孫文博，成 聞，劉艷鵬，樊寶華，王雪華

中油國際管道有限公司，北京100007

中亞天然氣管道是我國能源戰(zhàn)略的一個重要組成部分，主要是將購自土庫曼斯坦的天然氣輸入國內，該管道途經烏茲別克斯坦、哈薩克斯坦進入中國境內。管道全長約1 800 km，其中在哈薩克斯坦境內管道約1 300 km。該項目不但要保證在工期較短的情況下如期投產，還要保證投產后可靠、平穩(wěn)地運行，因此對壓縮機站供電方案的確定、建設及投產后的安全性及可靠性都提出了很高的要求。

中亞天然氣管道在哈薩克斯坦境內的大部分管道處于沙漠或無人區(qū)，管道沿線所經區(qū)域只有部分地區(qū)有國家電網覆蓋。盡管哈薩克斯坦部分地區(qū)電網也相對比較發(fā)達，但供電缺口仍然比較大，供電網絡設施相對老舊；同時經過調研后發(fā)現(xiàn)，目前哈境內管道沿線已有的電力供應存在供電不穩(wěn)定、供電質量差的情況，不僅不能滿足壓縮機電驅的用電需求，也不能很好地滿足站場生產用電的要求，如果采用當地電網供電必然要投入大量的資金去改造當地電網。

根據以上情況，確定了天然氣壓縮機站壓縮機采用燃氣輪機驅動，壓縮機站供電采用天然氣發(fā)電機的供電方案。

1 負荷分析

中哈天然氣管道天然氣壓縮機站主要是中間增壓站，站內一般配置3～4臺30 MW天然氣壓縮機和其他生產、生活設施，如1號壓縮機站共有GE的30 MW天然氣壓縮機（3臺）及空冷器、空氣壓縮機、發(fā)電機等生產負荷，根據壓縮機站負荷性質及相關規(guī)范要求，確定主要用電負荷為二級；壓縮機站控制系統(tǒng)、通訊、消防等用電負荷為一級。

2 發(fā)電機配置方案分析與應用

針對天然氣管道項目實際情況和壓縮機站負荷特點，輸送的是天然氣介質，能夠保證天然氣燃料的連續(xù)供應，因此確定壓縮機站采用自發(fā)電天然氣發(fā)電站給壓縮機站提供電力。天然氣發(fā)電站的方案設計在發(fā)電機設置和容量的選取主要考慮以下幾個方面：

（1）在滿足相關規(guī)范要求的同時，也應考慮運行維護的需求。本項目同時考慮哈國標準和國際標準要求，根據哈國GOST51-1《干線天然氣管道工藝設計規(guī)范》規(guī)定，自備電站機組的功率和數量應根據壓縮機站供電可靠性、緊急停車和計劃修理時機組互為備用的要求來確定。自備電站的機組應當實現(xiàn)自動化，并能在不超過1 min的時間內從“熱備用”狀態(tài)下起動。

（2）天然氣發(fā)電機組單機容量不宜過小，對于天然氣發(fā)電機普遍存在耐沖擊性和過負載能力弱的特點，充分考慮站內壓縮機在大負荷啟停時對天然氣發(fā)電機產生的沖擊，避免發(fā)電機為滿足大負荷的啟停而造成機組的頻繁啟停。以1號壓縮機站為例，壓縮機站內有135 kW的空氣壓縮機2臺（一用一備）、燃料氣橇內144 kW電加熱器2臺（一用一備）、壓縮機的132 kW啟動電機等比較大的用電設備，以及成組啟動的空冷器、風機等，75 kW以上電機均配有軟啟動器，如果發(fā)電機容量過小，都會因為這些大負荷的加減載造成小容量發(fā)電機的劇烈沖擊。

