态跟踪，还能为实际设备的设计参数和方案优化提供依据[1]。

2.2 润滑油站系统搭建

在管线压缩机运行过程中，润滑油站为压缩机提供润滑油。润滑油应满足总管压力、冷却前油温等技术参数，为主轴等旋转零件提供润滑与降温作用，保障机组的稳定运行[2]。在UniSim平台中按照榆林站压缩机组润滑油站设备原件的实际尺寸与设备参数逐一调试并连接模型元件，其模型架构如图1所示。

图1 润滑油站仿真模型Fig.1 Simulation model of lubricating oil station

2.3 密封系统搭建

管线压缩机运行过程中采用干气密封方式为压缩机密封端面提供密封气。压缩机干气密封通常采用两种气源，即氮气和工艺气[3]。搭建仿真模型如图2所示，在开车阶段以稳定的低压氮气为端面提供隔离气、二级密封气和一级密封气。开车后，使工艺气成为一级密封气的气源。调试低压氮气与工艺气的电磁阀控制逻辑、一级密封气与平衡管差压的手/自动控制逻辑，为验证真实机组性能提供可靠的参考依据。

2.4 气路系统搭建

压缩机组的性能曲线是气路系统模型的关键。在气路模型连接完成后，分别为不同控制逻辑创建Sheet表，以编写脚本的形式写入响应逻辑，如图3所示。其中防喘振控制采用无量纲坐标系。

图2 密封系统仿真模型Fig.2 Simulation model of sealing system

图3 气路系统仿真模型Fig.3 Simulation model of gas path system

2.5 虚拟工厂的组建及其与控制系统的通讯

润滑油站系统、密封系统、气路系统组建成一个完整的虚拟工厂。若满足允许启动逻辑则可以通过手动或者一键开车逻辑（顺控控制）进行开车。运行后逐步关闭防喘振阀，机组进入额定转速的平稳运行状态。改变模型中温度控制、压力控制、流量控制等控制阀的设定值或PI等参数便可以实现相应的控制逻辑。此时模型已经完全符合模拟启停车、性能验证的基本条件。

利用OPC通讯模块，开发出用于仿真平台与控制系统通讯的专业通讯软件。需要通讯的点包括PCS7控制系统中所有的模拟量、数字量输入输出点，以及为完成操作动作或者为强制某些值而建立的通讯点。这些数据点分为100ms的快周期点与500ms的慢周期点[4]，如图4所示。

图4 OPC专业通讯软件Fig.4 OPC professional communication software

虚拟工厂与PCS7控制系统建立通讯后组成了压缩机仿真测试平台，如图5所示。左边两块屏幕中分别是PCS7的上位机与下位机。通过专业通讯软件连接右侧的仿真平台。操作者可以在上位机操作各种控制逻辑。

图5 天然气压缩机仿真测试平台Fig.5 The simulation experiment test system of gas compressor

3 仿真测试平台验证控制系统性能

组建完成的仿真测试平台可以真实有效地模拟压缩机运行，为验证改造后的控制算法提供可靠依据。压缩机模型会真实反映由于进口流量减小等工况变化而导致的喘振情况。在机组运行时，减小进口流量或增大出口压力，观察防喘振阀开阀动作，验证防喘振控制算法的准确性。最后对三台机组的负荷分配控制逻辑与风冷控制逻辑进行验证。

3.1 风冷控制逻辑与其仿真验证

榆林站原有的控制系统是把压缩机出口温度与上位机的温度设定值进行比较，以其偏差结果来控制空冷风扇的启动台数，但是空冷风扇一直未实现有效控制。榆林站有9组空冷风扇，每组两台风扇，每台风扇有高低不同转速的两台电机，见图6风冷控制模型。原有控制方法总体响应过长，且振荡时间长，很难稳定。现根据启动的压缩机台数快速打开若干台风扇，使压缩机出口温度快速下降，然后微调使其接近设定温度，同时考虑四季的不同环境温度对机组的风冷效果造成不同的影响，把外部环境温度与压缩机出口温度同时作为参考维度，则在年平均温度下，只启动一台压缩机，按如下顺序启动风扇。

