壓氣站壓縮機(jī)組負(fù)荷分配方案分析與實(shí)現(xiàn)

曹開華，邢 通

（中國石油工程建設(shè)有限公司，北京 100120）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)對天然氣需求與日俱增，為滿足國內(nèi)巨大的天然氣需求，建設(shè)了西氣東輸管線，同時將管線延長到了中亞國家的天然氣原產(chǎn)國，全線設(shè)置了大量的壓氣站，壓氣站內(nèi)一般設(shè)置多臺同型號的壓縮機(jī)組，部分壓氣站根據(jù)建設(shè)需要也設(shè)置了兩種或以上型號的機(jī)組，機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，根據(jù)下游負(fù)荷需求情況共同承擔(dān)輸氣任務(wù)。由于下游用戶負(fù)荷的季節(jié)變化、晝夜變化及線路各站運(yùn)行調(diào)整，壓氣站需要配備一套負(fù)載分配系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的實(shí)時調(diào)整，提高壓氣站內(nèi)各機(jī)組的運(yùn)行效率，降低操作風(fēng)險。

1 典型壓氣站工藝

1.1 主工藝流程

圖1 基準(zhǔn)負(fù)荷分配法工作特性曲線Fig.1 Working characteristic curve of benchmark load distribution method

長輸天然氣管道在輸送天然氣過程中由于管道的摩擦阻力及地形高差等原因，管道輸送壓力在一定距離后會形成一定的壓力降，為提高長輸管道的輸送能力，需要在一定距離間隔內(nèi)設(shè)置壓氣站進(jìn)行增壓。其主要工藝流程為天然氣過濾分離，壓縮機(jī)組增壓，空冷器冷卻后輸往下游站場。由于離心式壓縮機(jī)具有輸量大、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。因此，壓氣站壓縮機(jī)一般采用離心式壓縮機(jī)組，驅(qū)動設(shè)備可根據(jù)情況選擇燃?xì)廨啓C(jī)或者電驅(qū)。

1.2 壓氣站壓縮機(jī)組運(yùn)行方式

壓氣站壓縮機(jī)組根據(jù)下游的需求，既可以選擇單臺運(yùn)行也可以多臺并聯(lián)運(yùn)行。由于多臺機(jī)組共用進(jìn)氣和排氣總管，并聯(lián)各機(jī)組的進(jìn)氣和排氣壓力相等，壓氣站根據(jù)運(yùn)行需要可以采用壓縮機(jī)組進(jìn)口壓力、出口壓力或外輸總流量作為工藝控制變量，工藝控制的輸出作為驅(qū)動機(jī)器如燃?xì)廨啓C(jī)燃料調(diào)節(jié)閥或高壓變頻器的輸入，通過驅(qū)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制使壓縮機(jī)負(fù)載實(shí)時調(diào)整。

2 3種負(fù)荷分配控制方案比較分析

根據(jù)壓氣站的控制目標(biāo)，長期以來人們總結(jié)出了3種不同的負(fù)荷分配控制辦法，即基本負(fù)荷分配法、流量均分法和等喘振裕量法，下面對以上3種負(fù)荷分配控制辦法從原理上進(jìn)行比較分析。

2.1 基本負(fù)荷分配法

根據(jù)壓氣站負(fù)荷的變化規(guī)律將一臺或多臺機(jī)組完全加載至無回流運(yùn)行，機(jī)組工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振控制線，并固定其轉(zhuǎn)速，將其作為基本負(fù)荷機(jī)組。壓氣站負(fù)荷調(diào)整通過調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速控制來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)組的負(fù)荷較低時，調(diào)節(jié)機(jī)組可能進(jìn)入喘振控制區(qū)，喘振閥打開，部分回流，如圖1工作點(diǎn)QA1。為減小調(diào)節(jié)機(jī)組的回流，需要降低基準(zhǔn)機(jī)組轉(zhuǎn)速（工作點(diǎn)由QA2轉(zhuǎn)移到QB2），將部分負(fù)荷分配給調(diào)節(jié)機(jī)組，減小或消除調(diào)節(jié)機(jī)組的回流（工作點(diǎn)由QA1轉(zhuǎn)移到QB1）。

