中哈天然气管道压缩机站供电方案分析与应用

孙文博，成 闻，刘艳鹏，樊宝华，王雪华

中油国际管道有限公司，北京100007

中亚天然气管道是我国能源战略的一个重要组成部分，主要是将购自土库曼斯坦的天然气输入国内，该管道途经乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦进入中国境内。管道全长约1 800 km，其中在哈萨克斯坦境内管道约1 300 km。该项目不但要保证在工期较短的情况下如期投产，还要保证投产后可靠、平稳地运行，因此对压缩机站供电方案的确定、建设及投产后的安全性及可靠性都提出了很高的要求。

中亚天然气管道在哈萨克斯坦境内的大部分管道处于沙漠或无人区，管道沿线所经区域只有部分地区有国家电网覆盖。尽管哈萨克斯坦部分地区电网也相对比较发达，但供电缺口仍然比较大，供电网络设施相对老旧；同时经过调研后发现，目前哈境内管道沿线已有的电力供应存在供电不稳定、供电质量差的情况，不仅不能满足压缩机电驱的用电需求，也不能很好地满足站场生产用电的要求，如果采用当地电网供电必然要投入大量的资金去改造当地电网。

根据以上情况，确定了天然气压缩机站压缩机采用燃气轮机驱动，压缩机站供电采用天然气发电机的供电方案。

1 负荷分析

中哈天然气管道天然气压缩机站主要是中间增压站，站内一般配置3～4台30 MW天然气压缩机和其他生产、生活设施，如1号压缩机站共有GE的30 MW天然气压缩机（3台）及空冷器、空气压缩机、发电机等生产负荷，根据压缩机站负荷性质及相关规范要求，确定主要用电负荷为二级；压缩机站控制系统、通讯、消防等用电负荷为一级。

2 发电机配置方案分析与应用

针对天然气管道项目实际情况和压缩机站负荷特点，输送的是天然气介质，能够保证天然气燃料的连续供应，因此确定压缩机站采用自发电天然气发电站给压缩机站提供电力。天然气发电站的方案设计在发电机设置和容量的选取主要考虑以下几个方面：

（1）在满足相关规范要求的同时，也应考虑运行维护的需求。本项目同时考虑哈国标准和国际标准要求，根据哈国GOST51-1《干线天然气管道工艺设计规范》规定，自备电站机组的功率和数量应根据压缩机站供电可靠性、紧急停车和计划修理时机组互为备用的要求来确定。自备电站的机组应当实现自动化，并能在不超过1 min的时间内从“热备用”状态下起动。

（2）天然气发电机组单机容量不宜过小，对于天然气发电机普遍存在耐冲击性和过负载能力弱的特点，充分考虑站内压缩机在大负荷启停时对天然气发电机产生的冲击，避免发电机为满足大负荷的启停而造成机组的频繁启停。以1号压缩机站为例，压缩机站内有135 kW的空气压缩机2台（一用一备）、燃料气橇内144 kW电加热器2台（一用一备）、压缩机的132 kW启动电机等比较大的用电设备，以及成组启动的空冷器、风机等，75 kW以上电机均配有软启动器，如果发电机容量过小，都会因为这些大负荷的加减载造成小容量发电机的剧烈冲击。

（3）发电机组数量不宜过多，以避免增加运行维护的工作量和成本。

（4）机组数量也不宜过少，过少会降低机组运行的灵活性和可靠性，同时还要考虑天然气发电机正常运行要求是应保证负荷率不低于50%。

综合以上各方面考虑，在首先保证压缩机站安全运行的条件下，同时考虑节能的要求，根据压缩机站负荷计算，以及我国西气东输压缩机站的同类压缩机负荷运行情况确定发电机容量。如CS1压缩机站，计算用电负荷为1 769 kW，应急负荷297 kW，依据计算负荷和按15%预留容量，同时根据发电机厂家发电机的标准容量综合考虑，确定电站内天然气发电机选用3台975 kW天然气发电机和1台320 kW应急柴油发电机卡特彼勒发电机组。发电站同时考虑预留一台天然气发电机备用位置，方便以后根据发电站运行情况确定增加天然气发电机。

