（流体机械及工程专业论文）基于opc技术的复杂介质压缩机组热参数诊断在线监测与评估系统研究.pdf

人迕理i ：人学硕十学位论文 摘要 随着中国经济的持续、高速发展，石油化工、能源电力、钢铁冶炼等企业的心脏设 备汽轮一压缩机组币向着高可靠性、高效率和高自动化管理的方向发展，采用现代 先进技术手段，装备和完善大型旋转设备运行的热力性能监测与故障诊断系统，为保障 企业大型旋转设备汽轮一压缩机机组的安全稳定、优化高效运行，开辟了新的研究领域， 对企业指导运行，提高设备运行经济性、可靠性、缩短维修周期具有重大现实意义，“热 参数诊断”这一思想的不断深入研究，使本论文研究也具有重要的理论研究价值。 论文研究内容是以某天然气石化公司1 0 2 一j j t 原料气汽轮一压缩机组及其热系统” 为研究对象，结合多年以来在状态监测和故障诊断领域丰富的实践经验。基于以“热力 参数诊断”为中心的旋转机械热力性能评估设计思想及近期发展的o p c 数据通讯技术， 研究、开发了“复杂介质汽轮一压缩机组热力性能在线监测与评估系统”。针对该公司 1 0 2 一j j t 汽轮一压缩机组的特性和研究二【：作要求，研制丌发了动态数据采集和数据通讯 ( o p c ) 标准模块，真萨意义上实现了热力性能分析软件的网络功能；针对原料气压缩机 介质多组分特点，采用计算天然气介质精度较高的三参数对比态方程l e e - k e s 【e r 方程 分析确定热物性参数；采用系数距阵拟合法对压缩机特性曲线场进行数值模拟，特别解 决了设计条件下特性线场的补算问题；对表征压缩机运行性能的重要参数( 如：轴耗功 率、排气压力、防喘裕度等) 应用相似变换原理给出其预期值，通过与在线实际检测值 的比对分析，科学定量的给出压缩机运行性能评估结论。 该评估系统是本学科首次将汽轮一压缩机组作为一个有机整体丌发出的能同步监 视、评估整个机组运行状态的系统软件，也是首次完全意义上实现了系统的网络功能。 对提高大型旋转设备管理自动化水平，为1 0 2 一j j t 原料气汽轮一压缩机组的管理运行、 经济操作提供了科学依据。目前该系统已投入运行，图形界面友好、信息丰富，网络功 能强，受到用户好评。 关键词：在线监测；汽轮一压缩机组；o p c 技术；热力性能评估 基于o p c 技术的复杂介质压缩机纽热参数诊断在线监测与评估系统研究 s t u d yo ft h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e ro n - l i n em o n i t o r i n ga n d e v a l u a t i o n s y s t e mo fc o m p l e xm e d i u mc o m p r e s s o ru n i t sb a s e d o no p ct e c h n i q u e a b s t r a c t w i t ht h er a p i da n dc o n t i n u o u sg r o w t ho fc h i n e s ee c o n o m y ，t u r b i n e c o m p r e s s o ru n i t s ， h e a r te q u i p m e n to fp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，e n e r g ye l e c t r i c i t yp o w e r , a n dm e t a l l u r g y ，a r e b e i n go r i e n t e dt o w a r d sh i g h r e l i a b i l i t y ，h i g h e f f i c i e n c ya n dh i g h a u t o m a t i o nc o n t r 0 1 i ti so f g r e a ti m p o r t a n c et oe m p l o ya d v a n c e dm o d e r nt e c h n o l o g i e st oe v a l u a t ep e r f o r m a n c eo ft h e u n i t s ，w h i c hc a nb eu s e dt od i r e c tt h eo p e r a t i o n ，i m p r o v et h ee c o n o m i c a lp e r f o r m a n c ea n d s h o r t e nt h em a i n t e n a n c ec y c l e ，i tm a k e st h es t u d yo ft h i sp a p e ro fs i g n i f i c a n tt h e o r e t i cv a l u e t of u r t h e rt h et h o u g h to f t h e r m a ld y n a m i cp a r a m e t e re v a l u a t i o n 1 0 