上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所

0 引言

西氣東輸管道工程是目前中國(guó)距離最長(zhǎng)、管徑最大的輸氣干線[1]。在管道天然氣長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中，為了使管道中天然氣的壓力保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，需要在管道天然氣輸送途中間隔設(shè)立許多個(gè)壓氣站，相鄰壓氣站之間的距離一般介于120～170 km[2]。壓氣站的關(guān)鍵核心設(shè)備是燃驅(qū)壓縮機(jī)組，目前國(guó)際上大型輸氣項(xiàng)目的壓縮機(jī)組多采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)。燃驅(qū)壓縮機(jī)組主要包括燃?xì)廨啓C(jī)裝置、離心壓縮機(jī)組以及相關(guān)的輔助系統(tǒng)。為了改善燃驅(qū)壓縮機(jī)組的性能、降低管道運(yùn)輸?shù)目傒斔统杀?，?duì)壓氣站中燃驅(qū)壓縮機(jī)組的實(shí)際工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和對(duì)機(jī)組一段時(shí)間的歷史運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行分析顯得尤為重要。

對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了一系列的研究工作：雷劍宇等[3]開(kāi)發(fā)出了一種離心和軸流式鼓風(fēng)機(jī)以及壓縮機(jī)的熱力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)；Iranian 等[4]將數(shù)據(jù)即時(shí)傳輸?shù)交贚abVIEW 的上位機(jī)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和可視化；滿衛(wèi)芳等[5]實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集傳輸、實(shí)時(shí)顯示等功能；李杰等[6]設(shè)計(jì)了對(duì)800 kW 離心壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的NI 測(cè)試系統(tǒng)；郝巖[7]介紹了一種透平式鼓風(fēng)機(jī)以及壓縮機(jī)熱力性能試驗(yàn)的無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)；Varshini等[8]實(shí)現(xiàn)了采用雙反饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)；Kassas 等[9]基于LabVIEW 平臺(tái)對(duì)房屋內(nèi)的空調(diào)進(jìn)行功耗測(cè)量和調(diào)節(jié)；徐艷雷[10]設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW 和Modbus 總線的燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷系統(tǒng)；賈廣博[11]采用模塊化的方法進(jìn)行了燃驅(qū)壓縮機(jī)組變工況特性的仿真；鄭濤[12]建立了基于MATLAB/Simulink平臺(tái)的燃驅(qū)壓縮機(jī)組各部件及總體仿真模型。

國(guó)內(nèi)外的性能測(cè)試系統(tǒng)主要包括兩種：一種用MATLAB 和LabVIEW 等軟件進(jìn)行仿真模擬，為了模擬的準(zhǔn)確性，有些學(xué)者會(huì)利用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行修正計(jì)算模型；另一種則是基于軟件開(kāi)發(fā)出一種應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算和可視化的系統(tǒng)。筆者以30 MW國(guó)產(chǎn)燃驅(qū)壓縮機(jī)組為研究對(duì)象，基于MATLAB 平臺(tái)和Excel 軟件，建立了一套可應(yīng)用于遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)顯示且可對(duì)機(jī)組歷史運(yùn)行情況進(jìn)行分析的性能測(cè)試系統(tǒng)。

1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

以西氣東輸工程某壓氣站中的30 MW 級(jí)燃驅(qū)壓縮機(jī)組為測(cè)試對(duì)象，讀取實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在PI（Plant Information）數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)到Excel 表格上，再將其數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)組ATLAB 上，再基于MATLAB進(jìn)行計(jì)算和可視化，計(jì)算出燃驅(qū)壓縮機(jī)組以及組件的性能參數(shù)，達(dá)到實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)顯示和實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路原理如圖1 所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路原理圖

