GE壓縮機(jī)組負(fù)荷分配系統(tǒng)進(jìn)站流量調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

魏國富，黃忠勝，馬彥寶，丁建輝

（國家管網(wǎng)集團(tuán) 西部管道有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，烏魯木齊 830000）

0 引言

近來年，國內(nèi)長輸天然氣管道集中調(diào)控技術(shù)不斷發(fā)展，在油氣調(diào)控中心對管道各站場的工藝過程和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對輸氣站關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。壓縮機(jī)組作為天然氣長輸管道中最復(fù)雜、最核心的大型設(shè)備，正在逐步完善遠(yuǎn)程一鍵啟停機(jī)及遠(yuǎn)程負(fù)荷分配控制功能，而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組遠(yuǎn)程運(yùn)行調(diào)整和負(fù)荷分配功能對整個(gè)天然氣管網(wǎng)的資源合理配置和運(yùn)行優(yōu)化顯得越來越重要[1]?；魻柟箟簹庹咀鳛槲鳉鈻|輸西二線和三線首站，壓縮機(jī)組的運(yùn)行以控制中亞來氣流量為主，由于首站8 臺機(jī)組的負(fù)荷分配控制系統(tǒng)只有進(jìn)出站壓力調(diào)節(jié)功能，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、平穩(wěn)的自動調(diào)節(jié)進(jìn)站流量的功能，造成首站機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)無法滿足國家管網(wǎng)油氣調(diào)控中心遠(yuǎn)控的需求。自主開展技術(shù)攻關(guān)，完成霍爾果斯首站負(fù)荷分配控制程序優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)首站壓縮機(jī)組遠(yuǎn)程進(jìn)站流量控制功能對國家管網(wǎng)壓縮機(jī)組遠(yuǎn)程集中控制具有重要意義。

1 首站壓縮機(jī)機(jī)組負(fù)荷分配控制現(xiàn)狀及優(yōu)化思路

長輸天然氣管道主要采用出口壓力作為負(fù)荷分配控制的工藝變量，同時(shí)負(fù)荷設(shè)定信號也通過入口壓力來限制，以防止壓縮機(jī)組入口壓力低于設(shè)定值[2]。霍爾果斯壓氣首站西二線和西三線分別有4 臺GE 燃驅(qū)機(jī)組，在二線和三線聯(lián)合運(yùn)行工況下，二線機(jī)組和三線任意機(jī)組之間可實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行，由三線MSC 負(fù)荷分配系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)組間負(fù)荷分配控制，目前負(fù)荷分配控制系統(tǒng)已具備壓縮機(jī)進(jìn)口壓力調(diào)節(jié)和出站壓力調(diào)節(jié)模式，可實(shí)現(xiàn)調(diào)控中心遠(yuǎn)程、站控遠(yuǎn)程和機(jī)組本地進(jìn)出站壓力調(diào)節(jié)值設(shè)定，但尚未實(shí)現(xiàn)進(jìn)站流量調(diào)節(jié)功能。壓縮機(jī)組負(fù)荷分配控制功能的投用后，調(diào)控中心通過SCADA 系統(tǒng)下發(fā)管網(wǎng)壓力設(shè)定值給首站壓縮機(jī)組MCS 系統(tǒng)。負(fù)荷分配控制器分別計(jì)算出管網(wǎng)進(jìn)站和出站壓力與其設(shè)定點(diǎn)的偏差，通過比列-積分響應(yīng)，解耦出流量負(fù)荷控制值。各臺機(jī)組根據(jù)壓縮機(jī)入口流量差壓信號、防喘閥閥位控制信號，耦合出當(dāng)前運(yùn)行的流量負(fù)荷值。將流量負(fù)荷值與實(shí)際運(yùn)行流量負(fù)荷做差法運(yùn)算，輸出升、降轉(zhuǎn)速指令。在調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，當(dāng)運(yùn)行工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振控制線時(shí)，降速指令執(zhí)行壓縮機(jī)組降速，升速指令執(zhí)行壓縮機(jī)組升速和防喘閥關(guān)閥命令；當(dāng)運(yùn)行工作點(diǎn)靠近喘振控制線時(shí)，升速指令執(zhí)行壓縮機(jī)組升速，減速指令執(zhí)行壓縮機(jī)組降速和防喘閥開閥命令。負(fù)荷分配過程中，交叉了壓縮機(jī)防喘振控制計(jì)算，通過對壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速、防喘閥的調(diào)整，多臺機(jī)組達(dá)到負(fù)荷量的平衡，最終實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)進(jìn)出站壓力達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值[3]。

