西氣東輸離心壓縮機負荷控制系統的研究

王小平，蔣 平，翁正新

0 引言

西氣東輸是我國重要的能源輸送動脈之一，對我國的經濟發展和國民生計具有舉足輕重的影響。西氣東輸一線干線擁有46臺30MW級燃氣輪機驅動的壓縮機組（簡稱燃驅壓縮機組），其燃氣發生器都是航改型發動機核心機衍生產品，中修和大修都要返廠進行檢修，成本和費用非常昂貴。

燃驅壓縮機組正常運行過程中會受到各種條件的制約，不同工況、不同外界條件、不同控制方式下機組的運行方式也存在多樣性。但是無論哪種運行方式，離心機械轉速、燃氣排氣溫度等重要參數在一段時間內都應保持在平穩水平或緩慢變化，因此運行過程中應合理操作，避免機組負荷調節過快，機組工作點波動過大等情況對燃氣輪機壽命的影響。

加拿大Liburdi Turbine Services公司對我國西氣東輸實時數據進行了分析，他們的數據分析報告指出[1]：西氣東輸燃驅壓縮機組在自動控制方式下，部分參數極不穩定，呈現出周期性的振動特性。部分 GE燃氣輪機轉速波動范圍為100-200rpm，壓縮機轉速波動范圍超過 200rpm，燃機出口溫度波動范圍超過100℃，某些工況下甚至接近200℃。

眾所周知，周期性的轉速變化使發動機部件一直處于循環載荷狀態，這將加速發動機損耗并縮短其使用壽命。周期性的溫度變化將導致發動機部件處于循環熱應力狀態，發動機葉片熱防護涂層更容易遭到腐蝕和損壞，更容易導致高溫部件疲勞破壞，縮短燃氣輪機熱部件壽命。此外，一些機械部件，如燃料調節閥開度在5%-13%的幅度頻繁調節，會導致燃料調節閥不必要的磨損。

因此，解決燃氣輪機關鍵參數波動現象，使燃氣輪機長期處于一種平穩運行狀態，對保證燃氣輪機運行的穩定性、延長壽命、避免熱部件因疲勞損傷產生重大故障都有積極意義。

本文對GE燃驅壓縮機的負荷控制系統進行深入剖析，分析燃氣輪機轉速與排氣溫度出現周期性振蕩的原因，并給出解決方案。

1 離心式壓縮機原理與特性

壓縮機是把原動機的機械能轉變為氣體能量的一種機械。離心式壓縮機中氣體壓力的提高是氣體流經葉輪時，葉輪旋轉，使氣體受到離心力的作用而產生壓力；與此同時氣體獲得速度，當氣體流過葉輪、擴壓器等擴張通道時，氣體的流動速度逐漸減慢，從而導致氣體壓力的提高[2]。離心式壓縮機的壓縮比（出口壓力Pd與入口壓力Ps之比）與入口氣體容積流量Qs之間的關系曲線如圖1所示：

圖1 離心式壓縮機特性曲線

其中ni(i=1,2,3,4)是離心式壓縮機的轉速。

喘振和阻塞是離心式壓縮機的兩個極限工況。所謂喘振是當離心壓縮機流量減小到某一值時，壓縮機出口壓力突然下降，管網中的壓力大于壓縮機的出口壓力，出現倒流，直到管網的壓力降低到壓縮機的出口壓力以下，這時壓縮機又恢復正常的工作，以較大的排量向管網排氣，管網中的壓力又隨之升高，壓縮機出口流量又減小，再次出現倒流現象，這樣周而復始在整個壓縮機管網系統中產生周 期性的劇烈振蕩。阻塞是當壓縮機流量增加到一定值時，壓縮機葉輪對氣體所做功全部用于克服流動損失，氣體壓力不再升高的現象。在壓縮機操作范圍內的每一個轉速下，都有唯一的喘振點（圖1中的A點）和阻塞點（圖1中的B點），所有喘振點的軌跡形成喘振極限曲線，所有阻塞點的軌跡形成流量極限曲線[2][3]。

2 GE燃驅壓縮機負荷控制系統的分析

如圖2所示：

圖2 離心式壓縮機負荷控制系統示意圖

GE燃驅壓縮機負荷控制系統示意圖，該系統由內、外兩個環組成，內環為流量環（用壓縮機入口處流量計兩端的壓差來表示流量，單位為psi），其主要作用是抑制負荷波動的影響；為了削弱測量噪聲的影響，內環中還引入了死區非線性。外環采用PI控制，其主要作用是穩定輸出壓力，減少穩態誤差。

壓縮機負荷控制系統的原理結構框圖，如圖3所示：

圖3 負荷控制系統原理結構框圖

出口壓力設定值a63pgd_set與實際值a63pgd進行比較，產生偏差信號。PI控制器基于該偏差信號計算出流量環（內環）的指令信號a60lc_set，該信號與壓縮機入口等效流量計兩端的壓差信號a60lc_measw進行比較，流量控制器根據此比較結果和死區范圍k60lc_db來控制燃氣輪機轉速的升降，進而調節離心壓縮機的流量和出口壓力。

