李海榮 商永興 燕朝南 尚榮江

（1.中油國(guó)際中東公司；2.中國(guó)石油管道局工程有限公司）

1 現(xiàn)狀

伊拉克某油田新建150 MW燃?xì)怆娬?，供油田生產(chǎn)及當(dāng)?shù)赜脩粲秒?。電站燃料氣?lái)源于1號(hào)及3號(hào)集中處理站伴生氣，脫硫后經(jīng)燃料氣壓縮機(jī)升壓輸送至發(fā)電機(jī)。電站總裝機(jī)容量5×30 MW（環(huán)境溫度55℃時(shí)），按伊拉克石油公司要求，電站發(fā)電一部分并入伊拉克國(guó)家電網(wǎng)，另外一部分供油田注水生產(chǎn)用電。

油田目前依靠注水來(lái)維持油藏能量，保證油井生產(chǎn)壓力，共有5座高壓注水站，16臺(tái)注水泵進(jìn)行注水生產(chǎn)。供電電源來(lái)自國(guó)家電網(wǎng)400 kV網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)132 kV架空線路配送至注水泵站，然后在站內(nèi)降壓至6.6 kV，供站內(nèi)高壓負(fù)荷用電。站內(nèi)低壓負(fù)荷通過(guò)6.6/400 kV降壓變壓器提供電源。132 kV及以上電氣設(shè)備和電力線路歸屬于伊拉克國(guó)家電力公司，并由國(guó)家電力公司控制和操作。

油田供電的電力線，目前采用的是單塔雙回路供電，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)由于單個(gè)鐵塔故障，導(dǎo)致整個(gè)區(qū)塊停電，造成油田減產(chǎn)的情況。國(guó)家電網(wǎng)不穩(wěn)定和故障停電對(duì)油田注水泵影響最大（注水站泵排量為500 m3/h，揚(yáng)程223 m，電動(dòng)機(jī)為4000 kW，6.6 kV，50 Hz），經(jīng)常導(dǎo)致注水泵停運(yùn)和電機(jī)故障。

由于北部油田電力負(fù)荷約占全油田負(fù)荷的60%以上，因此首先在油田北部建設(shè)150 MW燃?xì)怆娬咀鳛樵缙陔娬?。電?018年1月建成投產(chǎn)，位于4號(hào)注水泵站附近，主要設(shè)備為5臺(tái)30 MW燃?xì)廨啓C(jī)，通過(guò)132 kV架空線路接入現(xiàn)有國(guó)家電網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)，支持和補(bǔ)充北部油田現(xiàn)有國(guó)家電網(wǎng)的電力缺口，滿足目前生產(chǎn)需要，以及2021年之前新增設(shè)備設(shè)施的用電負(fù)荷（150 MW），主要包括4號(hào)和5號(hào)注水泵站，以及附近電泵井的生產(chǎn)用電。

2017年9月150 MW電站從3號(hào)集中處理站進(jìn)氣開(kāi)始調(diào)試，2018年1月投入運(yùn)行后，多次出現(xiàn)停車(chē)跳閘，嚴(yán)重影響了電站及油田生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

2 發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全可靠性改造

經(jīng)過(guò)對(duì)所有事故原因進(jìn)行歸類(lèi)分析后得出，導(dǎo)致全站停產(chǎn)和運(yùn)行不穩(wěn)定的主要原因有兩個(gè)，一個(gè)是伊拉克電網(wǎng)頻率快速大范圍波動(dòng)造成的機(jī)組脫網(wǎng)和保護(hù)停車(chē)[1]，另外一個(gè)原因是由于天然氣氣源壓力波動(dòng)導(dǎo)致天然氣供氣壓縮機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，直接影響到發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)原因分析和方案對(duì)比，進(jìn)行了以下2項(xiàng)主要技術(shù)改造。

2.1 實(shí)現(xiàn)孤島電網(wǎng)為油田生產(chǎn)供電

伊拉克國(guó)家電網(wǎng)容量較小，輸電線路故障率高，系統(tǒng)的電壓和頻率波動(dòng)頻繁，波動(dòng)幅度大，造成電站天然氣壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變頻器故障跳閘、導(dǎo)致全站停產(chǎn)[2]。

同時(shí)，電網(wǎng)波動(dòng)帶來(lái)的電機(jī)頻率變化直接影響注水泵輸出壓力，頻率變化過(guò)大導(dǎo)致高壓注水泵電機(jī)振動(dòng)和過(guò)熱，進(jìn)而停轉(zhuǎn)[3-4]。可見(jiàn)注水壓力隨著電網(wǎng)頻率變化，在0.5～0.8 MPa波動(dòng)。當(dāng)電壓頻率穩(wěn)定在50 Hz的時(shí)候，注水壓力波動(dòng)減小并且穩(wěn)定在0.8 MPa左右，因此，電壓頻率直接影響到高壓注水泵的安全運(yùn)行。

