GE压缩机组负荷分配系统进站流量调节功能的实现与应用

魏国富，黄忠胜，马彦宝，丁建辉

（国家管网集团 西部管道有限责任公司 生产技术服务中心，乌鲁木齐 830000）

0 引言

近来年，国内长输天然气管道集中调控技术不断发展，在油气调控中心对管道各站场的工艺过程和设备运行参数进行实时监测，并对输气站关键设备进行远程控制。压缩机组作为天然气长输管道中最复杂、最核心的大型设备，正在逐步完善远程一键启停机及远程负荷分配控制功能，而实现压缩机组远程运行调整和负荷分配功能对整个天然气管网的资源合理配置和运行优化显得越来越重要[1]。霍尔果斯压气站作为西气东输西二线和三线首站，压缩机组的运行以控制中亚来气流量为主，由于首站8 台机组的负荷分配控制系统只有进出站压力调节功能，无法实现精准、平稳的自动调节进站流量的功能，造成首站机组负荷控制系统无法满足国家管网油气调控中心远控的需求。自主开展技术攻关，完成霍尔果斯首站负荷分配控制程序优化，实现首站压缩机组远程进站流量控制功能对国家管网压缩机组远程集中控制具有重要意义。

1 首站压缩机机组负荷分配控制现状及优化思路

长输天然气管道主要采用出口压力作为负荷分配控制的工艺变量，同时负荷设定信号也通过入口压力来限制，以防止压缩机组入口压力低于设定值[2]。霍尔果斯压气首站西二线和西三线分别有4 台GE 燃驱机组，在二线和三线联合运行工况下，二线机组和三线任意机组之间可实现联合运行，由三线MSC 负荷分配系统进行机组间负荷分配控制，目前负荷分配控制系统已具备压缩机进口压力调节和出站压力调节模式，可实现调控中心远程、站控远程和机组本地进出站压力调节值设定，但尚未实现进站流量调节功能。压缩机组负荷分配控制功能的投用后，调控中心通过SCADA 系统下发管网压力设定值给首站压缩机组MCS 系统。负荷分配控制器分别计算出管网进站和出站压力与其设定点的偏差，通过比列-积分响应，解耦出流量负荷控制值。各台机组根据压缩机入口流量差压信号、防喘阀阀位控制信号，耦合出当前运行的流量负荷值。将流量负荷值与实际运行流量负荷做差法运算，输出升、降转速指令。在调整压缩机转速时，当运行工作点远离喘振控制线时，降速指令执行压缩机组降速，升速指令执行压缩机组升速和防喘阀关阀命令；当运行工作点靠近喘振控制线时，升速指令执行压缩机组升速，减速指令执行压缩机组降速和防喘阀开阀命令。负荷分配过程中，交叉了压缩机防喘振控制计算，通过对压缩机组转速、防喘阀的调整，多台机组达到负荷量的平衡，最终实现管网进出站压力达到设定目标值[3]。

实现首站进站流量负荷分配控制功能，需要原负荷分配系统中新增流量调节PID 功能块，流量PID 的PV 值需在西二、三线SCADA 系统程序中计算出总进站流量，同时SCADA 系统能远程将进站流量调节设定命令下发到MCS系统中。在MCS 系统中，新增的流量调节PID 和原压力调节PID 之间需进行人工选择，且能实现流量和压力调节模式切换过程中的无扰切换功能，实现流量调节模式下出站超压后的自动保护切换调节模式的功能。

2 SCADA系统优化改造

2.1 站控系统SCADA系统改造

站控系统作为连接站控、中控调度监控的核心控制系统，具有接收压缩机组远控负荷调节命令、进站流量信号接入、与MCS 系统连接等重要功能，实现机组进站流量控制功能，需在霍尔果斯站站控系统程序进行以下改造：

