鄭駿

上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司

上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司差壓余能利用項(xiàng)目建設(shè)一套國內(nèi)最大的1×5.6MW天然氣差壓膨脹發(fā)電機(jī)組，通過設(shè)置一套與LNG末站并聯(lián)的差壓發(fā)電裝置，利用天然氣作為工質(zhì)，使其通過膨脹透平降壓，在透平出口壓力滿足用戶的同時(shí)，產(chǎn)生電力，回收能量。本文研究了膨脹機(jī)與調(diào)壓調(diào)流旁路的控制設(shè)計(jì)，對膨脹機(jī)啟動(dòng)、停運(yùn)階段和膨脹機(jī)故障跳閘時(shí)，膨脹機(jī)和調(diào)壓調(diào)流旁路的配合控制進(jìn)行了分析，通過試驗(yàn)檢驗(yàn)自行設(shè)計(jì)控制邏輯的實(shí)際運(yùn)行效果。

1 項(xiàng)目工藝流程

項(xiàng)目主要工藝流程：燃?xì)鈴囊夯烊粴釲NG總站儲(chǔ)氣罐經(jīng)氣化升壓后，利用電廠機(jī)組雜用水換熱器對其進(jìn)行前置加熱，加熱后的高壓天然氣直接進(jìn)入透平膨脹機(jī)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對外發(fā)電，膨脹減壓后的低溫天然氣進(jìn)入海水換熱器加熱后直接進(jìn)入城市管網(wǎng)?？紤]到膨脹機(jī)自身啟動(dòng)、機(jī)組檢修及故障切換的需要，膨脹機(jī)組并聯(lián)設(shè)一套2×100%容量調(diào)壓調(diào)流旁路閥門組，作為切換備用，以保證LNG站供氣安全及供氣量的可靠性。

2 膨脹機(jī)自動(dòng)控制

膨脹機(jī)控制可選擇PLC控制或者DCS控制模式，當(dāng)膨脹機(jī)處于PLC控制模式下時(shí)，可以在PLC界面啟動(dòng)膨脹機(jī)，當(dāng)膨脹機(jī)處于DCS控制模式下時(shí)，可以在DCS界面啟動(dòng)膨脹機(jī)，實(shí)現(xiàn)一鍵啟停。

2.1 膨脹機(jī)啟動(dòng)控制

當(dāng)膨脹機(jī)接收到啟動(dòng)信號后將依次打開進(jìn)口隔絕閥、膨脹機(jī)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥IGV（開度置5%）和膨脹機(jī)緊急關(guān)斷閥ESV。ESV打開后，IGV以0.2%/s的速率逐漸打開，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速高于2 970rpm時(shí)，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)自動(dòng)合閘。發(fā)電機(jī)合閘后，IGV以1%/s的速率繼續(xù)打開，直到發(fā)電機(jī)輸出功率高于570kW，IGV切換到自動(dòng)控制模式，膨脹機(jī)啟動(dòng)結(jié)束。

2.2 膨脹機(jī)自動(dòng)停運(yùn)控制

當(dāng)膨脹機(jī)接收到正常停機(jī)指令后，會(huì)將IGV切換為手動(dòng)控制模式，以每秒0.2%的速率關(guān)閉IGV，當(dāng)負(fù)荷小于300kW后，關(guān)閉膨脹機(jī)進(jìn)口隔絕閥，隔絕閥收到“關(guān)”反饋信號后關(guān)閉膨脹機(jī)ESV。ESV關(guān)閉后延時(shí)3s斷開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)。

若膨脹機(jī)在運(yùn)行過程中收到跳閘信號，則立即同時(shí)關(guān)閉IGV、進(jìn)口隔絕閥和ESV，ESV關(guān)閉后延時(shí)3s斷開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)。

2.3 膨脹機(jī)自動(dòng)控制

膨脹機(jī)自動(dòng)控制邏輯框圖如圖1所示，控制模式主要有流量控制和壓力控制兩種模式，同時(shí)通過負(fù)荷過載限制保護(hù)、天然氣低溫限制保護(hù)取小值控制IGV。

