天然氣管網壓縮機參數優化遠控技術的改造及應用

艾力群，張 鵬，李國軍，馬自山，龔志偉，艾 威

（1.國家管網集團油氣調控中心，北京 100013；2.西南管道公司，四川成都 610095；3.北京興油工程項目管理有限公司，北京 100083；4.重慶建筑科技職業學院，重慶 401331）

0 引言

由于設計和歷史等因素，每條天然氣管道的設計理念、壓縮機組型號、自動化水平、人機匹配各有不同，管理模式也大不一樣。合建壓氣站場采用了多個OEM 廠的機組，如GE、RR、D-R 及國產的沈鼓和703 所等，不同廠家的機組性能不同，驅動方式也有燃驅和電驅之分。隨著“集中調控、區域化管理”持續推進，油氣調控中心在實施天然氣管道壓縮機組遠程控制、現場少人值守、無人干預時，面臨較多問題。

在運維中心—作業區管理模式下，基于天然氣管網壓氣站實施無人站、少人站值守模式研究，依據管網所轄管道及站場的運行管理特點，梳理典型合建站場壓縮機組參數自動調整控制技術存在技術難點和問題。未來管線增輸，站場機組的組合會越來越復雜，生產運行要求各站中的壓縮機應該能夠根據輸氣量任意組合自動負荷分配、遠程操控和穩定運行，需要更優化的控制方案和系統，實現壓縮機中控系統控制參數自動調整控制、一鍵操作，現場無人干預是集中調控急需解決的問題。

1 遠控參數調整控制問題

某管廊帶內合建壓氣站場從機組廠家以及驅動方式存在多達7 種不同組合方式，機組廠家或型號不同，轉子性能不同，需要并網輸氣時中心調度員只能分別對同期同廠家的機組實施遠程控制。機組負荷分配控制操作依據中心調度員的經驗，使用手動操作調節多機組等轉速來進行負荷分配的方式，造成機組和管網運行效率降低、控制難度增加、中心調度員操作量大、遠控模式下停機風險高、多臺并聯壓縮機負荷分配不平衡等，手動操作難以實現如此復雜的調節。因此，改造負荷分配控制系統，收集分析壓縮機遠控問題：

（1）遠控壓力設定步長不優化，中心調度員操作量大；遠控時，單次壓力調整幅度為0.02～0.10 MPa，為達到目標壓力需多次調整，且等待時間較長，壓氣站和壓縮機組數量較多，尤其在管道輸量調整時，調度員工作量大。

（2）無關鍵參數報警保護，停機風險高。機組關鍵參數達到報警值不能繼續提高負荷時，UCP 不能及時反饋給SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制）系統和調度員，調度員無操作參考，機組停機風險高。

（3）負荷分配測試發現耗時長、升速快、燃機排氣升溫過快、壓縮機入口濾芯高報警問題。

（4）壓縮機負荷分配不均衡，影響機組出力。圖1、圖2 所示為等流量百分比控制策略下的問題：圖1 中QP，1=QP，2，QP為計算等流量，QC為機組通過流量，QP-QC為循環回流量；圖2 中Dev1=Dev2，但流量和轉速并不相等。某合建壓氣站采用“1 燃+2 電”組合運行，當出站壓力提高至11.5 MPa 時，電驅的變頻器電流已接近報警值，不能再提高出站壓力設定。而此時燃驅的轉速在5022 r/mim，進口流量（10 350 mm H2O）也較小，負荷較低，相比6100 r/mim 的額定轉速空間非常大，但受小機組（18 MW）限制，大機組（31 MW）不能再提高負荷。在不改變控制系統邏輯的情況下，如果想繼續提高出站壓力，方案有兩個：一是增啟一臺燃驅，以“2 燃+3”電組合型式運行，但會造成能耗增大，方案不可取；二是中控放棄遠控操作權限，切至站控手動提高機組負荷，以達到出口壓力要求，不會造成額外能耗增加。

圖1 等流量控制策略

圖2 等喘振裕度控制策略

（5）壓力控制時機組工況波動大。當管道流量發生波動時，機組在定出站壓力控制模式下，工況調節頻繁；壓縮機PLC 控制反饋調節精度各不相同，造成轉速調節頻繁，站場無法維持中心控制模式，需要站控干預。

