基于PI 數據庫的燃驅壓縮機組性能測試系統

上海交通大學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距離最長、管徑最大的輸氣干線[1]。在管道天然氣長距離輸送過程中，為了使管道中天然氣的壓力保持在一個合理的范圍內，需要在管道天然氣輸送途中間隔設立許多個壓氣站，相鄰壓氣站之間的距離一般介于120～170 km[2]。壓氣站的關鍵核心設備是燃驅壓縮機組，目前國際上大型輸氣項目的壓縮機組多采用燃氣輪機驅動。燃驅壓縮機組主要包括燃氣輪機裝置、離心壓縮機組以及相關的輔助系統。為了改善燃驅壓縮機組的性能、降低管道運輸的總輸送成本，對壓氣站中燃驅壓縮機組的實際工作情況進行實時監視和對機組一段時間的歷史運行趨勢進行分析顯得尤為重要。

對此，國內外學者已經開展了一系列的研究工作：雷劍宇等[3]開發出了一種離心和軸流式鼓風機以及壓縮機的熱力學性能測試系統；Iranian 等[4]將數據即時傳輸到基于LabVIEW 的上位機上，進行數據分析和可視化；滿衛芳等[5]實現了對燃氣輪機扭矩和轉速信號的采集傳輸、實時顯示等功能；李杰等[6]設計了對800 kW 離心壓縮機系統進行動態壓力測量的NI 測試系統；郝巖[7]介紹了一種透平式鼓風機以及壓縮機熱力性能試驗的無線測試系統；Varshini等[8]實現了采用雙反饋感應發電機對風力發電機的驅動；Kassas 等[9]基于LabVIEW 平臺對房屋內的空調進行功耗測量和調節；徐艷雷[10]設計了一種基于LabVIEW 和Modbus 總線的燃氣輪機故障診斷系統；賈廣博[11]采用模塊化的方法進行了燃驅壓縮機組變工況特性的仿真；鄭濤[12]建立了基于MATLAB/Simulink平臺的燃驅壓縮機組各部件及總體仿真模型。

國內外的性能測試系統主要包括兩種：一種用MATLAB 和LabVIEW 等軟件進行仿真模擬，為了模擬的準確性，有些學者會利用實際數據進行修正計算模型；另一種則是基于軟件開發出一種應用于現場的數據采集、分析計算和可視化的系統。筆者以30 MW國產燃驅壓縮機組為研究對象，基于MATLAB 平臺和Excel 軟件，建立了一套可應用于遠端監測、實時顯示且可對機組歷史運行情況進行分析的性能測試系統。

1 測試系統設計思路

以西氣東輸工程某壓氣站中的30 MW 級燃驅壓縮機組為測試對象，讀取實時存儲在PI（Plant Information）數據庫里的數據到Excel 表格上，再將其數據實時傳輸到MATLAB 上，再基于MATLAB進行計算和可視化，計算出燃驅壓縮機組以及組件的性能參數，達到實時計算、實時顯示和實時監控的目的。測試系統設計思路原理如圖1 所示。

圖1 測試系統設計思路原理圖

PI 數據庫是由美國OSI 公司開發的一套實時（歷史）數據庫系統，可在線存儲多個工藝點的多年歷史數據，并可對其進行實時訪問和讀取。基于MATLAB 開發的測試程序數據處理速度快、效率高、操作方便、界面美觀、功能擴展性好[13]。PI_DATALINK 是用于連接PI 數據庫和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 中調用存取Excel 中的數據。

該壓氣站中燃驅壓縮機組測量點的數據都存儲在PI 數據庫中，遠程監控中心可直接通過PI 數據庫查詢機組的基本參數。但是想通過外部接口快速簡單地實時讀取數據庫中的數據并不容易。為此，在綜合考察幾種常見讀取PI 數據庫接口方式的基礎上，選取了一種簡單的實時讀取方式。首先通過插件PI_DATALINK 用Excel 表格實時讀取PI 數據庫中的數據，再通過插件EXCEL_LINK 用MATLAB 同步讀取Excel 中的數據，然后在MATLAB 中進行計算和可視化。

2 測試系統模塊設計與實現

筆者設計的燃驅壓縮機組性能系統程序主要基于兩大軟件，即Excel 和MATLAB。通過Excel 實時讀取PI 數據庫中的數據，并存儲在表格中，然后利用MATLAB 直接在Excel 中讀取數據，將讀取的數據代入到建立的計算模型中進行計算并進行可視化、存儲以及歷史數據的分析。