天然气发电站的3台天然气发电机，运行方式为两用一备，2台天然气发电机正常运行时，保证压缩机站内正常生产用电和附近倒班村和维抢修中心用电，正常运行时负荷率不低于50%。当一台天然气发电机故障或检修时，备用发电机组自动投入，保证供电的可靠性和连续性。

应急柴油发电机作为压缩机站应急电源和黑启动电源。在压缩机站事故情况下保证重要的生产、消防用电；同时，应急柴油发电机也作为压缩机站附近倒班村和维抢修中心的后备电源，在压缩机站内事故处理完成后而天然气发电机不能投入情况下，保证站场内应急用电和倒班村生活用电。

站内自控、通讯、应急照明等重要负荷用电配置不间断电源（UPS）保证供电可靠性；消防泵采用1台电驱动消防泵和1台柴油机直接驱动的消防泵作为备用。

3 发电站电气主接线方案

根据压缩机站负荷性质和发电机配置情况，发电站低压配电系统采用单母线分段形式，配电系统的接地形式为TN-S。低压母线分A、B、C三段，电气主接线见图1。

图1 发电站电气主接线单线图

发电站主要运行方式如下：

（1） 正常情况下天然气发电机2台运行、1台备用，母联开关52AB和52BC闭合，1台天然气发电机运行故障时备用天然气发电机自动投入。

（2） 压缩机站事故或天然气发电机全部故障停机时，母联开关52BC自动断开后，应急柴油发电机D1自动启动后给C母线上重要负荷供电，此时如果站场事故处理完成或者天然气发电机能够恢复启动，则自动启动天然气发电机并自动恢复AB母线负荷，控制系统自动同步AB母线与C母线，达到同步并车条件后自动闭合52BC，系统恢复到由天然气发电机供电模式。

（3） 在手动模式下，也可以通过人工控制实现柴油发电机带动A、B、C段母线部分负荷，方便了在特殊情况下的站内用电设备的调试工作。

设计中52BC没有考虑常规的ATS转换开关，主要有以下五个原因。

（1） ATS转换开关不能实现柴油发电机与天然气发电机并机功能，仅是简单的开关转换，在开关切换过程中均有短暂断电过程，负荷瞬间增减会对发电机和用电设备造成冲击，不利于系统和电气设备的安全。

（2） 在电站故障，即由天然气发电机切换到柴油发电机和恢复供电由柴油发电机切换到天然气发电机过程中，采用ATS转换开关会出现2次断电过程。

（3） 在需要天然气发电机停机或者事故停机时，可以先启动柴油发机同步后并入母线进入工作状态后，再断开52BC母联开关，并按序停天然气发电机，保证了电气系统平稳过渡；同理，电站恢复正常供电过程中，即由柴油发电机供电恢复到天然气发电机供电，可以在柴油发电机母线C与天然气发电机母线AB同步后合母联开关52BC，完成负荷转移后柴油发电机停车。

（4）一般建议使用ATS开关的场所是有外部供电，同时还有自发电设备，外部电网不允许用户的自发电设备并入电网的情况，不适用于本项目。

（5） 发电站电气主接线的这种配置，增加了系统运行的灵活性、可靠性和安全性，方便了压缩机站电气的运行、检修和事故处理。

4 电站控制系统（ECS）的应用

中哈天然气管道项目在压缩机站电站控制系统的设计上，充分考虑了发电机组、天然气压缩机站的负荷特点以及运行需求，既要管理好发电机的运行、维护保养，又要根据压缩机站不同时间段、不同负荷大小和运行实际情况随时调整发电机的运行方式，以保证供电的连续性和可靠性。因此只有提高控制系统的水平，才能尽量避免或减少人为操作失误造成的停电事故。

在工程设计、软件开发过程中全面考虑、优化配套设计的电站控制系统，应用的发电站控制系统既充分考虑了发电机的特点，又合理地设计了运行管理程序，极好地满足了运行的需求。

