GE壓縮機組負荷分配系統進站流量調節功能的實現與應用

魏國富，黃忠勝，馬彥寶，丁建輝

（國家管網集團 西部管道有限責任公司 生產技術服務中心，烏魯木齊 830000）

0 引言

近來年，國內長輸天然氣管道集中調控技術不斷發展，在油氣調控中心對管道各站場的工藝過程和設備運行參數進行實時監測，并對輸氣站關鍵設備進行遠程控制。壓縮機組作為天然氣長輸管道中最復雜、最核心的大型設備，正在逐步完善遠程一鍵啟停機及遠程負荷分配控制功能，而實現壓縮機組遠程運行調整和負荷分配功能對整個天然氣管網的資源合理配置和運行優化顯得越來越重要[1]。霍爾果斯壓氣站作為西氣東輸西二線和三線首站，壓縮機組的運行以控制中亞來氣流量為主，由于首站8 臺機組的負荷分配控制系統只有進出站壓力調節功能，無法實現精準、平穩的自動調節進站流量的功能，造成首站機組負荷控制系統無法滿足國家管網油氣調控中心遠控的需求。自主開展技術攻關，完成霍爾果斯首站負荷分配控制程序優化，實現首站壓縮機組遠程進站流量控制功能對國家管網壓縮機組遠程集中控制具有重要意義。

1 首站壓縮機機組負荷分配控制現狀及優化思路

長輸天然氣管道主要采用出口壓力作為負荷分配控制的工藝變量，同時負荷設定信號也通過入口壓力來限制，以防止壓縮機組入口壓力低于設定值[2]。霍爾果斯壓氣首站西二線和西三線分別有4 臺GE 燃驅機組，在二線和三線聯合運行工況下，二線機組和三線任意機組之間可實現聯合運行，由三線MSC 負荷分配系統進行機組間負荷分配控制，目前負荷分配控制系統已具備壓縮機進口壓力調節和出站壓力調節模式，可實現調控中心遠程、站控遠程和機組本地進出站壓力調節值設定，但尚未實現進站流量調節功能。壓縮機組負荷分配控制功能的投用后，調控中心通過SCADA 系統下發管網壓力設定值給首站壓縮機組MCS 系統。負荷分配控制器分別計算出管網進站和出站壓力與其設定點的偏差，通過比列-積分響應，解耦出流量負荷控制值。各臺機組根據壓縮機入口流量差壓信號、防喘閥閥位控制信號，耦合出當前運行的流量負荷值。將流量負荷值與實際運行流量負荷做差法運算，輸出升、降轉速指令。在調整壓縮機轉速時，當運行工作點遠離喘振控制線時，降速指令執行壓縮機組降速，升速指令執行壓縮機組升速和防喘閥關閥命令；當運行工作點靠近喘振控制線時，升速指令執行壓縮機組升速，減速指令執行壓縮機組降速和防喘閥開閥命令。負荷分配過程中，交叉了壓縮機防喘振控制計算，通過對壓縮機組轉速、防喘閥的調整，多臺機組達到負荷量的平衡，最終實現管網進出站壓力達到設定目標值[3]。

實現首站進站流量負荷分配控制功能，需要原負荷分配系統中新增流量調節PID 功能塊，流量PID 的PV 值需在西二、三線SCADA 系統程序中計算出總進站流量，同時SCADA 系統能遠程將進站流量調節設定命令下發到MCS系統中。在MCS 系統中，新增的流量調節PID 和原壓力調節PID 之間需進行人工選擇，且能實現流量和壓力調節模式切換過程中的無擾切換功能，實現流量調節模式下出站超壓后的自動保護切換調節模式的功能。

2 SCADA系統優化改造

2.1 站控系統SCADA系統改造

站控系統作為連接站控、中控調度監控的核心控制系統，具有接收壓縮機組遠控負荷調節命令、進站流量信號接入、與MCS 系統連接等重要功能，實現機組進站流量控制功能，需在霍爾果斯站站控系統程序進行以下改造：

