房之棟，張建偉，劉建華

（1.北京太陽(yáng)宮燃?xì)鉄犭娪邢薰荆本?100028；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力調(diào)度控制中心，山西 太原 030001；3.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

天然氣發(fā)電作為一種新型、清潔、高效的發(fā)電方式在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快，燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)正是最適合于燃用天然氣的動(dòng)力裝置。燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)燃?xì)鈮毫皦毫Φ姆€(wěn)定性有嚴(yán)格的要求，但受燃?xì)夤芫€的限制，從供方直接來(lái)的燃?xì)鈮毫σ话氵_(dá)不到燃?xì)廨啓C(jī)的要求。增壓站作為重要處理系統(tǒng)，主要用于改善天然氣品質(zhì)，向燃?xì)廨啓C(jī)提供所需壓力、流量的燃料氣體，確保燃?xì)廨啓C(jī)的正?？煽窟\(yùn)行。因此增壓站壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱增壓機(jī)）成為了燃?xì)怆姀S的重要設(shè)備，由于其運(yùn)行轉(zhuǎn)速極高，對(duì)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求也非常高，一旦出現(xiàn)喘振，燃?xì)廨啓C(jī)入口壓力將大幅波動(dòng)，輕則引發(fā)機(jī)組非停，嚴(yán)重狀態(tài)有可能導(dǎo)致機(jī)毀人亡。因此，為了保證燃?xì)鈾C(jī)組的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，增壓機(jī)均配有各種防喘振系統(tǒng)來(lái)保護(hù)設(shè)備的安全。

1 故障現(xiàn)象

北京太陽(yáng)宮燃?xì)鉄犭娪邢薰荆ㄒ韵潞?jiǎn)稱京陽(yáng)公司）安裝1套780 MW級(jí)二拖一燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，整套機(jī)組配置了1套天然氣增壓站，包含2臺(tái)美國(guó)Atlas公司生產(chǎn)的電驅(qū)動(dòng)離心式增壓機(jī)，用于向變化負(fù)荷條件下的2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)（GT） 提供壓力大約為3.2 MPa的燃?xì)狻Ｃ颗_(tái)壓縮機(jī)均設(shè)計(jì)為滿足110%的GT負(fù)荷。2012年11月，2臺(tái)增壓機(jī)先后出現(xiàn)再循環(huán)閥異動(dòng)工況，在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下均很快趨于平穩(wěn)。

1.1 2號(hào)增壓機(jī)故障過(guò)程

2012年11月4 日9時(shí)14分，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)2號(hào)增壓機(jī)再循環(huán)調(diào)閥由21.4%瞬間開(kāi)至35.1%，保持3 s后回關(guān)，最后穩(wěn)定在21%的開(kāi)度。在此期間，燃機(jī)進(jìn)氣閥（以下簡(jiǎn)稱SRV閥）前系統(tǒng)壓力P1由 3.21 MPa降低至 3.09 MPa，最后穩(wěn)定在3.20 MPa，P1的變化導(dǎo)致SRV閥正常調(diào)節(jié)動(dòng)作。整個(gè)過(guò)程的曲線見(jiàn)圖1。

1.2 1號(hào)增壓機(jī)故障過(guò)程

2012年11月5 日3時(shí)59分至4時(shí)42分，1號(hào)增壓機(jī)再循環(huán)閥經(jīng)歷了一次由19%回關(guān)至0又穩(wěn)定到19%的過(guò)程。其中由19%關(guān)至0用時(shí)11 min左右；由0開(kāi)到19%用時(shí)10 min左右。由于P1壓力基本保持穩(wěn)定，未引起SRV閥門動(dòng)作。

2 初步分析

增壓機(jī)再循環(huán)閥主要在運(yùn)行中控制燃?xì)廨啓C(jī)入口燃?xì)鈮毫?，并能在增壓機(jī)即將或已經(jīng)發(fā)生喘振時(shí)迅速打開(kāi)，增加其入口流量，防止或消除喘振現(xiàn)象，起到保護(hù)設(shè)備的目的。從上述兩次再循環(huán)閥異動(dòng)現(xiàn)象來(lái)看，其動(dòng)作時(shí)間均在一個(gè)掃描周期（0.25s）以上，因此可以排除汽機(jī)流量需求信號(hào)消失、喘振系數(shù)小于-1 800、有載切無(wú)載、增壓機(jī)跳閘等原因，同時(shí)經(jīng)檢查也不存在可以引起這些結(jié)果的問(wèn)題。因此初步分析再循環(huán)閥異動(dòng)的原因是增壓機(jī)防喘振控制系統(tǒng)動(dòng)作所致。