2.1 Excel 模塊

在Excel 模塊中實現的功能為數據庫數據的實時讀取以及將數據實時傳輸到MATLAB 環境中。因此，Excel 模塊又可分為數據實時讀取模塊和數據實時輸送模塊。

2.1.1 數據實時讀取模塊

通過在Excel 加載PI_DATALINK 插件后，可以通過Excel 工具欄中出現的“PI”選項進行讀取，但是無法實現實時讀取。因此采用Excel VBA[15]進行編程，通過調用函數的方法達到實時讀取的目標。

所設計的讀取模塊的主要功能就是實時讀取PI數據庫的數據，并將一段時間的數據存儲在這張表格中。功能實現思路是將表格中的一個單元格定義為當前時間，另一個單元格定義為與當前時間有一定時間間隔的時刻，讓通過特定調用函數從數據庫調取出來的數據以這兩個時間單元格的時間為起始時間和終止時間，按照特定的時間步長實時存儲。每一列顯示的是一個參數在不同的時間點上的數據，每一行顯示的是一個時刻不同參數的數據。

2.1.2 數據實時輸送模塊

在Excel 加載EXCEL_LINK 插件后，通過調用名為MLPutMatrix 的函數，任選一個空白單元格，輸入命令“=MLPutMatrix(name，mdat)”，其中MLPutMatrix 為Excel 將數據以矩陣的形式直接傳輸到MATLAB 上的內部函數，“name”為在MATLAB中該數據矩陣的名稱，“mdat”為Excel 傳輸到MATLAB 的數據區域。通過該函數，可直接將Excel特定區域的數據以矩陣的形式輸送到MATLAB 中，并且能夠在MATLAB 環境中與Excel 表格中的數據同步變化。

2.2 MATLAB 模塊

根據功能的不同，MATLAB 模塊中又分為天然氣組分含量輸入模塊、機組性能參數計算模塊、機組性能數據存儲模塊、機組性能可視化模塊以及機組性能歷史趨勢分析模塊。

2.2.1 天然氣組分含量輸入模塊

計算燃驅壓縮機組的功率、效率等性能參數需要已知燃氣輪機進口管道天然氣的組分及其含量，而壓氣站的PI 數據庫里沒有存儲這些數據，所以需要建立一個手動輸入模塊。

2.2.2 機組性能參數計算模塊

機組性能參數計算模塊根據組件可分為燃氣輪機性能計算模塊、離心壓縮機機組性能計算模塊、機組總效率計算模塊。因為計算離心壓縮機性能參數時，進口天然氣的壓縮因子是個重要參數，且實際氣體的天然氣的壓縮因子的求解較為復雜，故在此基礎上增加一個天然氣的壓縮因子的計算模塊。

2.2.2.1 燃氣輪機性能計算莫模塊

燃氣輪機的輸出軸功率利用熱平衡的方法求得。假定一個包括燃氣輪機在內的合適的“控制體”應該便于確定進入和離開“控制體”的所有熱量和能量的參數，輸出功率是這些參數中的一項，利用熱平衡方程式和其他已知數據可計算得出。假定的燃氣輪機熱平衡“控制體”如圖2 所示。

圖2 燃氣輪機熱平衡“控制體”示意圖

標準條件下壓力為101.325 kPa，溫度為15 ℃。控制體的熱平衡方程如下：

式中ma表示進入壓氣機的空氣流量，kg/s；mf表示進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表示進入壓氣機的空氣比焓，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表示在標準條件下空氣的比焓，kJ/kg；hf表示進口燃氣的比焓，kJ/kg；hf0、hg0分別表示在標準條件下燃氣、空氣的比焓，kJ/kg；QL表示各種熱損失（約為燃氣輪機熱耗量的30%），kW；PS表示輸出軸供給負載的負荷，kW；ηtc表示燃燒效率，一般取0.99；LHV表示燃料在標準條件下的低位熱值，kJ/kg。