壓縮機入口附近各流量的關系，如圖4所示：

圖4 壓縮機入口處流量關系圖

圖中 a60gs為壓縮機入口流量計兩端的壓差，a60lc_measw為入口處等效流量計兩端的壓差，Win為入口容積流量，Wc為壓縮機入口容積流量，Was為循環氣容積流量，a20asx為壓縮機循環氣閥控制信號，當a20asx=0時，循環氣閥完全打開，a20asx=100時，循環氣閥完全關閉。由圖4可知

流量計兩端的壓差與流量的平方成正比，即：

式中K為常數。將（2）式和（3）式代入公式（4）得

上式即為壓縮機入口等效流量計兩端壓差的計算公式。

3 GE燃驅壓縮機負荷控制系統的改進

3.1 負荷控制系統中存在的問題

西氣東輸某壓氣站#1號機組某日14:40至15:25的歷史數據，如圖5所示：

圖5 某燃驅壓縮機現場數據趨勢圖

圖中a63pgd為壓縮機出口壓力，單位為psi，NPT為燃氣輪機動力渦輪轉速，單位為rpm，T48SEL為燃氣發生器排氣溫度，單位為華氏度。通過對歷史數據的分析可知，正常運行階段，NPT波動的峰谷值為 230rpm，T48SEL波動的峰谷值為72℉（39℃），振蕩周期均為4.8分鐘。這種周期性的轉速變化使發動機部件一直處于循環載荷狀態，這將加速發動機損耗并縮短其使用壽命。周期性的溫度變化將導致發動機部件處于循環熱應力狀態，發動機葉片熱防護涂層更容易遭到腐蝕和損壞，更容易導致高溫部件疲勞破壞，縮短燃氣輪機熱部件壽命。因此分析這種周期性波動現象產生的原因，并加以改進十分必要。

3.2 關鍵參數周期性振蕩的原因及改進措施

為了分析燃驅壓縮機組關鍵參數出現周期性振蕩的原因，如圖6所示：

圖6 流量環等效框圖

可將圖3中的內環（流量環）等效為圖6所示的非線性系統。圖中非線性部分為帶有死區的繼電特性， D為死區寬度，可通過參數k60lc_db進行設置。G(s)為等效的線性部分的傳遞函數，其沒有位于右半S平面的極點。

非線性部分的描述函數為[4]

式中M為輸入信號m(t)的幅值。為了利用描述函數法分析系統的穩定性，將負倒幅相特性- 1N(M)和線性環節的頻率特性G(jω)畫在同一張圖上，如圖7所示：

圖7 -1 N(M) 和G(jω) 曲線

根據穩定性判據，當G(jω)軌線不包圍- 1N(M)軌線時，系統是穩定的（如圖7曲線①）。當G(jω)軌線與- 1N(M)軌線相交時，有兩個交點，其中一個為穩定的自激振蕩點，一個為不穩定的自激振蕩點（如圖7曲線②）。

基于以上分析可知，圖5中關鍵參數出現周期性等幅振蕩的主要原因是由于系統內環出現了穩定的自激振蕩（即極限環）。為了消除這種周期性的等幅振蕩現象，應該使-1N(M)軌線不被G(jω)軌線所包圍。為此，可采用如下方案之一：

（1） 適當增大死區范圍D，使得圖7中的A點左移。

（2） 通過改變內環中的其它可調參數將G(jω)軌線移至A點的右側。

在實際調試中，以上兩個方案可以配合使用。具體調試步驟為：首先優化內環參數，使內環穩定，然后再調整外環控制參數，使系統滿足性能指標要求。依據上述方案，本文對西氣東輸某壓氣站#1號機組進行了參數優化，具體參數設置如下：

如圖8所示：

圖8 改進后的現場數據趨勢圖

優化后某日上午10:50 至11:30的現場數據趨勢圖，由圖可見，正常運行階段，NPT波動的峰谷值小于 20rpm，T48SEL波動的峰谷值小于5℉（3℃），系統沒有出現大幅度的周期性振蕩現象。在進行機組負荷調整時，各個量雖出現了超調，但最大超調量很小，而且調整時間較短，響應速度快。

4 結論

本文深入剖析了西氣東輸壓氣站離心式壓縮機組的負荷控制系統，利用非線性控制理論，分析了GE燃驅壓縮機組負荷控制系統關鍵參數出現大幅度周期性振蕩的原因，給出了相應的解決方案，為西氣東輸燃驅壓縮機組的平穩、可靠、經濟運行，提供了技術保障。此外，本文的研究成果對于其它用途壓縮機組的控制也具有很好的借鑒作用。

[1]West J, Leduc M, Marson E. CEHM data analysis report for West East Pipeline Corporation,[R]Liburdi Turbine Services Inc., 2011

[2]A.埃利.尼森費爾德著，離心式壓縮機操作與控制原理，[M]機械工業出版社，1988

[3]王傳鑫，離心壓縮機綜合控制方法研究，[D]大連理工大學博士學位論文，2010

[4]田作華，陳學中，翁正新，工程控制基礎，[M]清華大學出版社，2009