實(shí)現(xiàn)首站進(jìn)站流量負(fù)荷分配控制功能，需要原負(fù)荷分配系統(tǒng)中新增流量調(diào)節(jié)PID 功能塊，流量PID 的PV 值需在西二、三線SCADA 系統(tǒng)程序中計(jì)算出總進(jìn)站流量，同時(shí)SCADA 系統(tǒng)能遠(yuǎn)程將進(jìn)站流量調(diào)節(jié)設(shè)定命令下發(fā)到MCS系統(tǒng)中。在MCS 系統(tǒng)中，新增的流量調(diào)節(jié)PID 和原壓力調(diào)節(jié)PID 之間需進(jìn)行人工選擇，且能實(shí)現(xiàn)流量和壓力調(diào)節(jié)模式切換過程中的無擾切換功能，實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)模式下出站超壓后的自動保護(hù)切換調(diào)節(jié)模式的功能。

2 SCADA系統(tǒng)優(yōu)化改造

2.1 站控系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)改造

站控系統(tǒng)作為連接站控、中控調(diào)度監(jiān)控的核心控制系統(tǒng)，具有接收壓縮機(jī)組遠(yuǎn)控負(fù)荷調(diào)節(jié)命令、進(jìn)站流量信號接入、與MCS 系統(tǒng)連接等重要功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)組進(jìn)站流量控制功能，需在霍爾果斯站站控系統(tǒng)程序進(jìn)行以下改造：

1）在西二線工藝PLC 中新增運(yùn)算程序，計(jì)算8 臺進(jìn)站超聲波流量計(jì)中在用路流量計(jì)的瞬時(shí)流量總和，并對總和值進(jìn)行濾波處理后，通過MSG 傳輸給西三線工藝PLC。對每一路流量計(jì)進(jìn)行在用判斷，如果流量計(jì)下游電動閥為全關(guān)到位狀態(tài)，則判斷該流量計(jì)瞬時(shí)量為0，如果流量計(jì)下游電動閥為非全關(guān)到位狀態(tài)，則判斷該流量計(jì)為在用狀態(tài)。對8 路流量計(jì)瞬時(shí)量進(jìn)行求和，對瞬時(shí)流量總量進(jìn)行濾波處理，以當(dāng)前瞬時(shí)量的70%和上一掃描周期（100ms前）瞬時(shí)量的30%的和作為濾波后的瞬時(shí)流量。新增MSG通信指令，通過MSG 將濾波后的二線瞬時(shí)量總和傳送給三線工藝PLC。

2）在西三線工藝PLC 中新增運(yùn)算程序，計(jì)算三線8臺進(jìn)站超聲波流量計(jì)中在用路流量計(jì)的瞬時(shí)流量總和，并對總和值進(jìn)行濾波處理，并與二線傳給三線的流量進(jìn)行求和計(jì)算后作為總進(jìn)站流量值，組態(tài)模擬輸出模塊通道配置，將總進(jìn)站流量硬線輸給機(jī)組MCS 系統(tǒng)，同時(shí)需將小時(shí)瞬時(shí)量轉(zhuǎn)化為天瞬時(shí)量，方便調(diào)度進(jìn)行操作和調(diào)節(jié)。

3）在西三線工藝PLC 中新增中控、站控下發(fā)的進(jìn)站流量調(diào)節(jié)設(shè)定命令、壓力調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)模式切換命令程序，實(shí)現(xiàn)站控和中控控制權(quán)限切換時(shí)命令的無擾切換和自動跟隨。同時(shí)，為防止中控或站控遠(yuǎn)程設(shè)定值變化幅度過大而造成轉(zhuǎn)速波動過大，程序中實(shí)現(xiàn)設(shè)定值的步長運(yùn)算邏輯，限制設(shè)定值輸出的變化幅度。

4）組態(tài)站控系統(tǒng)主備RCI，將負(fù)荷分配新增的總進(jìn)站流量、流量設(shè)定輸出實(shí)際值、站控流量調(diào)節(jié)設(shè)定值、中控流量調(diào)節(jié)設(shè)定值、站控流量壓力調(diào)節(jié)模式切換命令、中控流量壓力調(diào)節(jié)模式切換命令、MCS 出站超壓自動切換到出站壓力調(diào)節(jié)模式反饋報(bào)警等通信點(diǎn)進(jìn)行添加，并實(shí)現(xiàn)CIP、MODBUS、IEC 等通信地址的相互轉(zhuǎn)化。

