燃气轮机增压站防喘振系统控制分析

田茂彬 黑龙江省火电一公司

燃气轮机增压站防喘振系统控制分析

田茂彬 黑龙江省火电一公司

本文介绍了大型燃气轮机增压站所配离心式压缩机防喘振系统的控制分析, 通过对其控制逻辑的分析与执行机构的配置介绍, 对预防喘振的整个过程进行了阐述。同时,通过对增压站压缩机性能曲线的分析,在实际中对增压站压缩机防喘振控制逻辑进行了改进,改进后的控制逻辑在增压站压缩机运行中控制效果良好,在168小时试运行中,增压站压缩机未出现过任何喘振现象。这对于国内电力行业的天然气增压具有重要的借鉴意义。

燃气机；增压站；防喘振；防喘振阀；喘振线；防喘振线

1 前言

1.1 燃气轮机增压站工程:本工程为孟加拉国同吉80MW燃气轮机机组电厂新建工程，主要包括一台燃气轮机、发电机、增压站、附属系统等。燃气轮机系统设备和发电机系统设备由美国GE公司设计,其控制系统为:MARK-VSPEEDTRONIC 。

1.2 增压站的重要作用:增压站在燃气轮机机组中起着重要的作用，它将厂外来的低压天然气进行升压，达到燃机所需要的燃气压力和流量等参数，以确保燃气轮机机组正常可靠运行。本机组增压站主要包括：增压泵和增压泵进、出口管道及相应设备,如过滤器、冷却器、阀门、仪表等。增压泵设备由沈阳鼓风机厂成套供货，增压泵进出口管道及相应设备由荷兰PETROGAS公司成套供货。增压泵电机为佳木斯电机厂设备，为6KV、3218KW高压电机，电机通过对轮和齿轮箱驱动增压泵压缩机，压缩机为离心式压缩机，型号为2MCL458，额定转速为12474r/min。增压泵额定参数如下：流量3600Nm3/H，入口压力3.7868bar，入口温度35℃，出口压力27.1bar，出口温度134.8℃。

2 燃气轮机增压站控制系统

2.1 控制系统流程图:

图1 增压站控制系统流程图

其中: FT01为增压站压缩机入口燃气流量; TE01 为增压站压缩机入口燃气温度;

PT01为增压站压缩机入口燃气压力; TE02为增压站压缩机出口燃气温度;

PT02为增压站压缩机出口燃气压力;

TE03为增压站出口燃气温度;

FT02为增压站出口燃气流量;

PT03为增压站出口燃气压力;

A01为防喘振气动阀;

A02 为气动调节阀;

2.2 控制系统功能:本机组增压站控制系统由荷兰PETROGAS公司成套设计并供货，采用日本YOKOGAWA PLC 控制系统，主要控制功能如下：增压泵启动系统控制功能、增压泵跳闸系统控制功能、润滑油系统控制功能、再循环系统控制功能、防喘振系统控制功能、过滤器系统控制功能、冷却器系统控制功能、干气密封系统控制功能、空压机系统控制功能、制氮系统控制功能、循环冷却水系统控制功能、实时报警系统控制功能。

3 增压站压缩机的防喘振控制系统

3.1 增压站压缩机防喘振原理:当来自离心式压缩机出口处的天然气压力管网的阻力增加到一定值时，排气流量将快速下降。当排气流量降到某一点时，一个周期性的气流波动在压缩机管道内发生，排气压力和流量波动很大，同时意味着异常的噪音出现，这种现象叫喘振。当喘振发生时，很容易损害压缩机，因此压缩机不允许在喘振区内工作。增压站压缩机防喘振的基本原理是：无论压缩机运行状况如何，均应确保入口流量大于喘振时的流量。只在这样，才能确保压缩机稳定地工作。这就需要找出真实的喘振线来确保压缩机在更稳定的工作区域工作。

3.2 增压站压缩机防喘振阀的性能分析:

3.2.1 防喘振阀主要作用: 当压缩机即将发生喘振时,迅速打开,增加入口流量。图1中的A01为防喘振气动阀，其气动原理图如图2：

图2 防喘振阀A01气动原理图

3.2.2 防喘振气动阀各组成元件的性能:

a.气动阀:本防喘振阀为气关阀,有压力气源时关阀,无压力气源时开阀。

b.定位器:向PLC反馈位置信号为4～20m A，相对应于阀门开度0%～100%。P LC 向定位器输出相对应于阀门开度0%～100%的4～20m A调节信号，定位器便输出一个与输入开度调节信号（0%～100%）相反的压力调节气源（100%～0%）。

c.电磁阀:带电时1和2通、2和R断，失电时1和2断、2和R通，R为排气孔。

d.滑阀:首先有一个主气源P作为导通信号，当滑阀输入的压力气源信号P1由100%向0%变化时，滑阀向防喘振阀输出的压力气源信号P2也由100%向0%变化。

e.释放阀:当P有气源压力时A和R断，当P无气源压力时A和R通。

3.3 增压站压缩机防喘振气动阀工作原理:当电磁阀带电时，PLC向定位器输入调节信号4～20m A（对应于气动阀开度0%～100%），定位器便相应输出压力调节气源信号100%～0%（对应于气动阀开度0%～100%），此信号经电磁阀输入至滑阀P1处，滑阀便输出压力气源信号100%～0%，气动阀便由全关至全开调节，此时释放阀的A和R断；当电磁阀失电时，滑阀因无气源压力调节信号P1输入，故输出P2为0，气动阀全开，此时，释放阀的A和R通，确保气动阀内的压力气源排出，而快速达到全开位置。