2 j j ts t e a mt u r b i n e - c o m p r e s s o ru n i t so f s o m ec o o p e r a t i o na n di t st h e r m a ls y s t e mh a d b e e ns t u d i e di n t h i sp a p e r w i t hy e a r so fe x p e r i e n c eo nc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i sa n db a s e do nr e c e n t l ye m e r g e dt h eo p cd a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n dt h e t h e o r yo ft h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e rd i a g n o s i s ，t h eo n l i n em o n i t o r i n ga n de v a l u a t i o no f c o m p l e xm e d i u mc o m p r e s s o ru n i t s h a db e e ns t u d i e da n dd e v e l o p e d a i m e da tt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e1 0 2 一j j ts e t sa n dr e q u e s to ft h ep e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e s ，ad y n a m i c d a t aa c q u i s i t i o na n dd a t ac o m m u n i c a t i o n s ( o p c ) m o d u l ew a sd e v e l o p e d ，w h i c ha c t u a l l y r e a l i z e st h en e t w o r kf u n c t i o no fa n a l y s i ss o f t w a r eo ft h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c e f o rt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h er a wm a t e r i a lg a sf o rt h ec o m p r e s s o r ，l e e k e s l e re q u a t i o nw a su s e dt o c a l c u l a t et h ep r o p e r t yp a r a m e t e ro fn a t u r a lg a sm e d i u m 1 1 l ec o e f f i c i e n tm a m xs i m u l a t i o n m e t h o dw a sa p p l i e dt os i m u l a t et h ec o m p r e s s o r sc h a r a c t e r i s t i cc u r v ef i e l d ，w h i c hs p e c i a l l y s o l v e dt h es u p p l e m e n tp r o b l e mo ft h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v ef i e l du n d e rt h ed e s i g nc o n d i t i o n t h es i m i l a r i t yc o n v e r s i o np r i n c i p l ew a su s e dt oc o m p u t ee x p e c t a n tv a l u e so fi m p o r t a n t p a r a m e t e r s ( s u c ha st h es h a f tp o w e r ，e x b a u s tp r e s s u r e ，a n da n t i s u r g em a r g i n ) a n db y c o m p a r i n gw i t hr e a l v a l u e so b t a i n e df r o mo n - l i n ee v a l u a t i o n ，s c i e n t i f i ce v a l u a t i o no ft h e o p e r a t i o np e r f o r m a n c ew a sm a d e t h ee v a l u a