下面以CS1压缩机站电站控制系统为例说明电站控制系统的配置。

4.1 系统特点

（1）系统的人机操作界面采用以人为本的设计理念，操作界面设计充分考虑人性化特点。界面采用英、俄两种语言随时可以切换。

（2）引擎-发电机保护系统不但保证了机组长期稳定可靠的工作，而且在发生故障时可以保证系统的安全。

（3）燃气发电机、柴油发电机均能完成准同期并网、解列等功能。

（4）具备灵敏、可靠的紧急卸载功能，在机组发生故障时切除次要负载，避免电站崩溃，不至于影响到备用发电机组的安全启动时间，避免造成压缩机站的停机、停站事故。

（5）具备负荷分配功能、同步加减不同发电机负荷的功能，当一台燃气发电机需要停机检修而启动另一台燃气发电机时，系统能自动或人工完成同步加减载操作。

（6）各个发电机控制柜内可编程逻辑控制器（PLC）、电源、以太网通迅卡等，均采用冗余配置，不但提供丰富、完善的监视、控制、保护功能，还保证了系统的可靠性，在任何一个硬件有故障的情况下均能保证控制系统的正常工作，并能够不停机更换故障硬件。

（7）组成系统的各控制柜均可独立工作，任何一台机组或控制柜发生故障时都不会影响到整个系统的操作。

（8）在自动控制系统之外，具备独立而完善的全手动控制系统。当自动系统发生故障时，也可以保证机组能够正常工作。

（9） 提供RJ45或RS485数据/控制接口，通过使用TCP/IP或Modbus协议与压缩机站站控系统对接，并能够实现与项目SCADA系统远程监控网络对接，实现远程数据的采集和监控。

（10）压缩机站中控室的两台工业型计算机控制终端（冗余配置），除提供与现场控制柜同样的监视和控制功能外，还具有故障录波、历史记录、报表生成、电能计量、平均负荷以及负荷曲线等功能。

（11）控制器、保护器模块均采用世界知名品牌ABB产品，可靠性高且维护方便。

4.2 系统组成

发电站自动控制系统以CS1压缩机站为例，电站内控制室控制系统由1个主控制柜、4个发电机分控制柜（3台天然气发电机和1台应急柴油发电机）和1个24 V直流电源屏。

压缩机站控制室设置电站控制系统ECS控制柜1台，并在控制室设置2台工业型计算机作为远程控制终端，通过OPC服务器实现与压缩机站站控系统（SCS）、发电站内主控柜、发电站低压配电柜的通讯，作为整个项目SCADA系统的一部分，实现发电站的远程监视与控制功能。

4.3 发电机配套并机控制系统的工作模式

（1）手动模式下，发电机组的启动/停车、断路器的合闸/分闸、同步并车等均由操作者手动控制。

（2）自动/投入模式下，发电机组的启动/停车、断路器的合闸/分闸、同步并车等均自动进行。发电机组自动启动，待频率、电压符合要求后，自动向不带电母排合闸或带电母排同步并联。

（3）自动/后备模式下，发电机组处于待命状态，在收到主控柜发出的负载需求启动信号或故障启动信号后，发电机组自动启动，待频率、电压符合要求后，自动向空母排合闸或与其他在线发电机同步并联。在收到主控柜发出的卸载/退出信号后，自动卸载、分闸，经冷却运行后自动停车，回到待命状态。

4.4 系统功能

4.4.1 主控制柜功能 （1台）

（1）多台发电机的手动并车显示与控制。

（2）多台发电机的自动并车显示。

（3） 备用发电机自动启动/退出的顺序控制。可按照需求自动启/停备用发电机组。可以人工设定备用机组启动条件，如CS1站设置：1台天然气发电机负荷率在没有大负荷启动时（即135 kW空气压缩机）达到60%（可调）后自动启动备用机组，以保证大负荷的冲击不会造成单台天然气发电机的停机；在2台天然气发电机运行时，如果单台发电机分担负荷小于30%（可调），自动停1台发电机。

