天然气压缩机自动控制技术研究

赵越

摘要：在大型天然气管网输气系统中，输气管网需要从多个天然气产区向所有的用户输送天然气，还要对地下的天然气储气田进行补气和抽气。为了满足天然气资源优化调配，调控中心需要经常对各条管线输气量进行调整，工作量庞大，对于实现压缩机的远控功能具有非常强烈的需求。基于此，本文主要对天然气压缩机自动控制技术进行分析探讨。

关键词：天然气压缩机；自动控制；技术研究

1 前言

长输天然气管道压缩机的功能是给天然气增压以维持所要求的输气流量，操作控制方式分为远程控制和就地控制。因为设备、控制逻辑等因素，目前大部分站场仍采用中心调度下令，现场人员就地操作的落后调控模式，造成管道现场需配置大量的人力用于管道的监视与操作。为了确保输气管网运行控制的灵活和可靠，需要设计一种控制系统来实现对压缩机的复杂控制和操作。

2 控制功能要求

压缩机站的控制系统为了实现控制目标要求所必须满足的功能要求包括：①防喘振控制，当完全关闭1个子站的入口或出口切断阀时，控制系统的响应必须做到不让任何一台压缩机出现喘振。当同时完全关闭1个子站的入口和出口切断阀时，控制系统的响应必须做到不让任何一台压缩机喘振超过一次；②出口压力控制，在稳定操作状态下，出口压力与设定点的偏差不能超过0.5%；③负荷分配控制，当将一台压缩机投入系统或退出系统时，控制系统要在小于30min的时间内，重新建立稳态操作，使所有压缩机均衡加载（在1%范围内）；④燃气轮机速度控制，在稳定状态下，燃气轮机转速与其设定点之间的偏差不能超过0.5%；⑤燃气轮机限幅控制，当提高速度设定点时，在燃气轮机排气温度已经比它的限幅控制门槛值高出其传感器量程的0.5%以后，或出口压力已经比它的限幅控制门槛值高出其传感器量程的0.1%以后，控制系统不允许速度再继续升高。

3 控制系统设计

3.1 燃气轮机温度限幅

由于测量燃气轮机排气温度（EGT）的热偶固有时间滞后，燃气轮机排气温度限幅控制回路的动态响应品质会显著变坏。为了对燃气轮机进行更加有效地操作并增加燃气轮机动力，控制器采用了一种预估温度限幅的算法，当EGT超过门槛变量（此变量为由气体压缩机出口压力和EGT升高速率所构成的函数）时，预估温度限幅的算法将会取代速度控制回路。

3.2 壓缩机防喘振控制

为了减少回流量而不冒压缩机喘振的危险，防喘振控制器使用开环和闭环响应对喘振接近变量的变化率作出反应。当压缩机安全地运行在远离其喘振极限的位置时，使用一种简单的比例-积分（PI）响应来减少回流量；当压缩机操作在喘振控制线上，并且有小的、缓慢的扰动出现时，防喘振控制器就会增加回流量。大的、快速的扰动首先通过增加安全裕度来抵消，增加安全裕度后，PI响应随后快速打开回流阀。如果这样一个扰动使运行点越过喘振控制线，那么回流阀将快速地、阶梯性地打开，这样通常就可以防止压缩机达到其喘振极限值。如果这些响应还不足以防止喘振的发生，那么需增加一个稳态的安全裕度。

为了减小防喘振控制动作对站出口压力的影响，性能控制器使用前馈算法自动调整速度设定点以适应回流量的变化。另外，当压缩机正在启动、停车、加载及卸载时，防喘振控制器按照需要自动设定回流阀的开度以防止喘振及阻塞的发生。但以前的系统在这些状态转换的过程中，唯一的选择是将回流阀全开或全关。前者将导致阻塞流量或回流管线压力过高，而后者常常会导致喘振。

3.3 预估压力超驰控制

压缩机控制器包含一个压力超驰特性作用，它能够通过增加回流量来响应站出口压力的变化。此外，当出口压力达到压力最大值时，它还能够将回流阀完全打开。这不仅能够防止出口压力超限，从而允许操作更靠近管线压力极限，而且还能够在极端的情况下防止喘振的发生。

3.4 负荷分配

压缩机的控制系统使用两种互补的控制响应，在1个站上调节和分配所有的负荷。性能控制响应按照需要同时提高或降低压缩机的转速，以维持设定点的压力或流量。在低流量工况下，为了应对负荷的进一步减小，它还能够增加回流量。负荷平衡响应通常按照需要改变每台压缩机的转速，以将每台压缩机保持在与相应喘振极限距离相等的点上运行。在所有的压缩机同时达到喘振控制线之前，这种作用可以防止不必要的回流。

3.5 主性能控制

对于1个压缩机站来说，性能控制在站主控制器内实现，站主控制器计算出口压力、压缩比，或流量与其设定点的偏差的比例、积分、微分（PID）响应，并将此响应传递给负荷分配和防喘振控制器。每台负荷分配控制器将接收到的站主控制器的响应变化，按一定比例来改变驱动压缩机的燃气轮机的速度设定点，从而提高或降低压缩机的流量及压缩比。然后负荷分配响应按照需要微调速度设定点，使压缩机的运行点和喘振控制线的距离与同一子站其他的压缩机相同。

3.6 负荷平衡

并联的负荷平衡实现方法是：每台负荷分配控制器计算1个负荷变量，此负荷变量是压缩机喘振偏差的线性函数，然后主控制器计算这些压缩机负荷的平均值。每台负荷分配控制器根据本身的负荷与所有负荷平均值的偏差，计算出1个PID负荷平衡响应，并把它增加到由主性能控制响应计算出的总的速度设定点上。其结果是调整每台压缩机的转速，直到所有压缩机的操作点与喘振控制线的距离相同。

3.7 自动加载和卸载

压缩机控制系统的另一个重要作用是对压缩机进行自动加载和卸载。当1个压缩机站只使用部分性能时，新系统将总流量与站上单台压缩机的性能及所有压缩机的总性能进行对比，并提供提示信号，告知什么时候需要启动或停掉1台压缩机。系统还能够在这些压缩机的启动、停车、加载或卸载过程中提供时序控制，并在这些过程中根据需要自动对回流阀进行定位，以防止在上述过程中出现喘振和阻塞。

4 结语

随着长输天然气管网全面铺开建设，调控中心急需对压缩机等关键设备进行自动控制，在远程控制改造过程，要全面考虑投入运行的稳定性、精确性、易操作性。压缩机自动控制技术推广，对长输天然气管道的统一监控管理意义重大。

参考文献

[1]程瑜瑾，张桢.用PLC和变频器实现石油气压缩机自动控制的方法[J].中国石油和化工标准质量，2012，8：117.