為實現壓縮機中控系統控制參數自動調整控制、一鍵調整和優化壓縮機遠控方式，根據壓縮機組不同功能特點及運行現狀，開展技術研究，分析制定壓氣站實施無人值守站規劃目標，通過配套支撐系統的優化改造及可靠性改造，并作為規劃實現無人值守站管理模式的標準，推動集中調控向高質量發展。

2 遠控參數自控研究目標、內容和技術路線

以典型合建壓氣站多型號燃驅壓縮機組為試驗點，收集分析壓縮機集中調控操作需求，開展技術調研，初步確定優化方案并討論可行性，開展研究和試驗，編制一鍵設定自動調整技術方案。

2.1 研究目標

（1）優化控制方法，實現進出口壓力目標值設定一步到位，解決中心調度員操作頻繁的問題，降低誤操作風險，提高工作效率。

（2）實現關鍵參數保護功能，機組自動調整時，控制邏輯與負荷調整相關的關鍵保護參數關聯，作為機組負荷調整的邊界條件，提升機組運行安全性。

（3）優化負荷分配控制策略，解決不同廠家、不同機型、不同功率、不同驅動方式的壓縮機并聯運行的負荷分配不平衡問題。

（4）實現中心投用負荷分配功能，中心控制壓縮機組并網、退網，從啟機到負荷分配投用及自動加載全程無需壓氣站現場干預，實現壓氣站無人值守站建設目標。

（5）單臺機組跳機時剩余機組轉速保持，不增加剩余機組停機風險，提高運行穩定性。

（6）實現機組增減提示報警功能，系統自動對比機組工況和控制目標值，給中心調度人員發出增減機組提示。

（7）探索實現負荷偏置功能，達到節能效果。

（8）針對有流量控制需求的壓氣站，探索目標流量控制方法。

（9）建立科學合理的壓縮機組遠程控制評價指標，實現壓氣站無人值守。

2.2 研究內容

隨著技術引進和國產化，壓縮機遠程控制技術得到了應用。目前國內外天然氣輸送壓縮機的遠程控制技術有以下4 種：

（1）基準負荷控制。固定部分機組負荷，一臺機組調負荷，該方式不穩定、能耗高。

（2）等速控制。機組全部等轉速運行，要求機組型號、廠家、轉子性能完全相同。該方式技術簡單，不同性能壓縮機負荷分配不能投入。

（3）等流量控制。控制機組的流量相同，控制算法過于簡單，不同性能機組不能投入負荷分配，遠程操控不穩定，運行效率不高。

（4）動態優化負荷控制。在壓縮機運行點等距的基礎上，動態優化分配負荷，能實現全自動運行，提高機組和管網運行效率。負荷平衡按照需要改變每臺壓縮機的轉速以將每臺壓縮機保持在與相應喘振極限距離相等的點上運行。負荷分配通過一定技術手段（等距離、等比例、等速、等流量等）控制壓縮機組的運行，并通過動態優化手段（工藝布置、偏置補償、效率平衡）實現機組自動平穩運行，提高機組和管網運行效率。

由于原有各機組控制系統并不開放，就不能實現高級的優化功能。如果中心調度人員不能隨時掌握每臺壓縮機組的運行效率（壓氣量與燃氣耗量之間的關系），僅追求壓縮機組運行點等距的運行方式是遠遠不夠的。而這種高級優化方式的實現在原有封閉的軟/硬件平臺上是不可能實現的，只有開放的軟/硬件平臺才能進行高級優化，實現壓縮機中控系統控制參數自動調整控制，才能真正得到效益。

2.3 關鍵技術路線

為了提高運行穩定性、降低運行成本、提高管網效率，實現壓縮機中控系統控制參數自動調整控制、一鍵調整和優化壓縮機遠控方式，已成為基本要求，并且隨著不斷的增輸，壓縮機配置越來越復雜，需要優化負荷分配、參數自動調整控制得到越來越多的應用，需要掌握的關鍵技術：

