孫浩文

(中海石油中國(guó)有限公司蓬勃作業(yè)公司 天津300459)

0 引 言

某海上平臺(tái)配備2 臺(tái)30 MW 透平發(fā)電機(jī)組，因其額定功率大、效率高，在油田的組網(wǎng)電站中作為主力發(fā)電機(jī)起到了關(guān)鍵作用。正常生產(chǎn)情況下，這兩臺(tái)透平機(jī)組使用的燃料為油井采出的油氣混合物分離處理后的伴生氣，當(dāng)燃?xì)庀到y(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換至柴油燃燒模式以維持透平發(fā)電機(jī)的正常工作。自2008 年平臺(tái)投產(chǎn)至2013 年間，曾出現(xiàn)多起透平發(fā)電機(jī)從燃?xì)庵敛裼腿紵Ｊ角袚Q過(guò)程中，因柴油泵出口壓力不穩(wěn)定導(dǎo)致切換失敗、透平機(jī)組停機(jī)、整個(gè)油田失電而停產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，控制柴油泵出口壓力穩(wěn)定，避免透平機(jī)組燃燒模式切模失敗而意外停機(jī)，成為亟待解決的問(wèn)題。

1 柴油系統(tǒng)流程圖解析

為查找故障原因，首先了解柴油系統(tǒng)流程。圖1是平臺(tái)透平柴油供給系統(tǒng)的主要流程圖，柴油輸送泵A 和B(一用一備)將泵出的柴油輸送到透平發(fā)電機(jī)的高壓油泵C 和D，當(dāng)透平在天然氣燃燒模式或停機(jī)狀態(tài)時(shí)，高壓油泵C 和D 停止運(yùn)轉(zhuǎn)，柴油則通過(guò)裝有單向閥的旁通管線到達(dá)透平計(jì)量閥G 和H，并通過(guò)其回流管線回流到清潔油柜(如圖中所示點(diǎn)劃線流程)。供油管線的壓力是由回流氣動(dòng)閥E 控制(氣開(kāi)閥)，穩(wěn)定在7 bar 左右。當(dāng)透平切換至柴油模式時(shí)，高壓油泵C 或D 啟動(dòng)向計(jì)量閥補(bǔ)充油量，造成的管線壓降則通過(guò)關(guān)閉回流閥E 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 柴油系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of diesel system

2 系統(tǒng)控制邏輯分析

柴油輸送泵采用的是Rockwell logix5000 PLC控制系統(tǒng)，接收現(xiàn)場(chǎng)透平發(fā)電機(jī)的燃燒模式選擇信號(hào)，如圖2 所示。

圖2 原始控制邏輯Fig.2 Original control logic

當(dāng)輸入信號(hào)CH1_IN_4_12 為0 時(shí)，表示透平發(fā)電機(jī)A 當(dāng)前為燃?xì)饽Ｊ?；? 時(shí)，表示為柴油模式。該信號(hào)控制的是柴油輸送泵A 的變頻器。

當(dāng)輸入信號(hào)CH1_IN_4_14 為0 時(shí)，表示透平發(fā)電機(jī)B 當(dāng)前為燃?xì)饽Ｊ?；? 時(shí)，表示為柴油模式。該信號(hào)控制的是柴油輸送泵B 的變頻器。

參數(shù)釋義：

F109[0]：兩臺(tái)透平發(fā)電機(jī)A 和B 在燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)柴油輸送泵A 和B 的頻率設(shè)定值0～100%(對(duì)應(yīng)0～50 Hz)，可在該系統(tǒng)HMI(人機(jī)界面)上進(jìn)行設(shè)定。

F109[1]：兩臺(tái)透平發(fā)電機(jī)A 和B 在柴油模式時(shí)柴油輸送泵A 和B 的頻率設(shè)定值0～100%(對(duì)應(yīng)0～50 Hz)，可在該系統(tǒng)HMI(人機(jī)界面)上進(jìn)行設(shè)定。