t i o ns y s t e mi sn o to n l yt h ef i r s tm o n i t o r i n ga n de v a l u a t i o ns o f t w a r ew h i c h r e g a r dt h es t e a mt u r b i n ea n dt h ec o m p r e s s o ra saw h o l e ，b u ta l s ot h ef i r s to n ew h i c ht o t a l l y r e a l i z et h en e t w o r kf u n c t i o n t h es t u d yh a sp r o v i d e ds c i e n t i f i cf o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n gt h e a u t o m a t i o nm a n a g e m e n to fl a r g et u r b i n em a c h i n e ，a n df o rt h eo p e r a t i o nm a n a g e m e n ta n d e c o n o m i c a lm a n i p u l a t i o no f1 0 2 j j ts t e a mt u r b i n e c o m p r e s s o ru n i t s t h es y s t e mh a sb e e n 人迮理1 人学硕十学位论文 p u ti n t oo p e r a t i o n ，a n di t i so fg o o dr e p u t a t i o na m o n gc l i e n t sf o ri t sf r i e n d l yg r a p h i c a l i n t e r f a c e s ，a b u n d a n ti n f o r m a t i o n ，a n dp o w e r f u ln e t w o r kf u n c t i o n k e yw o r d s ：o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e ；t u r b i n e c o m p r e s s o r ；o p ct e c h n i c ；t h e r m o d y n a m i c p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：毛! ! 建盗日期：竺垦：! ：墨 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：鱼! 毽盗 导师签名：羔型l 竺墨年l 月丛日 大连理l 人学硕十学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景与意义 本文主要研究内容是叶轮机械及流体工程研究所承担研发的科研项目“某天然气石 化公司1 0 2 j ，玎( 新，老) 原料气汽轮，压缩机组热力性能在线监测与评估系统”的主要 工作。工作着重点在原料气( 天然气) 压缩机部分，以压缩机热力性能在线监测与评估 为主要研究内容。课题涉及的研究领域涵盖了高等工程热力学、传热学、汽轮一压缩机 组及其热力设备的性能分析、机组热力系统热经济性的评价方法、现代节能理论、在线 监测系统与计算机技术融合等多方面，属多学科交叉领域。 石油化工行业是我国的支柱产业，随着现代工业生产的飞速发展，石化行业中的大 型旋转机械设备愈来愈多，且都是关键设备其作用举足轻重。现代工业水平的发展， 设计制造水平的提高，工艺要求和实现的功能要求也同渐苛刻，使得大型旋转机械设备 越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高。这在提高生产率，降低成本，节 约能源和人力，减少废品率，保证产品质量等方面有很大的优势。但从另一方面来看， 由于机械设备发生故障而停工造成的损失却成比例的增加，维修费用也大幅度的上升。 设备在线监测与故障诊断技术开益获得重视与发展的一个重要原因就是能够改革维修 体制，节省大量维修费用。以前，国内对大型旋转机械设备主要采用计划维修制度。这 在许多场合是非常不合理的：不该修的修了，不仅费时花钱，甚至降低了设备工作性能； 该修的没修，不仅降低设备寿命，有些甚至导致事故的频繁发生【i l 。为改变这一盲目维 修带来的弊端，在确保大机组安全、可靠、长周期运行的基础上，制订科学维修计划势 在必行。利用先进技术装备和完善大型旋转设备运行的综合性能监测与故障诊断系统， 保障企业关键设备大机组的安全稳定、优化高效运行，“汽轮机、压缩机运行热力 状态在线监测与评估系统丌发研究”则丌辟了新的研究领域。 随着人们对设备保护意识的加强和设备维护认识的深入、监测及预测技术的发展及 应用成本的降低，对在线监测与评估的需求也将r 益增加，其带来的经济效益和社会效 益同益明显旋转机械状态在线监测及评估系统重要性会进一步显现。