中俄東線壓氣站防喘振控制與負(fù)荷分配的應(yīng)用

馬 焱 孫 皓 茍云睿 楊 亓

（1.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司錦州輸油氣分公司，遼寧 錦州 121000；2.中國石油遼河油田油氣集輸公司，遼寧 盤錦 124000；3.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司哈爾濱輸油氣分公司，黑龍江 哈爾濱 150000；4.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司沈陽輸油氣分公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

中俄天然氣管道是國家重要的能源戰(zhàn)略通道，壓氣站承擔(dān)著為中俄東線干線增壓的重要任務(wù)。隨著國內(nèi)越來越多的壓氣站正式投產(chǎn)，國產(chǎn)化設(shè)備和控制系統(tǒng)逐步完善，以往壓縮機(jī)組及輔助系統(tǒng)的控制在很大程度上依賴于站場運(yùn)行人員的現(xiàn)場操作和確認(rèn)的情況已大為轉(zhuǎn)變。該壓氣站采用浙江中控設(shè)計的壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，分批完成了壓縮機(jī)一鍵啟停、防喘振控制與負(fù)荷分配調(diào)試等工作，功能調(diào)試結(jié)束后，在極大提升壓氣站自動化程度的同時，確保了壓縮機(jī)組及附屬設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 喘振原因及危害

1.1 喘振原因

喘振是離心式壓縮機(jī)在流量減少到一定程度時所發(fā)生的一種非正常工況下的振動現(xiàn)象。這種氣流振蕩現(xiàn)象具有低頻率、高振幅的特點，發(fā)生的原因主要是離心式壓縮機(jī)在每轉(zhuǎn)速下都有最低進(jìn)口流量（喘振流量）要求，低于該流量時，壓縮機(jī)組后的管網(wǎng)壓力大于壓縮機(jī)出口壓力，增壓后的高壓氣體倒流至機(jī)組內(nèi)，出現(xiàn)反復(fù)排出與倒流的氣體脈動現(xiàn)象，壓縮機(jī)組處于非穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，隨著強(qiáng)烈振動，并發(fā)出“呼哧”的聲音。發(fā)生喘振現(xiàn)象的運(yùn)行工況點稱為“喘振點”。

1.2 喘振危害

喘振是一種很大的激振力來源，會引起壓縮機(jī)組部件的強(qiáng)烈振動和熱端超溫，并能在短時間內(nèi)造成部件的嚴(yán)重?fù)p壞。1） 發(fā)生喘振后，壓縮機(jī)組進(jìn)口、出口壓力、溫度等運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)大幅波動，對整體天然氣輸送工藝流程產(chǎn)生重大影響。2） 壓縮機(jī)組內(nèi)部元件會受到較大沖擊，極易造成軸瓦密封型環(huán)刮碰摩擦及燒蝕變形。3） 會對壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)動部件和軸承對機(jī)組轉(zhuǎn)動部件和軸承、密封裝置、隔板產(chǎn)生沖擊，造成轉(zhuǎn)子發(fā)生不平衡，靜止件發(fā)生刮碰磨損。4） 喘振會造成壓縮機(jī)組輔助設(shè)備設(shè)施（如干氣密封系統(tǒng)）運(yùn)行紊亂和損害，使機(jī)組發(fā)生聯(lián)鎖停機(jī)。5） 喘振發(fā)生后會造成密封件與轉(zhuǎn)子異常摩擦，級間間隙超差，壓縮機(jī)組壓比降低。如天然氣發(fā)生泄漏后，濃度達(dá)到報警值，會觸發(fā)壓縮機(jī)廠房可燃?xì)怏w報警聯(lián)鎖停機(jī)。

2 防喘振控制

鑒于壓縮機(jī)組發(fā)生喘振會為天然氣輸送工藝帶來很多危險后果，在壓氣站生產(chǎn)運(yùn)行工作中，防喘振控制功能顯得尤為重要，是壓縮機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。壓氣站控制系統(tǒng)由浙江中控提供，可以根據(jù)運(yùn)行工況點和防喘振控制線的距離進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，防喘振控制線包括4條，即壓縮機(jī)喘振線（SLL）、壓縮機(jī)喘振控制線（SCL）、壓縮機(jī)階躍響應(yīng)線（SRL）和壓縮機(jī)喘振保護(hù)線（SPL），見圖1。由于系統(tǒng)中包括PI控制、階躍控制、緊急控制、限值控制，因此可以實現(xiàn)中俄東線不同工況條件下的防喘振自動控制。