圖1 膨脹機(jī)自動(dòng)控制邏輯框圖

2.3.1 流量控制模式

膨脹機(jī)正常運(yùn)行，進(jìn)入IGV自動(dòng)控制模式，當(dāng)流量控制模式被選中時(shí)，通過調(diào)節(jié)IGV開度來控制通過膨脹機(jī)和調(diào)節(jié)旁路的天然氣總流量。膨脹機(jī)流量調(diào)節(jié)范圍為200 000～800 000Nm3/h，需在DCS中選擇該模式，并設(shè)定流量目標(biāo)值。

2.3.2 壓力控制模式

膨脹機(jī)正常運(yùn)行，進(jìn)入IGV自動(dòng)控制模式，且壓力控制模式被選中時(shí)，通過調(diào)節(jié)IGV開度來控制膨脹機(jī)出口的天然氣壓力。壓力調(diào)節(jié)范圍為大于4.0MPa，需在DCS中選擇該模式，并設(shè)定壓力目標(biāo)值。

2.3.3 負(fù)荷過載限制

為防止膨脹機(jī)過載，通過限制IGV開度實(shí)現(xiàn)該保護(hù)。該控制的優(yōu)先級高于調(diào)流/調(diào)壓控制回路輸出以及手動(dòng)調(diào)節(jié)回路輸出。當(dāng)膨脹發(fā)電機(jī)功率高于6 000kW時(shí)，負(fù)荷過載限制激活。

2.3.4 天然氣低溫限制

膨脹發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，為防止海水換熱器出口天然氣溫度低于2℃，通過限制IGV開度實(shí)現(xiàn)該保護(hù)。該控制的優(yōu)先級高于調(diào)流/調(diào)壓控制回路輸出以及手動(dòng)調(diào)節(jié)回路輸出。

3 膨脹發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)旁路

調(diào)節(jié)旁路主要在膨脹發(fā)電機(jī)啟停階段進(jìn)行天然氣調(diào)壓調(diào)流配合，或當(dāng)膨脹發(fā)電機(jī)故障及跳閘、檢修時(shí)能確保LNG管網(wǎng)和臨港電廠正常用氣。

3.1 膨脹機(jī)啟動(dòng)階段的旁路控制

膨脹機(jī)組啟動(dòng)前，確認(rèn)膨脹機(jī)自帶的輔助系統(tǒng)如潤滑油系統(tǒng)、密封氣系統(tǒng)等已預(yù)先投用并工作正常，在DCS投用啟動(dòng)程控，預(yù)選調(diào)流模式啟動(dòng)。通過逐步調(diào)節(jié)旁路調(diào)壓閥壓力整定值5.8 MPa，保證調(diào)壓閥全開。當(dāng)調(diào)壓閥全開后，將調(diào)流閥投自動(dòng)，由調(diào)流閥控制流量逐步從零流量增加至LNG臨港末站減壓管線需由臨港電廠分流的流量，此過程需和LNG臨港末站配合完成，由運(yùn)行人員手動(dòng)配合調(diào)整流量設(shè)定值。

當(dāng)LNG臨港末站減壓管線與膨脹機(jī)旁路之間流量切換完成后，進(jìn)入膨脹機(jī)沖轉(zhuǎn)前的檢查階段，確認(rèn)膨脹機(jī)上下游壓力差、上下游溫度等參數(shù)符合啟動(dòng)要求。DCS收到“膨脹機(jī)啟動(dòng)準(zhǔn)備就緒”信號后，由運(yùn)行人員釋放確認(rèn)條件，此后DCS向PLC發(fā)送膨脹機(jī)啟動(dòng)指令，膨脹機(jī)接到啟動(dòng)指令至并網(wǎng)帶初始負(fù)荷期間，膨脹發(fā)電機(jī)組的IGV受PLC沖轉(zhuǎn)控制邏輯控制以額定的速率逐漸開大，旁路調(diào)流閥自動(dòng)控制天然氣流量，隨著啟動(dòng)過程IGV逐步開大，旁路調(diào)流閥逐漸關(guān)小直至膨脹機(jī)并網(wǎng)并加載至10%額定功率的初始負(fù)荷。