圖2 流量均分負(fù)荷分配控制方案Fig.2 Flow equalization load distribution control scheme

由于調(diào)節(jié)機(jī)組在低負(fù)荷時將工作在部分回流狀態(tài)，大量能量消耗在回流上，所以基本負(fù)荷分配法是一種低效的負(fù)荷分配控制。由于用戶負(fù)荷變化，為改善調(diào)節(jié)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，需要操作員頻繁調(diào)整機(jī)組工作點(diǎn)，操作難度較大，故該分配方法僅適用于機(jī)組臺數(shù)少，負(fù)荷穩(wěn)定的站場。當(dāng)負(fù)荷變化時只有調(diào)節(jié)機(jī)組來承擔(dān)負(fù)荷擾動，調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行的工況最惡劣，發(fā)生喘振的風(fēng)險大。

2.2 流量均分負(fù)荷分配法

從機(jī)組輸送流量的角度出發(fā)，為均衡分配站內(nèi)機(jī)組的負(fù)荷，可將各站場對外輸送的流量平均分配到每臺機(jī)組，將機(jī)組外輸?shù)牧髁孔鳛榭刂谱兞?，?shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡分配的目的。典型的等流量負(fù)荷分配方案如圖2所示，為測量機(jī)組外輸流量，需在每臺機(jī)組的輸入、輸出管上設(shè)置流量計(jì)，機(jī)組外輸流量等于輸入與機(jī)組流量之差，每臺機(jī)組的流量調(diào)節(jié)PID的輸出結(jié)果作為機(jī)組調(diào)速器的設(shè)定值。為保持出站壓力穩(wěn)定，可將出站口壓力與機(jī)組流量調(diào)節(jié)控制器構(gòu)成串級控制。

該方案從理論上適用于完全相同的機(jī)組，但實(shí)際上完全相同的機(jī)組并不存在，哪怕是同一廠家同一機(jī)型也有不同的性能曲線，按照等流量運(yùn)行時有的機(jī)組可能運(yùn)行在喘振控制線右側(cè)，但是其他機(jī)組可能已進(jìn)入喘振控制區(qū)，等流量負(fù)荷分配不適用于不同機(jī)型的機(jī)組。由于采用壓力的串級控制，機(jī)組對輸出壓力的控制響應(yīng)慢，出站壓力控制性能差。機(jī)組出口和入口的流量計(jì)不但增加了設(shè)備投資，而且增加了運(yùn)行能耗損失，經(jīng)濟(jì)性差。

2.3 等喘振裕量[2]負(fù)荷分配法

前述的基本負(fù)荷分配法和流量均分負(fù)荷分配法，不可避免地會使負(fù)荷分配組內(nèi)的某些機(jī)器進(jìn)入喘振控制區(qū)，使某些機(jī)組運(yùn)行在最惡劣的工況下，增大喘振風(fēng)險。從降低機(jī)組的喘振風(fēng)險，減少不必要的回流，提高機(jī)組運(yùn)行效率的角度出發(fā)，可以考慮將負(fù)荷分配組內(nèi)各機(jī)組的喘振裕量作為控制目標(biāo)，將各機(jī)組控制運(yùn)行在與喘振控制線等距離的操作點(diǎn)上，即各機(jī)組喘振控制器的偏差（DEV）相等[1]，其控制方案如圖3所示。在該方案中設(shè)置有壓氣站入口或出口壓力主性能控制器（MPIC）、單機(jī)組負(fù)荷控制器（LSIC）、單機(jī)組喘振控制器（UIC）和轉(zhuǎn)速控制器（SIC），機(jī)組各控制器通過高速專用數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時與負(fù)荷分配組內(nèi)的其它機(jī)組交換數(shù)據(jù)。

圖3 等喘振裕量負(fù)荷分配控制方案Fig.3 Equal surge allowance load distribution control scheme

壓力波動時，并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的各臺機(jī)組都部分吸收了擾動，使得各機(jī)組動能平穩(wěn)調(diào)節(jié)，喘振風(fēng)險最小[1]。由于操作點(diǎn)到喘振控制線的距離（DEV）是個無量綱的相對值，故該方案中可實(shí)現(xiàn)不同機(jī)型、不同容量、不同廠家的機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行下的負(fù)荷分配，各種不同轉(zhuǎn)速和流量的機(jī)組運(yùn)行在同一個DEV值下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)荷分配。