PI 數(shù)據(jù)庫(kù)是由美國(guó)OSI 公司開(kāi)發(fā)的一套實(shí)時(shí)（歷史）數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可在線存儲(chǔ)多個(gè)工藝點(diǎn)的多年歷史數(shù)據(jù)，并可對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問(wèn)和讀取?；贛ATLAB 開(kāi)發(fā)的測(cè)試程序數(shù)據(jù)處理速度快、效率高、操作方便、界面美觀、功能擴(kuò)展性好[13]。PI_DATALINK 是用于連接PI 數(shù)據(jù)庫(kù)和Excel 的一種軟件[14]。EXCEL_LINK 也是一種可用于Excel 加載的插件，加載完成后，可以直接在MATLAB 中調(diào)用存取Excel 中的數(shù)據(jù)。

該壓氣站中燃驅(qū)壓縮機(jī)組測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在PI 數(shù)據(jù)庫(kù)中，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可直接通過(guò)PI 數(shù)據(jù)庫(kù)查詢機(jī)組的基本參數(shù)。但是想通過(guò)外部接口快速簡(jiǎn)單地實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)并不容易。為此，在綜合考察幾種常見(jiàn)讀取PI 數(shù)據(jù)庫(kù)接口方式的基礎(chǔ)上，選取了一種簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)讀取方式。首先通過(guò)插件PI_DATALINK 用Excel 表格實(shí)時(shí)讀取PI 數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，再通過(guò)插件EXCEL_LINK 用MATLAB 同步讀取Excel 中的數(shù)據(jù)，然后在MATLAB 中進(jìn)行計(jì)算和可視化。

2 測(cè)試系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

筆者設(shè)計(jì)的燃驅(qū)壓縮機(jī)組性能系統(tǒng)程序主要基于兩大軟件，即Excel 和MATLAB。通過(guò)Excel 實(shí)時(shí)讀取PI 數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在表格中，然后利用MATLAB 直接在Excel 中讀取數(shù)據(jù)，將讀取的數(shù)據(jù)代入到建立的計(jì)算模型中進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行可視化、存儲(chǔ)以及歷史數(shù)據(jù)的分析。

2.1 Excel 模塊

在Excel 模塊中實(shí)現(xiàn)的功能為數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取以及將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)組ATLAB 環(huán)境中。因此，Excel 模塊又可分為數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取模塊和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸送模塊。

2.1.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取模塊

通過(guò)在Excel 加載PI_DATALINK 插件后，可以通過(guò)Excel 工具欄中出現(xiàn)的“PI”選項(xiàng)進(jìn)行讀取，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀取。因此采用Excel VBA[15]進(jìn)行編程，通過(guò)調(diào)用函數(shù)的方法達(dá)到實(shí)時(shí)讀取的目標(biāo)。

所設(shè)計(jì)的讀取模塊的主要功能就是實(shí)時(shí)讀取PI數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，并將一段時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在這張表格中。功能實(shí)現(xiàn)思路是將表格中的一個(gè)單元格定義為當(dāng)前時(shí)間，另一個(gè)單元格定義為與當(dāng)前時(shí)間有一定時(shí)間間隔的時(shí)刻，讓通過(guò)特定調(diào)用函數(shù)從數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取出來(lái)的數(shù)據(jù)以這兩個(gè)時(shí)間單元格的時(shí)間為起始時(shí)間和終止時(shí)間，按照特定的時(shí)間步長(zhǎng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。每一列顯示的是一個(gè)參數(shù)在不同的時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，每一行顯示的是一個(gè)時(shí)刻不同參數(shù)的數(shù)據(jù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸送模塊

在Excel 加載EXCEL_LINK 插件后，通過(guò)調(diào)用名為MLPutMatrix 的函數(shù)，任選一個(gè)空白單元格，輸入命令“=MLPutMatrix(name，mdat)”，其中MLPutMatrix 為Excel 將數(shù)據(jù)以矩陣的形式直接傳輸?shù)組ATLAB 上的內(nèi)部函數(shù)，“name”為在MATLAB中該數(shù)據(jù)矩陣的名稱，“mdat”為Excel 傳輸?shù)組ATLAB 的數(shù)據(jù)區(qū)域。通過(guò)該函數(shù)，可直接將Excel特定區(qū)域的數(shù)據(jù)以矩陣的形式輸送到MATLAB 中，并且能夠在MATLAB 環(huán)境中與Excel 表格中的數(shù)據(jù)同步變化。

