Слободчиков Константин Юрьевич
Инженер ООО НКФ "Вега-ЛТД", г. Харьков, Украина.
Контактный телефон (103-8) (057) 702-17-85

УДК 658.012.011.56:658.512

Решение оптимизационной задачи в системе управления режимом компрессорного цеха газоперекачивающих агрегатов

Аннотация: Рассмотрено решение оптимизационной задачи распределение нагрузки между нагнетателями компрессорного цеха в программной среде VisSim.

Архив файлов: [02_20041215.zip]

Постановка проблемы в общем виде. Компьютерные комплексы моделирования режимов работы газотранспортных систем являются как в ОАО «Газпром» так и за рубежом общепринятым компонентом диспетчерских систем управления и представляют одну из базовых компонент комплексной автоматизации газотранспортных предприятий. Внедрение информационных технологий и автоматизация диспетчерского управления создает большие возможности для решения задач, которые ранее невозможно было решить. К таким задачам относятся, например, оптимизационные задачи, задачи анализа ситуаций и расчета агрегированных показателей функционирования системы диспетчерского управления [1]. Основные элементы газотранспортной системы уровня компрессорного цеха представлены на рисунке 1.


Рис. 1. Основное оборудование газокомпрессорного цеха.
МГ – магистральный газопровод (цех №3, КС Острогожск)

В данной работе рассмотрена работа регулятора режима (РР) компрессорного цеха без учета влияния работы пылеуловителей (ПУ), антипомпажного клапана (АПК). Схема включения турбоагрегатов (ТА) - параллельная.

Основная задача цехового регулятора состоит в поддержании (стабилизации) заданного значения производительности или давления на выходе цеха. Это задача ПИ регулирования и достигается она за счет изменения оборотов нагнетателей загруженных в трассу газоперекачивающих агрегатов в ответ на внешние возмущения – изменение подачи газа на входе или отбор газа на выходе цеха, при изменении уставки по режиму цеха.

Задача стабилизации производительности или давления на выходе цеха не является однозначно определенной.

Существуют многочисленные комбинации режимов работы агрегатов, при которых цеховой параметр будет равен заданному значению, но агрегаты будут загружены по-разному и следовательно суммарные затраты энергии на транспортировку того же количества газа будут разными [2].

При этом, до решения задачи оптимизации в регуляторе режима необходимо учесть ряд условий включения в работу, характеризующих готовность к автоматическому управлению газоперекачивающих агрегатов (ГПА), схему работы ГПА (последовательная, параллельная), близость к ограничителям параметров в САУ ГПА. Перечисленные условия входят в алгоритм расчета допустимой зоны работы ГПА, изображенный на рис. 2, и учитываются при решении задачи оптимизации распределения нагрузки.


Рис. 2 Структура расчета уставки производительности ГПА

Критерий оптимальности при распределении нагрузки следующий: точное поддержание производительности на выходе цеха с распределением нагрузки между агрегатами, обеспечивающим минимизацию энергетических потерь на расход топливного газа. То есть необходимо найти решение целевой функции:

(1)

с ограничением для каждого ГПА:

где: QТОПЛi– расход топливного газа i-го ГПА м3/мин;
KТЕХ.СОСТi - коэффициент технического состояния i-го ГПА ;
Ni– мощность нагнетателя i-го ГПА;
nТНД– обороты турбины низкого давления (ТНД) об/мин.

Это значит, что когда один из агрегатов работает на пределе своих возможностей (например, достиг максимальной частоты вращения ТНД), у других агрегатов еще есть резерв по мощности.

Что бы использовать этот резерв, распределение нагрузки между агрегатами выполняется в соответствие с их коэффициентами технического состояния. Управляющие воздействия пропорциональны коэффициентам технического состояния. Последнее означает, что агрегаты, находящиеся в худшем техническом состоянии, получают меньшие управляющие воздействия.

Для демонстрации заложенных принципов работы РР построена совместная модель регулятора режима и математическая модель компрессорного цеха с двумя параллельно работающими ГПА, реализованные в программной среде VisSim.

Регулятор режима состоит из общего блока, обеспечивающего распределение нагрузки (производительности) между агрегатами, и собственно агрегатных регуляторов.

Агрегатные регуляторы расположены в системах управления агрегатной автоматики и могут рассматриваться на уровне общецеховой модели как инерционные звенья, вход которых – уставка по оборотам нагнетателя, а выход – обороты нагнетателя.

