天然氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)研究

趙越

摘要：在大型天然氣管網(wǎng)輸氣系統(tǒng)中，輸氣管網(wǎng)需要從多個(gè)天然氣產(chǎn)區(qū)向所有的用戶輸送天然氣，還要對(duì)地下的天然氣儲(chǔ)氣田進(jìn)行補(bǔ)氣和抽氣。為了滿足天然氣資源優(yōu)化調(diào)配，調(diào)控中心需要經(jīng)常對(duì)各條管線輸氣量進(jìn)行調(diào)整，工作量龐大，對(duì)于實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的遠(yuǎn)控功能具有非常強(qiáng)烈的需求。基于此，本文主要對(duì)天然氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：天然氣壓縮機(jī)；自動(dòng)控制；技術(shù)研究

1 前言

長(zhǎng)輸天然氣管道壓縮機(jī)的功能是給天然氣增壓以維持所要求的輸氣流量，操作控制方式分為遠(yuǎn)程控制和就地控制。因?yàn)樵O(shè)備、控制邏輯等因素，目前大部分站場(chǎng)仍采用中心調(diào)度下令，現(xiàn)場(chǎng)人員就地操作的落后調(diào)控模式，造成管道現(xiàn)場(chǎng)需配置大量的人力用于管道的監(jiān)視與操作。為了確保輸氣管網(wǎng)運(yùn)行控制的靈活和可靠，需要設(shè)計(jì)一種控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)的復(fù)雜控制和操作。

2 控制功能要求

壓縮機(jī)站的控制系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)要求所必須滿足的功能要求包括：①防喘振控制，當(dāng)完全關(guān)閉1個(gè)子站的入口或出口切斷閥時(shí)，控制系統(tǒng)的響應(yīng)必須做到不讓任何一臺(tái)壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振。當(dāng)同時(shí)完全關(guān)閉1個(gè)子站的入口和出口切斷閥時(shí)，控制系統(tǒng)的響應(yīng)必須做到不讓任何一臺(tái)壓縮機(jī)喘振超過一次；②出口壓力控制，在穩(wěn)定操作狀態(tài)下，出口壓力與設(shè)定點(diǎn)的偏差不能超過0.5%；③負(fù)荷分配控制，當(dāng)將一臺(tái)壓縮機(jī)投入系統(tǒng)或退出系統(tǒng)時(shí)，控制系統(tǒng)要在小于30min的時(shí)間內(nèi)，重新建立穩(wěn)態(tài)操作，使所有壓縮機(jī)均衡加載（在1%范圍內(nèi)）；④燃?xì)廨啓C(jī)速度控制，在穩(wěn)定狀態(tài)下，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速與其設(shè)定點(diǎn)之間的偏差不能超過0.5%；⑤燃?xì)廨啓C(jī)限幅控制，當(dāng)提高速度設(shè)定點(diǎn)時(shí)，在燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度已經(jīng)比它的限幅控制門檻值高出其傳感器量程的0.5%以后，或出口壓力已經(jīng)比它的限幅控制門檻值高出其傳感器量程的0.1%以后，控制系統(tǒng)不允許速度再繼續(xù)升高。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 燃?xì)廨啓C(jī)溫度限幅

由于測(cè)量燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度（EGT）的熱偶固有時(shí)間滯后，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度限幅控制回路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)會(huì)顯著變壞。為了對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行更加有效地操作并增加燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力，控制器采用了一種預(yù)估溫度限幅的算法，當(dāng)EGT超過門檻變量（此變量為由氣體壓縮機(jī)出口壓力和EGT升高速率所構(gòu)成的函數(shù)）時(shí)，預(yù)估溫度限幅的算法將會(huì)取代速度控制回路。

3.2 壓縮機(jī)防喘振控制

為了減少回流量而不冒壓縮機(jī)喘振的危險(xiǎn)，防喘振控制器使用開環(huán)和閉環(huán)響應(yīng)對(duì)喘振接近變量的變化率作出反應(yīng)。當(dāng)壓縮機(jī)安全地運(yùn)行在遠(yuǎn)離其喘振極限的位置時(shí)，使用一種簡(jiǎn)單的比例-積分（PI）響應(yīng)來(lái)減少回流量；當(dāng)壓縮機(jī)操作在喘振控制線上，并且有小的、緩慢的擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，防喘振控制器就會(huì)增加回流量。大的、快速的擾動(dòng)首先通過增加安全裕度來(lái)抵消，增加安全裕度后，PI響應(yīng)隨后快速打開回流閥。如果這樣一個(gè)擾動(dòng)使運(yùn)行點(diǎn)越過喘振控制線，那么回流閥將快速地、階梯性地打開，這樣通常就可以防止壓縮機(jī)達(dá)到其喘振極限值。如果這些響應(yīng)還不足以防止喘振的發(fā)生，那么需增加一個(gè)穩(wěn)態(tài)的安全裕度。

