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,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。
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。
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。
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。
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。
(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,并能夠實現與項目SCADA系統(tǒng)遠程監(jiān)控網絡對接,實現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。
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,實現發(fā)電站的遠程監(jiān)視與控制功能。
(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。
(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。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)。
(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)母聯開關的同步并聯及分斷。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
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:
(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。
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].