壓氣站壓縮機組負荷分配方案分析與實現

曹開華，邢 通

（中國石油工程建設有限公司，北京 100120）

隨著國民經濟的發展，國內對天然氣需求與日俱增，為滿足國內巨大的天然氣需求，建設了西氣東輸管線，同時將管線延長到了中亞國家的天然氣原產國，全線設置了大量的壓氣站，壓氣站內一般設置多臺同型號的壓縮機組，部分壓氣站根據建設需要也設置了兩種或以上型號的機組，機組并聯運行，根據下游負荷需求情況共同承擔輸氣任務。由于下游用戶負荷的季節變化、晝夜變化及線路各站運行調整，壓氣站需要配備一套負載分配系統來實現負荷的實時調整，提高壓氣站內各機組的運行效率，降低操作風險。

1 典型壓氣站工藝

1.1 主工藝流程

圖1 基準負荷分配法工作特性曲線Fig.1 Working characteristic curve of benchmark load distribution method

長輸天然氣管道在輸送天然氣過程中由于管道的摩擦阻力及地形高差等原因，管道輸送壓力在一定距離后會形成一定的壓力降，為提高長輸管道的輸送能力，需要在一定距離間隔內設置壓氣站進行增壓。其主要工藝流程為天然氣過濾分離，壓縮機組增壓，空冷器冷卻后輸往下游站場。由于離心式壓縮機具有輸量大、結構簡單、運轉可靠，使用壽命長等優點。因此，壓氣站壓縮機一般采用離心式壓縮機組，驅動設備可根據情況選擇燃氣輪機或者電驅。

1.2 壓氣站壓縮機組運行方式

壓氣站壓縮機組根據下游的需求，既可以選擇單臺運行也可以多臺并聯運行。由于多臺機組共用進氣和排氣總管，并聯各機組的進氣和排氣壓力相等，壓氣站根據運行需要可以采用壓縮機組進口壓力、出口壓力或外輸總流量作為工藝控制變量，工藝控制的輸出作為驅動機器如燃氣輪機燃料調節閥或高壓變頻器的輸入，通過驅動機轉速控制使壓縮機負載實時調整。

2 3種負荷分配控制方案比較分析

根據壓氣站的控制目標，長期以來人們總結出了3種不同的負荷分配控制辦法，即基本負荷分配法、流量均分法和等喘振裕量法，下面對以上3種負荷分配控制辦法從原理上進行比較分析。

2.1 基本負荷分配法

根據壓氣站負荷的變化規律將一臺或多臺機組完全加載至無回流運行，機組工作點遠離喘振控制線，并固定其轉速，將其作為基本負荷機組。壓氣站負荷調整通過調節機組轉速控制來實現。當調節機組的負荷較低時，調節機組可能進入喘振控制區，喘振閥打開，部分回流，如圖1工作點QA1。為減小調節機組的回流，需要降低基準機組轉速（工作點由QA2轉移到QB2），將部分負荷分配給調節機組，減小或消除調節機組的回流（工作點由QA1轉移到QB1）。

圖2 流量均分負荷分配控制方案Fig.2 Flow equalization load distribution control scheme

由于調節機組在低負荷時將工作在部分回流狀態，大量能量消耗在回流上，所以基本負荷分配法是一種低效的負荷分配控制。由于用戶負荷變化，為改善調節機組的運行狀態，需要操作員頻繁調整機組工作點，操作難度較大，故該分配方法僅適用于機組臺數少，負荷穩定的站場。當負荷變化時只有調節機組來承擔負荷擾動，調節機組運行的工況最惡劣，發生喘振的風險大。

2.2 流量均分負荷分配法

從機組輸送流量的角度出發，為均衡分配站內機組的負荷，可將各站場對外輸送的流量平均分配到每臺機組，將機組外輸的流量作為控制變量，實現負荷平衡分配的目的。典型的等流量負荷分配方案如圖2所示，為測量機組外輸流量，需在每臺機組的輸入、輸出管上設置流量計，機組外輸流量等于輸入與機組流量之差，每臺機組的流量調節PID的輸出結果作為機組調速器的設定值。為保持出站壓力穩定，可將出站口壓力與機組流量調節控制器構成串級控制。

該方案從理論上適用于完全相同的機組，但實際上完全相同的機組并不存在，哪怕是同一廠家同一機型也有不同的性能曲線，按照等流量運行時有的機組可能運行在喘振控制線右側，但是其他機組可能已進入喘振控制區，等流量負荷分配不適用于不同機型的機組。由于采用壓力的串級控制，機組對輸出壓力的控制響應慢，出站壓力控制性能差。機組出口和入口的流量計不但增加了設備投資，而且增加了運行能耗損失，經濟性差。

