HYSYS 压缩机的动态模拟.doc

如何做压缩机的动态模拟近日有幸开始研究压缩机的动态模拟，完成了部分模拟的项目。现把项目中学到的一些内容总结一下，以期抛砖引玉。现在做动态模拟的软件很多，我这里做项目用的主要是Aspen的HYSYS。如果有用其它软件的朋友可以交流一下哦，嘿嘿。压缩机动态模拟的主要通过建立压缩机系统的动态模型，然后对压缩系统的非正常工况进行测试，检验其动态性能，保证压缩机的正常运行。模型的测试主要包括下面的几部分：1) 压缩机的紧急停车：检验防喘振控制系统的性能2) 压缩机的正常停车：检验防喘振控制系统的性能3) 压缩机的Settle Out 压力计算4) 压缩机紧急停车后的启动：检验马达的动力是否能够满足要求5) 压缩机冷启动：检验马达的动力是否能够满足要求6) 检验在不同介质下，压缩机性能的变化和非正常工况下压缩机的工作状况7) 压缩机控制系统在正常工况下的控制性能等做压缩机动态模拟的一般步骤：1. 熟悉工艺流程，界定模拟范围界定模拟范围是很重要的一步，也是最基础的一步。不正确的范围界定不但会引起工作量的增加，有时候还会造成模拟结果的变化。 压缩机上下游具有固定压力或固定流量的点通常可以作为压缩机系统的上下边界。 由于压缩机系统的模拟主要集中在气相的变化，因此液相的情况可以做适当的简化。 其它的细节的内容可根据项目的不同做适当的处理。2. 收集相关数据收集模拟范围内与压缩机系统相关的设备的数据，包括： 压缩机（呵呵，当然要包括） 闪蒸罐 换热器 塔器（如果有的话，比较复杂，可做适当简化） 阀门（控制阀、止回阀、截止阀等等） DCS控制回路 管路 等等。3. 管路分析管路分析是通过分析设计的单线图，确定压缩机周边主要管线的压降和体积。由于在装置设计过程中设计人员通常会假设管路的压降然后对系统进行稳态模拟得到物料和能量平衡数据表。管路分析就是通过分析后期设计的管路系统，获得准确的管路压降和体积（当然不是最准确的，因为装置还没建起来嘛，呵呵！）。这些压降和体积是压缩机系统动态模拟的基础数据，它们会直接影响压缩机系统，特别是防喘振系统的性能。管路分析中用的主要方法是要把各种管件转化成它们的等效直管段程度，然后通过范宁公式计算管路的压降。在HYSYS中将一段管路等效成一个阀门和一个Drum，建立管路的模型。4. 建立“稳态”模型这里说的“稳态”模型不是通常在HYSYS的Steady State模式下建立的模型，而是动态模型运行后达到的一种稳定状态，它仍然是动态模型，只是变化很小，可以忽略不记。这一步的目的是检验模型的准确性。将模型的数据与客户提供的装置设计物料和能量平衡进行比较，确定模型的准确性，并取得客户的认可。通常一般变量误差可控制在正负2%的范围内。但不能单纯为了和物料平衡和能量平衡的数据吻合而调整模型的相关参数，特别是压降。因为设计人员的假设可能与实际设计出来的管路并不完全吻合。在这一步中建立的“稳态”模型必须得到客户的认可，包括在建模过程中所进行的所有假设。因为这是后面进行动态模拟的基础模型，如果出现问题，还需要重新返工，工作量巨大。5. 系统动态测试在4中建立的“稳态”模型的基础上，进行相关的非正常工况的动态测试。进行系统的动态测试，发现潜在的问题是动态模拟的最终目的。在这一步很重要的一项内容是让客户定义各个工况的变化逻辑，如什么时候开阀门、什么时候停马达等等。但有很多情况下，客户并不能提供明确的控制逻辑，需要模拟工程师进行相应的假设（必须要让客户认可哦，否则就惨了），然后根据假设对模型进行测试。根据测试的数据，分析系统的性能，如压缩机会不会发生喘振；如果发生了喘振，在喘振区能停留多久等等。最后也是最有难度的一步就是提出修改的建议啦，呵呵。在这一步中HYSYS有一些工具可以有效地提高测试的效率，如果Events Scheduler, Cause & Effect等等，我们可以在后面的时间里一起讨论。6. 项目报告这个就不多说了，大家都知道！文字工作，劳民伤财，呵呵！这些都是在压缩机动态模拟中的一些概略性的内容，具体细节的内容可以在以后的文章中进行讨论。因为是刚刚开始做，所以会有很得不合适或不对的地方，请大家指正。交流经验，互相学习！压缩机动态模拟需要哪些数据前一篇文章介绍了做压缩机动态模拟的基本步骤。那么在做项目的过程中我们需要哪些数据呢？接下来的时间里我根据自己的经验做一个罗列。声明一下，这个数据列表只是要做一成功的压缩机动态模拟所必需的数据，而不是全部，具体的项目还需要根据情况提出各自的要求。通常这种模拟发生在装置的设计阶段，主要是为了对压缩机系统的性能进行检查，因此要获得这些数据是比较容易的。在压缩机系统中涉及的设备相对全流程来说比较少，也相对简单。主要涉及以下的内容：（1）. 压缩机（废话，没它是模拟什么啊，呵呵）（2）. 管路（3）. 换热器（4）. 闪蒸罐（5）. 塔器（通常不做详细的模拟，只做简单的模型就行了）（6）. 阀门（7）. 控制回路（8）. 