1）在西二線工藝PLC 中新增運算程序，計算8 臺進站超聲波流量計中在用路流量計的瞬時流量總和，并對總和值進行濾波處理后，通過MSG 傳輸給西三線工藝PLC。對每一路流量計進行在用判斷，如果流量計下游電動閥為全關到位狀態，則判斷該流量計瞬時量為0，如果流量計下游電動閥為非全關到位狀態，則判斷該流量計為在用狀態。對8 路流量計瞬時量進行求和，對瞬時流量總量進行濾波處理，以當前瞬時量的70%和上一掃描周期（100ms前）瞬時量的30%的和作為濾波后的瞬時流量。新增MSG通信指令，通過MSG 將濾波后的二線瞬時量總和傳送給三線工藝PLC。

2）在西三線工藝PLC 中新增運算程序，計算三線8臺進站超聲波流量計中在用路流量計的瞬時流量總和，并對總和值進行濾波處理，并與二線傳給三線的流量進行求和計算后作為總進站流量值，組態模擬輸出模塊通道配置，將總進站流量硬線輸給機組MCS 系統，同時需將小時瞬時量轉化為天瞬時量，方便調度進行操作和調節。

3）在西三線工藝PLC 中新增中控、站控下發的進站流量調節設定命令、壓力調節和流量調節模式切換命令程序，實現站控和中控控制權限切換時命令的無擾切換和自動跟隨。同時，為防止中控或站控遠程設定值變化幅度過大而造成轉速波動過大，程序中實現設定值的步長運算邏輯，限制設定值輸出的變化幅度。

4）組態站控系統主備RCI，將負荷分配新增的總進站流量、流量設定輸出實際值、站控流量調節設定值、中控流量調節設定值、站控流量壓力調節模式切換命令、中控流量壓力調節模式切換命令、MCS 出站超壓自動切換到出站壓力調節模式反饋報警等通信點進行添加，并實現CIP、MODBUS、IEC 等通信地址的相互轉化。

5）在站控系統VIEWSTAR 系統數據庫中添加負荷分配相關的模擬量點和開關量點，并在原HMI 站操作壓縮機進出站壓力調節設定值界面新增畫面，新增畫面實現站控進站流量設定功能、站控流量調節和壓力調節模式切換功能、當前調節模式顯示功能、當前進站總流量、站控設定進站流量，以及實際輸出進站流行設定值等功能，并與原壓力設定HMI 相關畫面進行整合和優化。

6）組態西三線工藝PLC 的I/O 模塊通道，完成與MCS系統之間通信的遠程流量調節設定值和進站總流量2 個AO信號回路接線，完成調節模式切換命令DO 信號回路接線，完成調節模式保護切換報警反饋DI 回路接線。

2.2 中控系統SCADA系統改造

中控系統需在數據庫中添加負荷分配相關的模擬量點和開關量點，并在原HMI 操作員站的操作畫面上新增進站流量負荷分配控制畫面，新增畫面實現站控進站流量設定功能、站控流量調節和壓力調節模式切換功能、當前調節模式顯示功能、當前進站總流量、站控設定進站流量以及實際輸出進站流行設定值等功能，并與原壓力設定HMI 相關畫面進行整合和優化。

3 機組MCS系統優化改造

機組MCS 系統需要對原負荷分配控制程序進行改造優化，實現進站流量調節功能，主要需要改造的內容有以下幾方面：

1）在MCS 系統空閑的I/O 通信上完成與SCADA 系統之間通信的遠程流量調節設定值和進站總流量2 個AI 信號回路接線，完成調節模式切換命令DI 信號回路接線，完成調節模式保護切換報警反饋DO 回路接線。

