压气站压缩机组负荷分配方案分析与实现

曹开华，邢 通

（中国石油工程建设有限公司，北京 100120）

随着国民经济的发展，国内对天然气需求与日俱增，为满足国内巨大的天然气需求，建设了西气东输管线，同时将管线延长到了中亚国家的天然气原产国，全线设置了大量的压气站，压气站内一般设置多台同型号的压缩机组，部分压气站根据建设需要也设置了两种或以上型号的机组，机组并联运行，根据下游负荷需求情况共同承担输气任务。由于下游用户负荷的季节变化、昼夜变化及线路各站运行调整，压气站需要配备一套负载分配系统来实现负荷的实时调整，提高压气站内各机组的运行效率，降低操作风险。

1 典型压气站工艺

1.1 主工艺流程

图1 基准负荷分配法工作特性曲线Fig.1 Working characteristic curve of benchmark load distribution method

长输天然气管道在输送天然气过程中由于管道的摩擦阻力及地形高差等原因，管道输送压力在一定距离后会形成一定的压力降，为提高长输管道的输送能力，需要在一定距离间隔内设置压气站进行增压。其主要工艺流程为天然气过滤分离，压缩机组增压，空冷器冷却后输往下游站场。由于离心式压缩机具有输量大、结构简单、运转可靠，使用寿命长等优点。因此，压气站压缩机一般采用离心式压缩机组，驱动设备可根据情况选择燃气轮机或者电驱。

1.2 压气站压缩机组运行方式

压气站压缩机组根据下游的需求，既可以选择单台运行也可以多台并联运行。由于多台机组共用进气和排气总管，并联各机组的进气和排气压力相等，压气站根据运行需要可以采用压缩机组进口压力、出口压力或外输总流量作为工艺控制变量，工艺控制的输出作为驱动机器如燃气轮机燃料调节阀或高压变频器的输入，通过驱动机转速控制使压缩机负载实时调整。

2 3种负荷分配控制方案比较分析

根据压气站的控制目标，长期以来人们总结出了3种不同的负荷分配控制办法，即基本负荷分配法、流量均分法和等喘振裕量法，下面对以上3种负荷分配控制办法从原理上进行比较分析。

2.1 基本负荷分配法

根据压气站负荷的变化规律将一台或多台机组完全加载至无回流运行，机组工作点远离喘振控制线，并固定其转速，将其作为基本负荷机组。压气站负荷调整通过调节机组转速控制来实现。当调节机组的负荷较低时，调节机组可能进入喘振控制区，喘振阀打开，部分回流，如图1工作点QA1。为减小调节机组的回流，需要降低基准机组转速（工作点由QA2转移到QB2），将部分负荷分配给调节机组，减小或消除调节机组的回流（工作点由QA1转移到QB1）。

图2 流量均分负荷分配控制方案Fig.2 Flow equalization load distribution control scheme

由于调节机组在低负荷时将工作在部分回流状态，大量能量消耗在回流上，所以基本负荷分配法是一种低效的负荷分配控制。由于用户负荷变化，为改善调节机组的运行状态，需要操作员频繁调整机组工作点，操作难度较大，故该分配方法仅适用于机组台数少，负荷稳定的站场。当负荷变化时只有调节机组来承担负荷扰动，调节机组运行的工况最恶劣，发生喘振的风险大。

2.2 流量均分负荷分配法

从机组输送流量的角度出发，为均衡分配站内机组的负荷，可将各站场对外输送的流量平均分配到每台机组，将机组外输的流量作为控制变量，实现负荷平衡分配的目的。典型的等流量负荷分配方案如图2所示，为测量机组外输流量，需在每台机组的输入、输出管上设置流量计，机组外输流量等于输入与机组流量之差，每台机组的流量调节PID的输出结果作为机组调速器的设定值。为保持出站压力稳定，可将出站口压力与机组流量调节控制器构成串级控制。

该方案从理论上适用于完全相同的机组，但实际上完全相同的机组并不存在，哪怕是同一厂家同一机型也有不同的性能曲线，按照等流量运行时有的机组可能运行在喘振控制线右侧，但是其他机组可能已进入喘振控制区，等流量负荷分配不适用于不同机型的机组。由于采用压力的串级控制，机组对输出压力的控制响应慢，出站压力控制性能差。机组出口和入口的流量计不但增加了设备投资，而且增加了运行能耗损失，经济性差。