2.2 MATLAB 模塊

根據(jù)功能的不同，MATLAB 模塊中又分為天然氣組分含量輸入模塊、機(jī)組性能參數(shù)計(jì)算模塊、機(jī)組性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、機(jī)組性能可視化模塊以及機(jī)組性能歷史趨勢(shì)分析模塊。

2.2.1 天然氣組分含量輸入模塊

計(jì)算燃驅(qū)壓縮機(jī)組的功率、效率等性能參數(shù)需要已知燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口管道天然氣的組分及其含量，而壓氣站的PI 數(shù)據(jù)庫(kù)里沒(méi)有存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，所以需要建立一個(gè)手動(dòng)輸入模塊。

2.2.2 機(jī)組性能參數(shù)計(jì)算模塊

機(jī)組性能參數(shù)計(jì)算模塊根據(jù)組件可分為燃?xì)廨啓C(jī)性能計(jì)算模塊、離心壓縮機(jī)機(jī)組性能計(jì)算模塊、機(jī)組總效率計(jì)算模塊。因?yàn)橛?jì)算離心壓縮機(jī)性能參數(shù)時(shí)，進(jìn)口天然氣的壓縮因子是個(gè)重要參數(shù)，且實(shí)際氣體的天然氣的壓縮因子的求解較為復(fù)雜，故在此基礎(chǔ)上增加一個(gè)天然氣的壓縮因子的計(jì)算模塊。

2.2.2.1 燃?xì)廨啓C(jī)性能計(jì)算莫模塊

燃?xì)廨啓C(jī)的輸出軸功率利用熱平衡的方法求得。假定一個(gè)包括燃?xì)廨啓C(jī)在內(nèi)的合適的“控制體”應(yīng)該便于確定進(jìn)入和離開(kāi)“控制體”的所有熱量和能量的參數(shù)，輸出功率是這些參數(shù)中的一項(xiàng)，利用熱平衡方程式和其他已知數(shù)據(jù)可計(jì)算得出。假定的燃?xì)廨啓C(jī)熱平衡“控制體”如圖2 所示。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)熱平衡“控制體”示意圖

標(biāo)準(zhǔn)條件下壓力為101.325 kPa，溫度為15 ℃?？刂企w的熱平衡方程如下：

式中ma表示進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量，kg/s；mf表示進(jìn)入控制體的燃料供給量，kg/s；mg表示出口煙氣流量，kg/s；me表示氣封等泄漏和抽氣的流量，kg/s：ha表示進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣比焓，kJ/kg；hg表示出口煙氣的比焓，kJ/kg；he表示泄漏空氣的比焓，kJ/kg；ha0表示在標(biāo)準(zhǔn)條件下空氣的比焓，kJ/kg；hf表示進(jìn)口燃?xì)獾谋褥?，kJ/kg；hf0、hg0分別表示在標(biāo)準(zhǔn)條件下燃?xì)狻⒖諝獾谋褥?，kJ/kg；QL表示各種熱損失（約為燃?xì)廨啓C(jī)熱耗量的30%），kW；PS表示輸出軸供給負(fù)載的負(fù)荷，kW；ηtc表示燃燒效率，一般取0.99；LHV表示燃料在標(biāo)準(zhǔn)條件下的低位熱值，kJ/kg。

出口煙氣流量與進(jìn)口空氣流量、燃料氣流量以及泄漏氣流量的關(guān)系如下：

壓氣站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的泄漏量的總和約為壓氣機(jī)進(jìn)口空氣量的1%。空氣、燃?xì)夂蜔煔獾谋褥?，可以根?jù)從PI 數(shù)據(jù)庫(kù)讀取的溫度進(jìn)行插值得到。