（3）發(fā)電機組數量不宜過多，以避免增加運行維護的工作量和成本。

（4）機組數量也不宜過少，過少會降低機組運行的靈活性和可靠性，同時還要考慮天然氣發(fā)電機正常運行要求是應保證負荷率不低于50%。

綜合以上各方面考慮，在首先保證壓縮機站安全運行的條件下，同時考慮節(jié)能的要求，根據壓縮機站負荷計算，以及我國西氣東輸壓縮機站的同類壓縮機負荷運行情況確定發(fā)電機容量。如CS1壓縮機站，計算用電負荷為1 769 kW，應急負荷297 kW，依據計算負荷和按15%預留容量，同時根據發(fā)電機廠家發(fā)電機的標準容量綜合考慮，確定電站內天然氣發(fā)電機選用3臺975 kW天然氣發(fā)電機和1臺320 kW應急柴油發(fā)電機卡特彼勒發(fā)電機組。發(fā)電站同時考慮預留一臺天然氣發(fā)電機備用位置，方便以后根據發(fā)電站運行情況確定增加天然氣發(fā)電機。

天然氣發(fā)電站的3臺天然氣發(fā)電機，運行方式為兩用一備，2臺天然氣發(fā)電機正常運行時，保證壓縮機站內正常生產用電和附近倒班村和維搶修中心用電，正常運行時負荷率不低于50%。當一臺天然氣發(fā)電機故障或檢修時，備用發(fā)電機組自動投入，保證供電的可靠性和連續(xù)性。

應急柴油發(fā)電機作為壓縮機站應急電源和黑啟動電源。在壓縮機站事故情況下保證重要的生產、消防用電；同時，應急柴油發(fā)電機也作為壓縮機站附近倒班村和維搶修中心的后備電源，在壓縮機站內事故處理完成后而天然氣發(fā)電機不能投入情況下，保證站場內應急用電和倒班村生活用電。

站內自控、通訊、應急照明等重要負荷用電配置不間斷電源（UPS）保證供電可靠性；消防泵采用1臺電驅動消防泵和1臺柴油機直接驅動的消防泵作為備用。

3 發(fā)電站電氣主接線方案

根據壓縮機站負荷性質和發(fā)電機配置情況，發(fā)電站低壓配電系統(tǒng)采用單母線分段形式，配電系統(tǒng)的接地形式為TN-S。低壓母線分A、B、C三段，電氣主接線見圖1。

圖1 發(fā)電站電氣主接線單線圖

發(fā)電站主要運行方式如下：

（1） 正常情況下天然氣發(fā)電機2臺運行、1臺備用，母聯(lián)開關52AB和52BC閉合，1臺天然氣發(fā)電機運行故障時備用天然氣發(fā)電機自動投入。

（2） 壓縮機站事故或天然氣發(fā)電機全部故障停機時，母聯(lián)開關52BC自動斷開后，應急柴油發(fā)電機D1自動啟動后給C母線上重要負荷供電，此時如果站場事故處理完成或者天然氣發(fā)電機能夠恢復啟動，則自動啟動天然氣發(fā)電機并自動恢復AB母線負荷，控制系統(tǒng)自動同步AB母線與C母線，達到同步并車條件后自動閉合52BC，系統(tǒng)恢復到由天然氣發(fā)電機供電模式。

（3） 在手動模式下，也可以通過人工控制實現(xiàn)柴油發(fā)電機帶動A、B、C段母線部分負荷，方便了在特殊情況下的站內用電設備的調試工作。

設計中52BC沒有考慮常規(guī)的ATS轉換開關，主要有以下五個原因。

（1） ATS轉換開關不能實現(xiàn)柴油發(fā)電機與天然氣發(fā)電機并機功能，僅是簡單的開關轉換，在開關切換過程中均有短暫斷電過程，負荷瞬間增減會對發(fā)電機和用電設備造成沖擊，不利于系統(tǒng)和電氣設備的安全。

（2） 在電站故障，即由天然氣發(fā)電機切換到柴油發(fā)電機和恢復供電由柴油發(fā)電機切換到天然氣發(fā)電機過程中，采用ATS轉換開關會出現(xiàn)2次斷電過程。