膨脹機(jī)輸出初始負(fù)荷后，進(jìn)入調(diào)流模式，此后IGV繼續(xù)開大，旁路調(diào)流閥繼續(xù)關(guān)小直至全關(guān)。此后，通過遠(yuǎn)方設(shè)定旁路調(diào)壓閥壓力整定值，將調(diào)壓閥逐漸關(guān)閉。當(dāng)調(diào)壓閥關(guān)閉后，再將旁路調(diào)流閥設(shè)置為開環(huán)控制模式，并將開度保持在30%。至此，膨脹機(jī)啟動(dòng)全部完成，旁路進(jìn)入調(diào)壓閥關(guān)閉調(diào)流閥保持一定開度的“熱備”狀態(tài)。

3.2 膨脹機(jī)停機(jī)階段的旁路控制

旁路處于調(diào)壓閥關(guān)閉調(diào)流閥保持一定開度的“熱備”狀態(tài)，投用自動(dòng)停機(jī)程控，切換至調(diào)流模式，將旁路調(diào)流閥切停機(jī)控流模式（SP+）、膨脹機(jī)切停機(jī)控制模式（SP-），再將旁路調(diào)壓閥遠(yuǎn)方壓力自動(dòng)設(shè)定切除，旁路調(diào)流閥投自動(dòng)，遠(yuǎn)程自動(dòng)逐步調(diào)高旁路調(diào)壓閥定值，逐步打開旁路調(diào)壓閥，直至其開度＞10%。其間膨脹機(jī)IGV逐步關(guān)小，此后，向膨脹機(jī)發(fā)停機(jī)指令，膨脹機(jī)繼續(xù)關(guān)IGV減負(fù)荷，而調(diào)壓閥繼續(xù)以一定速率開啟，直至壓力整定值為5.8Mpa時(shí)全開。膨脹機(jī)繼續(xù)減負(fù)荷，IGV逐步關(guān)小，直至負(fù)荷低于5%額定值時(shí)膨脹機(jī)入口緊急切斷閥關(guān)閉，膨脹機(jī)輔助油泵立即開啟。至此，膨脹機(jī)停機(jī)完成，進(jìn)入調(diào)壓閥全開、調(diào)流閥調(diào)流的旁路“控流”模式。

3.3 膨脹機(jī)的旁路自動(dòng)控制

3.3.1 膨脹機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的旁路自動(dòng)控制

膨脹機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，主要處于調(diào)流模式，此時(shí)，旁路調(diào)壓閥保持關(guān)閉，旁路調(diào)流閥則保持30%開度。當(dāng)膨脹機(jī)調(diào)節(jié)流量受限而達(dá)不到目標(biāo)流量時(shí)，如海水換熱器出口天然氣溫度過低，則觸發(fā)報(bào)警，由運(yùn)行通知LNG分流。此時(shí)，旁路調(diào)壓閥壓力定值設(shè)置為通過就地機(jī)械整定的最小值，定為4.0MPa。若膨脹發(fā)電機(jī)處于調(diào)壓模式，則旁路控制模式同上，此時(shí)旁路調(diào)壓閥壓力整定值在上述就地機(jī)械整定最小值和目標(biāo)壓力定值兩者中取高值。

3.3.2 膨脹機(jī)跳閘時(shí)的旁路自動(dòng)控制

任意時(shí)刻膨脹機(jī)跳閘時(shí)，旁路調(diào)壓閥先快開至100%，旁路調(diào)流閥則投自動(dòng)控制模式，并根據(jù)當(dāng)前流量設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，滿足下游供氣要求。