（1）不同廠家、不同型號的機組負荷分配及負荷平衡控制技術。按照生產需要將總負荷分配到不同廠家、不同型號的壓縮機組上，負荷分配及負荷平衡控制技術，即將總負荷按照壓縮機運行點與喘振控制線的絕對距離，分配每臺壓縮機的負荷，保證壓縮機運行點到喘振控制線的距離相等。

（2）總負荷變化時自動加減載機組的控制技術。當總負荷發生變化時，控制系統在機組允許的時間內，（考慮到電驅和燃驅機組爬坡率要求不同，按15 min 計算，實際調試中按照現場情況調整），快速完成加減載的控制目標，并實現無出口匯管壓力擾動2%以內。

（3）負荷偏置的計算技術。多機組并聯時，機組的布置位置、型號、驅動方式等，對機組負荷平衡都有一定影響，通過機組運行點到喘振控制線的距離相等，機組的效率不一定是最優的，但是通過增加或減少偏置值，可以達到優化的負荷平衡。

（4）控制算法的通用化、國產化。對控制算法的研究分析，將控制算法進行歸納總結，采用標準編寫程序，使控制算法在實現時就具有通用的特性，以便技術推廣。并且通過控制程序的標準化，實現控制程序的國產化。

3 控制參數自動調整控制功能

在典型合建壓氣站場安裝一套新的負荷分配控制系統，在新硬件平臺基礎上進行優化，多臺機組同時運行時，調整機組運行轉速達到設定的總出口管線壓力，以實現生產需求；同時在滿足生產需求的情況下，調整每臺壓縮機的負荷，實現壓縮機組高效運行。可以根據生產需求調整運行的壓縮機組數量，達到每臺機組效率最大化，滿足油氣調控中心的技術需求。

3.1 壓力設定一步到位

步長優化包含三項關鍵程序：①步長分解；②根據實測壓力反饋逐步臺階下發步長；③壓縮機升降速率限制。在程序中由比較計算器算出負荷區間，再由選擇器選擇單次下發的步進值，發給負荷分配控制器。當出站壓力反饋滿足一個步進值后，控制器再次下發下一個步進值，直至滿足壓力設定。

控制目標為大步長值設定后，轉速升降平緩、不增加停機風險，對管網擾動小。轉速升降平均速率≤30 r/min2,壓力設定后調整到位時間：平穩運行階段≤60 min/（1 MPa）；超調值小于±0.05 MPa；穩定工況下轉速波動范圍在±20 r/min。

比選兩種方案：方案1，一次函數，y=k（x-3965）+b；方案2，log 函數，y=-log（m）（x-3865）+b（圖3～圖4）。

圖3 一次函數

圖4 log 函數

除轉速和步長計算結果外，兩個函數中的其余均為可調變量。一次函數曲線計算結果步長值變化平緩，log 函數計算結果在低轉速時變化過陡，且一次函數調整變量操作更簡單。經比選，選用一次函數進行步長優化，將步長計算方法寫入MCP（Management Control Program）管理控制程序，同時對壓縮機組轉速升速速率做了限值，避免升速過快（＜30 r/min2）。

3.2 關鍵參數保護功能

控制目標為與機組負荷調整相關的關鍵保護參數，作為機組負荷調整的邊界條件。有參數達到高報警，機組停止升速；機組自動降速，當離開報警值區間，按時間設定，再次下發負荷調整命令；有參數達到高報警、機組不能繼續升速時，發出報警提示并上傳至調控中心監控畫面。以典型合建壓氣站為例，設置有13 個關鍵參數，作為機組負荷調整的限制條件（表1）。

表1 關鍵參數保護功能

3.3 負荷分配控制功能優化

控制目標為每臺機組能基本發揮最大出力，當一臺機組達到負荷極限時，不影響其余機組出力，其余機組負荷率≥90%。優先使用“等喘振控制點距離”控制策略，滿足負荷平衡。

（1）故障停機時的保護。單臺機組跳機時，剩余機組保持當前轉速，負荷分配控制命令暫不起作用，剩余運行機組轉速不猛升。待重新投用負荷分配功能或重新給定壓力目標值時，負荷分配再起作用，從而不增加剩余機組停機風險。