2.3 等喘振裕量[2]負荷分配法

前述的基本負荷分配法和流量均分負荷分配法，不可避免地會使負荷分配組內的某些機器進入喘振控制區，使某些機組運行在最惡劣的工況下，增大喘振風險。從降低機組的喘振風險，減少不必要的回流，提高機組運行效率的角度出發，可以考慮將負荷分配組內各機組的喘振裕量作為控制目標，將各機組控制運行在與喘振控制線等距離的操作點上，即各機組喘振控制器的偏差（DEV）相等[1]，其控制方案如圖3所示。在該方案中設置有壓氣站入口或出口壓力主性能控制器（MPIC）、單機組負荷控制器（LSIC）、單機組喘振控制器（UIC）和轉速控制器（SIC），機組各控制器通過高速專用數字通信網絡實時與負荷分配組內的其它機組交換數據。

圖3 等喘振裕量負荷分配控制方案Fig.3 Equal surge allowance load distribution control scheme

壓力波動時，并聯網絡中的各臺機組都部分吸收了擾動，使得各機組動能平穩調節，喘振風險最小[1]。由于操作點到喘振控制線的距離（DEV）是個無量綱的相對值，故該方案中可實現不同機型、不同容量、不同廠家的機組并聯運行下的負荷分配，各種不同轉速和流量的機組運行在同一個DEV值下，實現穩定的負荷分配。

3 壓縮機組負荷分配的工程實現

3.1 系統的基本配置

由于等喘振裕量負荷分配法的諸多優點，它是壓氣站廣泛采用的一種負荷分配方案，下面以中亞管道某壓氣站為例，介紹壓縮機組等喘振裕量負荷分配的工程實現。該壓氣站采用4臺同型號燃氣透平離心式壓縮機組，壓縮機組入口和出口分別連接至共同的管匯，各機組的入口、出口運行壓力相等。每臺機組配套一套單元控制系統（UCS），單元控制系統內集成了轉速調節器（SIC）、喘振控制器（ASC）、負荷分配控制器（LSC）和負載均衡器（LDE），單元控制系統通過專用的高速通信網絡，實時傳輸負荷分配所需的數據，單元控制系統之間數據交換和控制方案如圖5所示，在該系統中可以按照需要選擇任意兩臺及以上機組組成負荷分配組。

3.2 負載的分配與平衡

圖4 等喘振裕量分配運行曲線[2]Fig.4 Equal surge margin distribution operating curve[2]

機組單臺獨立自動運行時，轉速控制可以采用入口壓力、出口壓力及傳輸流量3種方式，根據負荷變動情況自動調節壓縮機組轉速。當壓縮機組的負荷分配控制器（LSC）投用時，機組開始和負荷分配組內的其它機組共享負荷。一臺機組在讀取其它機組的轉速設定值時，也將本機的轉速設定值傳輸給其他機組，負荷分配組內最高的轉速設定值將被選擇作為該負荷分配組的轉速設定基準值。僅投用負荷控制器（LSC），而不投用負載均衡器（LDE）時，負載均衡器給出的輸出為零，各機組的轉速設定值為負荷分配組的基準速度設定值。在這種模式下負荷分配組內轉速設定較低的機組將提速，提高輸出負荷，而轉速設定較高的機組由于其它機組分享了一部分負荷，轉速設定值逐步下降，最終所有機組在新的轉速設定值下實現動態平衡，負荷分配組內的機組達到第一層次的負荷分配。

當負載分配控制器（LSC）和負載均衡器（LDE）同時投用時，負荷分配組內所有運行機組的DEV平均值，將作為各機組負載均衡器（LDE）的設定值，如某機組實際DEV值低于設定值，負載均衡器將在比例積分算法的作用下輸出一個速度設定偏置值，使操作點遠離喘振控制線。通過負載均衡器（LDE）的調節作用，負荷分配組內各機組將在基本轉速設定值上下波動運轉，各機組操作點至喘振控制線距離相等，負荷分配組內的機組達到第二層次的負荷平衡，此時各機組“出力”相同喘振風險最小，負荷擾動由多臺機組共同吸收[2]，避免不必要的回流，提高系統操作的穩定性和經濟性。

4 結論

長輸管道壓氣站上游供氣和下游用戶負荷復雜多變，各壓氣站內不同機組廠家負荷分配方案各異，再加上機組運行工況、保養水平和操作人員習慣等決定了在長輸管道內很難通過一種負荷分配模式滿足各種運行工況的需要，操作運行人員只有根據不同的情況，綜合采用各種負荷分配方式才能保證長輸管道平穩、安全運行。在各種負荷分配方案中，等喘振裕量分配法具有喘振風險小，運行效率高、負荷擾動小及適應各種不同機型等優點，是應優先采用的負荷分配方案。

圖5 等喘振裕量負荷分配邏輯算法Fig.5 Equal surge margin load allocation logic algorithm