3 防喘振控制系統(tǒng)動(dòng)作機(jī)理分析

3.1 增壓機(jī)喘振的原因

增壓機(jī)發(fā)生喘振的原因除了由于運(yùn)行工況劇烈變化、誤操作外，有很多是由于設(shè)備問(wèn)題及防喘振保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置不盡合理而造成的。當(dāng)增壓機(jī)流量減少到一定量時(shí)會(huì)在流道中出現(xiàn)嚴(yán)重的氣流旋渦，流動(dòng)狀況嚴(yán)重惡化，增壓機(jī)出口壓力突然下降，而管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力并不馬上降低，于是管網(wǎng)中氣體倒流至增壓機(jī)，一直到管網(wǎng)中壓力低于增壓機(jī)出口壓力，倒流停止，增壓機(jī)又向管網(wǎng)供氣，周而復(fù)始，機(jī)組管網(wǎng)系統(tǒng)的吸入流量和出口壓力產(chǎn)生周期性振蕩，從而產(chǎn)生喘振。

3.2 增壓機(jī)防喘振控制原理

增壓機(jī)喘振是一個(gè)比較復(fù)雜的流動(dòng)過(guò)程，其發(fā)生具有快速性和突然性，因此防喘振控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)迅速、有效，才能保證燃?xì)鈾C(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。其基本原理是：增壓機(jī)在任何工況下運(yùn)行時(shí)，均應(yīng)確保入口流量大于喘振時(shí)的流量，當(dāng)增壓機(jī)即將發(fā)生喘振時(shí)，迅速打開(kāi)防喘振閥（即再循環(huán)閥），增加增壓機(jī)入口流量，達(dá)到消除喘振的目的[1]。

3.3 增壓機(jī)防喘振再循環(huán)閥調(diào)節(jié)動(dòng)作機(jī)理分析

3.3.1 調(diào)節(jié)回路的選擇

增壓機(jī)防喘振控制系統(tǒng)中的壓力控制器與喘振控制器共同作用來(lái)確定再循環(huán)閥的開(kāi)度[2]。

喘振區(qū)域1（surrge error<0），有且僅有喘振控制器發(fā)生作用。

喘振區(qū)域2（surrge error 0～500），喘振控制器及壓力控制器均不調(diào)節(jié)，閥門維持當(dāng)前開(kāi)度。

喘振區(qū)域3（surrge error>500，且再循環(huán)閥未全關(guān)），喘振控制器發(fā)生作用，當(dāng)控制壓力與設(shè)定壓力偏差超出控制死區(qū)時(shí)，壓力控制器作用，且控制壓力大于設(shè)定壓力時(shí)，開(kāi)再循環(huán)閥，控制壓力小于設(shè)定壓力時(shí)關(guān)再循環(huán)閥。

3.3.2 再循環(huán)閥的控制

增壓機(jī)再循環(huán)閥在運(yùn)行工況下用來(lái)調(diào)節(jié)燃機(jī)SRV閥前系統(tǒng)壓力（P1）及增壓機(jī)喘振參數(shù)，京陽(yáng)公司目前設(shè)定系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)目標(biāo)值為3.2 MPa，調(diào)節(jié)死區(qū)0.01 MPa；喘振調(diào)節(jié)目標(biāo)范圍為0～500，即喘振區(qū)域2。閥門開(kāi)度計(jì)算公式為

式中Y為閥門開(kāi)度，X為計(jì)算的參數(shù)，分母為參數(shù)最大量程，其中壓力、流量對(duì)應(yīng)差壓、增壓機(jī)出入口差壓度量單位均為10PSI。

3.3.3 調(diào)節(jié)量的計(jì)算

3.3.3.1 壓力控制器計(jì)算

壓力控制器使用壓力偏差計(jì)算壓力回路積分系數(shù)，并通過(guò)式（1）轉(zhuǎn)化為積分作用下的閥門預(yù)期變化開(kāi)度系數(shù)；使用壓力變化率（上一掃描周期控制壓力-當(dāng)前控制壓力）來(lái)計(jì)算比例系數(shù)，并通過(guò)式（1） 轉(zhuǎn)化為比例作用下的閥門預(yù)期變化開(kāi)度系數(shù)。

3.3.3.2 喘振控制器計(jì)算

喘振控制器使用喘振系數(shù)絕對(duì)值計(jì)算喘振回路積分系數(shù)，并通過(guò)式（1） 轉(zhuǎn)化為積分作用下的閥門預(yù)期變化開(kāi)度系數(shù)；使用喘振變化率（當(dāng)前喘振系數(shù)絕對(duì)值-上一掃描周期喘振系數(shù)絕對(duì)值）來(lái)計(jì)算比例系數(shù)，并通過(guò)式（1）轉(zhuǎn)化為比例作用下的閥門預(yù)期變化開(kāi)度系數(shù)。

3.3.4 再循環(huán)閥控制的特點(diǎn)

必須指出的是，即使在調(diào)節(jié)死區(qū)內(nèi)，上述調(diào)節(jié)量的計(jì)算過(guò)程也一直存在，僅僅在閥門指令的最終出口，利用死區(qū)的條件將上述計(jì)算結(jié)果全部清零。因此一旦調(diào)節(jié)發(fā)生，再循環(huán)閥的動(dòng)作在壓力控制及喘振控制的疊加作用下往往呈現(xiàn)出階躍調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，并非通常認(rèn)為的平緩曲線，這也符合其迅速穩(wěn)定壓力及喘振參數(shù)的要求（喘振發(fā)生時(shí)，變化往往非常劇烈）。這從以往再循環(huán)閥的指令曲線上可以得到印證，2011年11月1號(hào)增壓機(jī)再循環(huán)閥7日內(nèi)指令曲線如圖1所示。

