气体压缩机组控制 气体压缩机组控制 | HBM

机械驱动气体压缩机组的精确有效控制

在压气站监测和补偿因天然气管道沿线大量入口和出口、输气过程中的压力损失、温度梯度以及气体质量变化而产生的压力变化。在这样做时，尽可能少地使用能量是很重要的。

不同类型的压缩机用于压缩待输送的气体；它们要么由电机提供动力，要么由燃气轮机或燃气发动机提供动力，燃气发动机直接由管道提供燃料。

工况参数

对大量过程参数的监控确保了系统性能始终能适应有时非常快速变化的工况条件，同时保持高效率。尤其是机械推进系统，这是一个重大挑战。

最重要的过程参数之一是传输到气体压缩机的推进功率。即使在负载快速变化的情况下，也必须以压缩机特定运行情况所需的最小推进功率控制其发电量。同时，产生过大的推进功率会导致效率降低，此外还会增加污染物排放（使用机械推进系统）以及临界运行状态（尤其是使用燃气发动机的机械推进系统时）。因此，此类系统的推进功率的永久监测和控制需要强制测量转速，此外还需要测量传递到压缩机的扭矩。

与可以直接且相对容易地实现的转速测量相反，实现扭矩测量相当困难。为此，气缸压力和温度等测量量通常用作辅助量，并作为计算扭矩和功率的基础。这种方法已经使用了多年，并得到了永久的改进；然而，它的缺点是，由于测量参数的高公差，与扭矩相关的测量不确定性显著增加，而且通常无法令人信服。然而，出于所需测量量的较大公差不可避免地导致与最佳操作参数存在较大偏差。这可能会产生不期望的影响，特别是对于燃气发动机。以下图表将对此进行了说明：

燃气发动机的工作范围
资料来源：瓦锡兰公司

它显示了制动装置有效压力（BMEP）和空燃比之间的关系，使爆震和失火区域得以可视化。在任何情况下，发动机的工作点都不得位于这些区域之中；特别是，必须确保在所有工况条件下，它不会移动到爆震区域，因为这可能会损坏发动机。

最佳工况窗口是爆震和失火之间的区域，并向顶部变窄。这意味着在保持低污染物排放的同时以最大功率运行燃气发动机需要具有更小公差的灵敏控制机制。较高的公差必然意味着减小最大功率，增加工作点与爆震和失火区域之间的距离。同时，控制速度必须非常快，因为压缩机有时可能会出现较大的压力波动，这随着发动机的负载变化而变得明显。

这需要由发动机快速精确地补偿，以确保工况点保持在安全操作窗口内。下表显示，这些负载变化可能在几秒内达到系统容量的50%左右：

气体压缩机组的负荷变化
资料来源：瓦锡兰公司

测定扭矩的间接方法

除了上述方法之外，还有其他方法用于测定传递到压缩机的扭矩。这包括评估输入轴因施加扭矩而产生的弹性扭转。可采用多种方法（例如，应变、位移、角度、频率测量），所有这些方法都基于辅助量的测量和随后的扭矩计算，因此，如果它们仅安装在传动系上，也必须考虑采用间接方法。在这些情况下，要考虑的参数公差（例如材料和轴几何）也会导致被测扭矩的测量不确定性相对较高。

通过对被测扭矩的测量系统进行校准，可以将基于输入轴弹性扭矩的间接扭矩测量方法转化为直接扭矩测量方法；如上所述，各个辅助量的校准是不够的。这需要使用扭矩校准机校准安装有测量系统的输入轴部分，以确定施加扭矩与测量系统输出信号之间的精确关系。这种方法存在许多困难：

  • 在校准机中安装轴段
  • 输入轴设计导致的轴截面弹性低，导致测量系统灵敏度低
  • 校准后，不得从轴段上拆卸测量系统，否则校准证书不再有效
气体压缩机组用 130 kNm 扭矩传感器，来源：HBM

使用扭矩传感器的优势

在传动系中安装扭矩法兰，或特别优化的轴段或适配器，是直接测量传递到压缩机的扭矩的一种精确方式。该方法意味着测量系统是测量体的一个组成部分，因此也是轴段的一个构成部分；这两个部件只能一起校准。

扭矩法兰设计为能够可靠地传递最大扭矩，同时提供高灵敏度。制造商使用扭矩校准机对扭矩传感器进行校准，确保其能满足相关要求。

其可方便地从传动系和校准机上安装和拆卸。使用遥测系统将测量信号传输到评估单元；供电也以相同的方式进行。

除了直接和非常精确地测量传递到压缩机的扭矩外，使用扭矩法兰还具有其它优点：

  • 极短的信号传播延迟：可实现极快的控制
  • 动态扭矩信号带宽宽（高达6 kHz）：可检查发动机或轴系的动态影响
  • 无轴承、无电刷触点、无滑环、无电池：完全免维护
  • 超长使用寿命，MTBF需使用超过20年：扭矩法兰的使用寿命与系统的使用寿命相当
  • 针对多种应用进行了优化和ATEX认证：无需进一步的设计和认证

在过去几十年中，扭矩法兰主要用于汽车动力测试台。不断上涨的能源成本、越来越严格的排放值规定以及驱动技术的高速发展，导致该技术被其他行业采用，例如石油和天然气以及海洋工业。除了在功率试验台的经典应用领域之外，这些领域应用中的高操作成本也导致扭矩法兰越来越多地用于控制任务。

参考

1. Transient response behaviour of gas engines
Position paper by the CIMAC working group Gas Engines, April 2011

2. Wärtsilä 20 Dual Fuel (DF) Engine Presentation
Wärtsilä Corporation, 2010

3. LNG based concept development
 Tomas Aminoff, Wärtsilä Corporation

本文作者

Klaus Weissbrodt

HBM 大客户和项目经理
大量程扭矩应用