艾力群，張 鵬，李國軍，馬自山，龔志偉，艾 威

（1.國家管網(wǎng)集團油氣調(diào)控中心，北京 100013；2.西南管道公司，四川成都 610095；3.北京興油工程項目管理有限公司，北京 100083；4.重慶建筑科技職業(yè)學院，重慶 401331）

0 引言

由于設計和歷史等因素，每條天然氣管道的設計理念、壓縮機組型號、自動化水平、人機匹配各有不同，管理模式也大不一樣。合建壓氣站場采用了多個OEM 廠的機組，如GE、RR、D-R 及國產(chǎn)的沈鼓和703 所等，不同廠家的機組性能不同，驅(qū)動方式也有燃驅(qū)和電驅(qū)之分。隨著“集中調(diào)控、區(qū)域化管理”持續(xù)推進，油氣調(diào)控中心在實施天然氣管道壓縮機組遠程控制、現(xiàn)場少人值守、無人干預時，面臨較多問題。

在運維中心—作業(yè)區(qū)管理模式下，基于天然氣管網(wǎng)壓氣站實施無人站、少人站值守模式研究，依據(jù)管網(wǎng)所轄管道及站場的運行管理特點，梳理典型合建站場壓縮機組參數(shù)自動調(diào)整控制技術存在技術難點和問題。未來管線增輸，站場機組的組合會越來越復雜，生產(chǎn)運行要求各站中的壓縮機應該能夠根據(jù)輸氣量任意組合自動負荷分配、遠程操控和穩(wěn)定運行，需要更優(yōu)化的控制方案和系統(tǒng)，實現(xiàn)壓縮機中控系統(tǒng)控制參數(shù)自動調(diào)整控制、一鍵操作，現(xiàn)場無人干預是集中調(diào)控急需解決的問題。

1 遠控參數(shù)調(diào)整控制問題

某管廊帶內(nèi)合建壓氣站場從機組廠家以及驅(qū)動方式存在多達7 種不同組合方式，機組廠家或型號不同，轉子性能不同，需要并網(wǎng)輸氣時中心調(diào)度員只能分別對同期同廠家的機組實施遠程控制。機組負荷分配控制操作依據(jù)中心調(diào)度員的經(jīng)驗，使用手動操作調(diào)節(jié)多機組等轉速來進行負荷分配的方式，造成機組和管網(wǎng)運行效率降低、控制難度增加、中心調(diào)度員操作量大、遠控模式下停機風險高、多臺并聯(lián)壓縮機負荷分配不平衡等，手動操作難以實現(xiàn)如此復雜的調(diào)節(jié)。因此，改造負荷分配控制系統(tǒng)，收集分析壓縮機遠控問題：

（1）遠控壓力設定步長不優(yōu)化，中心調(diào)度員操作量大；遠控時，單次壓力調(diào)整幅度為0.02～0.10 MPa，為達到目標壓力需多次調(diào)整，且等待時間較長，壓氣站和壓縮機組數(shù)量較多，尤其在管道輸量調(diào)整時，調(diào)度員工作量大。

（2）無關鍵參數(shù)報警保護，停機風險高。機組關鍵參數(shù)達到報警值不能繼續(xù)提高負荷時，UCP 不能及時反饋給SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)和調(diào)度員，調(diào)度員無操作參考，機組停機風險高。

（3）負荷分配測試發(fā)現(xiàn)耗時長、升速快、燃機排氣升溫過快、壓縮機入口濾芯高報警問題。

（4）壓縮機負荷分配不均衡，影響機組出力。圖1、圖2 所示為等流量百分比控制策略下的問題：圖1 中QP，1=QP，2，QP為計算等流量，QC為機組通過流量，QP-QC為循環(huán)回流量；圖2 中Dev1=Dev2，但流量和轉速并不相等。某合建壓氣站采用“1 燃+2 電”組合運行，當出站壓力提高至11.5 MPa 時，電驅(qū)的變頻器電流已接近報警值，不能再提高出站壓力設定。而此時燃驅(qū)的轉速在5022 r/mim，進口流量（10 350 mm H2O）也較小，負荷較低，相比6100 r/mim 的額定轉速空間非常大，但受小機組（18 MW）限制，大機組（31 MW）不能再提高負荷。在不改變控制系統(tǒng)邏輯的情況下，如果想繼續(xù)提高出站壓力，方案有兩個：一是增啟一臺燃驅(qū)，以“2 燃+3”電組合型式運行，但會造成能耗增大，方案不可取；二是中控放棄遠控操作權限，切至站控手動提高機組負荷，以達到出口壓力要求，不會造成額外能耗增加。