本课题涉及的研 究内容j 下是根据我国透平机械运行现状，针对实际需求而提出的。 本研究内容所体现的旋转机械状态在线监测及预测研究的技术原理与技术方案尤 其适于连续运转的大中型旋转机械，如：机械、车辆、电力、石化、冶金、煤炭、核能 等许多行业中的关键设备，推广应用领域广泛，经济效益潜力巨大。 基to p c 技术的复杂介质压缩机组热参数诊断在线监测与评估系统研究 对于本课题的研究，随着电子技术现代化和计算机应用技术简单化和成熟化，在确 保机组安全运行的前提下，使机组始终保持最佳工况运行，是现代化大型企业节能降耗， 增加企业经济效益的有效途径之。通常所说的透平压缩机组状态监测与诊断包括两大 方面：机械性能监测评估与诊断、热力性能的监测评估与诊断。本课题主要是对后者一 热力性能的深入研究。 汽轮机方面，最大限度地降低燃料消耗，通过对汽轮机及其热力设备运行指标进行 实时监测、性能计算和能耗分析，不仅能及时了解各设备运行指标耗差的大小及分布情 况，更重要的是可以指导运行人员更好地优化操作，提高机组的运行经济性和安全性， 从而降低生产成本，提高设备运行的科学管理水平。压缩机方面，热力性能监测与诊断 包括对各段的进出口压力、温度、流量、气体组分和转速等直接测量的参数及轴耗功率、 能量转变效率等间接测量参数的研究。纵观目前市场上的压缩机监测与控制系统，不难 发现利用机械性能信息在线进行故障诊断的方法已取得了长足的进展，但却很少有针对 机组运行热力性能参数变化来全面评价其实际运行综合性能的。透平式压缩机组作为能 量转换设备，气体流动和工艺参数的任何变化都直接影响着热力性能的变化，而热力性 能的变化往往是设备机械故障的先兆。丌展透平压缩机组热力性能在线监测与状态评估 系统的研究，不但能对很多重大机组故障及时预报，从而避免事故的发生，更重要的是 它对机组运行性能优劣评价、性能变化趋势分析和预测功能。及时观察、捕捉、调整压 缩机热力气动参数及运行性能，使机组始终处于安全、高效的运行状态，对防患于未然， 提高企业经济效益有重要的现实意义。 把透平机械及其热力系统的性能分析技术、机组热力系统热经济性的评价方法应用 到化工企业汽轮一压缩机组热力系统中，同时结合先进的w i n d o w s 深层编程技术，针对 某天然气石化公司1 0 2 j j t 原料气汽轮压缩机组及其热力系统，开发研制出的汽轮一压 缩机组热力性能在线监测与评估系统软件，是对以往汽轮机和压缩机的在线监测与评估 系统做出的整合，即在一个软件系统中能同时监测及评估汽轮机和压缩机的运行状况。 将之运用到生产实际中，能指导企业的生产，提高企业的管理水平，为装置的安全、经 济、长周期运行提供科学依据，必将是企业节能、降耗，安全生产的有力工具。本论文 具有较高的理论研究水平和明确的科研应用背景。 2 火连理l ：人学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况及发展趋势 旋转机械状态监测技术是近年来研究的热门课题。自动在线监测方式与定期监测方 式、在线监测离线分析监测方式相比，技术水平更先进，既避免了设备的突发性故障， 又无需专业人员现场操作。 设备状态监测及故障诊断技术最早起源于美国。2 0 世纪5 0 年代，各种类型和性能 的传感器和测振仪相继研制成功，并丌始应用于科学研究和工程实际。1 9 7 6 年，在美国 宇航局( n a s a ) 的倡导下，美国海军研究室( o n r ) 主持成立了机械故障预防小组 ( m e p g ) ，开始了设备状态监测与故障诊断工作。六七十年代，数字电路、电子计算 机技术的发展、“信号数字分析处理技术”的形成，推动了振动检测技术在机械设备上 的应用。在这一期间，英国以r a c o l l a c o t t 为首组织成立了机械健康监测中心( n h n c ) ， 也开始了设备状态监测与故障诊断的研究工作。此后，设备状态监测与故障诊断技术逐 渐在世界范围内推广普及。 7 0 - 8 0 年代，机械设备的状态监测与故障诊断技术在许多发达国家丌始研究。随着 电子计算机技术、现代测试技术、信号处理技术与故障诊断技术等现代科学技术的发展， 机械设备的监测研究跨入系统化的阶段。例如：同本三菱公司的“旋转机械健康管理系 统”( m a c h i n e r yh e a l t hm o n i t o r i n g ，简称m h m ) ，美国西屋公司的“可移动诊断中心” ( m o b i l ed i a g n o s i sc e n t e r ，简称m d c ) ，月麦b & k 公司的2 5 0 0 型振动监测系统等【2 】，都 具备了机组信号数据的采集、分析、计算、显示、打印、绘图等功能，并配有专项诊断 软件。先进的状态监测系统把体现机械动念特性的振动、噪声作为主要监测和分析的内 容。上述的以计算机为主体的诊断系统己经进入了实际应用阶段，反映了现代设备状态 监测与故障诊断技术j 下向系统化、集成化、智能化和网络化的方向发展。 设备状态监测与故障诊断技术在我国应用较晚，大约起步于七八十年代。初期主要 应用于石化、冶金及电力等行业。