图6 风冷控制模型Fig.6 Air cooling control model

启动前三台风扇的两台电机都为高速

启动第四台风扇的第一台电机为低速

调节上一台风扇电机为高速

启动第四台风扇的第二台电机为低速

调节上一台风扇电机为高速

启动第五台风扇的第一台电机为低速

调节上一台风扇电机为高速

启动第五台风扇的第二台电机为低速

调节上一台风扇电机为高速

……

对风冷算法进行仿真验证，如图7所示，改进前的风冷控制方法降温速度慢，振荡周期长，很难趋于稳定（图7虚线）。改进后的控制方法可以使高温的天然气快速降到相对低的温度，并通过改进PID调节，使温度曲线迅速接近上位机温度设定值，快速平稳，风冷效果有很大提升。

夏季环境温度会明显升高，考虑实际温度与年平均温度的偏差，可以适当调整风扇开启数量，使控制方法得以修正[5]，即环境温度较高时，开启风扇的数量可以适当增加；当环境温度较低时，开启风扇的数量可以适当减少。

图7 风冷控制改进前后对比Fig.7 Comparison of air cooling control before and after improvement

3.2 负荷分配控制策略与其仿真验证

榆林站压缩机组国产化改造项目对机组的负荷分配采用等相对喘振距离法，即通过调节，使压缩机工作点到防喘线的相对距离相等[6]。如图8所示，并联的三台机组负荷分配控制系统由SCP（分配控制盘）中的MS（中央性能控制回路）、UCP（单机控制盘）中的LSIC1、LSIC2、LSIC3（单机性能控制回路）与AS1、AS2、AS3（冷回流控制回路）组成。其中SCP通过现场LAN及硬线与两个UCP数据通讯。MS用于检测机组出口总管压力，经过偏差计算PID后对其加权，再发送到单机的LSIC1、LSIC2、LSIC3单元，再经过PID计算发送至电机的变频控制和冷回流阀的开度控制上。

图8 负荷分配控制图Fig.8 Load distribution control chart

对负荷分配控制算法进行仿真验证，如图9所示，提取冷回流阀门开度、单机组转速、三机组总功率等要监控的变量与相关操作变量。投入负荷分配控制，三台机组的转速逐渐上升，冷回流阀逐渐关闭，总功率逐渐上升，压缩机工作点逐渐向压比增高、流量增大的趋势移动。当运行稳定后，得到三台机组的工作点及性能曲线图（图10）。图中相邻排列的性能曲线代表不同转速的工况。所有性能曲线最左端的点连成一条线，则这条线就是喘振线。可以观察到，稳定后三台压缩机的工作点与喘振线的相对距离基本相等，符合等相对喘振距离法的要求，从而实现了负荷分配控制算法的验证。

图9 负荷分配控制模型Fig.9 Load distribution control model

图10 三机组工作点及性能曲线图Fig.10 Working point and performance curve diagram of the three units

4 结束语

搭建天然气压缩机仿真测试平台可以对陕京榆林站DY401-DY403曼透平压缩机组国产化改造后的控制系统进行可操作性验证与控制逻辑验证。可以通过调节元件模型参数和控制逻辑变化来探索更加符合实际需求的参数设置或者控制算法，为提高控制精度、加快系统响应提供足够宽广、便捷的操作空间。同时，操作人员可以通过人机界面对虚拟工厂进行实时操控，确保压缩机组稳定运行，同时实现对现场操作人员的培训。

[1]August D,Chang J,Girbal S,et al.UNISIM:An Open Simulation Environment and Library for Complex Architecture Design and Collaborative Development[J].IEEE Computer Architecture Letters,2007,6(2):45-48.

[2]张瑞琳,王文友,王威,等.新型压缩机润滑油站系统开发与应用[J].润滑与密封,2007,32(10):115-119.

[3]李桂芹,王玉华.压缩机干气密封基本原理及使用分析[J].风机技术,2000(1):19-23.

[4]林跃,张彦武.OPC技术及其在工控组态软件中的应用[J].控制工程,2001,8(2):41-43.

[5]杨建华,唐维新,袁文华.风冷发动机离心式冷却风扇的优化试验技术[J].内燃机工程,2002,23(1):81-84.

[6]张鹏.管道压缩机的负荷分配控制[J].风机技术，2014(z1):102-105.