基于獨立運行的海上平臺天然氣主機控制系統的提升改造

高金虎

(中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300459)

0 引言

有電站的海上平臺間均采用電力組網的運行模式，由一套電網能量管理系統[1](以下簡稱“EMS系統”)對電站內平臺的發電機進行負荷控制。某海上平臺共有5臺發電機組、2臺原油發電機、3臺天然氣發電機、其中天然氣發電機由于缺少調速、調壓接口而無法接受EMS系統的控制，機組的帶載功率主要受限于燃氣系統的供氣壓力，由于機組使用的是低壓氣，燃氣壓力值不穩定并且波動范圍比較大，無法保證機組在一個準確的帶載區間，導致供氣系統的壓力波動大以及火炬的放空量控制難度高。

1 改造方案

為徹底解決3臺天然氣發電機組網后的“游離”狀態，同時實現其燃氣調控模式、設定天然氣發電機加卸載的基準燃氣壓力值。當燃氣系統壓力值超過基準值時，按照比例設定值增加天然氣發電機的實時出力，增加天然氣消耗量，降低放空量；當燃氣系統壓力值降低時，按照比例設定值減少天然氣發電機的實時出力，減少天然氣消耗量，穩定燃氣系統壓力。組織EMS系統廠家、天然氣原動機廠家、天然氣發電機廠家、電力調度多次組會討論研究，提出天然氣主機控制系統的改造優化方案，主要包含以下三個方面。

1.1 發電機控制系統升級

對3臺天然氣發電機控制系統進行優化升級改造，改造后實現與EMS系統的通訊，具體改造內容如下：

(1)單臺天然氣發電機控制系統增加1塊8通道輸入通訊卡，并將其組態至天然氣發電機控制系統程序內；

(2)修改單臺天然氣發電機控制系統程序，增加EMS系統對發電機組的升速、降速、升壓、降壓四個硬線開關量信號接口；

(3)修改單臺天然氣發電機控制系統程序，增加EMS投入/切除硬線信號(開關量信號，投入時為1、切除時為0)；

(4)天然氣發電機控制柜增加EMS投入/切除旋鈕，當在天然氣發電機控制柜控制EMS投入時，天然氣發電機可以接受EMS系統的調速、調壓控制；EMS切除時，天然氣發電機不接受EMS系統的控制。

1.2 燃氣緩沖罐參數接入EMS系統

將燃氣緩沖罐壓力值轉換為4～20 mA模擬量信號，經過獨立的壓力變送器傳至EMS系統，不能同一個模擬量信號既傳給中控系統又傳給EMS系統。

1.3 EMS系統控制系統功能優化

經過適應性改造后的天然氣發電機控制系統，每臺天然氣發電機與EMS系統之間的硬線信號包括升速指令、降速指令、升壓指令、降壓指令、EMS系統投入/切除信號等。

在實現EMS系統調速、調壓功能的前提下，通過燃氣系統壓力變送器的模擬量信號反饋，實時提高或者降低天然氣發電機的有功出力[2]。天然氣發電機EMS系統調控與孤島模式自動切換，天然氣發電機在EMS系統調控運行模式下，一旦出現電網解列的運行工況，EMS系統將自動退出調控，3臺天然氣發電機自動切換至孤島運行模式，避免出現并列運行天然氣發電機組出現搶負荷而導致超頻停機的情況[3]。

當EMS系統調控功能投入后天然氣發電機應具備以下調節功能：

(1)油田內三臺天然氣發電機有功功率、無功功率等比例調節；

(2)油田間在網運行天然氣發電機有功功率等比例調節；

(3)油田間/油田內三臺天然氣發電機有功功率、無功功率調度調節(調度調節即為設定有功功率值定值的運行模式)；

(4)油田內三臺天然氣發電機燃氣模式根據燃氣系統的燃氣壓力值實時調控天然氣發電機組的有功功率。

2 改造方案實施

2.1 控制盤柜升級改造

天然氣發電機控制柜新增通訊卡, 并敷設通訊電纜到EMS控制柜，用來接入EMS系統調速、調壓、投入/切除、孤島模式切換等信號。相關模塊及線纜安裝完成后進行EMS系統離線狀態的模擬信號測試。