3.3.3 膨脹機(jī)停運(yùn)時(shí)的旁路自動(dòng)控制

膨脹機(jī)長時(shí)間停運(yùn)、檢修期間，為減少控制復(fù)雜性、運(yùn)行監(jiān)視工作量及設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，可由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定流量逐步將旁路調(diào)流閥關(guān)閉，交由LNG調(diào)流/調(diào)壓。

4 應(yīng)用效果

模擬實(shí)際工況下的運(yùn)行操作，測試天然氣差壓膨脹發(fā)電機(jī)組與調(diào)壓調(diào)流旁路的配合控制邏輯。

圖2為膨脹機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)過程，由旁路調(diào)流切換至膨脹機(jī)調(diào)流的狀態(tài)曲線。由圖2可以看出，膨脹機(jī)啟動(dòng)過程中，逐漸由旁路調(diào)流轉(zhuǎn)變成膨脹機(jī)調(diào)流，旁路進(jìn)入調(diào)壓閥關(guān)閉調(diào)流閥保持30%開度的“熱備”狀態(tài)，整個(gè)啟動(dòng)切換過程天然氣實(shí)際總流量和天然氣出口單元壓力未發(fā)生波動(dòng)。

圖2 膨脹機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)過程曲線圖

圖3為膨脹機(jī)自動(dòng)停運(yùn)過程中由膨脹機(jī)調(diào)流切換至旁路調(diào)流的狀態(tài)曲線。。由圖3可以看出，膨脹機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，旁路處于調(diào)壓閥關(guān)閉調(diào)流閥保持一定開度的“熱備”狀態(tài)，在膨脹發(fā)電機(jī)停運(yùn)過程中，逐漸由膨脹發(fā)電機(jī)調(diào)流轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)壓閥全開、調(diào)流閥調(diào)流的旁路“控流”模式，整個(gè)停運(yùn)切換過程瞬間會(huì)對實(shí)際天然氣總流量產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)會(huì)迅速恢復(fù)穩(wěn)定，天然氣出口單元壓力無明顯波動(dòng)，未對下游天然氣用戶產(chǎn)生影響。

圖3 膨脹機(jī)自動(dòng)停運(yùn)過程曲線圖

圖4為膨脹機(jī)跳機(jī)迅速切換至旁路調(diào)流自動(dòng)控制的狀態(tài)曲線。由圖4可以看出膨脹機(jī)跳閘時(shí)，ESV閥迅速關(guān)閉，旁路調(diào)壓閥開至100%，旁路調(diào)流閥根據(jù)當(dāng)前流量設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)流量。整個(gè)切換過程中，為防止超速，ESV閥響應(yīng)迅速快，關(guān)閉時(shí)間小于0.5s，旁路調(diào)壓閥為機(jī)械式調(diào)壓，同時(shí)靠儲(chǔ)氣罐壓力輔助調(diào)節(jié)閥門開關(guān)，響應(yīng)速度較慢，跳機(jī)切換過程中存在5s的實(shí)際天然氣流量瞬間降低，但由于時(shí)間較短且天然氣管道內(nèi)容積較大，天然氣出口單元壓力無明顯波動(dòng)，對下游用戶未產(chǎn)生影響。

圖4 膨脹機(jī)跳閘過程曲線圖

5 結(jié)論

天然氣差壓膨脹發(fā)電機(jī)組與調(diào)壓調(diào)流旁路的控制設(shè)計(jì)對膨脹機(jī)啟動(dòng)、停運(yùn)階段以及膨脹機(jī)故障跳閘時(shí)，膨脹發(fā)電機(jī)組和調(diào)壓調(diào)流旁路的配合控制證明了在本項(xiàng)目天然氣流量和壓力的工況下，本控制方案能滿足設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行和天然氣調(diào)流調(diào)壓要求，為其他天然氣差壓膨脹發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目提供了參考，為相關(guān)人員理解控制邏輯、判斷和分析事故原因提供借鑒作用。