4 增压站压缩机防喘振控制逻辑及其改进

4.1 增压站压缩机原防喘振控制逻辑:

4.1.1 原防喘振控制过程:在增压站压缩机正常运行时,当压缩机入口压力PT01下降到2.0bar以下,那么,此时防喘振阀将立即打到全开位置，防止增压泵入口出现低负压，防止喘振出现，当入口压力PT01升到2.2bar以上时，防喘振阀再逐渐关闭。当压缩机启动或停机时，防喘振阀全开，防止出现喘振现象而损害设备。

4.1.2 原防喘振控制逻辑的缺陷: 原防喘振控制逻辑在做防喘振线和喘振线时，仅仅考虑了压缩机入口压力一个因素，其他如燃气分子密度、流量、入口温度、出口温度、出口压力等因素的变化影响均未考虑，显然太简单，无法反映真实的喘振线和防喘振线。因原有防喘振逻辑与实际相差较大，故不能保证压缩机正常稳定地工作，会给压缩机带来很大的损害。

4.2 改进后的增压站压缩机防喘振控制逻辑:

4.2.1 压缩机性能曲线分析: 通过对压缩机管道内燃气分子密度、流量、入口压力、入口温度、出口压力、出口温度等因素变化影响的考虑，根据压缩机性能曲线. 做出下列算式：

式(1)(2)中, QCTRL 为防喘振线上压缩机入口燃气流量, 单位为Nm3/h ;

QSRG为喘振线上压缩机入口燃气流量, 单位为Nm3/h ;

P 为压缩机出口燃气压力,单位为kpa ;

通过以上算式,做出如下坐标图图3:

图3 增压站压缩机入口流量和出口压力关系坐标图

在图3中能显示出改进后的增压站压缩机防喘振控制逻辑是如何工作的。图中SL表示喘振线，CL表示防喘振线，Qs l表示喘振线上压缩机燃气入口流量，Q c l表示防喘振线上压缩机燃气入口流量，P表示压缩机出口压力PT02，Q入表示压缩机入口流量FT01。SL线和CL线将工作区分成三个部分，位于SL左侧为喘振部分，位于SL线和CL线之间的为调整部分，位于CL线右侧为安全部分。

4.2.2 防喘振控制过程: 共有1、2、3、4等4种状况：

1区：工作点在喘振线上方移动，PLC对防喘振阀的控制信号为100%，防喘振阀全开，电磁阀失电；

2区：工作点在防喘振线下方移动，PLC对防喘振阀的控制信号为100%，电磁阀带电；

3区：工作点由2区向3区移动过程中，当Q=Qc l时，PLC对防喘振阀的控制信号开始由100%逐渐递减，速率为0.5%/S，直至防喘振阀全关为止，此过程，电磁阀始终带电；

4区：工作点由3区向4区移动过程中，当Q=Qc l时，PLC对防喘振阀的控制信号开始由0%逐渐递增，当Q=Q s l时，刚好为100%，此时，电磁阀刚好断电。

4.2.3 防喘振控制系统: 共有三种控制方式可以设定：自动方式、半自动方式，手动方式。

a.自动方式：整个防喘振系统均采用自动控制方式；

b.半自动方式：当工作点在喘振线上方时，可采用手动控制，其他均采用自动控制方式；

c.手动方式：整个防喘振系统均采用手动控制方式；

当压缩机启动或停机时，防喘振阀均全开，然后再逐渐关上。

5改进后的增压站压缩机防喘振控制逻辑程序:

6 结束语

6.1 改进后的增压站压缩机防喘振控制逻辑程序对于机组运行的作用和意义：因原有防喘振逻辑设计有错误，故在现场对防喘振逻辑进行了重新设计。现有防喘振逻辑设计时，考虑的因素比较全面，做出的防喘振线和喘振线更接近于真实的防喘振线和喘振线，因此确保了压缩机有更稳定的工作区域，工作更安全，更进一步确保燃机的稳定运行。

6.2 随着西气东输的开展, 越来越多的燃气电厂和化工厂即将投入运行, 离心式压缩机具有广阔的应用前景, 深刻理解增压站压缩机防喘振控制过程和控制逻辑，对于燃气增压系统的安全运行有着重要的意义。

[1]郝点，等.压缩机手册.北京中国石化出版社. 书号 :7-80164-303

[2]王书敏, 何可禹.离心式压缩机技术问答( 第二版 ).北京中国石化出版社.书号:7-80043-545-8.2005年1月

[3]高可源.计算机控制技术. 中央广播电视大学出版社.2001年2月

[4]周万珍, 高鸿斌.PLC分析与设计应用.北京电子工业出版社.2004年1月1日

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.093

田茂彬 1991年7月至今工作于黑龙江省火电建设第一工程公司热控分公司；毕业于牡丹江师范学院 计算机技术应用专业 大专；目前：工作于黑龙江省火电一公司 魏桥创业集团邹平第三电厂施工现场，职务工程师。