但其发展十分迅速，短期内就渗透到国民经济的各个 主要行业，如电力行业中的大型发电机组，石化行业的蒸汽机、压缩机，航空工业等等。 “大型旋转机械的在线监测与故障诊断技术”更是作为国家“七五”、“八五”、“九 五”重大科技攻关项目，受到了国家科技委的大力支持。在八十年代中后期以后，许多 国家重点院校如清华大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学、天津大学等和一些研究单 位在该领域也取得了一定的进展。其比较典型的系统有：1 9 8 5 年1 0 月通过鉴定的由哈 尔滨工业大学等单位联合研制的3 m d i 微机化“汽轮发电机组振动监测与故障诊断系 统”，以及后来进一步开发的汽轮机故障诊断专家系统3 m d i i 、3 m d m ：1 9 8 7 年通过 鉴定的由西安交通大学机械故障诊断研究室研制的r m m d s 化肥血大机组“微机状态 监测与故障诊断系统”等。 基丁o p c 技术的复杂介质压缩机组热参数诊断在线监测与评估系统研究 设备状态监测与故障诊断技术发展至今经历了三个阶段： 在第一阶段，由于机械设备比较简单，设备状态监测与故障诊断主要依靠专家或维 修人员的感觉器官、个人经验以及简单仪表来进行故障的诊断与处理工作； 在第二阶段，传感器技术、动念测试技术以及信号处理技术在设备状态监测与故障 诊断中得到了广泛的应用，但是诊断决策还需要人工完成：2 0 世纪复杂化、自动化以及 机电一体化，影响设备工作状况的因素越来越复杂，导致设备出现故障的原因也越来越 多，传统的故障诊断技术已经不能适应生产发展的需要。 随着计算机技术、人工智能及计算智能技术的逐步渗透，设备状叁监测与故障诊断 步入了发展的第三阶段智能故障诊断阶段。 用计算机和软件建立的设备状态监测与故障诊断系统，具有投资少，功能强大且易 于扩展和升级，使用维护方便等优点。随着计算机技术和诊断方法的发展，以计算机为 中心的监测诊断系统将在机械设备状态监测与故障诊断中占有越来越重要的地位。 但以上研究成果较少见针对透平机械，特别是透平压缩机工艺性能变化、工况变化 等热力气动参数变化对机组性能影响的分析，而这些变化正是透平机械绝大多数事故引 起的原因或预示着某些事故的先兆，更应给于严重关注。 9 0 年代大连理工大学叶轮机械及流体工程研究所在国内率先丌展并确立了以“热 力参数诊断”为中心的叶轮机械系统控制及热力性能在线监测与评估技术研究方向，先 后为大庆、辽河、泸天化、赤天化等石化企业研制了大机组热力性能离线评估系统。在 此基础上，又为扰顺乙烯、沈阳鼓风机厂、南京扬子乙烯石化、大连化学工业集团、泸 州天然气化工公司等大型透平压缩机运行、设计单位研制开发了“旋转设备热力状念在 线监测与性能评估系统”。本学科在这一研究方向走在国内同行的前列，特色鲜明。 在今后的发展中，以微机为主的监测诊断系统将成为主力军，并不断向网络监测诊 断及远程诊断发展。人工智能研究成果将不断被引入到设备的状态监测与故障诊断中， 从而使监测诊断系统具有自学习能力。另外，专家系统的应用将使监测诊断系统向智能 化迈进一大步。总之，计算机状态监测与诊断系统最终要达到有较高的智能，最大限度 地代替人来进行设备状态监测与故障诊断的目的。 1 3 论文研究的主要内容 论文研究的主要内容是“基于o p c 技术的复杂介质压缩机组热参数诊断在线监测与 评估系统研究”，该系统的设计基于某天然气石化公司1 0 2 j j t 原料气汽轮压缩机组。 大连理工大学硕士学位论文 该机组为两缸，两段离心式压缩机，由一台中压凝汽式汽轮机驱动。其任务是把从界外 送来的天然气加压，然后送入工艺系统作为转化用原料天然气。 应该项目要求，本汽轮一压缩机组热力性能在线监测与评估系统充分利企业现有的 数据采集系统( d c s ) ，在线监测汽轮一压缩机组热力系统的相关参数，并根据采集的各类 参数进行实时分析，判断热力系统和热力设备的运行性能状态，显示当前工况的热经济 性指标，指出当前工况下的机组运行的实际状态和预期能达到的理想状态，并能显示压 缩机喘振线与喘振墙( 裕度预先给定) ，以及单参数控制流量线，从而使运行人员及时 调整有关运行热力参数，实现安全运行和节能降耗的目的。 另外，本系统还实现了网络浏览、异地访问功能，管理人员可以方便地通过局域网 中的任何一台计算机实时浏览查看在线监测数据及由在线监测计算机生成的相关报表。 本论文在大连理工大学叶轮机械及流体工程研究所相关课题多年工作经验积累的 基础上完成。 全文共分为六章，各章节主要内容如下： 第一章概述了论文的研究背景及意义，介绍了国内外关于旋转机械状态监测与评 估系统的研究现状，并简单说明了论文的主要研究内容。 第二章阐述了1 0 2 - j 原料气压缩机压缩对象多成份真实气体混合物相关物性 参数的计算方法及步骤，完成了软件编制工作的第一步。 第三章详细论述了本软件系统数据通讯方式的实现。根据现场条件及企业需求， 采取o p c 数据通讯方式，完成了数据连接及网络功能的实现。本章是该项目的熏点内 容之一。 第四章主要阐述了压缩机热力性能的计算。作为在线监测与评估系统的核心部 分，本章详细介绍了1 0 2 - j 原料气压缩机原始特性线的拟合、相似变换原理及应用、压 缩机实际性能与预期性能的计算。 第五章现场服务。