圖1 壓氣站壓縮機(jī)防喘振特性曲線

2.1 PI控制

SCL線的作用是在壓縮機(jī)運(yùn)行期間的任意時刻，通過調(diào)節(jié)防喘振閥的開度確保壓縮機(jī)工作點在SLL線右側(cè)安全區(qū)域，并遠(yuǎn)離SLL線。PI控制是根據(jù)設(shè)定值和實際值構(gòu)成控制偏差，將偏差的PI通過線性組合構(gòu)成控制量，進(jìn)而實現(xiàn)對被控對象進(jìn)行控制的。當(dāng)壓縮機(jī)工作點越過SCL線進(jìn)入SCL線左側(cè)區(qū)域時，PI響應(yīng)會控制防喘振閥門打開，此時，壓縮機(jī)出口部分的天然氣會經(jīng)防喘振閥回流至壓縮機(jī)進(jìn)口，進(jìn)口流量有所增加，工作點向右側(cè)移動，移入SCL右側(cè)安全區(qū)域。PI控制適用于擾動量較小的工況條件，確保平穩(wěn)實現(xiàn)防喘振控制。

2.2 階躍控制

除擾動量較小的工況條件外，工藝運(yùn)行中還可能存在擾動劇烈的情況，PI控制在可預(yù)見范圍內(nèi)進(jìn)行慢速調(diào)節(jié)，而劇烈擾動應(yīng)采用階躍控制。階躍控制指的是被控對象在單位階躍信號的激勵下產(chǎn)生零狀態(tài)響應(yīng)，在控制初期會產(chǎn)生一定波動，但后期隨著穩(wěn)定值的逐步逼近，被控對象變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)PI控制無法處理快速劇烈擾動時，系統(tǒng)利用階躍控制使防喘振閥門迅速做出反應(yīng)，打開閥門，并在較小的安全開度下將壓縮機(jī)工作點拉回至安全區(qū)域。階躍控制可以實現(xiàn)在快速劇烈擾動條件下保護(hù)壓縮機(jī)組，防止喘振發(fā)生。

2.3 緊急控制

壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中會發(fā)生一些極特殊情況，工作點會非常迅速地越過SLL線并繼續(xù)向左移動，控制系統(tǒng)已無法通過PI控制和階躍控制使工作點遠(yuǎn)離SLL線，因此設(shè)置了SPL線。當(dāng)工作點到達(dá)SPL線時，觸發(fā)緊急控制，系統(tǒng)將自行增加SCL線和SRL線裕度，使兩條控制線向右移動，防喘振閥門迅速全開。一般在一次處理周期內(nèi)可將壓縮機(jī)工作點帶回至安全區(qū)域。緊急控制可以在此類極特殊工況條件下確保壓縮機(jī)防喘振功能正常工作。

2.4 限值控制

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，壓縮機(jī)具備單機(jī)限值控制功能，即可設(shè)置每臺壓縮機(jī)進(jìn)口壓力低限值和出口高限值，當(dāng)進(jìn)口壓力低于低限值或者出口壓力高于高限值時，限值控制功能會將防喘振閥門打開，出口天然氣部分回流至壓縮機(jī)進(jìn)口。當(dāng)進(jìn)口、出口壓力在限值以內(nèi)時，防喘振閥門自動關(guān)閉，恢復(fù)正常控制。限值控制既可以實現(xiàn)防喘振控制，同時也可以確保壓縮機(jī)進(jìn)口、出口壓力穩(wěn)定在限值內(nèi)運(yùn)行。

3 單機(jī)性能控制與多機(jī)負(fù)荷分配控制

3.1 單機(jī)性能控制

單臺壓縮機(jī)的性能控制是利用進(jìn)口壓力和出口壓力對單機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)運(yùn)行期間，進(jìn)出口壓力實際測量值與輸入設(shè)定值共同進(jìn)入CCS性能控制器進(jìn)行計算，計算結(jié)果傳輸至變頻調(diào)速器，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，并直接影響壓縮機(jī)的實際進(jìn)出口壓力，見圖2。

圖2 性能控制示意圖

由此，壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力可以相對穩(wěn)定在符合工藝要求的工作點附近。CCS性能控制器計算環(huán)節(jié)采用了增量式PID計算，要點在于：1） 容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。2） 受壓縮機(jī)發(fā)生故障影響的范圍小。3） 手動-自動切換時切換干擾小。

為克服頻繁調(diào)節(jié)和擾動對系統(tǒng)控制穩(wěn)定性帶來的影響，需要在PID計算中加入死區(qū)控制，當(dāng)偏差小于死區(qū)范圍時，死區(qū)輸出值為0。偏差大于死區(qū)范圍時，按正常PID控制計算。

壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中包括防喘振控制到性能控制器的解耦和性能控制器到防喘振控制的解耦。當(dāng)壓縮機(jī)工作點越過SCL線時，被防喘振控制器偵測記錄，經(jīng)過PID計算后，防喘振閥打開，部分增壓后的天然氣回流至壓縮機(jī)進(jìn)口，從而影響壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力。而防喘振閥動作會影響CCS性能控制器，這種影響的結(jié)果是CCS性能控制器的調(diào)節(jié)作用明顯滯后，故為了確保防喘振控制器和性能控制器相互作用的準(zhǔn)確及時，增加了兩者之間的解耦。解耦增設(shè)后，控制由多變量耦合轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€獨(dú)立單變量，防喘振控制器和性能控制器克服了大部分干擾，使系統(tǒng)整體控制效果得到明顯提升。

