二拖一燃氣-蒸汽聯合循環機組天然氣增壓機控制系統改造

段四春，房 倩，邱 上，王藝蕾，崔永軍（華能北京熱電有限責任公司，北京 100023）

0 引言

某公司二拖一燃氣-蒸汽聯合循環機組天然氣增壓機是CAMERON公司的齒輪增速離心式增壓機，采用6KV電機驅動，配備有變頻控制柜，增壓機額定轉速2975r/min，二級壓縮，原控制系統采用Allen-Bradley（簡稱AB）PLC系統，實現增壓機的就地操作、監控、聯鎖保護功能。因AB PLC控制系統的硬件和聯鎖保護用的現場儀表均沒有按照冗余設計，自2011年12月投入運行以來，多次因控制系統的DO輸出繼電器故障、控制主板或聯鎖儀表故障導致增壓機跳閘；再因AB PLC系統的開放性較差，檢修人員的日常維護工作（如強制信號、邏輯檢查、主保護傳動試驗、邏輯下裝、實時曲線分析等）較麻煩，運行人員無法通過操作員站對增壓機出口參數定值進行更改，只能通過就地的操作面板更改，而且操作及其繁瑣，無法對PLC內部邏輯進行查閱和實時監視；增壓機運行參數通過PLC通訊至主機DCS系統的控制器，頻繁出現通訊數據丟包，給聯合循環機組長周期安全運行帶來很大的影響。為降低工作風險，提高增壓機運行的可靠性、安全性，更好地實現人機交互和“一體化”控制，避免不同系統間的兼容風險，采用與主機控制系統（DCS）一體化進行增壓機控制系統的改造[1]。

1 現場設備及控制系統改造

1.1 現場儀表改造

主要是對保護聯鎖用的儀表進行冗余化改造，通過新增測量點的方式實現了增壓機出口壓力、出力流量以及潤滑油溫的信號冗余；把增壓機密封用的制氮機系統（原為就地PLC控制），改為DCS系統實現制氮機的啟動、停止和運行參數的監控；把天然氣計量系統原接入SIS系統改為通過LC卡接入DCS系統。

1.2 控制系統改造

拆除原AB PLC控制系統，采用與主機控制系統相同的Ovation 系統，對控制系統的供電電源、控制器以及控制網絡、操作員站均采用冗余配置。兩臺增壓機機組的實際I/O點近300點，聯鎖保護用的冗余信號分配在不同分支的不同卡件上。改造后的系統配置有1臺工程師站、1臺歷史站和3臺操作站（就地2臺，集控室1臺），這是由于增壓機組離集控室較遠，為了防止電纜損壞造成遠方無法操作，故在增壓機組附近就地設置2臺操作員站，工程師站和歷史站設置在集控樓的工程師站房間，1臺遠方操作站設置在集控室供運行操作，中間通過冗余的光纜進行連接。

2 增壓機控制策略優化

對增壓機進行控制，既要滿足2臺燃氣機組入口天然氣壓力需求，又要滿足啟動控制、防喘振控制、潤滑油泵等輔助設備的聯鎖保護控制的功能。其中，最重要的控制是增壓機防喘振控制，因增壓機運行時轉速極高（2000r/min以上），防喘邊界線的確定需要設備出廠參數和現場實際數據相結合，反復試驗才能確定，原控制邏輯采用PLC控制算法塊封裝，可讀性較差，此次改造對IGV和再循環閥的控制策略進行了優化。

圖1 增壓機壓力-流量關系圖Fig.1 The pressure-flow relational graph of booster

2.1 啟動控制

增壓機必須在滿足以下條件后才能允許啟動：

1）潤滑油溫、油壓、油位正常。

2）IGV關閉。

3）再循環開啟。

4）軸向位移、振動值正常。

先在DCS操作界面選擇工頻啟動或變頻啟動，再點擊啟動按鈕并確認后，向電氣控制柜發出合閘命令。

2.2 增壓機入口閥門控制

用來阻止增壓機停運時氣體流入增壓機。當增壓機不運行時，它是關閉的；當增壓機運行時，它是打開的。為防止增壓機啟動過程中“憋壓”，啟動指令發出并且出口門開啟后，再開啟入口門。