主要介绍了该软件系统在生产现场的安装与详细配置情况， 完成了系统的现场调试，最后成功运行。 第六章总结全文所完成的工作和取得的成果，并提出了对未来工作的展望。 基于0 1 ) ( 2 技术的复杂介质压缩机组热参数诊断在线监测与评估系统研究 2 压缩对象物性参数的计算 透平式压缩机热力性能分析中，难点和关键问题是被压缩介质的热物性参数准确计 算。压缩机所处理的气体种类繁多，气体所处的状态也千差万别。就本文所涉及的1 0 2 4 原料气压缩机组来说，其原料气不能简单视为理想气体，而是真实气体的混合物。气体 组成如表2 1 所示【3 1 。 表2 11 0 2 一j 压缩机组原料气组份数据 t a b 2 1t h ed a t eo f r a w g a sc o m p o n e n t sf o r1 0 2 - 1 p i 囊l 哪 组份 摩尔分率( )分子量 n 2 1 0 92 8 0 1 1 4 6“0 1 m9 6 8 41 6 0 4 3 c 扎 0 5 53 0 0 7 钳k0 0 5 54 4 0 9 7 c i ij o，0 0 0 55 8 1 2 4 1 1 2o2 0 2 m 1 3o1 7 0 3 啪0 1 8 0 2 t o t a l 1 0 0 0 0 总的含硫量平均5 p p m ( 最大1 0 p p m ) 温度( ) 1 5 2 5 真实气体混合物物性参数的计算可以分解为三个问题的解决： 1 单个真实气体状态方程的选择； 2 单个真实气体热力学参数的计算： 3 由单个真实气体物性参数的计算扩展到多种真实气体混合物的物性参数计算。 下面就这三个问题的解决做出论述。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 1 真实气体状态方程的选择 真实气体不能像理想气体物理模型那样忽略气体分子自身的体积和分子间的相互 作用两个重要因素，必须考虑他们的影响 4 1 。不同气体的分子结构和形状不同，相互作 用也不同。从组成分子的原子结构来看，正电荷的中心和负电荷的中心对不同的分子结 构可能重合，也可能不重合。不重合时，正、负电荷中心相距一定距离，构成电偶极矩， 这样的分子成为极性分子。重合时，则没有电偶极矩，这就是非极性分子。电偶极矩很 小的分子成为弱极性分子。分子的结构不同，分子间的相互作用力也就不同，根据分子 结构的这种分类可将真实气体分为极性气体、弱极性气体和非极性气体。还有少数分 子量很轻的气体如n e 、h 2 、h e 等，由于量子效应显著，而称为量子气体。本论文所涉 及的天然气属于弱极性气体范畴。在确定状态方程式时还常常用到偏心因子，它是分 子偏心程度或非球形程度的量度，主要考虑到非球形分子的分子间作用力不只是分子中 心间的作用力，而应是分子问各部分作用力的总和。 气体的状态特性通过压强、比容、温度、焓、熵、内能等参量来描述的，这些描述 气体热力状态的参量称之为状态参数，其中压强，比容、温度这三个状态参数由于较易 获得，因此成为描述气体热力状态的基本状态参数。对于理想气体而言，不管何种气体， 处于何种状态，都可以符合以下状态方程式： p v = r t( 2 1 ) 其中： p 气体的绝对压力( m v 气体的比容( m 3 k g ) r 气体常数，培的 r 气体的热力学温度( 目 对于真实气体，三个基本状态参数间的关系比较复杂，需要通过大量的实验和计算 来确定，为了便于工程计算，通常制定出气体的热力性质图表，在缺乏这些资料时，真 实气体的状态方程也可以由对理想气体状态方程进行修正得到； p v = z r t( 2 - 2 ) 式中，：称为压缩性系数或可压因子。它表示在相同压力和温度下真实气体比容v 和 视之为理想气体比容之比，即： z = 三 ( 2 3 ) 基于o i c 技术的复杂介质压缩机组热参数诊断在线监测与评估系统研究 其中，若z l ，则表示按理想气体规律算得的比容值小于实际值；若z l 则正好相 反：= 1 则表示真是气体符合理想气体规律。 一百多年来通过理论分析为主推导的和根据实验数据为基础归纳总结的真实气体 状态方程已经很多，其中有的是专用方程，专门适用于一定的气体，其精度高但通用性 差；另一类是通用方程，可适用于各种气体，虽然准确度不及专用方程，但形式上比较 简单，使用比较方便，其中有几种准确度比较高的通用状态方程，在工程上对热力性能 计算分析、系统优化等方面，应用十分广泛。到目前为止，已经提出的经验状态方程已 有一百多个，而且还不断有新的方程发表。状态方程可以分为三类【5 】： 第一类是立方型状态方程，如v a i ld e rw a a l s 、r k 、s r k 、p r 方程； 第二类是多参数状态方程，如v i r i a l 、b w r 、m a t t i n - h o u 方程； 第三类是对比态方程，如l e e - k e s l e r 方程。 第一类立方型状态方程形式简单、求解方便，给工程应用上带来了很大方便，但它 们有着内在的缺陷，难以在大范围内应用，也难以在描述不同热力学性质方面得到满意 的结果；第二类多参数状态方程类似有限项的级数，展开式中参数比较多，求解困难给 发展上带来了一定困难，最为成功的方程为m a r t i n - h o u 方程；第三类对比态方程是一类 比较特别的方程，也是预测流体性质最有效的方法之一。 