5）在站控系統(tǒng)VIEWSTAR 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中添加負(fù)荷分配相關(guān)的模擬量點(diǎn)和開關(guān)量點(diǎn)，并在原HMI 站操作壓縮機(jī)進(jìn)出站壓力調(diào)節(jié)設(shè)定值界面新增畫面，新增畫面實(shí)現(xiàn)站控進(jìn)站流量設(shè)定功能、站控流量調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)模式切換功能、當(dāng)前調(diào)節(jié)模式顯示功能、當(dāng)前進(jìn)站總流量、站控設(shè)定進(jìn)站流量，以及實(shí)際輸出進(jìn)站流行設(shè)定值等功能，并與原壓力設(shè)定HMI 相關(guān)畫面進(jìn)行整合和優(yōu)化。

6）組態(tài)西三線工藝PLC 的I/O 模塊通道，完成與MCS系統(tǒng)之間通信的遠(yuǎn)程流量調(diào)節(jié)設(shè)定值和進(jìn)站總流量2 個(gè)AO信號回路接線，完成調(diào)節(jié)模式切換命令DO 信號回路接線，完成調(diào)節(jié)模式保護(hù)切換報(bào)警反饋DI 回路接線。

2.2 中控系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)改造

中控系統(tǒng)需在數(shù)據(jù)庫中添加負(fù)荷分配相關(guān)的模擬量點(diǎn)和開關(guān)量點(diǎn)，并在原HMI 操作員站的操作畫面上新增進(jìn)站流量負(fù)荷分配控制畫面，新增畫面實(shí)現(xiàn)站控進(jìn)站流量設(shè)定功能、站控流量調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)模式切換功能、當(dāng)前調(diào)節(jié)模式顯示功能、當(dāng)前進(jìn)站總流量、站控設(shè)定進(jìn)站流量以及實(shí)際輸出進(jìn)站流行設(shè)定值等功能，并與原壓力設(shè)定HMI 相關(guān)畫面進(jìn)行整合和優(yōu)化。

3 機(jī)組MCS系統(tǒng)優(yōu)化改造

機(jī)組MCS 系統(tǒng)需要對原負(fù)荷分配控制程序進(jìn)行改造優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)進(jìn)站流量調(diào)節(jié)功能，主要需要改造的內(nèi)容有以下幾方面：

1）在MCS 系統(tǒng)空閑的I/O 通信上完成與SCADA 系統(tǒng)之間通信的遠(yuǎn)程流量調(diào)節(jié)設(shè)定值和進(jìn)站總流量2 個(gè)AI 信號回路接線，完成調(diào)節(jié)模式切換命令DI 信號回路接線，完成調(diào)節(jié)模式保護(hù)切換報(bào)警反饋DO 回路接線。

2）修改MCS 系統(tǒng)程序。在ANALOG_SCALE 子程序中組態(tài)與SCADA 系統(tǒng)硬線通信點(diǎn)的信號輸入與輸出變量。修改LOADSHARING 子程序，增加機(jī)組就地狀態(tài)和遠(yuǎn)控狀態(tài)下遠(yuǎn)程流量調(diào)節(jié)設(shè)定值和機(jī)組HMI 就地流量調(diào)節(jié)設(shè)定值的切換邏輯，增加實(shí)際流量設(shè)定值、流量實(shí)時(shí)值量程轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。新增出站超壓保護(hù)自動切換至壓力調(diào)節(jié)模式程序，當(dāng)機(jī)組出站壓力大于設(shè)定壓力時(shí)，負(fù)荷分配控制模式自動切換到出站壓力調(diào)節(jié)模式。新增流量調(diào)節(jié)PID程序，連接流量PID 上的SP 和PV 值，組態(tài)流量PID 的內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，流量調(diào)節(jié)PID 程序如圖1 所示。修改原入口壓力調(diào)節(jié)PID、出站壓力調(diào)節(jié)PID 和流量調(diào)節(jié)PID 程序，在壓力調(diào)節(jié)模式下流量調(diào)節(jié)PID 置為手動輸出值跟隨壓力調(diào)節(jié)PID 計(jì)算值，在流量調(diào)節(jié)模式下壓力調(diào)節(jié)PID 置為手動輸出值跟隨流量調(diào)節(jié)PID 計(jì)算值，實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)模式無擾動切換功能。增加負(fù)荷分配最終輸出值選擇程序，即當(dāng)在流量調(diào)節(jié)模式時(shí)將流量PID 計(jì)算值輸出給各臺機(jī)組UCS 系統(tǒng)，當(dāng)在壓力調(diào)節(jié)模式時(shí)將入口壓力PID 和出站壓力PID 二者比較的小值輸出給各臺機(jī)組UCS 系統(tǒng)。

圖1 新增流量調(diào)節(jié)PID程序Fig.1 New PID program for flow adjustment

3）在MCS 系統(tǒng)以太網(wǎng)全局變量中，加入需和壓縮機(jī)組HMI 通信的數(shù)據(jù)點(diǎn)，為本地HMI 操作和監(jiān)視進(jìn)站流量調(diào)節(jié)負(fù)荷分配功能預(yù)留通信點(diǎn)。

