變頻調節在透平發電機柴油控制系統中的應用

孫浩文

(中海石油中國有限公司蓬勃作業公司 天津300459)

0 引 言

某海上平臺配備2 臺30 MW 透平發電機組，因其額定功率大、效率高，在油田的組網電站中作為主力發電機起到了關鍵作用。正常生產情況下，這兩臺透平機組使用的燃料為油井采出的油氣混合物分離處理后的伴生氣，當燃氣系統出現異常時，會自動切換至柴油燃燒模式以維持透平發電機的正常工作。自2008 年平臺投產至2013 年間，曾出現多起透平發電機從燃氣至柴油燃燒模式切換過程中，因柴油泵出口壓力不穩定導致切換失敗、透平機組停機、整個油田失電而停產，造成巨大的經濟損失。因此，控制柴油泵出口壓力穩定，避免透平機組燃燒模式切模失敗而意外停機，成為亟待解決的問題。

1 柴油系統流程圖解析

為查找故障原因，首先了解柴油系統流程。圖1是平臺透平柴油供給系統的主要流程圖，柴油輸送泵A 和B(一用一備)將泵出的柴油輸送到透平發電機的高壓油泵C 和D，當透平在天然氣燃燒模式或停機狀態時，高壓油泵C 和D 停止運轉，柴油則通過裝有單向閥的旁通管線到達透平計量閥G 和H，并通過其回流管線回流到清潔油柜(如圖中所示點劃線流程)。供油管線的壓力是由回流氣動閥E 控制(氣開閥)，穩定在7 bar 左右。當透平切換至柴油模式時，高壓油泵C 或D 啟動向計量閥補充油量，造成的管線壓降則通過關閉回流閥E 來實現。

圖1 柴油系統流程圖Fig.1 Flow chart of diesel system

2 系統控制邏輯分析

柴油輸送泵采用的是Rockwell logix5000 PLC控制系統，接收現場透平發電機的燃燒模式選擇信號，如圖2 所示。

圖2 原始控制邏輯Fig.2 Original control logic

當輸入信號CH1_IN_4_12 為0 時，表示透平發電機A 當前為燃氣模式；為1 時，表示為柴油模式。該信號控制的是柴油輸送泵A 的變頻器。

當輸入信號CH1_IN_4_14 為0 時，表示透平發電機B 當前為燃氣模式；為1 時，表示為柴油模式。該信號控制的是柴油輸送泵B 的變頻器。

參數釋義：

F109[0]：兩臺透平發電機A 和B 在燃氣模式時柴油輸送泵A 和B 的頻率設定值0～100%(對應0～50 Hz)，可在該系統HMI(人機界面)上進行設定。

F109[1]：兩臺透平發電機A 和B 在柴油模式時柴油輸送泵A 和B 的頻率設定值0～100%(對應0～50 Hz)，可在該系統HMI(人機界面)上進行設定。

F109[2]：輸出至柴油輸送泵A 的頻率信號。

F109[3]：輸出至柴油輸送泵B 的頻率信號。

從以下原始控制邏輯中可以看出：

①無論透平發電機A 的輸入信號CH1_IN_4_12為0 或1，輸出至柴油輸送泵A 的頻率信號始終為100%。

②無論透平發電機B 的輸入信號CH1_IN_4_14為0 或1，輸出至柴油輸送泵B 的頻率信號始終為100%。

3 原始程序在實際控制過程中存在的問題

該透平發電機在正常情況下采用的是燃氣模式，柴油系統始終有一臺輸送泵在運行以保證切換至燃油模式時能夠及時有效地提供燃油壓力。按照原始的程序設計，不論透平的燃燒模式是天然氣還是柴油，邏輯始終輸出100%至變頻器，柴油泵全負荷運行，而當透平在天然氣燃燒模式或者停機時，高壓油泵C 和D 處于停止狀態，少量柴油通過細小的高壓油泵旁通管線經計量閥G 和H 回流至清潔油柜，回流壓力氣動控制閥E 幾乎在全開位置以保持壓力穩定在7 bar。當某臺透平發電機由燃氣模式切換至燃油模式時，高壓油泵C 或D 啟動，管線流量瞬間加大，柴油泵出口管線壓力迅速下降，因回油壓力控制閥E 關閉不及時而達到低壓關斷設定點，燃燒模式切換失敗，透平停機。

