5 Принципы антипомпажного регулирования

Download Report

Transcript 5 Принципы антипомпажного регулирования

Slide 1

ОПЫТ ПОВЫШЕНИЯ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
КОМПРЕССОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Эксперт Центра «Эксплуатация технологических
процессов и стандартизация» ООО «СИБУР»
С.Б. Кульберг
Геленджик 2012


Slide 2

Содержание

1. Общие соображения
2. Актуальность задачи
3. Термины и определения
4. Цели антипомпажного регулирования
5. Принципы антипомпажного регулирования
6. Характеристики компрессора. Зона устойчивой работы.
7. Принципы математического моделирования АПР.
8. Риски при эксплуатации оборудования.
9. Технические требования к оборудованию и поставщику алгоритма регулирования
10. Окупаемость систем АПР
11. Перспективы реализации системы АПР на компрессорах СИБУРа

12. Выводы

1


Slide 3

Общие соображения.

Компрессоры с их приводными агрегатами (паровыми и
газовыми турбинами или электродвигателями) являются
одними из важнейших компонентов многих процессов.
Большинство процессов, связанных с нефте- и газохимией требуют компремирования газа.







2

Выход из строя, даже кратковременный, компрессора
может привести к тяжелой аварии и останову важного
и дорогостоящего технологического процесса.
Надежность машин обеспечивает надежность
технологических процессов, использующих
компремирование газов.
В настоящее время, кроме вопросов безопасности и
надежности эксплуатации оборудования, на первый
план выходят вопросы по энергоэффективности его
эксплуатации.
Экономичность эксплуатации оборудования, в
существенной степени от работы систем их
автоматического регулирования.


Slide 4

Актуальность задачи

Стоимость 30-летней эксплуатации
компрессора мощностью 20.000 л.с.

Анализ состояния дел с системами
регулирования


Системы автоматического регулирования компрессоров,
применяемых на территории бывшего СССР,
направлены, главным образом, на поддержание
безопасности эксплуатации.



В них плохо решены задачи энергоэффективности
эксплуатации компрессоров.



Их многочисленные контуры регулирования плохо
взаимодействуют друг с другом.



Не решены в них и проблемы регулирования агрегатов,
работающих в параллель.



Быстродействие применяемых систем, их точность и
надёжность - низкие.



За пределами СНГ техника регулирования компрессоров
за последние 20 лет шагнула далеко вперед, разработав
математические модели энергоэффективного
регулирования и их инженерное воплощение.



Системы автоматики, направленные на снижение затрат
эксплуатации, внедрены на десятках тысяч агрегатов,
работающих почти во всех странах мира .

Начальная стоимость
$1.500.000

97% от общей
стоимости

Стоимость
обслуживания
$4.500.000

Стоимость
энергии
$180.000.000
3
Затраты выражены в постоянных долларах
Источник: «Опыт анализа и мониторинга работы компрессора»
Ben Duggan & Steve Locke, E.I. du Pont, Old Hickory, Tennessee
Материалы 24-й конфиренции по турбомашинам

Вывод: Модернизация систем управления
компрессорами весьма актуальна в России
и является уже общепринятой мировой
инженерной практикой.


Slide 5

Термины и определения
В целях настоящей презентации будут использоваться следующие
термины в данном их значении:

Антипомпажная защита (поставляемая либо в комплекте с компрессором, либо
смонтированная в рамках автоматизации его работы) – комплекс электронного
оборудования, основной задачей которого является вывод оборудования из зоны
помпажа путем частичного или полного открытия антипомпажного клапана. После
преодоления опасности помпажа происходит плавное закрытие регулирующего
клапана и вывод рабочей точки компрессора на рабочую линию. Если в течение
заданного времени устранить помпаж при помощи перепуска газа не удается,
система антипомпажной защиты выдает команду аварийного останова агрегата.
Антипомпажное регулирование – это совокупность электронного
оборудования и математического алгоритма, целью работы которых, помимо
обеспечения защиты компрессора, является поддержание запаса по помпажу
не ниже заданного уровня и корректировка в реальном времени наиболее
эффективного режима работы компрессора, обеспечивая тем самым
экономическую эффективность при эксплуатации компрессора.

Вывод:
Таким образом, антипомпажное регулирование представляет собой систему
усовершенствованной защиты компрессора.