4 再循環(huán)閥異動(dòng)分析處理

4.1 2號(hào)增壓機(jī)再循環(huán)閥動(dòng)作分析

圖1 2011年11月1號(hào)增壓機(jī)再循環(huán)閥7日內(nèi)指令曲線

2號(hào)增壓機(jī)再循環(huán)閥動(dòng)作前系統(tǒng)壓力為3.198 6 MPa，壓力控制器未動(dòng)作，由于相鄰兩個(gè)掃描周期喘振參數(shù)均為619，喘振回路動(dòng)作，但僅有積分作用，且閥門預(yù)期動(dòng)作的方向?yàn)樨?fù)，因此指令突然大幅度階躍的原因，必然是出現(xiàn)了異常的擾動(dòng)。異常期間增壓機(jī)出口壓力一直在上漲，且排氣壓力與系統(tǒng)壓力的切換是在一個(gè)掃描周期（0.25 s）內(nèi)完成，曲線不可能記錄?？梢耘袛嘣谠撍查g出口壓力瞬時(shí)升高（比系統(tǒng)壓力高0.3 MPa），增壓機(jī)趨于失速及喘振狀態(tài)，在不到4 s的時(shí)間內(nèi)使再循環(huán)閥迅速開(kāi)大變化量為13%左右，壓力瞬間回落，但延時(shí)10 s后，控制壓力才重新切換為系統(tǒng)壓力，在回落期間，閥門繼續(xù)開(kāi)大，但曲線上無(wú)法記錄壓力變化。閥門開(kāi)大后系統(tǒng)壓力迅速下降，從而使壓力控制器控制壓力重新切換為排氣壓力，同時(shí)由于出口流量的增大，使喘振參數(shù)迅速增大，喘振控制器動(dòng)作，使閥門動(dòng)作方向趨向于關(guān)小。這期間由于排氣壓力已穩(wěn)定，比例作用消失，壓力控制器僅有積分作用，在喘振控制器與壓力控制器的平衡作用下，再循環(huán)閥保持了3 s開(kāi)度穩(wěn)定，之后由于喘振參數(shù)最大到3 233，導(dǎo)致喘振控制器作用大于壓力控制器，再循環(huán)閥迅速回關(guān)，并趨于穩(wěn)定。

4.2 1號(hào)增壓機(jī)再循環(huán)閥動(dòng)作分析

1號(hào)增壓機(jī)則呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，其喘振參數(shù)常常趨于喘振1區(qū)，變化率為正時(shí)，閥門趨關(guān)；變化率為負(fù)時(shí)，閥門趨于開(kāi)，由于喘振參數(shù)在1區(qū)、2區(qū)變化頻繁，造成了閥門震蕩，但整個(gè)過(guò)程歷時(shí)一個(gè)多小時(shí)，控制還是比較正常的。

4.3 處理結(jié)果

為抑止即將或已經(jīng)發(fā)生的喘振故障，再循環(huán)閥按防喘振控制邏輯正常動(dòng)作，使增壓機(jī)運(yùn)行很快趨于平穩(wěn)，保護(hù)了增壓機(jī)的設(shè)備安全。避免類似喘振的最有效措施是降低增壓機(jī)出口管阻，使增壓機(jī)出口壓力與系統(tǒng)壓力的偏差有效控制在0.3 MPa以內(nèi)，2013年京陽(yáng)公司對(duì)增壓機(jī)出口后管道濾網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，運(yùn)行至今再未出現(xiàn)過(guò)類似異常[1-2]。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著燃?xì)怆娬镜膹V泛建設(shè)使用，增壓系統(tǒng)的安全運(yùn)行越來(lái)越重要，因此深入了解增壓機(jī)防喘振系統(tǒng)的控制過(guò)程和控制邏輯對(duì)于燃?xì)鈾C(jī)組的安全運(yùn)行有著重要的意義。本文經(jīng)過(guò)對(duì)兩次增壓機(jī)再循環(huán)閥異動(dòng)工況進(jìn)行分析，闡述了燃?xì)廨啓C(jī)增壓機(jī)防喘振控制原理，通過(guò)對(duì)再循環(huán)閥調(diào)節(jié)動(dòng)作機(jī)理進(jìn)行了介紹，找到了導(dǎo)致其異常動(dòng)作的原因，并經(jīng)過(guò)對(duì)管道濾網(wǎng)的優(yōu)化升級(jí)從根本上處理了該問(wèn)題，保證了設(shè)備的安全運(yùn)行，對(duì)燃?xì)怆娬驹鰤合到y(tǒng)類似故障的分析處理有一定的借鑒意義。

［1］ 王大江，姜自忠.燃?xì)廨啓C(jī)增壓站防喘振系統(tǒng)控制分析［J］.黑龍江電力，2005，27（4）：271-274.

［2］ 皮狀行.可編程序控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.