以上这些状态方程各自的特点及适用范围都不相同，在计算不同的工质、工况时， 需要根据气体的性质和所处的状态，选用合适的状态方程以满足工程计算精度的要求。 近年来，l e e - k e s l e r 方程和m a r t i n h o u 方程在工程领域内得到了广泛应用，这两个方程 具有如下特点： ( 1 ) l e e - k e s l e l 方程建立在b w r 方程的基础上，继承了b w r 方程适用于气液平衡 和高密度区的优良特性，该方程是应用三参数对比态原理导出的对比态方程，具有通用 性强、使用方便等优点，应用该方程计算非极性或弱极性气体有较高精度。 ( 2 ) 1 9 5 5 年，马丁和侯虞钧发表了m a r t i n - h o u 方程，经国内、外使用证明，该方程 需要较少的参数就可以计算出方程中所有参数，减少了状态方程对试验数据的依赖性， 适用范围广，可用于气、液两相，同时可以计算水、氨等极性物质【6 j 。 透平压缩机热力性能在线监测系统对于真实气体的物性参数计算有较高的要求，计 算结果直接影响到该系统的准确性，因此选则合适的气体状态方程是十分重要的。针对 本文所涉及的1 0 2 j 原料气压缩机组的工作对象，以及系统的计算要求，我们采用了对 非极性和微极性的纯组分气体和混合气体的计算都能得到较为精确结果的l e e - k e s l e r 方 程来计算气体的物性参数。 8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 2i c c - k c s l c r 方程对气体热力学参数的计算 2 2 i 偏心因子的应用 按照对比态原理，不同气体在相同的对比压力b = p b 和对比温度i = t t 。下， 具有相同的对比比容v ，= v l v 。，其中n 、t 、 1 分别为临界压力、临界温度和临界比容。 工程上将对比参数相同的状态称为对比态。根据对比态定律，处于对比态的气体应具有 相同的压缩系数。由此可知，可压因子z 是b 、i 的函数。又因为v ，本身也是b 、z 的 函数，则由式( 2 2 ) 可得： 仁旦r t2 蛩x 等2 等x 之 ( 2 4 ) r r 、 也即： ：= 厂( n ，i ，乙) ( 2 5 ) 范德瓦尔斯( v a n d a w a a l s ) 首先提出了如下两参数的对比态方程： 川+ 南一而2 7 p 咿, ( 2 6 ) 8 乙i nz c ( 8 ) 2 、 两参数方程具有较广的应用，但它只是一个近似方程，特别在低压下不适用，有局 限性。而且不同物质的i 临界压缩性系数乙不是常数，一般在0 2 3 0 3 之间。为了解决 存在的问题，我国学者苏国祯提出一个新概念，即理想对比比容： = 二- ( 2 7 ) 其中，v d ：! 里称为理想临界比容。由此得到改良的对比态原理为：。 见 z = 号一南 ， ，_ - “ 8 虽然改良的对比态原理同样具有近似性，但与原始方程相比更接近实验结果，而且 还可以适用于低压条件，具有较高的计算精度。但严格来说，只有球形、非极性且可忽 略量子效应的物质才完全符合两参数方程，本文涉及到的压缩对象原料混合气成分中， 绝大部分是分子形状不规则、极性气体。用两参数方程会给计算带来较大误差。 三参数对比态原理是对两参数对比态原理的补充和推广们，其中具有代表性的、 应用最广泛的方法是以偏心因子国作为修正参数来改进两参数对比态原理，从而提高应 用对比态原理推算流体比容和其它热力学性质的准确性。偏心因子m 主要考虑非球形分 一g 基于o p c 技术的复杂介质压缩机组热参数诊断在线监测与评估系统研究 子之间的力，也就是分子各部分间相互作用的总和，而不是分子中心间的作用力。随后， f l s p i t z e r 等人发现，某些流体遵守六次方引力势，他把这种流体称之为“简单流体”， 尽管这些流体的临界参数不一样，但是在z = o 7 情况下的对比蒸汽压值等于o 1 ，这就 形成了定义偏心因子的基础，其定义式为： = 一l l g ( 磊) 却( 2 9 ) 其中： 憎n j m n ，对比态温度等于0 7 时的对比态蒸汽压 偏心因子m 表征了分子非球形的程度。引入c o 后，一些非极性及弱极性的标准流体 的压缩因子就是b 、i 和的函数，即： z = z ( n ，i ，)( 2 1 0 ) 偏心因子与简单流体性质的关联式在国= 0 处作幂级数展开后，取线性主部得： z ：一o ) + 必( 1 ) ( 2 1 1 ) 其中： z ( o ) = 2 脚，即简单流体的压缩因子 叫( 去) 删l ，即求取实际流体z 的校正值 z o 和z 1 仅为n 和i 的函数，在t = o 8 4 和p ，= o 2 9 的函数以制成数据表， 可在相关热力学物性参数计算著作中查取。 2 2 21 脱- k e s l e r 方程对真实气体压缩因子的计算 偏心因子国表征了分子非球形的程度。引入口后，一些非极性及弱极性的标准流体 的压缩因子就是b 、i 和口的函数，即 刎+ 万c a 、l 。