F109[2]：輸出至柴油輸送泵A 的頻率信號(hào)。

F109[3]：輸出至柴油輸送泵B 的頻率信號(hào)。

從以下原始控制邏輯中可以看出：

①無(wú)論透平發(fā)電機(jī)A 的輸入信號(hào)CH1_IN_4_12為0 或1，輸出至柴油輸送泵A 的頻率信號(hào)始終為100%。

②無(wú)論透平發(fā)電機(jī)B 的輸入信號(hào)CH1_IN_4_14為0 或1，輸出至柴油輸送泵B 的頻率信號(hào)始終為100%。

3 原始程序在實(shí)際控制過(guò)程中存在的問(wèn)題

該透平發(fā)電機(jī)在正常情況下采用的是燃?xì)饽Ｊ?，柴油系統(tǒng)始終有一臺(tái)輸送泵在運(yùn)行以保證切換至燃油模式時(shí)能夠及時(shí)有效地提供燃油壓力。按照原始的程序設(shè)計(jì)，不論透平的燃燒模式是天然氣還是柴油，邏輯始終輸出100%至變頻器，柴油泵全負(fù)荷運(yùn)行，而當(dāng)透平在天然氣燃燒模式或者停機(jī)時(shí)，高壓油泵C 和D 處于停止?fàn)顟B(tài)，少量柴油通過(guò)細(xì)小的高壓油泵旁通管線經(jīng)計(jì)量閥G 和H 回流至清潔油柜，回流壓力氣動(dòng)控制閥E 幾乎在全開(kāi)位置以保持壓力穩(wěn)定在7 bar。當(dāng)某臺(tái)透平發(fā)電機(jī)由燃?xì)饽Ｊ角袚Q至燃油模式時(shí)，高壓油泵C 或D 啟動(dòng)，管線流量瞬間加大，柴油泵出口管線壓力迅速下降，因回油壓力控制閥E 關(guān)閉不及時(shí)而達(dá)到低壓關(guān)斷設(shè)定點(diǎn)，燃燒模式切換失敗，透平停機(jī)。

4 解決方案及實(shí)施步驟

對(duì)照柴油系統(tǒng)流程圖，當(dāng)某臺(tái)透平發(fā)電機(jī)切換至燃油模式時(shí)，高壓油泵C 或D 啟動(dòng)，管線流量加大，破壞了原先的動(dòng)態(tài)平衡，管線壓力迅速下降，此時(shí)由控制系統(tǒng)PID 調(diào)節(jié)迅速減小輸出值來(lái)關(guān)小回流閥E以維持壓力在設(shè)定點(diǎn)，但由于氣動(dòng)控制閥本身特性，氣缸泄氣過(guò)程并非一蹴而就，閥門動(dòng)作會(huì)有一定的滯后，這就會(huì)導(dǎo)致回流閥關(guān)閉不及時(shí)，管線壓力下降過(guò)快。解決問(wèn)題的關(guān)鍵是如何保證在高壓油泵C 或D啟動(dòng)時(shí)，對(duì)管線壓力進(jìn)行迅速調(diào)節(jié)。因氣動(dòng)控制閥動(dòng)作有滯后的特性無(wú)法更改，可利用已有變頻器的快速反應(yīng)特性予以補(bǔ)償。該P(yáng)LC 控制系統(tǒng)實(shí)際的掃描周期約為50 ms，即每50 ms 更新一次控制系統(tǒng)輸出至變頻器的信號(hào)，而泵的轉(zhuǎn)速與變頻器的輸出成正比，反應(yīng)迅速、延時(shí)時(shí)間可忽略不計(jì)。

4.1 獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)

確認(rèn)具體方案：依靠變頻泵的快速反應(yīng)特性，在管線流量突變情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)至變頻器的輸出頻率信號(hào)，從而調(diào)節(jié)泵的排量，穩(wěn)定管線壓力，回流調(diào)節(jié)閥盡量維持在原位置不變。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，得出如下數(shù)據(jù)：