特殊工况的操作逻辑（9）. PFD, P&ID和物平能平表以下对各设备的数据进行分别说明。1. 压缩机压缩机性能曲线、压缩机的数据表、压缩机驱动系统的数据（如马达的启动曲线、系统的惯量数据等）、喘振控制系统的相关参数。如果有2. 管路对于压缩机的动态模拟来说，气相的管路是至关重要的。因此在做模型之前要对气相系统的管路进行分析，主要是为了获得各管路的体积和压降，体积将影响气体在其中的停留时间和压缩机停车后的系统压力，而压降会直接影响系统的压力分布。3. 换热器在模拟中，换热器并不需要非常详细数据，主要根据模拟的需要满足需求即可，但有一项是必需的，那就的热负荷。根据压缩机的类型和功能不同可以对数据进行适当的简化。比如说：釜式的换热器可以简化成一个带有热负荷的闪蒸罐；冷箱可以直接简化成一个热物流；如果要通过调整换热器的换热量来控制气化度或压力的话，我觉得用一个真正的换热器模块并给定管壳程的换热系数就有必要了。4. 闪蒸罐不用说了，结构尺寸和分离效率非常需要。5. 塔器一般不需要详细模拟，可以给定各组分的分离系数，将塔简化成一个组分分离器，然后根据塔的情况给定相应的压降。6. 阀门阀门很重要，因为它们会直接影响整个系统的压力分布。它们的数据可以很容易的从供货商提供的数据表中得到。根据阀门类型的不同数据表提供的数据略有不同。但下面的数据在模拟中是必需的：（1）流量系数（Cv）（2）流量特性（3）Fail Mode（影响控制系统的响应）（4）开关时间（影响控制系统的响应）有些阀门数据表中是不提供Cv的，如隔离阀，如果没有的话，可以根据阀门的类型和管径从文献资料中查寻经典的数据，然后在模型检验的时候让客户确认就可以啦，呵呵。7. 控制回路因为要做动态模拟，要把系统控制在稳定的状态，控制回路就是不可或缺的。学过控制的人都很清楚一个控制回路需要什么。比如说：（1）控制器的正反作用（2）控制器的P、I、D参数等等不过这些在建模的过程中都可以调试。8. 特殊工况的操作逻辑在模拟过程中，我们要对系统在开车、停车、紧急停车等过程中的响应进行测试，因此必须由客户提供他们定义的这些过程的操作逻辑。如果客户不能提供的话，需要我们根据自己的经验做出假设并让客户确认，从而保证我们做的测试是客户真正需要的。9. PFD、P&ID和物平能平表这个是模拟的基础，不需要多说。需要说的是一定要与客户确认模型要根据哪一个物平表进行调试，呵呵！压缩机性能曲线数字化在做压缩机系统的模拟的时候，压缩机的性能曲线是至关重要的数据，需要准确、快捷地提供给流程模拟软件。然而不幸的是，压缩机厂商只会提供已经绘制成曲线图的性能曲线，而不提供原始的数据。这就需要流程模拟工程师自己将曲线图读成数字然后输入到模型中。如果用手工的方法来读取数据，不仅速度慢，而且准确性也差。有心的人开发了很多可以辅助读取曲线数据的软件。在这里就介绍一款自己常用的软件（免费的哦）。软件的名字叫Engauge Digitizer。下面对基本的使用步骤进行说明，更多的功能需要大家逐步探索，它的功能还是很强大的。1. 准备压缩机的性能曲线大家需要将压缩机的性能曲线准备成图片文件（jpg格式的就可以了）。如果需要扫描的话，一定要把纸弄平整哦，要不然会影响精度的。2. 启动软件由于软件是绿色的，不需要安装，只要到软件所在的目录点击应用程序的图标就可以了。启动后的界面如下：3. 导入图片点击导入图标，在弹出的对话框中选择自己要读取的性能曲线的图片，确定即可导入。4. 建立坐标系导入图片后，点击坐标系的图标，在图形中选择3个点并输入x和y的坐标，建立自己的坐标系。软件就是用这个坐标系来读取数据的，因此一定要确保坐标系数据的准确性。如下图所示：5. 读取数据点击工具栏上的描点图标，然后在要识别的曲线上点击，确定用来描绘这条曲线的点，如下图所示，蓝色的圈内的数据点就代表了一条性能曲线。如果有多条性能曲线需要识别，可选择菜单中“Settings，然后选择”Curves“，如下：在弹出的窗口中选择”New“按钮，建立一条新的曲线，点击OK，关闭窗口。在工具栏中通过下拉框选择新的曲线，按照前面的方法建立第二条曲线。6. 导出数据为了让数据更加便于使用，在导出数据之前需要对数据的格式进行适当的设置。点击菜单栏上的Settings，选择”Export Setup.“弹出如下的对话框。在对话框中做下图所示的设置，这样可以保证获取的数据是原始的数据而没有经过插值处理，并且格式附合csv文件的要求，便于导入到Excel中使用。点击工具栏的导出数据图标，在弹出的对话框中选择要保存数据的位置，并给定文件名（注意：必须加上后缀”.csv，软件不自动添加的），点击保存，现在数据就可以用了。保存完之后的数据如下图所示，方便了吧，嘿嘿！如何防止压缩机发生喘振做离心式压缩机动态模拟一个很重要的目的就是要确定在紧急停车等过程中系统会不会出现喘振。模拟的时候也经常会遇到喘振的问题。那如果系统发生了喘振，如何对系统的修改提出建议，从而减少喘振现象的发生呢？