1）在西二线工艺PLC 中新增运算程序，计算8 台进站超声波流量计中在用路流量计的瞬时流量总和，并对总和值进行滤波处理后，通过MSG 传输给西三线工艺PLC。对每一路流量计进行在用判断，如果流量计下游电动阀为全关到位状态，则判断该流量计瞬时量为0，如果流量计下游电动阀为非全关到位状态，则判断该流量计为在用状态。对8 路流量计瞬时量进行求和，对瞬时流量总量进行滤波处理，以当前瞬时量的70%和上一扫描周期（100ms前）瞬时量的30%的和作为滤波后的瞬时流量。新增MSG通信指令，通过MSG 将滤波后的二线瞬时量总和传送给三线工艺PLC。

2）在西三线工艺PLC 中新增运算程序，计算三线8台进站超声波流量计中在用路流量计的瞬时流量总和，并对总和值进行滤波处理，并与二线传给三线的流量进行求和计算后作为总进站流量值，组态模拟输出模块通道配置，将总进站流量硬线输给机组MCS 系统，同时需将小时瞬时量转化为天瞬时量，方便调度进行操作和调节。

3）在西三线工艺PLC 中新增中控、站控下发的进站流量调节设定命令、压力调节和流量调节模式切换命令程序，实现站控和中控控制权限切换时命令的无扰切换和自动跟随。同时，为防止中控或站控远程设定值变化幅度过大而造成转速波动过大，程序中实现设定值的步长运算逻辑，限制设定值输出的变化幅度。

4）组态站控系统主备RCI，将负荷分配新增的总进站流量、流量设定输出实际值、站控流量调节设定值、中控流量调节设定值、站控流量压力调节模式切换命令、中控流量压力调节模式切换命令、MCS 出站超压自动切换到出站压力调节模式反馈报警等通信点进行添加，并实现CIP、MODBUS、IEC 等通信地址的相互转化。

5）在站控系统VIEWSTAR 系统数据库中添加负荷分配相关的模拟量点和开关量点，并在原HMI 站操作压缩机进出站压力调节设定值界面新增画面，新增画面实现站控进站流量设定功能、站控流量调节和压力调节模式切换功能、当前调节模式显示功能、当前进站总流量、站控设定进站流量，以及实际输出进站流行设定值等功能，并与原压力设定HMI 相关画面进行整合和优化。

6）组态西三线工艺PLC 的I/O 模块通道，完成与MCS系统之间通信的远程流量调节设定值和进站总流量2 个AO信号回路接线，完成调节模式切换命令DO 信号回路接线，完成调节模式保护切换报警反馈DI 回路接线。

2.2 中控系统SCADA系统改造

中控系统需在数据库中添加负荷分配相关的模拟量点和开关量点，并在原HMI 操作员站的操作画面上新增进站流量负荷分配控制画面，新增画面实现站控进站流量设定功能、站控流量调节和压力调节模式切换功能、当前调节模式显示功能、当前进站总流量、站控设定进站流量以及实际输出进站流行设定值等功能，并与原压力设定HMI 相关画面进行整合和优化。

3 机组MCS系统优化改造

机组MCS 系统需要对原负荷分配控制程序进行改造优化，实现进站流量调节功能，主要需要改造的内容有以下几方面：

1）在MCS 系统空闲的I/O 通信上完成与SCADA 系统之间通信的远程流量调节设定值和进站总流量2 个AI 信号回路接线，完成调节模式切换命令DI 信号回路接线，完成调节模式保护切换报警反馈DO 回路接线。