（3） 在需要天然氣發(fā)電機停機或者事故停機時，可以先啟動柴油發(fā)機同步后并入母線進入工作狀態(tài)后，再斷開52BC母聯(lián)開關，并按序停天然氣發(fā)電機，保證了電氣系統(tǒng)平穩(wěn)過渡；同理，電站恢復正常供電過程中，即由柴油發(fā)電機供電恢復到天然氣發(fā)電機供電，可以在柴油發(fā)電機母線C與天然氣發(fā)電機母線AB同步后合母聯(lián)開關52BC，完成負荷轉移后柴油發(fā)電機停車。

（4）一般建議使用ATS開關的場所是有外部供電，同時還有自發(fā)電設備，外部電網不允許用戶的自發(fā)電設備并入電網的情況，不適用于本項目。

（5） 發(fā)電站電氣主接線的這種配置，增加了系統(tǒng)運行的靈活性、可靠性和安全性，方便了壓縮機站電氣的運行、檢修和事故處理。

4 電站控制系統(tǒng)（ECS）的應用

中哈天然氣管道項目在壓縮機站電站控制系統(tǒng)的設計上，充分考慮了發(fā)電機組、天然氣壓縮機站的負荷特點以及運行需求，既要管理好發(fā)電機的運行、維護保養(yǎng)，又要根據壓縮機站不同時間段、不同負荷大小和運行實際情況隨時調整發(fā)電機的運行方式，以保證供電的連續(xù)性和可靠性。因此只有提高控制系統(tǒng)的水平，才能盡量避免或減少人為操作失誤造成的停電事故。

在工程設計、軟件開發(fā)過程中全面考慮、優(yōu)化配套設計的電站控制系統(tǒng)，應用的發(fā)電站控制系統(tǒng)既充分考慮了發(fā)電機的特點，又合理地設計了運行管理程序，極好地滿足了運行的需求。

下面以CS1壓縮機站電站控制系統(tǒng)為例說明電站控制系統(tǒng)的配置。

4.1 系統(tǒng)特點

（1）系統(tǒng)的人機操作界面采用以人為本的設計理念，操作界面設計充分考慮人性化特點。界面采用英、俄兩種語言隨時可以切換。

（2）引擎-發(fā)電機保護系統(tǒng)不但保證了機組長期穩(wěn)定可靠的工作，而且在發(fā)生故障時可以保證系統(tǒng)的安全。

（3）燃氣發(fā)電機、柴油發(fā)電機均能完成準同期并網、解列等功能。

（4）具備靈敏、可靠的緊急卸載功能，在機組發(fā)生故障時切除次要負載，避免電站崩潰，不至于影響到備用發(fā)電機組的安全啟動時間，避免造成壓縮機站的停機、停站事故。

（5）具備負荷分配功能、同步加減不同發(fā)電機負荷的功能，當一臺燃氣發(fā)電機需要停機檢修而啟動另一臺燃氣發(fā)電機時，系統(tǒng)能自動或人工完成同步加減載操作。

（6）各個發(fā)電機控制柜內可編程邏輯控制器（PLC）、電源、以太網通迅卡等，均采用冗余配置，不但提供豐富、完善的監(jiān)視、控制、保護功能，還保證了系統(tǒng)的可靠性，在任何一個硬件有故障的情況下均能保證控制系統(tǒng)的正常工作，并能夠不停機更換故障硬件。

（7）組成系統(tǒng)的各控制柜均可獨立工作，任何一臺機組或控制柜發(fā)生故障時都不會影響到整個系統(tǒng)的操作。

（8）在自動控制系統(tǒng)之外，具備獨立而完善的全手動控制系統(tǒng)。當自動系統(tǒng)發(fā)生故障時，也可以保證機組能夠正常工作。

（9） 提供RJ45或RS485數據/控制接口，通過使用TCP/IP或Modbus協(xié)議與壓縮機站站控系統(tǒng)對接，并能夠實現(xiàn)與項目SCADA系統(tǒng)遠程監(jiān)控網絡對接，實現(xiàn)遠程數據的采集和監(jiān)控。

（10）壓縮機站中控室的兩臺工業(yè)型計算機控制終端（冗余配置），除提供與現(xiàn)場控制柜同樣的監(jiān)視和控制功能外，還具有故障錄波、歷史記錄、報表生成、電能計量、平均負荷以及負荷曲線等功能。