根據(jù)式（1）和（2）計(jì)算得出輸出軸功率（PS）時(shí)，由于系統(tǒng)熱損失、泄漏量等數(shù)據(jù)和實(shí)際條件有關(guān)，并不是一個(gè)恒定值，而且無(wú)法從數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)時(shí)獲取，為了讓計(jì)算模型的結(jié)果更加接近實(shí)際情況，以一個(gè)時(shí)間段中不同工況下實(shí)際測(cè)量出來(lái)的輸出軸功率為修正標(biāo)準(zhǔn)，采用分段插值逼近的方法，通過(guò)給定不同工況下的修正系數(shù)來(lái)修正這些數(shù)據(jù)。表1 為另外的運(yùn)行時(shí)間下不同工況的輸出軸功率。

表1 不同運(yùn)行工況下的輸出軸功率表

燃?xì)廨啓C(jī)熱耗量的計(jì)算公式如下：

式中HI表示單位時(shí)間熱耗量，kJ/s。

燃?xì)廨啓C(jī)熱效率（對(duì)應(yīng)于凈機(jī)械功率的熱效率）計(jì)算如下：

式中ηt表示熱效率。

燃?xì)廨啓C(jī)熱耗率計(jì)算公式如下：

式中HR表示熱耗率，kJ/kWh。

2.2.2.2 離心壓縮機(jī)組性能計(jì)算模塊

壓縮機(jī)實(shí)際熱力過(guò)程中，不可避免地存在能量損耗。因此，實(shí)際過(guò)程均為不可逆過(guò)程，為了便于分析，此處將實(shí)際過(guò)程視為可逆多變過(guò)程計(jì)算其壓縮功和多變效率。

離心壓縮機(jī)的多變系數(shù)計(jì)算如下：

式中m表示多變指數(shù)；T1、T2分別表示壓縮機(jī)入口、出口溫度，K；p1、p2分別表示壓縮機(jī)入口、出口壓力，Pa。

壓縮機(jī)的多變壓縮功計(jì)算如下：

式中wpol表示壓縮機(jī)多變壓縮功，J/kg；Z 表示實(shí)際氣體壓縮因子；Rg表示氣體常數(shù)，J/（kg·K），Rg=8 314.41/M。

多變壓縮功率計(jì)算如下：

式中Ppol表示多變壓縮功率，kW；ρ表示標(biāo)準(zhǔn)條件下，進(jìn)入壓縮機(jī)的天然氣的密度，kg/m3；qv表示進(jìn)入壓縮機(jī)的氣體流量，m3/h。

壓縮機(jī)的多變效率計(jì)算如下：

式中ηpol表示多變效率；κ表示絕熱指數(shù)，和氣體組分有關(guān)。這里取值范圍為1.25～1.32。

2.2.2.3 機(jī)組總效率的計(jì)算模塊

燃驅(qū)壓縮機(jī)組的總效率計(jì)算如下：

式中ηtot表示機(jī)組總效率。

2.2.2.4 天然氣壓縮因子的計(jì)算模塊

天然氣壓縮因子的計(jì)算采用AGA8-92DC 方程[16]，其應(yīng)用范圍主要為管道運(yùn)輸氣體，適合的壓力范圍為0～12 MPa，溫度范圍為263～338 K[17]。其計(jì)算公式如下：

式中B表示第二維利系數(shù)，m3/kmol；ρm表示摩爾密度，kmol/m3；ρr表示對(duì)比密度；bn、cn、kn表示常數(shù)，其值可由文獻(xiàn)[17]直接查得；Cn*表示與溫度和組分有關(guān)的系數(shù)。ρm、ρr、B和Cn*也可由本文參考文獻(xiàn)[17]相應(yīng)的公式計(jì)算得到。