2.2 EMS系統升級優化

(1)天然氣發電機組自動調壓調速

EMS系統升級后，可實現對并入電網天然氣發電機的EMS系統控制，天然氣發電機組根據整體電網的用電負荷需求，對發電機組等比例進行調壓、調速。

(2)EMS系統調控模式自動轉孤島模式

EMS系統新增孤島模式判定程序，設定電力組網中的電網解列判定點位，當電網中的任意一個點位出現解列，EMS系統第一時間給天然氣發電機控制柜發送一個3 s的脈沖信號，使其在運行中的天然氣發電機由EMS系統控制/基載模式自動退出，自動切換為孤島運行模式。

(3)EMS系統根據燃氣壓力調節機組的功率

EMS系統新增天然氣發電機組根據燃氣系統壓力值(新增EMS獨立壓力變送器，如圖1所示)調節機組有功功率的程序，當燃氣系統的壓力值超過某個設定閾值，EMS系統將全部在線天然氣發電機有功出力上調，上調幅度根據天然氣壓力數值按比例給定。燃氣系統壓力低于設定閾值，EMS系統將全部在線天然氣發電機有功出力下調，下調幅度根據天然氣壓力數值按比例給定。

圖1 新增EMS獨立壓力變送器

根據EMS系統新增調控程序，對EMS系統進行相對應的監控、調控畫面升級，升級后的監控、調控畫面如圖2粗方框內所示。

圖2 EMS系統天然氣主機燃氣模式調控界面

3 改造效果確認

3.1 三種運行模式自動調控

項目改造實施后，實現了EMS系統與發電機控制系統的雙向交互通訊，成功地將天然氣發電機組控制系統接入到EMS系統中。通過測試，確認EMS系統對天然氣發電機組的調控均達到預期的效果。

等比例模式：設定平臺內、平臺間的發電機組的出力比值后，EMS系統根據天然氣發電機的最大負荷分配和電網電站出力的百分比實時調節天然氣發電機的功率，使每臺天然氣發電機組按比例帶載運行。

調度模式：通過設定功率調度值，EMS系統實現對單臺發電機組的有功功率、無功功率的定功率調節。

燃氣模式：在燃氣系統壓力大于設定閾值時，天然氣發電機組開始升速，到設定的最大出力時停止；在燃氣系統壓力小于設定閾值時，天然氣發電機組開始減速，降至最低帶載值時停止。

為避免機組的頻繁調頻、調壓造成電網的波動，設定燃氣壓力調整的下限值470 kPa、上限值510 kPa，使其穩定在40 kPa的穩壓區間；為避免機組的低載荷、過負荷，程序設定其最低1400 kW/最高3000 kW的出力區間；為避免突增/突卸負載造成電網的波動，設定單次調載30～50 kW，調載時間間隔15 s。

3.2 實現EMS調控與孤島模式自動切換

天然氣發電機控制系統提升改造完工后，對EMS系統增加電網解列判斷程序，測試電網出現解列工況時，EMS系統可以在幾十毫秒內把在線的天然氣發電機組退出EMS調控模式，徹底解決了天然氣發電機組因恒功率調載模式造成的互相搶負荷的問題，增加了機組運行的穩定性。

4 推廣價值

海上油田孤立運行的天然氣發電機組控制系統的提升改造項目實施后，徹底解決了小型天然氣發電機組并入電網后不受電網能量控制系統調控的難題，提升電網運行的穩定性。利用工藝系統燃氣壓力值控制天然氣發電機自動加卸載功能的成功投用，每日天然氣發電機組發電多利用0.5萬m3天然氣，每年多利用182.5萬 m3天然氣，實現不增加增壓設備的工況下最大可能利用火炬放空氣。項目應用為海上油田類似項目提供了應用實踐的案例，尤其為岸電入海后為海上油田透平發電機組的優化控制提供了借鑒。