（11）控制器、保護器模塊均采用世界知名品牌ABB產品，可靠性高且維護方便。

4.2 系統(tǒng)組成

發(fā)電站自動控制系統(tǒng)以CS1壓縮機站為例，電站內控制室控制系統(tǒng)由1個主控制柜、4個發(fā)電機分控制柜（3臺天然氣發(fā)電機和1臺應急柴油發(fā)電機）和1個24 V直流電源屏。

壓縮機站控制室設置電站控制系統(tǒng)ECS控制柜1臺，并在控制室設置2臺工業(yè)型計算機作為遠程控制終端，通過OPC服務器實現(xiàn)與壓縮機站站控系統(tǒng)（SCS）、發(fā)電站內主控柜、發(fā)電站低壓配電柜的通訊，作為整個項目SCADA系統(tǒng)的一部分，實現(xiàn)發(fā)電站的遠程監(jiān)視與控制功能。

4.3 發(fā)電機配套并機控制系統(tǒng)的工作模式

（1）手動模式下，發(fā)電機組的啟動/停車、斷路器的合閘/分閘、同步并車等均由操作者手動控制。

（2）自動/投入模式下，發(fā)電機組的啟動/停車、斷路器的合閘/分閘、同步并車等均自動進行。發(fā)電機組自動啟動，待頻率、電壓符合要求后，自動向不帶電母排合閘或帶電母排同步并聯(lián)。

（3）自動/后備模式下，發(fā)電機組處于待命狀態(tài)，在收到主控柜發(fā)出的負載需求啟動信號或故障啟動信號后，發(fā)電機組自動啟動，待頻率、電壓符合要求后，自動向空母排合閘或與其他在線發(fā)電機同步并聯(lián)。在收到主控柜發(fā)出的卸載/退出信號后，自動卸載、分閘，經冷卻運行后自動停車，回到待命狀態(tài)。

4.4 系統(tǒng)功能

4.4.1 主控制柜功能 （1臺）

（1）多臺發(fā)電機的手動并車顯示與控制。

（2）多臺發(fā)電機的自動并車顯示。

（3） 備用發(fā)電機自動啟動/退出的順序控制?？砂凑招枨笞詣訂?停備用發(fā)電機組?？梢匀斯ぴO定備用機組啟動條件，如CS1站設置：1臺天然氣發(fā)電機負荷率在沒有大負荷啟動時（即135 kW空氣壓縮機）達到60%（可調）后自動啟動備用機組，以保證大負荷的沖擊不會造成單臺天然氣發(fā)電機的停機；在2臺天然氣發(fā)電機運行時，如果單臺發(fā)電機分擔負荷小于30%（可調），自動停1臺發(fā)電機。