2.2.3 機(jī)組性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的功能是把計(jì)算出來(lái)的燃驅(qū)壓縮機(jī)組的各項(xiàng)性能參數(shù)按照時(shí)間排序，以表格的形式存儲(chǔ)在本地文件中。表格每一行為同一時(shí)刻燃驅(qū)壓縮機(jī)組的各項(xiàng)性能參數(shù)的計(jì)算值，每一列為同一指標(biāo)在不同時(shí)刻的計(jì)算值，時(shí)間間隔為1 s，表格的名稱直接以當(dāng)前時(shí)間命名，具體形式為“年_月_日_時(shí)_分_秒”，便于查找和讀取。

2.2.4 機(jī)組性能可視化模塊

性能可視化模塊的功能是實(shí)時(shí)顯示燃驅(qū)壓縮機(jī)基本參數(shù)的數(shù)值以及一段時(shí)間內(nèi)各項(xiàng)性能指標(biāo)的數(shù)值以及趨勢(shì)圖，其主界面如圖3 所示。圖3 上半部分實(shí)時(shí)顯示燃驅(qū)壓縮機(jī)組的流量等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的基本數(shù)值，一直隨時(shí)間變動(dòng)，為當(dāng)前時(shí)間的準(zhǔn)確數(shù)值，下半部分以折線圖的形式顯示燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)和機(jī)組的一段時(shí)間內(nèi)性能參數(shù)隨著動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)圖。因此，從顯示界面中可直觀看出燃驅(qū)壓縮機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

圖3 燃驅(qū)壓縮機(jī)組性能指標(biāo)顯示主界面圖

2.2.5 機(jī)組性能歷史趨勢(shì)分析模塊

歷史趨勢(shì)分析模塊的功能是將一段時(shí)間內(nèi)燃驅(qū)壓縮機(jī)組性能指標(biāo)參數(shù)的計(jì)算數(shù)值以趨勢(shì)圖的形式展現(xiàn)出來(lái)。歷史趨勢(shì)分析模塊的主要界面如圖4 所示。通過(guò)選定需要分析的時(shí)間段、機(jī)組名稱和具體性能指標(biāo)，該項(xiàng)指標(biāo)會(huì)以折線圖的形式，以時(shí)間為橫坐標(biāo)顯示出其該段時(shí)間內(nèi)的趨勢(shì)分布，以一種非常直觀的形式分析這段時(shí)間內(nèi)燃驅(qū)壓縮機(jī)組運(yùn)行的實(shí)際情況，便于機(jī)組的改進(jìn)和優(yōu)化。

圖4 燃驅(qū)壓縮機(jī)組性能歷史趨勢(shì)分析主界面圖

3 結(jié)論

1）通過(guò)Excel 作為中間接口軟件，用一種較為簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)了PI 數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)讀取，并通過(guò)Excel VBA 實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)讀取的功能；通過(guò)Excel 內(nèi)部函數(shù)實(shí)現(xiàn)了向MATLAB 實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)的功能。

2）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸保存以及實(shí)時(shí)顯示皆正常，可視化監(jiān)控界面直觀，人機(jī)交互性好，軟件操作簡(jiǎn)單方便，可遠(yuǎn)程監(jiān)控燃驅(qū)壓縮機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

3）設(shè)計(jì)的燃驅(qū)壓縮機(jī)組性能測(cè)試程序已經(jīng)應(yīng)用于西氣東輸管道工程中，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)性能計(jì)算模型進(jìn)行了修正，計(jì)算出來(lái)的燃驅(qū)壓縮機(jī)組的性能指標(biāo)數(shù)值誤差范圍滿足實(shí)際壓氣站的要求。

4）建立了機(jī)組性能歷史數(shù)據(jù)分析趨勢(shì)模塊，為管道運(yùn)輸長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中燃驅(qū)壓縮機(jī)組的優(yōu)化和改進(jìn)提供參考。