3.2 多機(jī)負(fù)荷分配控制

多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行負(fù)荷分配控制由兩部分組成：負(fù)荷控制和平衡控制。負(fù)荷控制是以調(diào)節(jié)每臺壓縮機(jī)組負(fù)荷的方式確保壓氣站進(jìn)出站壓力和流量滿足設(shè)定要求。平衡控制是指對每臺壓縮機(jī)組能力進(jìn)行平衡分配。兩種控制的疊加使負(fù)荷分配控制可以將并聯(lián)的每臺壓縮機(jī)工作點自動控制在與SCL線近似等距的位置上，實現(xiàn)出口流量系數(shù)相同，喘振控制器的偏差相等。

負(fù)荷分配控制包括主性能控制器、防喘振控制器和性能控制器。該壓氣站主性能控制器設(shè)置于站控系統(tǒng)中，防喘振控制器和性能控制器均分別設(shè)置于1#、2#壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)中。站控系統(tǒng)和UCS壓縮機(jī)控制系統(tǒng)通過站內(nèi)通信連接。在解耦控制下，既可以實現(xiàn)在模擬量輸入后利用偏差計算控制防喘振閥開度，又能實現(xiàn)在平衡控制、負(fù)荷并網(wǎng)、負(fù)荷單機(jī)方式下的變頻調(diào)速，站控室主性能控制器可以給予模擬量輸入，下達(dá)到1#、2#壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中，達(dá)到防喘振控制和負(fù)荷分配控制的作用，見圖3。

圖3 壓氣站壓縮機(jī)組負(fù)荷分配控制圖

4 負(fù)荷分配的實際應(yīng)用

4.1 雙機(jī)負(fù)荷分配運(yùn)行

該站操作人員在HMI界面上將性能控制設(shè)為并網(wǎng)，模式選擇出站壓力，并輸入設(shè)定壓力。主性能控制器將負(fù)荷分配的計算結(jié)果傳輸至1#、2#的UCS壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中，機(jī)組的性能控制器對各自轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，防喘振控制器對防喘振閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)出站壓力未達(dá)到設(shè)定值且雙機(jī)轉(zhuǎn)速未達(dá)到最大值4800r/min時，壓縮機(jī)組繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，直到滿足出站壓力設(shè)定條件或達(dá)到壓縮機(jī)最大設(shè)定轉(zhuǎn)速為止。

4.2 單啟或增啟壓縮機(jī)

當(dāng)站場無壓縮機(jī)組運(yùn)行、啟動單臺機(jī)組時，將性能控制設(shè)為并網(wǎng)，模式選擇出站壓力，并輸入設(shè)定壓力。點擊一鍵啟機(jī)按鈕，壓縮機(jī)啟動，轉(zhuǎn)速到達(dá)3120r/min后，根據(jù)出站壓力設(shè)定要求自動繼續(xù)提速，直至出站壓力達(dá)到設(shè)定要求。

當(dāng)站場已有壓縮機(jī)組運(yùn)行、增啟備用機(jī)組時，完成“出站壓力設(shè)定”“出站壓力”“并網(wǎng)”三項設(shè)定后，點擊備用機(jī)組一鍵啟機(jī)按鈕，備用機(jī)組啟動到3120r/min后自動提速，并完成備用機(jī)與已運(yùn)行機(jī)組的負(fù)荷分配調(diào)速。

4.3 一鍵切機(jī)

確認(rèn)待切除運(yùn)行機(jī)組與準(zhǔn)備運(yùn)行機(jī)組，完成“出站壓力設(shè)定”“出站壓力”“并網(wǎng)”三項設(shè)定后，點擊一鍵切機(jī)按鈕，自動啟動準(zhǔn)備運(yùn)行機(jī)組，自動提速，自動停待切除運(yùn)行機(jī)組。待切除機(jī)組停機(jī)前，操作人員通過站控HMI綜合報警復(fù)位（綜合復(fù)位）可終止一鍵切機(jī)流程。

5 結(jié)語

在中俄東線天然氣管道大型壓氣站運(yùn)行工作中，利用防喘振控制可以有效確保關(guān)鍵設(shè)備——壓縮機(jī)組的安全穩(wěn)定。負(fù)荷分配控制在該壓氣站的使用不僅充分滿足了工藝運(yùn)行需求，同時也極大提高了壓縮機(jī)啟機(jī)、切機(jī)、并聯(lián)運(yùn)行等的工作效率，消除了大部分異常停機(jī)的風(fēng)險。防喘振控制與負(fù)荷分配在實際應(yīng)用中取得了較為理想的運(yùn)行效果，為中俄東線壓氣站場的安全高效、平穩(wěn)運(yùn)行打下了堅實基礎(chǔ)。