（4）紧急卸载控制。

（5）母联开关的同步并联及分断。

（6）各发电机组运行状态显示，辅助设备的运行状态及故障显示。

（7）系统故障显示与报警。

（8）系统辅机的集中控制。

（9）假负载远程控制，根据发电机带载情况自动/手动加减载。

4.4.2 发电机分控制柜功能（3台天然气发电机+1台柴油发电机）

（1）发电机组的手动/自动启动和停车。

（2）发电机组的手动/自动并车控制，发电机断路器的手动/自动合闸与分闸。

（3）发电机组工作模式的设定（手动/自动-投入/自动-后备）。

（4）发电机组的紧急停车控制。

（5）发电机的输出电压设定。

（6）发电机的输出频率设定。

（7）发电机组并联工作时的负载分配控制。

（8）负载控制及功率因数控制。

（9）控制发电机组实现软加载和软卸载及卸载后的冷却运行。

（10）对辅助设备如充电器、缸套水加热器、电机驱潮加热器、分离式冷却系统等进行控制。

（11）显示发电机的输出电压、频率及功率因数等电气参数。

（12）保护及警报功能-低电压保护、过压保护、过流保护、低频率保护、接地保护、逆功率保护、电池低电压保护等。

4.4.3 24 V直流电源柜功能 （1台）

（1）给控制系统提供24 V冗余直流电源。

（2）电源监视。

（3）低电压报警。

（4）直流电源配出。

4.4.4 ECS控制柜功能 （1台）

（1）计算机主机及通讯设备。

（2）GPS时间同步及画面显示。

（3）提供220 VUPS电源。

4.4.5 计算机工作站提供人机监控彩色界面

（1）通过高速以太网监控可编程序逻辑控制器。

（2）基于Windows的画面组态：电气单线图（Watt，VAR，V，Hz，A，Watt-hour，VAR-hour等）；每台机组和负荷监控（V，Watt，VAR，A，Hz，PF，Watt-hour，VAR-hour等）；每台机组轴承、定子温度等；每台机组的润滑油、冷却水、燃料气等的温度、压力等状态；每台机组的排气温度。

（3）趋势报告、历史记录、报警记录等。

（4）电站其他辅助系统的报警信号等。

5 发电站假负载配置

根据天然气发电机厂家提供的运行特性，正常运行时负荷率不应低于发电机额定容量的50%，同时又由于天然气发电机带载能力相对较弱，必须考虑电站内运行的发电机要有足够富裕容量以抵消压缩机站内冲击负荷对发电机的影响。压缩机站运行中可能出现：

（1）单台发电机运行负荷容量小于50%。

（2）两台天然气发电机并列运行发电机容量小于50%。

（3）特殊情况需要，如对发电机做带载测试等。

基于以上可能出现的情况，对于天然气发电机站配置假负载是十分必要的，综合考虑，设计上选用了2台400 kW假负载分别接在A和B段母线，每台假负载按照（50 kW+50 kW+100 kW+100 kW+100 kW）考虑分组投入或切除，每台假负载均配置单独的控制柜并采用PLC控制，并能远程由发电站控制系统（ECS）自动/手动控制。在发电站自动控制模式下，ECS能够根据发电机投入台数和负载情况，在负荷小于或大于单台天然气发电机50%负荷时自动分组延时投入或切除假负载，保证发电机能够在最优的状态下运行，同时也保证了最少投入假负载以避免能源浪费。

6 结束语

中亚天然气管道是一条国际化的战略性输气管道，具有非常重要的政治意义和经济意义，其安全平稳运行尤其重要。由于在项目初期就明确了发电站的重要性，在发电站方案设计中就做到了考虑充分、方案配置合理、自动化水平高。通过投产后多年的实际运行情况来看，发电站运行良好，尤其是其高度集成化、自动化的自动化控制系统的应用，极大地保证了发电站运行的可靠性和稳定性；同时完善的系统配置，也为运行期间发电机的运行优化、负荷分析、事故分析和处理等提供了条件和便利，为压缩机站安全、可靠运行提供了有力的保证，也为今后压缩机站项目自发电电站的设计和运行提供了宝贵的经验。

[1]GB 50251-2003，输气管道工程设计规范[S].

[2]GB 50183-2004，石油天然气工程设计防火规范[S].

[3]GOST51-1-85，干线天然气管道工艺设计规范[S].