圖1 等流量控制策略

圖2 等喘振裕度控制策略

（5）壓力控制時機組工況波動大。當管道流量發(fā)生波動時，機組在定出站壓力控制模式下，工況調(diào)節(jié)頻繁；壓縮機PLC 控制反饋調(diào)節(jié)精度各不相同，造成轉速調(diào)節(jié)頻繁，站場無法維持中心控制模式，需要站控干預。

為實現(xiàn)壓縮機中控系統(tǒng)控制參數(shù)自動調(diào)整控制、一鍵調(diào)整和優(yōu)化壓縮機遠控方式，根據(jù)壓縮機組不同功能特點及運行現(xiàn)狀，開展技術研究，分析制定壓氣站實施無人值守站規(guī)劃目標，通過配套支撐系統(tǒng)的優(yōu)化改造及可靠性改造，并作為規(guī)劃實現(xiàn)無人值守站管理模式的標準，推動集中調(diào)控向高質(zhì)量發(fā)展。

2 遠控參數(shù)自控研究目標、內(nèi)容和技術路線

以典型合建壓氣站多型號燃驅(qū)壓縮機組為試驗點，收集分析壓縮機集中調(diào)控操作需求，開展技術調(diào)研，初步確定優(yōu)化方案并討論可行性，開展研究和試驗，編制一鍵設定自動調(diào)整技術方案。

2.1 研究目標

（1）優(yōu)化控制方法，實現(xiàn)進出口壓力目標值設定一步到位，解決中心調(diào)度員操作頻繁的問題，降低誤操作風險，提高工作效率。

（2）實現(xiàn)關鍵參數(shù)保護功能，機組自動調(diào)整時，控制邏輯與負荷調(diào)整相關的關鍵保護參數(shù)關聯(lián)，作為機組負荷調(diào)整的邊界條件，提升機組運行安全性。

（3）優(yōu)化負荷分配控制策略，解決不同廠家、不同機型、不同功率、不同驅(qū)動方式的壓縮機并聯(lián)運行的負荷分配不平衡問題。

（4）實現(xiàn)中心投用負荷分配功能，中心控制壓縮機組并網(wǎng)、退網(wǎng)，從啟機到負荷分配投用及自動加載全程無需壓氣站現(xiàn)場干預，實現(xiàn)壓氣站無人值守站建設目標。