2）修改MCS 系统程序。在ANALOG_SCALE 子程序中组态与SCADA 系统硬线通信点的信号输入与输出变量。修改LOADSHARING 子程序，增加机组就地状态和远控状态下远程流量调节设定值和机组HMI 就地流量调节设定值的切换逻辑，增加实际流量设定值、流量实时值量程转换和数据类型转换。新增出站超压保护自动切换至压力调节模式程序，当机组出站压力大于设定压力时，负荷分配控制模式自动切换到出站压力调节模式。新增流量调节PID程序，连接流量PID 上的SP 和PV 值，组态流量PID 的内部参数设置，流量调节PID 程序如图1 所示。修改原入口压力调节PID、出站压力调节PID 和流量调节PID 程序，在压力调节模式下流量调节PID 置为手动输出值跟随压力调节PID 计算值，在流量调节模式下压力调节PID 置为手动输出值跟随流量调节PID 计算值，实现流量调节和压力调节模式无扰动切换功能。增加负荷分配最终输出值选择程序，即当在流量调节模式时将流量PID 计算值输出给各台机组UCS 系统，当在压力调节模式时将入口压力PID 和出站压力PID 二者比较的小值输出给各台机组UCS 系统。

图1 新增流量调节PID程序Fig.1 New PID program for flow adjustment

3）在MCS 系统以太网全局变量中，加入需和压缩机组HMI 通信的数据点，为本地HMI 操作和监视进站流量调节负荷分配功能预留通信点。

4 单台机组控制程序优化

优化首站各机组Mark VIe T40 控制程序，将PC_LoadCtrl 程序中负荷分配控制机组升、降转速功能块的死区设定参数K60LC_DB 进行优化，由原程序中1.5 修改为5.0，解决机组投入负荷控制后转速波动较大的问题，Mark VIe T40 中死区参数优化程序如图2 所示。

图2 MARK VIe T40程序死区参数优化Fig.2 MARK VIe T40 Program dead zone parameter optimization

5 负荷分配功能测试

负荷分配控制系统程序优化完成后，进行机组负荷分配新增进站流量调节功能测试，主要测试内容及结果如下：

1）新增进站流量调节负荷分配功能测试。在首站西二线2#机组、三线2#机组和三线3#机组投入进站流量控制负荷分配后，进站流量控制平稳，机组转速控制平稳。调整进站流量设定值后，提升或降低1000 万立方进站流量值，负荷分配控制程序能在7min 内可调节到量。且由于Mark VIe T40 控制程序死区参数的优化，机组投入负荷分配后，燃机及压缩机转速波动大幅减小。测试过程中二线和三线进站总瞬时流量趋势如图3 所示，2#和3#压缩机转速趋势如图4 所示。

图3 测试过程中进站总流量趋势Fig.3 Trend of total inbound traffic during the test

图4 测试过程中压缩机组转速趋势Fig.4 The trend of compressor unit speed during the test

2）测试切机过程中负荷分配调节功能。在启西二线4#机，停西三线2#机，切机过程西二线2#机组和西三线3#机组投用负荷分配，切换完成后西二线4#机组投入负荷分配，切换过程中流量有小幅波动，完成切机后能立即调整到设定值。

3）测试压力调节模式和流量调节模式手动切换功能。在SCADA 系统下发调节模式切换命令，MCS 系统能正常在压力调节模式和流量调节模式之间切换，且在切换过程中，PID 输出值能平滑过渡，压缩机组转速无扰动。

4）出站超压保护切换功能测试。在流量调节模式下，如果出站压力设定值小于实际出站压力，则MCS 程序自动切换到压力调节模式，将出站压力控制在设定值。当出站压力小于设定出站压力后，可手动切回进站流量调节模式。

6 结束语

霍尔果斯首站压缩机组进站流量调节负荷分配程序优化通过对中控系统、站控系统、MCS 系统和机组UCS 系统的改造和优化，实现了国家管网油气调控中心远程精确控制西二线、三线霍尔果斯首站日进站流量功能，解决了原负荷分配调节时压缩机组转速波动大的问题。霍尔果斯首站负荷分配进站流量调节功能的投入运行，改进了调控中心对霍尔果斯首站压缩机负荷和运行状态控制模式，有利于实现西二线和西三线中亚管道来气输量的精准自动调节，对整个管网的平稳运行具有积极作用。