①當(dāng)兩臺(tái)高壓泵C 和D 同時(shí)運(yùn)行時(shí)，柴油輸送泵的頻率設(shè)定在100%，此時(shí)回流閥E 的開(kāi)度穩(wěn)定在15%。

②只有一臺(tái)高壓油泵C 或D 運(yùn)行時(shí)，為保持回流閥E 的開(kāi)度穩(wěn)定在15%，柴油輸送泵的頻率需設(shè)定在80%。

③在高壓油泵C 和D 都未運(yùn)行時(shí)，為保持回流閥E 的開(kāi)度穩(wěn)定在15%，柴油輸送泵的頻率需設(shè)定在40%。

4.2 優(yōu)化控制邏輯及其功能

圖3 為更改控制邏輯，實(shí)現(xiàn)了以下功能：

圖3 優(yōu)化后的控制邏輯Fig.3 Modified control logic

①當(dāng)兩臺(tái)透平發(fā)電機(jī)處于停止或者處于燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)，高壓泵C 和D 都停轉(zhuǎn)，預(yù)設(shè)柴油輸送泵A 和B 的頻率為40%(程序段Rung 3)，此時(shí)回流閥E 的開(kāi)度為15% 左右。

②當(dāng)任何一臺(tái)透平發(fā)電機(jī)切油時(shí)(即高壓泵C或D 其中一臺(tái)啟動(dòng)，沒(méi)有延時(shí))，將柴油輸送泵A 和B 的頻率同時(shí)輸出為80%(程序段Rung 5)以迅速補(bǔ)償供油管線的壓降，從而使閥E 保持在15% 左右，不致有大幅度的調(diào)整。

③當(dāng)兩臺(tái)透平都切油時(shí)(高壓泵C 和D 運(yùn)行，沒(méi)有延時(shí))，A 和B 的頻率同時(shí)輸出為100%(程序段Rung 4)。

④當(dāng)兩臺(tái)柴油模式運(yùn)行的透平發(fā)電機(jī)，其中一臺(tái)切至燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)，A 和B 的頻率同時(shí)延時(shí)60 s 降為80%(程序段Rung 4 和Rung 5)。設(shè)置延時(shí)的依據(jù)是透平控制系統(tǒng)從切氣指令發(fā)出到高壓泵停止有60 s的延時(shí)。

⑤而當(dāng)兩臺(tái)柴油模式運(yùn)行的透平發(fā)電機(jī)都切氣時(shí)，A 和B 的頻率同時(shí)延時(shí)60 s 降為40%(程序段Rung 4 和Rung 5)。

雖然對(duì)兩臺(tái)變頻器的輸出同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但柴油泵始終是一用一備，對(duì)于停止的備用泵而言，變頻調(diào)節(jié)不起作用。

5 改造效果及推廣價(jià)值

改造完成后，經(jīng)過(guò)多次燃料模式切換測(cè)試，回流控制閥E 始終維持在15%左右，柴油泵出口壓力保持在6.8～7.1 bar 之間，達(dá)到預(yù)期目的。實(shí)際使用過(guò)程中，從2013 年改造完成，至2020 年底發(fā)稿時(shí)為止的7 年間，再未出現(xiàn)一起因燃料模式切換時(shí)因柴油壓力控制不穩(wěn)定導(dǎo)致的機(jī)組停機(jī)事件。根據(jù)以往歷史記錄，估算平均每年至少可避免2 000 多桶的直接原油產(chǎn)量損失。如果設(shè)備關(guān)斷后無(wú)法正常啟動(dòng)，流程不能及時(shí)恢復(fù)，由此引起的經(jīng)濟(jì)損失更無(wú)法估算。

目前一般流程上的壓力控制絕大多數(shù)都是采用氣動(dòng)壓力控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果液體流程的壓力可以通過(guò)泵的調(diào)頻來(lái)實(shí)現(xiàn)，則應(yīng)盡量采取此控制方式，既可以降低氣動(dòng)控制閥動(dòng)作滯后引起的流程壓力波動(dòng)，對(duì)節(jié)能降耗也可起到一定的作用?！?/p>