為了減少伊拉克國(guó)家電網(wǎng)對(duì)油田供電系統(tǒng)的影響，首先將油田供電與伊拉克國(guó)家電網(wǎng)供電剝離，保證油田供電的穩(wěn)定性。油田用電負(fù)荷見(jiàn)表1，3臺(tái)發(fā)電機(jī)能夠滿足電站輔助用電和注水泵及其輔助設(shè)施用電，因此，決定將電站的3臺(tái)（90 MW）燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)入孤島電網(wǎng)運(yùn)行，為電站廠用電和4號(hào)注水站、5號(hào)注水站變電站連接的油田用電設(shè)備供電，其余2臺(tái)（60 MW）燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組仍然接入伊拉克國(guó)家電網(wǎng)[5]。

表1 油田用電負(fù)荷

電站組織對(duì)孤島運(yùn)行方案進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，評(píng)估結(jié)論需要實(shí)施4項(xiàng)措施來(lái)保證方案的安全性：對(duì)注水站故障電流水平進(jìn)行核算，保證滿足要求；制定詳細(xì)的發(fā)電機(jī)切換程序，包括初始切換和實(shí)施后的分步工作程序，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷分級(jí)管理[6]；在切換過(guò)程中設(shè)置操作鎖定程序，保持孤島運(yùn)行的獨(dú)立性和可靠性；進(jìn)行電站、4號(hào)注水站、5號(hào)注水站中132 kV斷路器的同步檢查，確認(rèn)并驗(yàn)證設(shè)置。

實(shí)現(xiàn)油田孤島電網(wǎng)后，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，電壓基本穩(wěn)定在150 V，頻率50 Hz，保證了電站天然氣壓縮機(jī)和注水泵的穩(wěn)定供電，沒(méi)有再發(fā)生變頻器故障跳閘和注水泵電動(dòng)機(jī)故障，提高了注水生產(chǎn)的安全性[7]。

2.2 氣源穩(wěn)定性改造-復(fù)合邏輯控制

電站的氣源來(lái)自1號(hào)和3號(hào)集中處理站輸送過(guò)來(lái)的天然氣，其中3號(hào)集中處理站氣源來(lái)自第2列處理裝置的第1級(jí)分離氣，為第一氣源。1號(hào)集中處理站氣源來(lái)自3列第1級(jí)分離氣，為第二氣源。天然氣進(jìn)站經(jīng)過(guò)處理后增壓，供5臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)使用。

自初期投產(chǎn)進(jìn)氣后，操作人員發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣壓力波動(dòng)較大，造成后續(xù)流程不平穩(wěn)，生產(chǎn)效率低，壓力峰值時(shí)甚至接近壓縮機(jī)和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的跳閘值。壓力波動(dòng)的主要原因是采出原油氣油比過(guò)高，氣液混相輸送距離長(zhǎng)，在輸送過(guò)程中產(chǎn)生氣體段塞，進(jìn)入1級(jí)分離器后原油迅速脫氣，因此壓力波動(dòng)很大[8]。

電站燃料氣系統(tǒng)原設(shè)計(jì)壓力控制模式為，3號(hào)集中處理站來(lái)氣通過(guò)調(diào)節(jié)閥361-PV1011A和PV1011B的開(kāi)度來(lái)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，設(shè)定壓力為1.17MPa，當(dāng)壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，天然氣經(jīng)過(guò)PCV-0102排放至火炬，原設(shè)計(jì)壓力控制方案見(jiàn)圖1。但是由于氣源壓力波動(dòng)過(guò)大，供氣壓力最低為0.75 MPa，最高達(dá)到1.35 MPa，進(jìn)氣壓力波動(dòng)趨勢(shì)見(jiàn)圖2。由于壓力波動(dòng)范圍過(guò)大，2個(gè)調(diào)節(jié)閥無(wú)法滿足壓力調(diào)節(jié)的要求[9-10]。

圖1 原設(shè)計(jì)壓力控制方案

圖2 進(jìn)氣壓力波動(dòng)趨勢(shì)

為了解決這個(gè)問(wèn)題，工藝專(zhuān)業(yè)提出再增加一級(jí)調(diào)節(jié)閥的方案來(lái)進(jìn)一步穩(wěn)壓。但是由于電站已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行，增加調(diào)節(jié)閥需要進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，不僅工期長(zhǎng)，而且投資高；2級(jí)壓力控制工藝比較復(fù)雜，增加了新的安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，最終采用了自控專(zhuān)業(yè)增加PID復(fù)合邏輯控制模塊的方案。通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，這種純數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算的方法，避免了增加調(diào)節(jié)閥可能出現(xiàn)的機(jī)械及儀表風(fēng)等故障帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，安全高效。