2）修改MCS 系統程序。在ANALOG_SCALE 子程序中組態與SCADA 系統硬線通信點的信號輸入與輸出變量。修改LOADSHARING 子程序，增加機組就地狀態和遠控狀態下遠程流量調節設定值和機組HMI 就地流量調節設定值的切換邏輯，增加實際流量設定值、流量實時值量程轉換和數據類型轉換。新增出站超壓保護自動切換至壓力調節模式程序，當機組出站壓力大于設定壓力時，負荷分配控制模式自動切換到出站壓力調節模式。新增流量調節PID程序，連接流量PID 上的SP 和PV 值，組態流量PID 的內部參數設置，流量調節PID 程序如圖1 所示。修改原入口壓力調節PID、出站壓力調節PID 和流量調節PID 程序，在壓力調節模式下流量調節PID 置為手動輸出值跟隨壓力調節PID 計算值，在流量調節模式下壓力調節PID 置為手動輸出值跟隨流量調節PID 計算值，實現流量調節和壓力調節模式無擾動切換功能。增加負荷分配最終輸出值選擇程序，即當在流量調節模式時將流量PID 計算值輸出給各臺機組UCS 系統，當在壓力調節模式時將入口壓力PID 和出站壓力PID 二者比較的小值輸出給各臺機組UCS 系統。

圖1 新增流量調節PID程序Fig.1 New PID program for flow adjustment

3）在MCS 系統以太網全局變量中，加入需和壓縮機組HMI 通信的數據點，為本地HMI 操作和監視進站流量調節負荷分配功能預留通信點。

4 單臺機組控制程序優化

優化首站各機組Mark VIe T40 控制程序，將PC_LoadCtrl 程序中負荷分配控制機組升、降轉速功能塊的死區設定參數K60LC_DB 進行優化，由原程序中1.5 修改為5.0，解決機組投入負荷控制后轉速波動較大的問題，Mark VIe T40 中死區參數優化程序如圖2 所示。

圖2 MARK VIe T40程序死區參數優化Fig.2 MARK VIe T40 Program dead zone parameter optimization

5 負荷分配功能測試

負荷分配控制系統程序優化完成后，進行機組負荷分配新增進站流量調節功能測試，主要測試內容及結果如下：

1）新增進站流量調節負荷分配功能測試。在首站西二線2#機組、三線2#機組和三線3#機組投入進站流量控制負荷分配后，進站流量控制平穩，機組轉速控制平穩。調整進站流量設定值后，提升或降低1000 萬立方進站流量值，負荷分配控制程序能在7min 內可調節到量。且由于Mark VIe T40 控制程序死區參數的優化，機組投入負荷分配后，燃機及壓縮機轉速波動大幅減小。測試過程中二線和三線進站總瞬時流量趨勢如圖3 所示，2#和3#壓縮機轉速趨勢如圖4 所示。

圖3 測試過程中進站總流量趨勢Fig.3 Trend of total inbound traffic during the test

圖4 測試過程中壓縮機組轉速趨勢Fig.4 The trend of compressor unit speed during the test

2）測試切機過程中負荷分配調節功能。在啟西二線4#機，停西三線2#機，切機過程西二線2#機組和西三線3#機組投用負荷分配，切換完成后西二線4#機組投入負荷分配，切換過程中流量有小幅波動，完成切機后能立即調整到設定值。

3）測試壓力調節模式和流量調節模式手動切換功能。在SCADA 系統下發調節模式切換命令，MCS 系統能正常在壓力調節模式和流量調節模式之間切換，且在切換過程中，PID 輸出值能平滑過渡，壓縮機組轉速無擾動。

4）出站超壓保護切換功能測試。在流量調節模式下，如果出站壓力設定值小于實際出站壓力，則MCS 程序自動切換到壓力調節模式，將出站壓力控制在設定值。當出站壓力小于設定出站壓力后，可手動切回進站流量調節模式。

6 結束語

霍爾果斯首站壓縮機組進站流量調節負荷分配程序優化通過對中控系統、站控系統、MCS 系統和機組UCS 系統的改造和優化，實現了國家管網油氣調控中心遠程精確控制西二線、三線霍爾果斯首站日進站流量功能，解決了原負荷分配調節時壓縮機組轉速波動大的問題。霍爾果斯首站負荷分配進站流量調節功能的投入運行，改進了調控中心對霍爾果斯首站壓縮機負荷和運行狀態控制模式，有利于實現西二線和西三線中亞管道來氣輸量的精準自動調節，對整個管網的平穩運行具有積極作用。