天然气差压膨胀发电机组与调压调流旁路的控制研究设计与应用

郑骏

上海申能临港燃机发电有限公司

上海申能临港燃机发电有限公司差压余能利用项目建设一套国内最大的1×5.6MW天然气差压膨胀发电机组，通过设置一套与LNG末站并联的差压发电装置，利用天然气作为工质，使其通过膨胀透平降压，在透平出口压力满足用户的同时，产生电力，回收能量。本文研究了膨胀机与调压调流旁路的控制设计，对膨胀机启动、停运阶段和膨胀机故障跳闸时，膨胀机和调压调流旁路的配合控制进行了分析，通过试验检验自行设计控制逻辑的实际运行效果。

1 项目工艺流程

项目主要工艺流程：燃气从液化天然气LNG总站储气罐经气化升压后，利用电厂机组杂用水换热器对其进行前置加热，加热后的高压天然气直接进入透平膨胀机做功带动发电机对外发电，膨胀减压后的低温天然气进入海水换热器加热后直接进入城市管网。考虑到膨胀机自身启动、机组检修及故障切换的需要，膨胀机组并联设一套2×100%容量调压调流旁路阀门组，作为切换备用，以保证LNG站供气安全及供气量的可靠性。

2 膨胀机自动控制

膨胀机控制可选择PLC控制或者DCS控制模式，当膨胀机处于PLC控制模式下时，可以在PLC界面启动膨胀机，当膨胀机处于DCS控制模式下时，可以在DCS界面启动膨胀机，实现一键启停。

2.1 膨胀机启动控制

当膨胀机接收到启动信号后将依次打开进口隔绝阀、膨胀机进气调节阀IGV（开度置5%）和膨胀机紧急关断阀ESV。ESV打开后，IGV以0.2%/s的速率逐渐打开，膨胀机转速高于2 970rpm时，发电机出口开关自动合闸。发电机合闸后，IGV以1%/s的速率继续打开，直到发电机输出功率高于570kW，IGV切换到自动控制模式，膨胀机启动结束。

2.2 膨胀机自动停运控制

当膨胀机接收到正常停机指令后，会将IGV切换为手动控制模式，以每秒0.2%的速率关闭IGV，当负荷小于300kW后，关闭膨胀机进口隔绝阀，隔绝阀收到“关”反馈信号后关闭膨胀机ESV。ESV关闭后延时3s断开发电机出口开关。

若膨胀机在运行过程中收到跳闸信号，则立即同时关闭IGV、进口隔绝阀和ESV，ESV关闭后延时3s断开发电机出口开关。

2.3 膨胀机自动控制

膨胀机自动控制逻辑框图如图1所示，控制模式主要有流量控制和压力控制两种模式，同时通过负荷过载限制保护、天然气低温限制保护取小值控制IGV。

图1 膨胀机自动控制逻辑框图

2.3.1 流量控制模式

膨胀机正常运行，进入IGV自动控制模式，当流量控制模式被选中时，通过调节IGV开度来控制通过膨胀机和调节旁路的天然气总流量。膨胀机流量调节范围为200 000～800 000Nm3/h，需在DCS中选择该模式，并设定流量目标值。

2.3.2 压力控制模式

膨胀机正常运行，进入IGV自动控制模式，且压力控制模式被选中时，通过调节IGV开度来控制膨胀机出口的天然气压力。压力调节范围为大于4.0MPa，需在DCS中选择该模式，并设定压力目标值。

2.3.3 负荷过载限制

为防止膨胀机过载，通过限制IGV开度实现该保护。该控制的优先级高于调流/调压控制回路输出以及手动调节回路输出。当膨胀发电机功率高于6 000kW时，负荷过载限制激活。

2.3.4 天然气低温限制

膨胀发电机组运行时，为防止海水换热器出口天然气温度低于2℃，通过限制IGV开度实现该保护。该控制的优先级高于调流/调压控制回路输出以及手动调节回路输出。

3 膨胀发电机调节旁路

调节旁路主要在膨胀发电机启停阶段进行天然气调压调流配合，或当膨胀发电机故障及跳闸、检修时能确保LNG管网和临港电厂正常用气。

3.1 膨胀机启动阶段的旁路控制

膨胀机组启动前，确认膨胀机自带的辅助系统如润滑油系统、密封气系统等已预先投用并工作正常，在DCS投用启动程控，预选调流模式启动。通过逐步调节旁路调压阀压力整定值5.8 MPa，保证调压阀全开。当调压阀全开后，将调流阀投自动，由调流阀控制流量逐步从零流量增加至LNG临港末站减压管线需由临港电厂分流的流量，此过程需和LNG临港末站配合完成，由运行人员手动配合调整流量设定值。

当LNG临港末站减压管线与膨胀机旁路之间流量切换完成后，进入膨胀机冲转前的检查阶段，确认膨胀机上下游压力差、上下游温度等参数符合启动要求。DCS收到“膨胀机启动准备就绪”信号后，由运行人员释放确认条件，此后DCS向PLC发送膨胀机启动指令，膨胀机接到启动指令至并网带初始负荷期间，膨胀发电机组的IGV受PLC冲转控制逻辑控制以额定的速率逐渐开大，旁路调流阀自动控制天然气流量，随着启动过程IGV逐步开大，旁路调流阀逐渐关小直至膨胀机并网并加载至10%额定功率的初始负荷。