( 8 一叫 ( 2 1 2 ) 式中，国( 2 ) = 0 3 9 7 8 为正辛烷的偏心因子；式中上标“0 一和。r 一分别表示简单流 体和参考流体。 由此可见，式( 2 1 1 ) 中的”相当于式( 2 1 2 ) 中的兰! ：。由于z ( 哪和z ( ”可用 l e e - k e s l e r 方程求得，故式( 2 1 2 ) 更便于使用。 1 9 7 5 年l e e 和k e s l e r 发表了利用三参数对比态原理建立的适合于使用计算机来计 算纯物质p 一1 ，一7 性质的通用对比态方程，简称l c e - k c s | c r 方程： ：= 等小号+ 号+ 号+ 务h 刳唧( 一胡 其中： 。：三：堡 驴i 2 惹 戌。 嘲一每每每 c - q 专垮 。= 磊+ 妻 ：趟 z 一：丝 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 17 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) l c e - k c s l c r 采用氩为简单流体，正辛烷为参考流体拟合了上述方程中的1 2 个常数，如表 2 2 所示。 表2 2l e e - k e s l e r 方程系数表 c o e f f i d e u tt a b l eo f l e e k e s l 日c q u a l i o n 常数简单流体 参考流体常数简单流体参考流体 c o n s t a n t s i m p l ef l m d r e f e ：ef l l l i dc o n s t a n ts i m p l ef l m dr e f c m a c ef l u i d b lo 1 1 8 1 1 9 3 0 2 0 2 6 5 7 9c 3o 10 0 1 6 9 0 1 b 20 2 6 5 7 2 80 3 3 1 5 1 lc 0 0 4 2 7 2 40 0 4 1 5 7 7 b 30 1 5 4 7 9 0 0 0 2 7 6 5 5d l 1 0 0 1 5 5 4 8 80 4 8 7 3 6 b |0 0 3 0 3 2 30 2 0 3 4 8 8d 2 x 1 0 0 6 2 3 6 8 90 0 7 4 0 3 3 6 c 1 0 0 2 3 6 7 4 40 0 3 1 3 3 8 5b0 6 5 3 9 21 2 2 6 c 20 0 1 8 6 9 8 4 0 0 5 0 3 6 1 8y0 0 6 0 1 6 70 0 3 7 5 4 基于o p c 技术的复杂介质压缩机组热参数诊断在线监测与评估系统研究 在应用u 【方程计算压缩因子时，可根据已知状态参数p 、t 以及该物质的临界参 数见、正，求出相应的对比态参数c 、，利用( 2 1 3 ) ，由简单流体方程系数求出z 0 ， 参考流体方程系数求出一”，然后利用( 2 1 2 ) 求出该状态下流体的压缩因子。 2 2 3 真实气体余比焓的计算 求出真实气体对比态比容、压缩因子之后，可以进一步计算真实气体的焓。根据状 态参数仅取决于状态本身，和到达该状态所经历的过程无关的特性，可以先计算该状态 下，理想气体的状态参数，再加上实际气体和理想气体的偏差得到。在此论文采用余函 数法计算真实气体热力性质和理想气体的偏型川，余函数定义为： 绋= r 一r ( 2 2 0 ) 其中： 见系统压力p 、温度r 状态下真实气体的余焓 ，系统压力p 、温度r 状态下假定流体可看作理想气体时的焓 k ，系统压力p 、温度r 状态下流体的焓 简化余焓的推导过程，真实气体余焓的计算公式为： 瓦i,=-l(z-1一警b22 岛3 b 一雾；2t 2 r 磅咖亿2 。，瓦一等一两+ 务咖( 2 2 - 其中： 肚南垆“一够“+ 考) 晰却 ( 2 2 2 ) 2 3 l e e k e s l e r 方程对于真实气体混合物物性参数的计算 上面提到的l e e - k e s l e r 方程是针对纯物质提出的，考虑到本文所涉及的研究对象为 1 0 2 4 原料气压缩机，其工作对象为混合气体，就必须要将i _ 胱- k e s l e r 方程应用于混合 气体。解决问题的关键在于如何确定混合物的临界参数。在此本文采用假临界常数法， 此类方法的基点是把混合物看成是具有一套按一定规则求出的假临界常数且性质均一 的新物质，然后利用真实气体状态方程和对比态关系进行计算。 到目前为止，已经提出的确定混合物假临界常数的组合方法有很多种，但都是经验 或半经验方法。在这些方法中，使用最方便的、应用最广泛的方法是k e y 法则。对于各 组分的临界压力比值和临界温度比值在o 5 2 0 范围内的混合物，k e y 法则具有良好的 准确性，但在此范围之外，计算误差较大。 在本在线监测系统中，根据计算精度的要求及具体压缩对象，我们采用了l e e - k e s l e r 方程提供的求解混合物假临界常数的混合法则。应用该混合法则计算非极性和轻微极性 混合物，尤其是对烃类气体具有很高的准确度。l e e 和k e s l e r 提供的用于计算混合物假 t 临界参数的混合法则如下：