出口煙氣流量與進口空氣流量、燃料氣流量以及泄漏氣流量的關系如下：

壓氣站現場測量得到的泄漏量的總和約為壓氣機進口空氣量的1%。空氣、燃氣和煙氣的比焓，可以根據從PI 數據庫讀取的溫度進行插值得到。

根據式（1）和（2）計算得出輸出軸功率（PS）時，由于系統熱損失、泄漏量等數據和實際條件有關，并不是一個恒定值，而且無法從數據庫中實時獲取，為了讓計算模型的結果更加接近實際情況，以一個時間段中不同工況下實際測量出來的輸出軸功率為修正標準，采用分段插值逼近的方法，通過給定不同工況下的修正系數來修正這些數據。表1 為另外的運行時間下不同工況的輸出軸功率。

表1 不同運行工況下的輸出軸功率表

燃氣輪機熱耗量的計算公式如下：

式中HI表示單位時間熱耗量，kJ/s。

燃氣輪機熱效率（對應于凈機械功率的熱效率）計算如下：

式中ηt表示熱效率。

燃氣輪機熱耗率計算公式如下：

式中HR表示熱耗率，kJ/kWh。

2.2.2.2 離心壓縮機組性能計算模塊

壓縮機實際熱力過程中，不可避免地存在能量損耗。因此，實際過程均為不可逆過程，為了便于分析，此處將實際過程視為可逆多變過程計算其壓縮功和多變效率。

離心壓縮機的多變系數計算如下：

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

壓縮機的多變壓縮功計算如下：

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

多變壓縮功率計算如下：

式中Ppol表示多變壓縮功率，kW；ρ表示標準條件下，進入壓縮機的天然氣的密度，kg/m3；qv表示進入壓縮機的氣體流量，m3/h。

壓縮機的多變效率計算如下：

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

2.2.2.3 機組總效率的計算模塊

燃驅壓縮機組的總效率計算如下：

式中ηtot表示機組總效率。

2.2.2.4 天然氣壓縮因子的計算模塊

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

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

2.2.3 機組性能數據存儲模塊

數據存儲模塊的功能是把計算出來的燃驅壓縮機組的各項性能參數按照時間排序，以表格的形式存儲在本地文件中。表格每一行為同一時刻燃驅壓縮機組的各項性能參數的計算值，每一列為同一指標在不同時刻的計算值，時間間隔為1 s，表格的名稱直接以當前時間命名，具體形式為“年_月_日_時_分_秒”，便于查找和讀取。

2.2.4 機組性能可視化模塊

性能可視化模塊的功能是實時顯示燃驅壓縮機基本參數的數值以及一段時間內各項性能指標的數值以及趨勢圖，其主界面如圖3 所示。圖3 上半部分實時顯示燃驅壓縮機組的流量等現場測量的基本數值，一直隨時間變動，為當前時間的準確數值，下半部分以折線圖的形式顯示燃氣輪機、壓縮機和機組的一段時間內性能參數隨著動力渦輪轉速的變化趨勢圖。因此，從顯示界面中可直觀看出燃驅壓縮機組的運行狀態，從而達到實時監控的目的。

圖3 燃驅壓縮機組性能指標顯示主界面圖

2.2.5 機組性能歷史趨勢分析模塊

歷史趨勢分析模塊的功能是將一段時間內燃驅壓縮機組性能指標參數的計算數值以趨勢圖的形式展現出來。歷史趨勢分析模塊的主要界面如圖4 所示。通過選定需要分析的時間段、機組名稱和具體性能指標，該項指標會以折線圖的形式，以時間為橫坐標顯示出其該段時間內的趨勢分布，以一種非常直觀的形式分析這段時間內燃驅壓縮機組運行的實際情況，便于機組的改進和優化。

圖4 燃驅壓縮機組性能歷史趨勢分析主界面圖

3 結論

1）通過Excel 作為中間接口軟件，用一種較為簡單的方法實現了PI 數據庫的數據讀取，并通過Excel VBA 實現了對數據庫實時讀取的功能；通過Excel 內部函數實現了向MATLAB 實時傳遞數據的功能。

2）數據的實時傳輸保存以及實時顯示皆正常，可視化監控界面直觀，人機交互性好，軟件操作簡單方便，可遠程監控燃驅壓縮機組的實時運行狀態。

3）設計的燃驅壓縮機組性能測試程序已經應用于西氣東輸管道工程中，并根據現場數據對性能計算模型進行了修正，計算出來的燃驅壓縮機組的性能指標數值誤差范圍滿足實際壓氣站的要求。

4）建立了機組性能歷史數據分析趨勢模塊，為管道運輸長距離運輸過程中燃驅壓縮機組的優化和改進提供參考。