4


Slide 6

Цели антипомпажного регулирования
Основными целями установки на компрессорном оборудовании систем
антипомпажного регулирования служат:
Повышение надежности эксплуатации компрессоров и технологических
процессов с их участием за счёт:




-

предотвращения аварий компрессоров и резкого сокращения, вплоть до
полного устранения, инцидентных остановов агрегатов;
устранения помпажей и их последствий;
минимизации технологических возмущений, связанных с избыточной
рециркуляцией сжатого газа;
упрощения операций пуска и останова агрегата – снижение времени простоя
оборудования.
Оптимизация технологического процесса, использующего в своем составе
компрессор.
Повышение экономической эффективности компрессоров за счёт обеспечения:







5

возможности работы при малых нагрузках;
высокой точности регулирования - минимизация отклонения параметра от задания;
эффективного распределения нагрузки между совместно работающими
компрессорами;
сокращения потерь энергии на рециркуляцию
обеспечения максимального расхода с использованием полной располагаемой
мощности


Slide 7

Принципы антипомпажного регулирования

Работоспособность системы антипомпажного
регулирования основана на установке ряда
собственных датчиков на оборудовании, с
обобщением их данных в контроллере и выдачей
суммирующего управляющего сигнала на
регулирующее и отсечное оборудование.
Воздействие, генерируемое контроллером, основано
на реализации алгоритма (математической модели)
регулирования и защиты.

Сущность алгоритма заключается в постоянном выявлении соответствия фактического состояния
работающего компрессора в виде оценки режима его работы и степени приближения этого состояния к
индивидуальной линии помпажа.
Результатом регулирующего воздействия контроллера является удержание работающего компрессора
в зоне приближения к области помпажа (наиболее эффективная зона с точки зрения
энергоэффективности и КПД) или безопасный останов компрессора (при угрозе его неконтролируемого
перехода в помпаж).

6


Slide 8

Характеристики Компрессора.
Зона Устойчивой Работы






Вывод:
Одна из основных задач САР - расширить
границы зоны безопасной работы
компрессора

7

Режим устойчивой работы компрессора ограничен
Наиболее серьезными ограничениями являются:
• граница помпажа
• предельная мощность
• предельное давление
• предельная частота вращения
Работать на линиях ограничения крайне опасно
Обычно система регулирования удерживает
рабочую точку на безопасном расстоянии от этих
линий, в зоне безопасной работы


Slide 9

Принципы математического моделирования, оценка состояния и положения
рабочей точки компрессора

Точка помпажа

A





sp






8


A



В плоскости координат каждой приведенной скорости компрессора
соответствует неизменная газодинамическая характеристика.
Положение рабочей точки на этой характеристике точно определяется
тангенсом угла наклона луча, соединяющего рабочую точку с началом
координат.
При движении рабочей точки вдоль рабочей линии компрессора,
соответствующей постоянной приведенной скорости, этот тангенс
увеличивается.
Точка помпажа на той же характеристике постоянна и тангенс наклона луча,
соединяющего эту точку с началом координат также постоянный.

В контроллерах в реальном времени и с высокой скоростью
производится вычисление положения рабочей точки
относительно реальной границы помпажа, которая
определяется при проведении помпажных тестов каждого
конкретного компрессора.
Когда тангенс рабочей точки достигает значения тангенса для
положения рабочей точки на линии регулирования помпажа
начинается реализация механизма по корректировке работы
компрессора в целях возврата рабочей точки правее от линии
регулирования.
Достижение значения тангенса угла рабочей точки до
значения тангенса угла линии помпажа- это пограничное
значение, при котором начинается реализация алгоритма
антипомпажной защиты компрессора


Slide 10

Факторы, способствующие возникновению помпажа – риски при
эксплуатации оборудования










Пуск;
Останов;
Работа с пониженной производительностью;
Работа с повышенной производительностью при:
• аварийных остановах;
• потери мощности;
• ошибках оператора;
• возмущениях в сети;
• изменении нагрузки;
• изменениях состава газа;
• проблемах, связанных с двигателем.
Помпаж не ограничен режимами малой
производительности.
Помпаж может происходить при работе компрессора с
полной производительностью.

Вывод:

Современные инженерные решения позволяют минимизировать эти риски

9


Slide 11

Технические требования к оборудованию для антипомпажного
регулирования и организации работ по реализации программы.
1. Быстродействие контроллеров.
Принимая во внимание, что скорость развития помпажа (переход рабочей точки от
линии регулирования помпажа до самой линии помпажа) составляет около 500
миллисекунд, система должна иметь временной запас для многократной (10-12 раз)
диагностики состояния компрессора и нескольких итераций по выдаче регулирующего
воздействия.
2. Математический алгоритм.
Наличие у лицензиара антипомпажного регулирования апробированных математических
алгоритмов постоянной диагностики положения рабочей точки компрессора и
последующей корректировки его работы.
3. Архитектура антипомпажного регулирования.
Антипомпажное регулирование опирается на сбор сигналов от своих собственных
датчиков и обработку сигнала в собственном контролере с выдачей регулирующего
воздействия на исполнительные механизмы компрессорного блока ( перепускные
клапана, дроссельные задвижки).
4. Сбор разработчиком системы АПР исходных данных для построения достоверной
газодинамической картины работающего компрессора и обязательное проведение
помпажных тестов для определения истинного положения линии границы помпажа и
линии его регулирования.
10


