变频调节在透平发电机柴油控制系统中的应用

孙浩文

(中海石油中国有限公司蓬勃作业公司 天津300459)

0 引 言

某海上平台配备2 台30 MW 透平发电机组，因其额定功率大、效率高，在油田的组网电站中作为主力发电机起到了关键作用。正常生产情况下，这两台透平机组使用的燃料为油井采出的油气混合物分离处理后的伴生气，当燃气系统出现异常时，会自动切换至柴油燃烧模式以维持透平发电机的正常工作。自2008 年平台投产至2013 年间，曾出现多起透平发电机从燃气至柴油燃烧模式切换过程中，因柴油泵出口压力不稳定导致切换失败、透平机组停机、整个油田失电而停产，造成巨大的经济损失。因此，控制柴油泵出口压力稳定，避免透平机组燃烧模式切模失败而意外停机，成为亟待解决的问题。

1 柴油系统流程图解析

为查找故障原因，首先了解柴油系统流程。图1是平台透平柴油供给系统的主要流程图，柴油输送泵A 和B(一用一备)将泵出的柴油输送到透平发电机的高压油泵C 和D，当透平在天然气燃烧模式或停机状态时，高压油泵C 和D 停止运转，柴油则通过装有单向阀的旁通管线到达透平计量阀G 和H，并通过其回流管线回流到清洁油柜(如图中所示点划线流程)。供油管线的压力是由回流气动阀E 控制(气开阀)，稳定在7 bar 左右。当透平切换至柴油模式时，高压油泵C 或D 启动向计量阀补充油量，造成的管线压降则通过关闭回流阀E 来实现。

图1 柴油系统流程图Fig.1 Flow chart of diesel system

2 系统控制逻辑分析

柴油输送泵采用的是Rockwell logix5000 PLC控制系统，接收现场透平发电机的燃烧模式选择信号，如图2 所示。

图2 原始控制逻辑Fig.2 Original control logic

当输入信号CH1_IN_4_12 为0 时，表示透平发电机A 当前为燃气模式；为1 时，表示为柴油模式。该信号控制的是柴油输送泵A 的变频器。

当输入信号CH1_IN_4_14 为0 时，表示透平发电机B 当前为燃气模式；为1 时，表示为柴油模式。该信号控制的是柴油输送泵B 的变频器。

参数释义：

F109[0]：两台透平发电机A 和B 在燃气模式时柴油输送泵A 和B 的频率设定值0～100%(对应0～50 Hz)，可在该系统HMI(人机界面)上进行设定。

F109[1]：两台透平发电机A 和B 在柴油模式时柴油输送泵A 和B 的频率设定值0～100%(对应0～50 Hz)，可在该系统HMI(人机界面)上进行设定。

F109[2]：输出至柴油输送泵A 的频率信号。

F109[3]：输出至柴油输送泵B 的频率信号。

从以下原始控制逻辑中可以看出：

①无论透平发电机A 的输入信号CH1_IN_4_12为0 或1，输出至柴油输送泵A 的频率信号始终为100%。

②无论透平发电机B 的输入信号CH1_IN_4_14为0 或1，输出至柴油输送泵B 的频率信号始终为100%。

3 原始程序在实际控制过程中存在的问题

该透平发电机在正常情况下采用的是燃气模式，柴油系统始终有一台输送泵在运行以保证切换至燃油模式时能够及时有效地提供燃油压力。按照原始的程序设计，不论透平的燃烧模式是天然气还是柴油，逻辑始终输出100%至变频器，柴油泵全负荷运行，而当透平在天然气燃烧模式或者停机时，高压油泵C 和D 处于停止状态，少量柴油通过细小的高压油泵旁通管线经计量阀G 和H 回流至清洁油柜，回流压力气动控制阀E 几乎在全开位置以保持压力稳定在7 bar。当某台透平发电机由燃气模式切换至燃油模式时，高压油泵C 或D 启动，管线流量瞬间加大，柴油泵出口管线压力迅速下降，因回油压力控制阀E 关闭不及时而达到低压关断设定点，燃烧模式切换失败，透平停机。