2.3 等喘振裕量[2]负荷分配法

前述的基本负荷分配法和流量均分负荷分配法，不可避免地会使负荷分配组内的某些机器进入喘振控制区，使某些机组运行在最恶劣的工况下，增大喘振风险。从降低机组的喘振风险，减少不必要的回流，提高机组运行效率的角度出发，可以考虑将负荷分配组内各机组的喘振裕量作为控制目标，将各机组控制运行在与喘振控制线等距离的操作点上，即各机组喘振控制器的偏差（DEV）相等[1]，其控制方案如图3所示。在该方案中设置有压气站入口或出口压力主性能控制器（MPIC）、单机组负荷控制器（LSIC）、单机组喘振控制器（UIC）和转速控制器（SIC），机组各控制器通过高速专用数字通信网络实时与负荷分配组内的其它机组交换数据。

图3 等喘振裕量负荷分配控制方案Fig.3 Equal surge allowance load distribution control scheme

压力波动时，并联网络中的各台机组都部分吸收了扰动，使得各机组动能平稳调节，喘振风险最小[1]。由于操作点到喘振控制线的距离（DEV）是个无量纲的相对值，故该方案中可实现不同机型、不同容量、不同厂家的机组并联运行下的负荷分配，各种不同转速和流量的机组运行在同一个DEV值下，实现稳定的负荷分配。

3 压缩机组负荷分配的工程实现

3.1 系统的基本配置

由于等喘振裕量负荷分配法的诸多优点，它是压气站广泛采用的一种负荷分配方案，下面以中亚管道某压气站为例，介绍压缩机组等喘振裕量负荷分配的工程实现。该压气站采用4台同型号燃气透平离心式压缩机组，压缩机组入口和出口分别连接至共同的管汇，各机组的入口、出口运行压力相等。每台机组配套一套单元控制系统（UCS），单元控制系统内集成了转速调节器（SIC）、喘振控制器（ASC）、负荷分配控制器（LSC）和负载均衡器（LDE），单元控制系统通过专用的高速通信网络，实时传输负荷分配所需的数据，单元控制系统之间数据交换和控制方案如图5所示，在该系统中可以按照需要选择任意两台及以上机组组成负荷分配组。

3.2 负载的分配与平衡

图4 等喘振裕量分配运行曲线[2]Fig.4 Equal surge margin distribution operating curve[2]

机组单台独立自动运行时，转速控制可以采用入口压力、出口压力及传输流量3种方式，根据负荷变动情况自动调节压缩机组转速。当压缩机组的负荷分配控制器（LSC）投用时，机组开始和负荷分配组内的其它机组共享负荷。一台机组在读取其它机组的转速设定值时，也将本机的转速设定值传输给其他机组，负荷分配组内最高的转速设定值将被选择作为该负荷分配组的转速设定基准值。仅投用负荷控制器（LSC），而不投用负载均衡器（LDE）时，负载均衡器给出的输出为零，各机组的转速设定值为负荷分配组的基准速度设定值。在这种模式下负荷分配组内转速设定较低的机组将提速，提高输出负荷，而转速设定较高的机组由于其它机组分享了一部分负荷，转速设定值逐步下降，最终所有机组在新的转速设定值下实现动态平衡，负荷分配组内的机组达到第一层次的负荷分配。

当负载分配控制器（LSC）和负载均衡器（LDE）同时投用时，负荷分配组内所有运行机组的DEV平均值，将作为各机组负载均衡器（LDE）的设定值，如某机组实际DEV值低于设定值，负载均衡器将在比例积分算法的作用下输出一个速度设定偏置值，使操作点远离喘振控制线。通过负载均衡器（LDE）的调节作用，负荷分配组内各机组将在基本转速设定值上下波动运转，各机组操作点至喘振控制线距离相等，负荷分配组内的机组达到第二层次的负荷平衡，此时各机组“出力”相同喘振风险最小，负荷扰动由多台机组共同吸收[2]，避免不必要的回流，提高系统操作的稳定性和经济性。

4 结论

长输管道压气站上游供气和下游用户负荷复杂多变，各压气站内不同机组厂家负荷分配方案各异，再加上机组运行工况、保养水平和操作人员习惯等决定了在长输管道内很难通过一种负荷分配模式满足各种运行工况的需要，操作运行人员只有根据不同的情况，综合采用各种负荷分配方式才能保证长输管道平稳、安全运行。在各种负荷分配方案中，等喘振裕量分配法具有喘振风险小，运行效率高、负荷扰动小及适应各种不同机型等优点，是应优先采用的负荷分配方案。

图5 等喘振裕量负荷分配逻辑算法Fig.5 Equal surge margin load allocation logic algorithm