3 壓縮機(jī)組負(fù)荷分配的工程實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的基本配置

由于等喘振裕量負(fù)荷分配法的諸多優(yōu)點(diǎn)，它是壓氣站廣泛采用的一種負(fù)荷分配方案，下面以中亞管道某壓氣站為例，介紹壓縮機(jī)組等喘振裕量負(fù)荷分配的工程實(shí)現(xiàn)。該壓氣站采用4臺同型號燃?xì)馔钙诫x心式壓縮機(jī)組，壓縮機(jī)組入口和出口分別連接至共同的管匯，各機(jī)組的入口、出口運(yùn)行壓力相等。每臺機(jī)組配套一套單元控制系統(tǒng)（UCS），單元控制系統(tǒng)內(nèi)集成了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（SIC）、喘振控制器（ASC）、負(fù)荷分配控制器（LSC）和負(fù)載均衡器（LDE），單元控制系統(tǒng)通過專用的高速通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時傳輸負(fù)荷分配所需的數(shù)據(jù)，單元控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換和控制方案如圖5所示，在該系統(tǒng)中可以按照需要選擇任意兩臺及以上機(jī)組組成負(fù)荷分配組。

3.2 負(fù)載的分配與平衡

圖4 等喘振裕量分配運(yùn)行曲線[2]Fig.4 Equal surge margin distribution operating curve[2]

機(jī)組單臺獨(dú)立自動運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速控制可以采用入口壓力、出口壓力及傳輸流量3種方式，根據(jù)負(fù)荷變動情況自動調(diào)節(jié)壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速。當(dāng)壓縮機(jī)組的負(fù)荷分配控制器（LSC）投用時，機(jī)組開始和負(fù)荷分配組內(nèi)的其它機(jī)組共享負(fù)荷。一臺機(jī)組在讀取其它機(jī)組的轉(zhuǎn)速設(shè)定值時，也將本機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值傳輸給其他機(jī)組，負(fù)荷分配組內(nèi)最高的轉(zhuǎn)速設(shè)定值將被選擇作為該負(fù)荷分配組的轉(zhuǎn)速設(shè)定基準(zhǔn)值。僅投用負(fù)荷控制器（LSC），而不投用負(fù)載均衡器（LDE）時，負(fù)載均衡器給出的輸出為零，各機(jī)組的轉(zhuǎn)速設(shè)定值為負(fù)荷分配組的基準(zhǔn)速度設(shè)定值。在這種模式下負(fù)荷分配組內(nèi)轉(zhuǎn)速設(shè)定較低的機(jī)組將提速，提高輸出負(fù)荷，而轉(zhuǎn)速設(shè)定較高的機(jī)組由于其它機(jī)組分享了一部分負(fù)荷，轉(zhuǎn)速設(shè)定值逐步下降，最終所有機(jī)組在新的轉(zhuǎn)速設(shè)定值下實(shí)現(xiàn)動態(tài)平衡，負(fù)荷分配組內(nèi)的機(jī)組達(dá)到第一層次的負(fù)荷分配。

當(dāng)負(fù)載分配控制器（LSC）和負(fù)載均衡器（LDE）同時投用時，負(fù)荷分配組內(nèi)所有運(yùn)行機(jī)組的DEV平均值，將作為各機(jī)組負(fù)載均衡器（LDE）的設(shè)定值，如某機(jī)組實(shí)際DEV值低于設(shè)定值，負(fù)載均衡器將在比例積分算法的作用下輸出一個速度設(shè)定偏置值，使操作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振控制線。通過負(fù)載均衡器（LDE）的調(diào)節(jié)作用，負(fù)荷分配組內(nèi)各機(jī)組將在基本轉(zhuǎn)速設(shè)定值上下波動運(yùn)轉(zhuǎn)，各機(jī)組操作點(diǎn)至喘振控制線距離相等，負(fù)荷分配組內(nèi)的機(jī)組達(dá)到第二層次的負(fù)荷平衡，此時各機(jī)組“出力”相同喘振風(fēng)險最小，負(fù)荷擾動由多臺機(jī)組共同吸收[2]，避免不必要的回流，提高系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

長輸管道壓氣站上游供氣和下游用戶負(fù)荷復(fù)雜多變，各壓氣站內(nèi)不同機(jī)組廠家負(fù)荷分配方案各異，再加上機(jī)組運(yùn)行工況、保養(yǎng)水平和操作人員習(xí)慣等決定了在長輸管道內(nèi)很難通過一種負(fù)荷分配模式滿足各種運(yùn)行工況的需要，操作運(yùn)行人員只有根據(jù)不同的情況，綜合采用各種負(fù)荷分配方式才能保證長輸管道平穩(wěn)、安全運(yùn)行。在各種負(fù)荷分配方案中，等喘振裕量分配法具有喘振風(fēng)險小，運(yùn)行效率高、負(fù)荷擾動小及適應(yīng)各種不同機(jī)型等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)優(yōu)先采用的負(fù)荷分配方案。

圖5 等喘振裕量負(fù)荷分配邏輯算法Fig.5 Equal surge margin load allocation logic algorithm