4 單臺機(jī)組控制程序優(yōu)化

優(yōu)化首站各機(jī)組Mark VIe T40 控制程序，將PC_LoadCtrl 程序中負(fù)荷分配控制機(jī)組升、降轉(zhuǎn)速功能塊的死區(qū)設(shè)定參數(shù)K60LC_DB 進(jìn)行優(yōu)化，由原程序中1.5 修改為5.0，解決機(jī)組投入負(fù)荷控制后轉(zhuǎn)速波動較大的問題，Mark VIe T40 中死區(qū)參數(shù)優(yōu)化程序如圖2 所示。

圖2 MARK VIe T40程序死區(qū)參數(shù)優(yōu)化Fig.2 MARK VIe T40 Program dead zone parameter optimization

5 負(fù)荷分配功能測試

負(fù)荷分配控制系統(tǒng)程序優(yōu)化完成后，進(jìn)行機(jī)組負(fù)荷分配新增進(jìn)站流量調(diào)節(jié)功能測試，主要測試內(nèi)容及結(jié)果如下：

1）新增進(jìn)站流量調(diào)節(jié)負(fù)荷分配功能測試。在首站西二線2#機(jī)組、三線2#機(jī)組和三線3#機(jī)組投入進(jìn)站流量控制負(fù)荷分配后，進(jìn)站流量控制平穩(wěn)，機(jī)組轉(zhuǎn)速控制平穩(wěn)。調(diào)整進(jìn)站流量設(shè)定值后，提升或降低1000 萬立方進(jìn)站流量值，負(fù)荷分配控制程序能在7min 內(nèi)可調(diào)節(jié)到量。且由于Mark VIe T40 控制程序死區(qū)參數(shù)的優(yōu)化，機(jī)組投入負(fù)荷分配后，燃機(jī)及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動大幅減小。測試過程中二線和三線進(jìn)站總瞬時(shí)流量趨勢如圖3 所示，2#和3#壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速趨勢如圖4 所示。

圖3 測試過程中進(jìn)站總流量趨勢Fig.3 Trend of total inbound traffic during the test

圖4 測試過程中壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速趨勢Fig.4 The trend of compressor unit speed during the test

2）測試切機(jī)過程中負(fù)荷分配調(diào)節(jié)功能。在啟西二線4#機(jī)，停西三線2#機(jī)，切機(jī)過程西二線2#機(jī)組和西三線3#機(jī)組投用負(fù)荷分配，切換完成后西二線4#機(jī)組投入負(fù)荷分配，切換過程中流量有小幅波動，完成切機(jī)后能立即調(diào)整到設(shè)定值。

3）測試壓力調(diào)節(jié)模式和流量調(diào)節(jié)模式手動切換功能。在SCADA 系統(tǒng)下發(fā)調(diào)節(jié)模式切換命令，MCS 系統(tǒng)能正常在壓力調(diào)節(jié)模式和流量調(diào)節(jié)模式之間切換，且在切換過程中，PID 輸出值能平滑過渡，壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速無擾動。

4）出站超壓保護(hù)切換功能測試。在流量調(diào)節(jié)模式下，如果出站壓力設(shè)定值小于實(shí)際出站壓力，則MCS 程序自動切換到壓力調(diào)節(jié)模式，將出站壓力控制在設(shè)定值。當(dāng)出站壓力小于設(shè)定出站壓力后，可手動切回進(jìn)站流量調(diào)節(jié)模式。

6 結(jié)束語

霍爾果斯首站壓縮機(jī)組進(jìn)站流量調(diào)節(jié)負(fù)荷分配程序優(yōu)化通過對中控系統(tǒng)、站控系統(tǒng)、MCS 系統(tǒng)和機(jī)組UCS 系統(tǒng)的改造和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了國家管網(wǎng)油氣調(diào)控中心遠(yuǎn)程精確控制西二線、三線霍爾果斯首站日進(jìn)站流量功能，解決了原負(fù)荷分配調(diào)節(jié)時(shí)壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速波動大的問題?；魻柟故渍矩?fù)荷分配進(jìn)站流量調(diào)節(jié)功能的投入運(yùn)行，改進(jìn)了調(diào)控中心對霍爾果斯首站壓縮機(jī)負(fù)荷和運(yùn)行狀態(tài)控制模式，有利于實(shí)現(xiàn)西二線和西三線中亞管道來氣輸量的精準(zhǔn)自動調(diào)節(jié)，對整個(gè)管網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行具有積極作用。