（5）單臺機組跳機時剩余機組轉速保持，不增加剩余機組停機風險，提高運行穩(wěn)定性。

（6）實現(xiàn)機組增減提示報警功能，系統(tǒng)自動對比機組工況和控制目標值，給中心調(diào)度人員發(fā)出增減機組提示。

（7）探索實現(xiàn)負荷偏置功能，達到節(jié)能效果。

（8）針對有流量控制需求的壓氣站，探索目標流量控制方法。

（9）建立科學合理的壓縮機組遠程控制評價指標，實現(xiàn)壓氣站無人值守。

2.2 研究內(nèi)容

隨著技術引進和國產(chǎn)化，壓縮機遠程控制技術得到了應用。目前國內(nèi)外天然氣輸送壓縮機的遠程控制技術有以下4 種：

（1）基準負荷控制。固定部分機組負荷，一臺機組調(diào)負荷，該方式不穩(wěn)定、能耗高。

（2）等速控制。機組全部等轉速運行，要求機組型號、廠家、轉子性能完全相同。該方式技術簡單，不同性能壓縮機負荷分配不能投入。

（3）等流量控制?？刂茩C組的流量相同，控制算法過于簡單，不同性能機組不能投入負荷分配，遠程操控不穩(wěn)定，運行效率不高。

（4）動態(tài)優(yōu)化負荷控制。在壓縮機運行點等距的基礎上，動態(tài)優(yōu)化分配負荷，能實現(xiàn)全自動運行，提高機組和管網(wǎng)運行效率。負荷平衡按照需要改變每臺壓縮機的轉速以將每臺壓縮機保持在與相應喘振極限距離相等的點上運行。負荷分配通過一定技術手段（等距離、等比例、等速、等流量等）控制壓縮機組的運行，并通過動態(tài)優(yōu)化手段（工藝布置、偏置補償、效率平衡）實現(xiàn)機組自動平穩(wěn)運行，提高機組和管網(wǎng)運行效率。

由于原有各機組控制系統(tǒng)并不開放，就不能實現(xiàn)高級的優(yōu)化功能。如果中心調(diào)度人員不能隨時掌握每臺壓縮機組的運行效率（壓氣量與燃氣耗量之間的關系），僅追求壓縮機組運行點等距的運行方式是遠遠不夠的。而這種高級優(yōu)化方式的實現(xiàn)在原有封閉的軟/硬件平臺上是不可能實現(xiàn)的，只有開放的軟/硬件平臺才能進行高級優(yōu)化，實現(xiàn)壓縮機中控系統(tǒng)控制參數(shù)自動調(diào)整控制，才能真正得到效益。

2.3 關鍵技術路線

為了提高運行穩(wěn)定性、降低運行成本、提高管網(wǎng)效率，實現(xiàn)壓縮機中控系統(tǒng)控制參數(shù)自動調(diào)整控制、一鍵調(diào)整和優(yōu)化壓縮機遠控方式，已成為基本要求，并且隨著不斷的增輸，壓縮機配置越來越復雜，需要優(yōu)化負荷分配、參數(shù)自動調(diào)整控制得到越來越多的應用，需要掌握的關鍵技術：

（1）不同廠家、不同型號的機組負荷分配及負荷平衡控制技術。按照生產(chǎn)需要將總負荷分配到不同廠家、不同型號的壓縮機組上，負荷分配及負荷平衡控制技術，即將總負荷按照壓縮機運行點與喘振控制線的絕對距離，分配每臺壓縮機的負荷，保證壓縮機運行點到喘振控制線的距離相等。

（2）總負荷變化時自動加減載機組的控制技術。當總負荷發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)在機組允許的時間內(nèi)，（考慮到電驅(qū)和燃驅(qū)機組爬坡率要求不同，按15 min 計算，實際調(diào)試中按照現(xiàn)場情況調(diào)整），快速完成加減載的控制目標，并實現(xiàn)無出口匯管壓力擾動2%以內(nèi)。

（3）負荷偏置的計算技術。多機組并聯(lián)時，機組的布置位置、型號、驅(qū)動方式等，對機組負荷平衡都有一定影響，通過機組運行點到喘振控制線的距離相等，機組的效率不一定是最優(yōu)的，但是通過增加或減少偏置值，可以達到優(yōu)化的負荷平衡。

（4）控制算法的通用化、國產(chǎn)化。對控制算法的研究分析，將控制算法進行歸納總結，采用標準編寫程序，使控制算法在實現(xiàn)時就具有通用的特性，以便技術推廣。并且通過控制程序的標準化，實現(xiàn)控制程序的國產(chǎn)化。

3 控制參數(shù)自動調(diào)整控制功能

在典型合建壓氣站場安裝一套新的負荷分配控制系統(tǒng)，在新硬件平臺基礎上進行優(yōu)化，多臺機組同時運行時，調(diào)整機組運行轉速達到設定的總出口管線壓力，以實現(xiàn)生產(chǎn)需求；同時在滿足生產(chǎn)需求的情況下，調(diào)整每臺壓縮機的負荷，實現(xiàn)壓縮機組高效運行?？梢愿鶕?jù)生產(chǎn)需求調(diào)整運行的壓縮機組數(shù)量，達到每臺機組效率最大化，滿足油氣調(diào)控中心的技術需求。