膨胀机输出初始负荷后，进入调流模式，此后IGV继续开大，旁路调流阀继续关小直至全关。此后，通过远方设定旁路调压阀压力整定值，将调压阀逐渐关闭。当调压阀关闭后，再将旁路调流阀设置为开环控制模式，并将开度保持在30%。至此，膨胀机启动全部完成，旁路进入调压阀关闭调流阀保持一定开度的“热备”状态。

3.2 膨胀机停机阶段的旁路控制

旁路处于调压阀关闭调流阀保持一定开度的“热备”状态，投用自动停机程控，切换至调流模式，将旁路调流阀切停机控流模式（SP+）、膨胀机切停机控制模式（SP-），再将旁路调压阀远方压力自动设定切除，旁路调流阀投自动，远程自动逐步调高旁路调压阀定值，逐步打开旁路调压阀，直至其开度＞10%。其间膨胀机IGV逐步关小，此后，向膨胀机发停机指令，膨胀机继续关IGV减负荷，而调压阀继续以一定速率开启，直至压力整定值为5.8Mpa时全开。膨胀机继续减负荷，IGV逐步关小，直至负荷低于5%额定值时膨胀机入口紧急切断阀关闭，膨胀机辅助油泵立即开启。至此，膨胀机停机完成，进入调压阀全开、调流阀调流的旁路“控流”模式。

3.3 膨胀机的旁路自动控制

3.3.1 膨胀机正常运行时的旁路自动控制

膨胀机正常运行时，主要处于调流模式，此时，旁路调压阀保持关闭，旁路调流阀则保持30%开度。当膨胀机调节流量受限而达不到目标流量时，如海水换热器出口天然气温度过低，则触发报警，由运行通知LNG分流。此时，旁路调压阀压力定值设置为通过就地机械整定的最小值，定为4.0MPa。若膨胀发电机处于调压模式，则旁路控制模式同上，此时旁路调压阀压力整定值在上述就地机械整定最小值和目标压力定值两者中取高值。

3.3.2 膨胀机跳闸时的旁路自动控制

任意时刻膨胀机跳闸时，旁路调压阀先快开至100%，旁路调流阀则投自动控制模式，并根据当前流量设定值自动调节流量，满足下游供气要求。

3.3.3 膨胀机停运时的旁路自动控制

膨胀机长时间停运、检修期间，为减少控制复杂性、运行监视工作量及设备运行风险，可由运行人员手动设定流量逐步将旁路调流阀关闭，交由LNG调流/调压。

4 应用效果

模拟实际工况下的运行操作，测试天然气差压膨胀发电机组与调压调流旁路的配合控制逻辑。

图2为膨胀机自动启动过程，由旁路调流切换至膨胀机调流的状态曲线。由图2可以看出，膨胀机启动过程中，逐渐由旁路调流转变成膨胀机调流，旁路进入调压阀关闭调流阀保持30%开度的“热备”状态，整个启动切换过程天然气实际总流量和天然气出口单元压力未发生波动。

图2 膨胀机自动启动过程曲线图

图3为膨胀机自动停运过程中由膨胀机调流切换至旁路调流的状态曲线。。由图3可以看出，膨胀机正常运行时，旁路处于调压阀关闭调流阀保持一定开度的“热备”状态，在膨胀发电机停运过程中，逐渐由膨胀发电机调流转变为调压阀全开、调流阀调流的旁路“控流”模式，整个停运切换过程瞬间会对实际天然气总流量产生一定的扰动，短时间内会迅速恢复稳定，天然气出口单元压力无明显波动，未对下游天然气用户产生影响。

图3 膨胀机自动停运过程曲线图

图4为膨胀机跳机迅速切换至旁路调流自动控制的状态曲线。由图4可以看出膨胀机跳闸时，ESV阀迅速关闭，旁路调压阀开至100%，旁路调流阀根据当前流量设定值自动调节流量。整个切换过程中，为防止超速，ESV阀响应迅速快，关闭时间小于0.5s，旁路调压阀为机械式调压，同时靠储气罐压力辅助调节阀门开关，响应速度较慢，跳机切换过程中存在5s的实际天然气流量瞬间降低，但由于时间较短且天然气管道内容积较大，天然气出口单元压力无明显波动，对下游用户未产生影响。

图4 膨胀机跳闸过程曲线图

5 结论

天然气差压膨胀发电机组与调压调流旁路的控制设计对膨胀机启动、停运阶段以及膨胀机故障跳闸时，膨胀发电机组和调压调流旁路的配合控制证明了在本项目天然气流量和压力的工况下，本控制方案能满足设备的安全稳定运行和天然气调流调压要求，为其他天然气差压膨胀发电机组项目提供了参考，为相关人员理解控制逻辑、判断和分析事故原因提供借鉴作用。