為了減小防喘振控制動(dòng)作對(duì)站出口壓力的影響，性能控制器使用前饋算法自動(dòng)調(diào)整速度設(shè)定點(diǎn)以適應(yīng)回流量的變化。另外，當(dāng)壓縮機(jī)正在啟動(dòng)、停車、加載及卸載時(shí)，防喘振控制器按照需要自動(dòng)設(shè)定回流閥的開度以防止喘振及阻塞的發(fā)生。但以前的系統(tǒng)在這些狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，唯一的選擇是將回流閥全開或全關(guān)。前者將導(dǎo)致阻塞流量或回流管線壓力過高，而后者常常會(huì)導(dǎo)致喘振。

3.3 預(yù)估壓力超馳控制

壓縮機(jī)控制器包含一個(gè)壓力超馳特性作用，它能夠通過增加回流量來(lái)響應(yīng)站出口壓力的變化。此外，當(dāng)出口壓力達(dá)到壓力最大值時(shí)，它還能夠?qū)⒒亓鏖y完全打開。這不僅能夠防止出口壓力超限，從而允許操作更靠近管線壓力極限，而且還能夠在極端的情況下防止喘振的發(fā)生。

3.4 負(fù)荷分配

壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)使用兩種互補(bǔ)的控制響應(yīng)，在1個(gè)站上調(diào)節(jié)和分配所有的負(fù)荷。性能控制響應(yīng)按照需要同時(shí)提高或降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持設(shè)定點(diǎn)的壓力或流量。在低流量工況下，為了應(yīng)對(duì)負(fù)荷的進(jìn)一步減小，它還能夠增加回流量。負(fù)荷平衡響應(yīng)通常按照需要改變每臺(tái)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，以將每臺(tái)壓縮機(jī)保持在與相應(yīng)喘振極限距離相等的點(diǎn)上運(yùn)行。在所有的壓縮機(jī)同時(shí)達(dá)到喘振控制線之前，這種作用可以防止不必要的回流。

3.5 主性能控制

對(duì)于1個(gè)壓縮機(jī)站來(lái)說(shuō)，性能控制在站主控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，站主控制器計(jì)算出口壓力、壓縮比，或流量與其設(shè)定點(diǎn)的偏差的比例、積分、微分（PID）響應(yīng)，并將此響應(yīng)傳遞給負(fù)荷分配和防喘振控制器。每臺(tái)負(fù)荷分配控制器將接收到的站主控制器的響應(yīng)變化，按一定比例來(lái)改變驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)的速度設(shè)定點(diǎn)，從而提高或降低壓縮機(jī)的流量及壓縮比。然后負(fù)荷分配響應(yīng)按照需要微調(diào)速度設(shè)定點(diǎn)，使壓縮機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)和喘振控制線的距離與同一子站其他的壓縮機(jī)相同。

3.6 負(fù)荷平衡

并聯(lián)的負(fù)荷平衡實(shí)現(xiàn)方法是：每臺(tái)負(fù)荷分配控制器計(jì)算1個(gè)負(fù)荷變量，此負(fù)荷變量是壓縮機(jī)喘振偏差的線性函數(shù)，然后主控制器計(jì)算這些壓縮機(jī)負(fù)荷的平均值。每臺(tái)負(fù)荷分配控制器根據(jù)本身的負(fù)荷與所有負(fù)荷平均值的偏差，計(jì)算出1個(gè)PID負(fù)荷平衡響應(yīng)，并把它增加到由主性能控制響應(yīng)計(jì)算出的總的速度設(shè)定點(diǎn)上。其結(jié)果是調(diào)整每臺(tái)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，直到所有壓縮機(jī)的操作點(diǎn)與喘振控制線的距離相同。

3.7 自動(dòng)加載和卸載

壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的另一個(gè)重要作用是對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行自動(dòng)加載和卸載。當(dāng)1個(gè)壓縮機(jī)站只使用部分性能時(shí)，新系統(tǒng)將總流量與站上單臺(tái)壓縮機(jī)的性能及所有壓縮機(jī)的總性能進(jìn)行對(duì)比，并提供提示信號(hào)，告知什么時(shí)候需要啟動(dòng)或停掉1臺(tái)壓縮機(jī)。系統(tǒng)還能夠在這些壓縮機(jī)的啟動(dòng)、停車、加載或卸載過程中提供時(shí)序控制，并在這些過程中根據(jù)需要自動(dòng)對(duì)回流閥進(jìn)行定位，以防止在上述過程中出現(xiàn)喘振和阻塞。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著長(zhǎng)輸天然氣管網(wǎng)全面鋪開建設(shè)，調(diào)控中心急需對(duì)壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，在遠(yuǎn)程控制改造過程，要全面考慮投入運(yùn)行的穩(wěn)定性、精確性、易操作性。壓縮機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)推廣，對(duì)長(zhǎng)輸天然氣管道的統(tǒng)一監(jiān)控管理意義重大。

參考文獻(xiàn)

[1]程瑜瑾，張楨.用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)石油氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制的方法[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，2012，8：117.