3.1 壓力設定一步到位

步長優(yōu)化包含三項關鍵程序：①步長分解；②根據(jù)實測壓力反饋逐步臺階下發(fā)步長；③壓縮機升降速率限制。在程序中由比較計算器算出負荷區(qū)間，再由選擇器選擇單次下發(fā)的步進值，發(fā)給負荷分配控制器。當出站壓力反饋滿足一個步進值后，控制器再次下發(fā)下一個步進值，直至滿足壓力設定。

控制目標為大步長值設定后，轉速升降平緩、不增加停機風險，對管網(wǎng)擾動小。轉速升降平均速率≤30 r/min2,壓力設定后調(diào)整到位時間：平穩(wěn)運行階段≤60 min/（1 MPa）；超調(diào)值小于±0.05 MPa；穩(wěn)定工況下轉速波動范圍在±20 r/min。

比選兩種方案：方案1，一次函數(shù)，y=k（x-3965）+b；方案2，log 函數(shù)，y=-log（m）（x-3865）+b（圖3～圖4）。

圖3 一次函數(shù)

圖4 log 函數(shù)

除轉速和步長計算結果外，兩個函數(shù)中的其余均為可調(diào)變量。一次函數(shù)曲線計算結果步長值變化平緩，log 函數(shù)計算結果在低轉速時變化過陡，且一次函數(shù)調(diào)整變量操作更簡單。經(jīng)比選，選用一次函數(shù)進行步長優(yōu)化，將步長計算方法寫入MCP（Management Control Program）管理控制程序，同時對壓縮機組轉速升速速率做了限值，避免升速過快（＜30 r/min2）。

3.2 關鍵參數(shù)保護功能

控制目標為與機組負荷調(diào)整相關的關鍵保護參數(shù)，作為機組負荷調(diào)整的邊界條件。有參數(shù)達到高報警，機組停止升速；機組自動降速，當離開報警值區(qū)間，按時間設定，再次下發(fā)負荷調(diào)整命令；有參數(shù)達到高報警、機組不能繼續(xù)升速時，發(fā)出報警提示并上傳至調(diào)控中心監(jiān)控畫面。以典型合建壓氣站為例，設置有13 個關鍵參數(shù)，作為機組負荷調(diào)整的限制條件（表1）。

表1 關鍵參數(shù)保護功能

3.3 負荷分配控制功能優(yōu)化

控制目標為每臺機組能基本發(fā)揮最大出力，當一臺機組達到負荷極限時，不影響其余機組出力，其余機組負荷率≥90%。優(yōu)先使用“等喘振控制點距離”控制策略，滿足負荷平衡。

（1）故障停機時的保護。單臺機組跳機時，剩余機組保持當前轉速，負荷分配控制命令暫不起作用，剩余運行機組轉速不猛升。待重新投用負荷分配功能或重新給定壓力目標值時，負荷分配再起作用，從而不增加剩余機組停機風險。

（2）中心控制負荷分配投用/退出。調(diào)控中心可以遠程投用或退出負荷分配系統(tǒng)，通過增加站控系統(tǒng)-負荷分配MCP 控制盤間硬接線方式實現(xiàn)。

（3）單臺機組并/退網(wǎng)。增機、減機、切機操作時，通過并退網(wǎng)操作，無需現(xiàn)場輔助干預，通過增加站控系統(tǒng)—負荷分配MCP 控制盤間硬接線方式實現(xiàn)。

（4）負荷投用/退出無擾切換：投用時各機組不進入喘振工況；退出后，機組進入當前轉速控制模式。

3.4 并網(wǎng)操作關閉防喘閥

現(xiàn)場手動將單臺機組并網(wǎng)時，需待防喘閥關閉后，再投入并網(wǎng)（圖5）。如果進站流量偏低，新開機組進口流量不足（如B 點），防喘閥有一直不能關閉的現(xiàn)象，導致無法并網(wǎng)。通過優(yōu)化并網(wǎng)方法，由負荷分配計算器自動計算多機并聯(lián)運行防喘振裕度，根據(jù)計算結果（如A 點），先將新啟機組并網(wǎng)，再給新并網(wǎng)機組分配流量和提速，實現(xiàn)壓縮機自動并網(wǎng)。