通常有下面的几个手段可以在一定程度上解决压缩机的喘振问题。这些只是从一个工艺工程师的角度提出的修改建议，而非压缩机制造商的建议，所以更加偏重于工艺的情况。1. 调整压缩机的操作点，使其远离喘振区优点：最简单，不需要对管路或压缩进行进行调整，只需要修改喘振控制器的的相关参数，给压缩机提供更大的操作余量即可。缺点：只能解决喘振不严重的情况，而且长时间有返回流量，操作成本会有所增加。2. 增大喘振阀门优点：较为简单，能很大程度上改善或解决系统的喘振问题，成本也不是很高，只是将原来小的阀门换成大的阀门。缺点：可调整的空间有限，喘振控制阀一个重要的作用是在装置正常操作是防止发生喘振，因此需要较高的控制精度。如果阀门过大，在操作上很难精确控制流量，不利于压缩机的操作。3. 设置冷旁路冷旁路就是在原来的喘振线上再增加一条复线，该复线只在特殊工况下进行使用，正常操作时处于常关的状态。优点：可以有效解决部分的喘振问题缺点：由于返回的气体还要经过冷却过程，经历的管路和设备较多，有些严重的喘振情况不能适应；而且建设成本开始增加4. 设置热旁路热旁路是增加一条管路让气体直接从压缩机出口返回到压缩机的入口。优点：解决喘振问题最有效的手段了缺点：如果是烃类物系，返回的气体未经冷却，温度过高，可能会在压缩机内部出现结焦的现在，影响压缩机的使用。5. 减小压缩机出口到止回阀和喘振控制阀之间的体积这一部分的体积是压缩机的高压端的体积。在同样的喘振阀门的情况下，高压部分的体积越大，降低有压缩机出口的压力所需要的时间就越长，压缩机在失去动力后压头下降的速度就越慢。因此减少这一部分的体积可以有效提高压头下降的速度，从而降低发生喘振的风险。但是，这种体积的减少会和压缩机启动时产生竞争作用。因为在压缩机启动时要用循环的气体来启动，如果循环回路的体积下降，则回路中的气体量减小，动力被加到气体上之后，气体温度上升的速度增加，容易造成在启动过程中的气体出口温度超过设计温度的情况。因此需权衡使用。6. 增大压缩机系统的惯量优点：增大惯量可以使压缩机在失去动力源后能以较小的加速度进行减速，可以有效缓解喘振。缺点：需要增加额外的飞轮，压缩机的操作成本增加；压缩机厂商通常也不喜欢这样做，呵呵。压缩机的启动功率在压缩机动态模拟中经常会做的一件事情是要验证设计选用的电机能否将压缩机顺利地启动到要求的工况。有幸在做项目的时候做到了这方面的工作，所以自己做个总结。在压缩机启动过程中影响其启动功率的参数除了压缩介质的相关性质之外，应该还有下面的几个因素：启动时系统的平衡压力（Settle Out Pressure）：在离心式压缩机中，功率与进口气体的温度有关，温度越高，功率越大。由于我当时模拟的是制冷循环，在工作气体实际是处在露点温度，因此压力越高，温度就越高，功率就越大。防喘振阀门的开度：防喘振阀门的开度实际影响的是压缩机吸入的流量，很明显，流量越大，压缩机的功率就越大。压缩机吸入阀的开度：同样压缩机吸入阀门的开度影响到的也是压缩机的吸入量，开度越大，吸入量越大，压缩机运行所需的功率也就越大。压缩机功率计算可参考百度文库中的公式（/view/e2cb8b1dfad6195f312ba63a.html）Does your compressor surge seriously?I have worked on centrifugal compressor dynamic simulation for more than a year. But I didnt know how to judge the surge in a compressor is serious or not until last week. There is a criterion to decide whether the surge is acceptable or not. It is learned from Application Guideline for Centrifugal Compressor Surge Control System published by GMRC, which define is as low energy surge.In the dynamic simulation, it may be found that the compressor fell into surge during ESD or normal shut down. But what extend of surge is acceptable? We need some criteria to decide whether the anti-surge system should be redesigned or not. The following picture is a typical performance map of centrifugal compressor and defines th