4 解决方案及实施步骤

对照柴油系统流程图，当某台透平发电机切换至燃油模式时，高压油泵C 或D 启动，管线流量加大，破坏了原先的动态平衡，管线压力迅速下降，此时由控制系统PID 调节迅速减小输出值来关小回流阀E以维持压力在设定点，但由于气动控制阀本身特性，气缸泄气过程并非一蹴而就，阀门动作会有一定的滞后，这就会导致回流阀关闭不及时，管线压力下降过快。解决问题的关键是如何保证在高压油泵C 或D启动时，对管线压力进行迅速调节。因气动控制阀动作有滞后的特性无法更改，可利用已有变频器的快速反应特性予以补偿。该PLC 控制系统实际的扫描周期约为50 ms，即每50 ms 更新一次控制系统输出至变频器的信号，而泵的转速与变频器的输出成正比，反应迅速、延时时间可忽略不计。

4.1 获取试验数据

确认具体方案：依靠变频泵的快速反应特性，在管线流量突变情况下，通过调节控制系统至变频器的输出频率信号，从而调节泵的排量，稳定管线压力，回流调节阀尽量维持在原位置不变。经过多次试验，得出如下数据：

①当两台高压泵C 和D 同时运行时，柴油输送泵的频率设定在100%，此时回流阀E 的开度稳定在15%。

②只有一台高压油泵C 或D 运行时，为保持回流阀E 的开度稳定在15%，柴油输送泵的频率需设定在80%。

③在高压油泵C 和D 都未运行时，为保持回流阀E 的开度稳定在15%，柴油输送泵的频率需设定在40%。

4.2 优化控制逻辑及其功能

图3 为更改控制逻辑，实现了以下功能：

图3 优化后的控制逻辑Fig.3 Modified control logic

①当两台透平发电机处于停止或者处于燃气模式时，高压泵C 和D 都停转，预设柴油输送泵A 和B 的频率为40%(程序段Rung 3)，此时回流阀E 的开度为15% 左右。

②当任何一台透平发电机切油时(即高压泵C或D 其中一台启动，没有延时)，将柴油输送泵A 和B 的频率同时输出为80%(程序段Rung 5)以迅速补偿供油管线的压降，从而使阀E 保持在15% 左右，不致有大幅度的调整。

③当两台透平都切油时(高压泵C 和D 运行，没有延时)，A 和B 的频率同时输出为100%(程序段Rung 4)。

④当两台柴油模式运行的透平发电机，其中一台切至燃气模式时，A 和B 的频率同时延时60 s 降为80%(程序段Rung 4 和Rung 5)。设置延时的依据是透平控制系统从切气指令发出到高压泵停止有60 s的延时。

⑤而当两台柴油模式运行的透平发电机都切气时，A 和B 的频率同时延时60 s 降为40%(程序段Rung 4 和Rung 5)。

虽然对两台变频器的输出同时进行调节，但柴油泵始终是一用一备，对于停止的备用泵而言，变频调节不起作用。

5 改造效果及推广价值

改造完成后，经过多次燃料模式切换测试，回流控制阀E 始终维持在15%左右，柴油泵出口压力保持在6.8～7.1 bar 之间，达到预期目的。实际使用过程中，从2013 年改造完成，至2020 年底发稿时为止的7 年间，再未出现一起因燃料模式切换时因柴油压力控制不稳定导致的机组停机事件。根据以往历史记录，估算平均每年至少可避免2 000 多桶的直接原油产量损失。如果设备关断后无法正常启动，流程不能及时恢复，由此引起的经济损失更无法估算。

目前一般流程上的压力控制绝大多数都是采用气动压力控制阀来实现，如果液体流程的压力可以通过泵的调频来实现，则应尽量采取此控制方式，既可以降低气动控制阀动作滞后引起的流程压力波动，对节能降耗也可起到一定的作用。■