4 解決方案及實施步驟

對照柴油系統流程圖，當某臺透平發電機切換至燃油模式時，高壓油泵C 或D 啟動，管線流量加大，破壞了原先的動態平衡，管線壓力迅速下降，此時由控制系統PID 調節迅速減小輸出值來關小回流閥E以維持壓力在設定點，但由于氣動控制閥本身特性，氣缸泄氣過程并非一蹴而就，閥門動作會有一定的滯后，這就會導致回流閥關閉不及時，管線壓力下降過快。解決問題的關鍵是如何保證在高壓油泵C 或D啟動時，對管線壓力進行迅速調節。因氣動控制閥動作有滯后的特性無法更改，可利用已有變頻器的快速反應特性予以補償。該PLC 控制系統實際的掃描周期約為50 ms，即每50 ms 更新一次控制系統輸出至變頻器的信號，而泵的轉速與變頻器的輸出成正比，反應迅速、延時時間可忽略不計。

4.1 獲取試驗數據

確認具體方案：依靠變頻泵的快速反應特性，在管線流量突變情況下，通過調節控制系統至變頻器的輸出頻率信號，從而調節泵的排量，穩定管線壓力，回流調節閥盡量維持在原位置不變。經過多次試驗，得出如下數據：

①當兩臺高壓泵C 和D 同時運行時，柴油輸送泵的頻率設定在100%，此時回流閥E 的開度穩定在15%。

②只有一臺高壓油泵C 或D 運行時，為保持回流閥E 的開度穩定在15%，柴油輸送泵的頻率需設定在80%。

③在高壓油泵C 和D 都未運行時，為保持回流閥E 的開度穩定在15%，柴油輸送泵的頻率需設定在40%。

4.2 優化控制邏輯及其功能

圖3 為更改控制邏輯，實現了以下功能：

圖3 優化后的控制邏輯Fig.3 Modified control logic

①當兩臺透平發電機處于停止或者處于燃氣模式時，高壓泵C 和D 都停轉，預設柴油輸送泵A 和B 的頻率為40%(程序段Rung 3)，此時回流閥E 的開度為15% 左右。

②當任何一臺透平發電機切油時(即高壓泵C或D 其中一臺啟動，沒有延時)，將柴油輸送泵A 和B 的頻率同時輸出為80%(程序段Rung 5)以迅速補償供油管線的壓降，從而使閥E 保持在15% 左右，不致有大幅度的調整。

③當兩臺透平都切油時(高壓泵C 和D 運行，沒有延時)，A 和B 的頻率同時輸出為100%(程序段Rung 4)。

④當兩臺柴油模式運行的透平發電機，其中一臺切至燃氣模式時，A 和B 的頻率同時延時60 s 降為80%(程序段Rung 4 和Rung 5)。設置延時的依據是透平控制系統從切氣指令發出到高壓泵停止有60 s的延時。

⑤而當兩臺柴油模式運行的透平發電機都切氣時，A 和B 的頻率同時延時60 s 降為40%(程序段Rung 4 和Rung 5)。

雖然對兩臺變頻器的輸出同時進行調節，但柴油泵始終是一用一備，對于停止的備用泵而言，變頻調節不起作用。

5 改造效果及推廣價值

改造完成后，經過多次燃料模式切換測試，回流控制閥E 始終維持在15%左右，柴油泵出口壓力保持在6.8～7.1 bar 之間，達到預期目的。實際使用過程中，從2013 年改造完成，至2020 年底發稿時為止的7 年間，再未出現一起因燃料模式切換時因柴油壓力控制不穩定導致的機組停機事件。根據以往歷史記錄，估算平均每年至少可避免2 000 多桶的直接原油產量損失。如果設備關斷后無法正常啟動，流程不能及時恢復，由此引起的經濟損失更無法估算。

目前一般流程上的壓力控制絕大多數都是采用氣動壓力控制閥來實現，如果液體流程的壓力可以通過泵的調頻來實現，則應盡量采取此控制方式，既可以降低氣動控制閥動作滯后引起的流程壓力波動，對節能降耗也可起到一定的作用。■