2.3 增壓機出口閥門控制

其作用是將增壓機與旁路氣源隔離。當增壓機不運行時，它是關閉的；當增壓機運行時，它是打開的。

2.4 出口排放閥控制

其目的是在超壓情況下，將氣體排放到安全的位置。當出現以下4種不同的情況時，排氣閥自動打開。其余時間，排氣閥關閉。

1）如果出口壓力超過給定的設定點。

2）運行時，如果入口壓力超過給定的設定點。

3）在“啟動”階段，如果入口壓力超過給定的設定點。

4）運行中，入口壓力高且增壓機振動超過報警值，開啟2s，泄放氣體。

2.5 防喘振控制

2.5.1 防喘控制原理

產生增壓機喘振的原因是由于在一定壓力下，空氣流過增壓機的流量太低。在這種情況下，氣流會在動葉片上出現分離，出口壓力下降，氣體在增壓機內反方向流動。因增壓機轉速非常高，重復性的喘振會造成葉片過熱并且導致增壓機本體嚴重損壞。

圖1顯示了增壓機的壓力和流量的關系。在啟動時，增壓機開始產生流量，運行點將跟隨橫軸移動，直到過程開始產生背壓。運行曲線根據IGV的設置和工藝要求變化，而運行點跟隨運行曲線向上移動。這條曲線表明：隨著壓力的增加，流量也會相應減少。如果不加控制，壓力就會增加，流量就會減少，直到增壓機喘振。圖1中的點代表增壓機容易發生喘振所在的點，通過四點來定位最后的喘振走向圖。通過圖1可以判斷出，在曲線的左上方區域為喘振的發生區域，在右下方為增壓機正常的運行區域[2]。

2.5.2 增壓機入口導葉（IGV）控制策略

IGV控制分為防電機過載控制回路和出口壓力控制回路。防電機過載控制主要的目的是為了保護電機，防止電機電流過載。當電機電流大于過載電流時，關小IGV，降低增壓機出力，減少電動機電流。增壓機出口壓力控制是通過調節IGV開度，保證增壓機出口壓力設定。即：當增壓機出口壓力小于設定值時，打開IGV；當增壓機出口壓力大于設定值時，關小IGV。IGV的開度指令應為上述兩種控制方式的最小值。

2.5.3 增壓機再循環閥控制策略

再循環閥的作用是為了建立和釋放增壓機出口壓力。在增壓機啟動過程中，有兩個控制回路，分別是增壓機出口壓力釋放回路和防喘控制回路。增壓機出口壓力釋放回路是為了保證增壓機工作安全性，設定值是建立在增壓機安全運行前提下而定的，其出口設定值要高于IGV對應的出口壓力設定值。在增壓機運行過程中，為保證增壓機出口建立壓力，允許再循環閥關閉。如果增壓機出口壓力超過設定值，再循環閥將開啟釋放增壓機出口壓力。防喘控制回路是為了保證增壓機運行工況在安全運行區間，主要是實時計算增壓機所需要體積流量Q/轉速N的喘振點值（Q/N）。為了增加安全裕度，增加防喘偏置，即：Q/N+偏置，作為設定值。在增壓機運行過程中，實時計算實際的Q/N值。如果Q/N值低于設定值，開啟再循環閥，增加增壓機流量，使其遠離防喘邊界；增壓機運行時再循環閥控制邏輯的兩個PID回路（出口壓力控制和Q/N防喘控制）實時計算后取大值，既防喘控制優先。

2.6 聯鎖停機控制

由于增壓機啟動過程中，增壓機的相關運行參數較高如軸向位移等，無法滿足啟動要求，因而增壓機的聯鎖保護定值采用分段式設計。根據增壓機所處的不同階段，分為啟動過程保護聯鎖定值和運行過程中的保護聯鎖定值，并進行自動切換。