復(fù)合回路模式是將進(jìn)氣壓力與1.2 MPa比較，大于1.2 MPa為高壓模式，小于為低壓模式。低壓模式為運(yùn)行模式，高壓模式為保護(hù)模式。在低壓模式下，采用非標(biāo)PID分程控制3路閥門(mén)[10]，設(shè)定PID輸出后有且僅有一個(gè)閥門(mén)動(dòng)作，防止瞬間壓力快速泄放，產(chǎn)生波動(dòng)。高壓模式下采用雙PID控制，其中一個(gè)PID分程關(guān)閉進(jìn)電站的2路PV1011A/B調(diào)壓閥，另一個(gè)PID控制放空閥PCV-0102打開(kāi)，使壓力逐漸減小，并根據(jù)實(shí)際工況，逐漸恢復(fù)低壓模式，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)進(jìn)氣壓力的平穩(wěn)。具體控制為：

1）低壓模式的控制：采用非標(biāo)分程邏輯，分程控制3路閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣壓力的穩(wěn)定和放空閥門(mén)的控制。采用PID控制回路201-PIC0102控制PV1011A、PV1011B和放空閥PCV0102。非標(biāo)分程控制設(shè)計(jì)為，PID控制器輸出0%～100%，其中0%～33%對(duì)應(yīng)PV1011A的0%～100%；33%～66%對(duì)應(yīng)PV1011B的0%～100%，66%～100%對(duì)應(yīng)放空閥門(mén)201-PCV0102的0%～100%。PID控制器無(wú)論在0%～100%的任何狀態(tài)，控制的3個(gè)閥門(mén)有且僅有一個(gè)閥門(mén)對(duì)應(yīng)動(dòng)作。

2）高壓模式的控制：采用雙PID控制，PID-1分程控制2路調(diào)節(jié)，PID-2控制放空閥工作來(lái)實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)功能。

雙PID控制回路：201-PIC0102和361-PIC1012。其中PID-1（201-PIC0102）控制器通過(guò)進(jìn)氣壓力控制放空閥PCV0102，PID-2（361-PIC1012）分程控制進(jìn)站調(diào)壓閥PV1011A、PV1011B，控制器輸出0%～100%，其中0%～50%對(duì)應(yīng)PV-1011B的0%～100%，50%～100%對(duì)應(yīng)PV-1011A的0%～100%，復(fù)合邏輯控制見(jiàn)圖3。

圖3 復(fù)合邏輯控制

2.3 應(yīng)用效果

原設(shè)計(jì)為單回路PID控制，輸出同時(shí)開(kāi)關(guān)2個(gè)閥門(mén)，調(diào)節(jié)壓力變化大，無(wú)法滿足工藝要求。增加復(fù)合邏輯控制模塊后，低壓模式為運(yùn)行模式，高壓模式為保護(hù)模式。這樣兩個(gè)PID控制器分程控制兩個(gè)PV閥門(mén)，既高效的保證了壓力調(diào)節(jié)的快速平穩(wěn)，又達(dá)到了保護(hù)上下游工藝系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的目的，并且低壓模式放空閥PCV是最后開(kāi)的（PID控制器輸出66%～100%時(shí)才開(kāi)），這樣也保證了盡可能多的工藝氣流向電站，從而提高了燃?xì)獾睦寐省？刂聘淖兦昂髮?duì)比見(jiàn)表2。

采用復(fù)合邏輯控制后的壓力穩(wěn)定在1.175 MPa，幾乎沒(méi)有壓力波動(dòng)，相對(duì)比改造前的壓力波動(dòng)趨勢(shì)（0.75～1.35 MPa），改造后的氣源壓力穩(wěn)定，滿足供氣壓力要求，保證了增壓壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行和發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定供氣。

復(fù)合邏輯控制已投入使用，并經(jīng)過(guò)7個(gè)多月的驗(yàn)證，該控制具有安全、穩(wěn)定、高效、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，是高精度，低成本的控制方法，為保證電站項(xiàng)目供氣的穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供了保障。

3 結(jié)論

通過(guò)孤島電網(wǎng)和復(fù)合邏輯控制兩項(xiàng)改造，解決了電壓和頻率波動(dòng)，氣源壓力不穩(wěn)定問(wèn)題，減少了電站天然氣壓縮機(jī)故障以及高壓注水泵運(yùn)行問(wèn)題，極大地改善了用電設(shè)備的電能質(zhì)量，提高了設(shè)備運(yùn)行安全性和可靠性，改造后機(jī)組的跳閘總故障次數(shù)從2018年的38次降低到2019年的8次，共計(jì)節(jié)省投資費(fèi)用189萬(wàn)元，減少兩座由電站供電的注水站停產(chǎn)損失費(fèi)用1 260萬(wàn)元，技術(shù)改造效益顯著。

表2 控制改變前后對(duì)比