（2）中心控制負荷分配投用/退出。調控中心可以遠程投用或退出負荷分配系統，通過增加站控系統-負荷分配MCP 控制盤間硬接線方式實現。

（3）單臺機組并/退網。增機、減機、切機操作時，通過并退網操作，無需現場輔助干預，通過增加站控系統—負荷分配MCP 控制盤間硬接線方式實現。

（4）負荷投用/退出無擾切換：投用時各機組不進入喘振工況；退出后，機組進入當前轉速控制模式。

3.4 并網操作關閉防喘閥

現場手動將單臺機組并網時，需待防喘閥關閉后，再投入并網（圖5）。如果進站流量偏低，新開機組進口流量不足（如B 點），防喘閥有一直不能關閉的現象，導致無法并網。通過優化并網方法，由負荷分配計算器自動計算多機并聯運行防喘振裕度，根據計算結果（如A 點），先將新啟機組并網，再給新并網機組分配流量和提速，實現壓縮機自動并網。

圖5 并網操作關閉防喘閥

3.5 自動增減機提示

每臺機組能基本發揮最大出力，當一臺機組達到負荷極限時，不影響其余機組出力，其余機組負荷率≥90%。優先使用“等喘振控制點距離”控制策略，滿足負荷平衡。

（1）增機提示如圖6 所示，一是機組負荷不能再提高（負荷率≥90%），且不能滿足壓力設定時；二是壓縮機性能曲線上工作點（A 點）進入阻塞工況無法繼續提高過流量時。

圖6 自動增減機提示

（2）減機提示：工作點（B 點）靠近喘振控制線（喘振裕度≤5%），即將進入喘振區，進口流量不足時。

3.6 遠控無需站場輔助人工干預

負荷分配盤MCP 硬接線接入站控系統PLC，實現負荷分配功能遠程投用、退出（圖7）。每臺機組的遠控使能命令通過硬接線由UCP 接入負荷分配盤MCP，再通過軟點傳給站控PLC，可實現單臺機組并網、退網。

圖7 機組遠控模式變化

4 考核實現指標

邏輯程序應保證安全、穩定，滿足壓縮機組自動調整控制的需求，提出壓縮機組遠程控制評價指標應符合管道運行要求和相關標準。

（1）實現進出站壓力設定一步到位。在大步長值設定后，機組轉速調整平緩，平均速率變化≤30 r/min2；不增加停機風險，對管網運行擾動??；壓力設定后，調整到平穩運行階段時間≤60 min；超調值小±0.05 MPa；輸量穩定工況下轉速波動范圍±20 r/min 內。

（2）機組根據進出站壓力設定自動調整時，控制邏輯與負荷調整相關的關鍵保護參數關聯，作為機組負荷調整的邊界條件。

（3）同時具備進站壓力控制和出站壓力控制兩種控制模式。

（4）負荷分配模式運行時，每臺機組能基本發揮最大出力，功率大機組補償功率小機組負荷，不額外增啟機組、增加功耗。但某臺機組先達到負荷極限時，不能影響其余機組出力，其余機組負荷率≥90%。

（5）單臺機組故障停機時，剩余運行機組轉速不猛升，不增加停機風險。

（6）負荷分配系統投用、退出操作無擾切換。投用時各機組不進入喘振工況，轉速變化變化≤30 r/min2；負荷分配系統退出后，機組進入當前轉速控制模式。

（7）實現調控中心遠控操作，從啟機到負荷分配系統投用無需現場干預操作，包括負荷分配系統投用/退出、單臺機組并網/退網等關鍵操作。操作指令接入SCADA 系統，并連接至中控畫面。根據進出站壓力設定值，負荷分配系統自動判斷機組運行臺數是否滿足壓力設定要求，給出機組增減提示。

5 結束語

為了優化壓縮機組遠程控制，建設適應先進管網集中調控體系，通過對國內外現有技術分析，對已投用站場現場調研，研究壓縮機優化的負荷分配技術應用于不同機組廠家或相同廠家不同機型燃機驅動的壓氣站、電機驅動的壓氣站或兩種驅動方式混合的壓氣站，使得壓縮機組處于高效運行狀態，達到以人為本、高效可靠運行的生產管理模式。