Slide 12

Окупаемость систем АПР
Основные технические причины экономической эффективности АПР:
• Даже при работе компрессорных агрегатов в режимах загрузки близкой к максимальной,
антипомпажные клапаны не всегда полностью закрыты.
• Компрессорные агрегаты на переходных режимах (пуски/остановы, нагрузки/разгрузки) нуждаются
в антипомпажной защите.
• Совместно работающие компрессоры нуждаются в регулировании распределения нагрузки.
• Точное регулирование частоты вращения привода компрессора.
• Технологическое оборудование дольше сохраняет работоспособность если оно эксплуатируется
без превышений предельно допустимых параметров, без резких изменений нагрузки, с низкими
вибрациями и т.п.
Явная экономия при внедрении систем АПР:
Снижение потребления пара/электроэнергии на привод компрессора:
• За счет минимизации перепусков через приоткрытые АПК- возможность эксплуатировать
компрессора с полностью закрытым АПК с минимальным запасом до реальной границы помпажа.
• За счет оптимального распределения нагрузки совместно работающих компрессоров
• За счет реализации энергосберегающего регулирования нагрузки электродвигателя компрессора,
связанного с антипомпажным регулированием.
• За счет точного регулирования скорости турбина.
• Исключение ошибок операторов.
Косвенная экономия при внедрении систем АПР:
• За счет снижения количества аварийных остановов оборудования.
• За счет сокращения времени на поиск неисправностей и сокращения времени простоя
оборудования.
• За счет снижения стоимости ремонта основного оборудования (благодаря плавному пуску/останову
компрессоров).
• За счет точного и стабильного поддержания заданных значений параметров технологического
11
процесса.


Slide 13

Экономия электроэнергии от сокращения рециркуляции и
окупаемость систем АПР
Окупаемость менее одного года является типичной за счет сокращения расхода
рециркуляции или сброса рабочей среды

Предполагается, что стоимость энергозатрат электродвигателя составляет $0.05 за кВт час или стоимость
энергозатрат турбины составляет $327 за л. с . в год. При расчете периода окупаемости налоговые отчисления не
учитывались из-за их различия в разных странах.

12


Slide 14

Перспективы реализации антипомпажного регулирования на
компрессорах

13

1.

Возможность реализации АПР на компрессорах без современного АСУТП.
Программу антипомпажного регулирования можно реализовывать на компрессорах
с любым типом АСУТП, поскольку система АПР опирается на собственные датчики
состояния компрессора, собственный контроллер и собственные исполнительные
механизмы.

2.

Возможность интеграции системы АПР и современной системы АСУТП. В системе
АПР предусмотрен вывод сигнала к внешним электронным системам. У ведущих
разработчиков АПР есть опыт по интеграции этих систем.

3.

Возможность реализации АПР на компрессорах с большими коэффициентами
сжатия.

4.

Антипомпажное регулирование на компрессорах- это стандартная мировая
практика, уже многократно реализованная на отечественных предприятиях, с
привлечением иностранных инжиниринговых компаний (компрессора углекислого
газа, аммиачные компрессора производств минеральных удобрений), на
оборудовании предприятий СИБУРа – компрессора пирогаза пиролизных
производств, и на предприятиях ГАЗПРОМа – на компрессорных станциях
магистральных трубопроводов..


Slide 15

Выводы

1. Система АПР позволяет осуществить экономию
энергоресурсов, повысив тем самым
энергоэффективность всего производства в целом.
2. Опыт последних внедрений систем АПР свидетельствует
о возможности ее реализации практически на любых
компрессорах и на любых режимах их эксплуатации.

3. Современные системы АПР интегрируются с системами
АСУТП.
4. В России уже накоплен большой опыт по реализации программ АПР и
появились отечественные проектные компании, выполнить работы по
проектированию оборудования и интеграции системы АПР к существующей
системе АСУТП
5. По предварительным оценкам внедрение системы антипомпажного
регулирования на компрессорах ООО «СибурТюменьГаз» позволит
сэкономить до 10% расхода электроэнергии.
14


Slide 16

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

14