2.7 手動停增壓機控制

本次改造后，有以下3種方式進行手動停增壓機。

1）正常停增壓機：在操作界面上逐步關小IGV，再循環自動開啟，達到預定位置后，按下增壓機停止按鈕并確認后執行增壓機停止程序。

2）DCS緊急停機：在操作界面上按下DCS緊急停增壓機按鈕并確認后，立即執行停止增壓機指令。

3）現場緊急停增壓機：當現場出現緊急情況或DCS停增壓機功能失效時，在現場控制柜按下“緊急停止”按鈕，直接動作去停止增壓機的電機。

2.8 甩負荷控制

當控制系統接收到由于燃氣輪機跳閘或過程中的其他流量減少而沒有使用壓縮氣體的信號時，就會發生甩負荷現象。當發生這種情況時，增壓機速度將降至最低運行值。IGV和循環閥將被調整到預設位置以快速減少流量。一旦IGV和再循環閥到達這些預設位置，它們將繼續自動進行正常PID控制，可在不引起增壓機喘振或跳閘的情況下自動調整IGV及再循環閥以滿足用戶側需求。

2.9 電動輔助潤滑油泵控制

增壓機系統設計電動輔助潤滑油泵有兩種用途：一是軸驅動主油泵在運行過程中的安全后備，二是在軸驅動油泵不能提供適當潤滑的情況下，在啟動過程中為齒輪箱供油。

在增壓機“運行”狀態期間，正常情況下，軸驅動的主油泵為齒輪箱提供足夠的潤滑。但是，如果主油壓力下降到報警設定值【＜1.2bar】以下，電動輔助潤滑油泵將自動啟動，以提供額外的油壓。直到收到復位信號【油壓＞1.6bar】，電動輔助潤滑油泵將自動停止。如果低油壓報警器返回，電動輔助潤滑泵將重新自動啟動。

當電動輔助潤滑油泵處于自動且油位處于適當的水平【油位＞250mm】時，自動啟動電動輔助油泵和排煙風機。

2.10 油加熱器控制

油加熱器的設計目的是在任何時候都保持最低的油溫。油加熱器是一個整體安裝的加熱器，它包含自己的集成恒溫器，該溫控器設置為26.6℃。內部恒溫器測量溫度，并在油溫低于設定值【油溫＜26.6℃】時啟動，油溫高于設定值【油溫＞31℃】時停止。

控制系統負責確保油加熱器在低油位（或系統中無油）時不會啟動。因此，控制系統邏輯將設計閉鎖條件，只有當油位處于適當的水平【油位＞250mm】時，才能為油加熱器提供動力，可防止油加熱器在系統中無油時加熱。

3 監視和控制

控制系統改造后的人-機界面非常符合運行操作習慣，操作簡單，大幅減少了運行人員的勞動強度和誤操作的可能。運行人員根據燃氣機組負荷變化可隨時修改增壓機出口壓力設定值，如燃氣機組低負荷運行時，燃氣輪機所配備的燃氣壓力控制閥會關小以控制燃燒器入口壓力，此時可降低增壓機出口壓力設定值，使增壓機IGV關小以達到減少增壓機電能消耗目的，同時燃氣輪機壓力控制閥會適當開大，減少壓力控制閥的節流損失。

4 結束語

在無外方技術員支持下，自主研究原AB PLC相關控制算法（為了保密，外方采用功能塊封裝技術），并利用DCS系統仿真技術，多次模擬，采用新型增壓機喘振控制偏置PID回路控制技術來防止增壓機喘振，改造后增壓機運轉正常，操作簡便，實現了全程一鍵啟停和自動調節，實現了與主機一體化控制，便于監控，是進口成套設備控制系統國產化過程中的一次有效探索。本次改造達到了預期目的，具有很好的示范效應和推廣價值。