（4）緊急卸載控制。

（5）母聯(lián)開關的同步并聯(lián)及分斷。

（6）各發(fā)電機組運行狀態(tài)顯示，輔助設備的運行狀態(tài)及故障顯示。

（7）系統(tǒng)故障顯示與報警。

（8）系統(tǒng)輔機的集中控制。

（9）假負載遠程控制，根據發(fā)電機帶載情況自動/手動加減載。

4.4.2 發(fā)電機分控制柜功能（3臺天然氣發(fā)電機+1臺柴油發(fā)電機）

（1）發(fā)電機組的手動/自動啟動和停車。

（2）發(fā)電機組的手動/自動并車控制，發(fā)電機斷路器的手動/自動合閘與分閘。

（3）發(fā)電機組工作模式的設定（手動/自動-投入/自動-后備）。

（4）發(fā)電機組的緊急停車控制。

（5）發(fā)電機的輸出電壓設定。

（6）發(fā)電機的輸出頻率設定。

（7）發(fā)電機組并聯(lián)工作時的負載分配控制。

（8）負載控制及功率因數控制。

（9）控制發(fā)電機組實現(xiàn)軟加載和軟卸載及卸載后的冷卻運行。

（10）對輔助設備如充電器、缸套水加熱器、電機驅潮加熱器、分離式冷卻系統(tǒng)等進行控制。

（11）顯示發(fā)電機的輸出電壓、頻率及功率因數等電氣參數。

（12）保護及警報功能-低電壓保護、過壓保護、過流保護、低頻率保護、接地保護、逆功率保護、電池低電壓保護等。

4.4.3 24 V直流電源柜功能 （1臺）

（1）給控制系統(tǒng)提供24 V冗余直流電源。

（2）電源監(jiān)視。

（3）低電壓報警。

（4）直流電源配出。

4.4.4 ECS控制柜功能 （1臺）

（1）計算機主機及通訊設備。

（2）GPS時間同步及畫面顯示。

（3）提供220 VUPS電源。

4.4.5 計算機工作站提供人機監(jiān)控彩色界面

（1）通過高速以太網監(jiān)控可編程序邏輯控制器。

（2）基于Windows的畫面組態(tài)：電氣單線圖（Watt，VAR，V，Hz，A，Watt-hour，VAR-hour等）；每臺機組和負荷監(jiān)控（V，Watt，VAR，A，Hz，PF，Watt-hour，VAR-hour等）；每臺機組軸承、定子溫度等；每臺機組的潤滑油、冷卻水、燃料氣等的溫度、壓力等狀態(tài)；每臺機組的排氣溫度。

（3）趨勢報告、歷史記錄、報警記錄等。

（4）電站其他輔助系統(tǒng)的報警信號等。

5 發(fā)電站假負載配置

根據天然氣發(fā)電機廠家提供的運行特性，正常運行時負荷率不應低于發(fā)電機額定容量的50%，同時又由于天然氣發(fā)電機帶載能力相對較弱，必須考慮電站內運行的發(fā)電機要有足夠富裕容量以抵消壓縮機站內沖擊負荷對發(fā)電機的影響。壓縮機站運行中可能出現(xiàn)：

（1）單臺發(fā)電機運行負荷容量小于50%。

（2）兩臺天然氣發(fā)電機并列運行發(fā)電機容量小于50%。

（3）特殊情況需要，如對發(fā)電機做帶載測試等。

基于以上可能出現(xiàn)的情況，對于天然氣發(fā)電機站配置假負載是十分必要的，綜合考慮，設計上選用了2臺400 kW假負載分別接在A和B段母線，每臺假負載按照（50 kW+50 kW+100 kW+100 kW+100 kW）考慮分組投入或切除，每臺假負載均配置單獨的控制柜并采用PLC控制，并能遠程由發(fā)電站控制系統(tǒng)（ECS）自動/手動控制。在發(fā)電站自動控制模式下，ECS能夠根據發(fā)電機投入臺數和負載情況，在負荷小于或大于單臺天然氣發(fā)電機50%負荷時自動分組延時投入或切除假負載，保證發(fā)電機能夠在最優(yōu)的狀態(tài)下運行，同時也保證了最少投入假負載以避免能源浪費。

6 結束語

中亞天然氣管道是一條國際化的戰(zhàn)略性輸氣管道，具有非常重要的政治意義和經濟意義，其安全平穩(wěn)運行尤其重要。由于在項目初期就明確了發(fā)電站的重要性，在發(fā)電站方案設計中就做到了考慮充分、方案配置合理、自動化水平高。通過投產后多年的實際運行情況來看，發(fā)電站運行良好，尤其是其高度集成化、自動化的自動化控制系統(tǒng)的應用，極大地保證了發(fā)電站運行的可靠性和穩(wěn)定性；同時完善的系統(tǒng)配置，也為運行期間發(fā)電機的運行優(yōu)化、負荷分析、事故分析和處理等提供了條件和便利，為壓縮機站安全、可靠運行提供了有力的保證，也為今后壓縮機站項目自發(fā)電電站的設計和運行提供了寶貴的經驗。

[1]GB 50251-2003，輸氣管道工程設計規(guī)范[S].

[2]GB 50183-2004，石油天然氣工程設計防火規(guī)范[S].

[3]GOST51-1-85，干線天然氣管道工藝設計規(guī)范[S].