圖5 并網(wǎng)操作關閉防喘閥

3.5 自動增減機提示

每臺機組能基本發(fā)揮最大出力，當一臺機組達到負荷極限時，不影響其余機組出力，其余機組負荷率≥90%。優(yōu)先使用“等喘振控制點距離”控制策略，滿足負荷平衡。

（1）增機提示如圖6 所示，一是機組負荷不能再提高（負荷率≥90%），且不能滿足壓力設定時；二是壓縮機性能曲線上工作點（A 點）進入阻塞工況無法繼續(xù)提高過流量時。

圖6 自動增減機提示

（2）減機提示：工作點（B 點）靠近喘振控制線（喘振裕度≤5%），即將進入喘振區(qū)，進口流量不足時。

3.6 遠控無需站場輔助人工干預

負荷分配盤MCP 硬接線接入站控系統(tǒng)PLC，實現(xiàn)負荷分配功能遠程投用、退出（圖7）。每臺機組的遠控使能命令通過硬接線由UCP 接入負荷分配盤MCP，再通過軟點傳給站控PLC，可實現(xiàn)單臺機組并網(wǎng)、退網(wǎng)。

圖7 機組遠控模式變化

4 考核實現(xiàn)指標

邏輯程序應保證安全、穩(wěn)定，滿足壓縮機組自動調(diào)整控制的需求，提出壓縮機組遠程控制評價指標應符合管道運行要求和相關標準。

（1）實現(xiàn)進出站壓力設定一步到位。在大步長值設定后，機組轉速調(diào)整平緩，平均速率變化≤30 r/min2；不增加停機風險，對管網(wǎng)運行擾動?。粔毫υO定后，調(diào)整到平穩(wěn)運行階段時間≤60 min；超調(diào)值小±0.05 MPa；輸量穩(wěn)定工況下轉速波動范圍±20 r/min 內(nèi)。

（2）機組根據(jù)進出站壓力設定自動調(diào)整時，控制邏輯與負荷調(diào)整相關的關鍵保護參數(shù)關聯(lián)，作為機組負荷調(diào)整的邊界條件。

（3）同時具備進站壓力控制和出站壓力控制兩種控制模式。

（4）負荷分配模式運行時，每臺機組能基本發(fā)揮最大出力，功率大機組補償功率小機組負荷，不額外增啟機組、增加功耗。但某臺機組先達到負荷極限時，不能影響其余機組出力，其余機組負荷率≥90%。

（5）單臺機組故障停機時，剩余運行機組轉速不猛升，不增加停機風險。

（6）負荷分配系統(tǒng)投用、退出操作無擾切換。投用時各機組不進入喘振工況，轉速變化變化≤30 r/min2；負荷分配系統(tǒng)退出后，機組進入當前轉速控制模式。

（7）實現(xiàn)調(diào)控中心遠控操作，從啟機到負荷分配系統(tǒng)投用無需現(xiàn)場干預操作，包括負荷分配系統(tǒng)投用/退出、單臺機組并網(wǎng)/退網(wǎng)等關鍵操作。操作指令接入SCADA 系統(tǒng)，并連接至中控畫面。根據(jù)進出站壓力設定值，負荷分配系統(tǒng)自動判斷機組運行臺數(shù)是否滿足壓力設定要求，給出機組增減提示。

5 結束語

為了優(yōu)化壓縮機組遠程控制，建設適應先進管網(wǎng)集中調(diào)控體系，通過對國內(nèi)外現(xiàn)有技術分析，對已投用站場現(xiàn)場調(diào)研，研究壓縮機優(yōu)化的負荷分配技術應用于不同機組廠家或相同廠家不同機型燃機驅(qū)動的壓氣站、電機驅(qū)動的壓氣站或兩種驅(qū)動方式混合的壓氣站，使得壓縮機組處于高效運行狀態(tài)，達到以人為本、高效可靠運行的生產(chǎn)管理模式。