В модели осуществляется расчет производительности нагнетателя по формуле принятой для расчета в ООО Мострансгаз:

(2)

где: Aк – коэффициент конфузора нагнетателя;
re – плотность на входе в нагнетатель кг/м3;
DPk – перепад на конфузоре нагнетателя кГс/см2.

Потребление топливного газа пропорционально мощности нагрузки (нагнетателя) и коэффициенту технического состояния привода (турбины высокого давления). Мощность турбины вычисляется в модели по формуле принятой для расчета в ООО Мострансгаз:

(3)

где: – показатель изоэнтропы;
R – газовая постоянная ;
Zср – коэффициент сжимаемости газа по средним параметрам процесса сжатия кГс/см2 ;
Твых – температура газа на выходе из нагнетателя, ºK;
Твх – температура газа на входе в нагнетатель, ºK;
G – расход газа через нагнетатель кг/с.

Мощность (и производительность) цеха изменяется воздействием на регуляторы топлива САУ ГПА в сторону увеличения или уменьшения частоты вращения ТНД в зависимости от характера внешнего возмущения.

Значения температуры и давления на выходе нагнетателя моделируются согласно уравнениям газовой динамики:

(4)

(5)

где: n – частота вращения нагнетателя ГПА, об/мин;
n0 – номинальная частота вращения нагнетателя ГПА, об/мин;
e0– приведенная степень сжатия;
а – показатель политропы.

Данные модели интегрированы в программу в виде dll – компонент.

Нагнетатель ГПА после окончания пуска работает в диапазоне оборотов 3300-5600 об/мин, то есть от оборотов холостого хода и до максимально допустимого предупредительного значения, при достижении которого включается регулятор-ограничитель в САУ ГПА. В модели производится расчет и выдача сигналов характеризующих приближение оборотов к ограничителям. Данные сигналы участвуют в формировании функции цены при подборе параметров системы в итерационном процессе повторных симуляций. Параметр оптимизации – суммарные затраты топливного газа. При работе вблизи ограничителя оборотов турбины в функцию цены добавляется множитель 1,2. При не достижении главной уставки - производительности цеха значение цены увеличивается. Таким образом задается условия нахождения оптимального соотношения коэффициентов распределения нагрузки Z.

Оптимизационный алгоритм изменяет значения коэффициентов Zi каждого ГПА тем самым, перераспределяя производительность между агрегатами

В модели ввод коэффициентов технического состояния производится вручную в переменные KTS1 и KTS2.

В регуляторе режима системы управления компрессорным цехом «РИУС» значение потребляемого топливного газа рассчитываются по замерным параметрам, а коэффициенты технического состояния определяет расчетный блок программы по формулам принятым для расчета в ООО Мострансгаз. Для коэффициента технического состояния нагнетателя формула имеет вид:

(6)

где: hпол(пас) – паспортный политропический КПД нагнетателя;
hпол – политропический КПД нагнетателя.

Таким образом, регулятор режима функционирует в автоматическом режиме и обладает избыточной информацией для самонастройки.

Выводы

В программном обеспечении VisSim совместно реализован расчет параметров нагнетателей ГПА, работа ПИ-регулятора режима и оптимизационный алгоритм поиска оптимального соотношения распределения нагрузки. Практическим применением данного алгоритма является использование его при отладке РР в системе управления компрессорным цехом в автоматическом режиме или в качестве поддержки принятия решений оператора. Кроме того, гибкость и многозадачность ПО VisSim позволяет проводить отладку собственного оптимизационного алгоритма, написанного на языке С++. Данный подход является перспективной работой коллектива фирмы ООО НКФ «Вега-ЛТД» и логическим продолжением метода структурного моделирования [3].

Литература

  1. Герке В.Г., Рубель В.В., Сарданашвили С.А. Проблемы внедрения компьютерных комплексов моделирования, оптимизации и прогнозирования режимов газотранспортных систем. 2-я Международная научно-техническая конференция «Теория и практика разработки, промышленного внедрения компьютерных комплексов поддержки диспетчерских решений в газотранспортной и газодобывающей отраслях. ДИСКОМ–2004. /Сборник тезисов докладов /Москва РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина , 2004.
  2. Слободчиков К.Ю. Математическое и информационное обеспечение системы управления компрессорного цеха газоперекачивающих агрегатов //Автоматизация в промышленности. ИПУ РАН. 2004. №7.
  3. Слободчиков К.Ю. Метод структурного моделирования системы управления компрессорным цехом. Юбилейная Международная научно-практическая конференция «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров». /Сборник статей /Пенза, 2004.

16.01.2005