天然气管网压缩机参数优化远控技术的改造及应用

艾力群，张 鹏，李国军，马自山，龚志伟，艾 威

（1.国家管网集团油气调控中心，北京 100013；2.西南管道公司，四川成都 610095；3.北京兴油工程项目管理有限公司，北京 100083；4.重庆建筑科技职业学院，重庆 401331）

0 引言

由于设计和历史等因素，每条天然气管道的设计理念、压缩机组型号、自动化水平、人机匹配各有不同，管理模式也大不一样。合建压气站场采用了多个OEM 厂的机组，如GE、RR、D-R 及国产的沈鼓和703 所等，不同厂家的机组性能不同，驱动方式也有燃驱和电驱之分。随着“集中调控、区域化管理”持续推进，油气调控中心在实施天然气管道压缩机组远程控制、现场少人值守、无人干预时，面临较多问题。

在运维中心—作业区管理模式下，基于天然气管网压气站实施无人站、少人站值守模式研究，依据管网所辖管道及站场的运行管理特点，梳理典型合建站场压缩机组参数自动调整控制技术存在技术难点和问题。未来管线增输，站场机组的组合会越来越复杂，生产运行要求各站中的压缩机应该能够根据输气量任意组合自动负荷分配、远程操控和稳定运行，需要更优化的控制方案和系统，实现压缩机中控系统控制参数自动调整控制、一键操作，现场无人干预是集中调控急需解决的问题。

1 远控参数调整控制问题

某管廊带内合建压气站场从机组厂家以及驱动方式存在多达7 种不同组合方式，机组厂家或型号不同，转子性能不同，需要并网输气时中心调度员只能分别对同期同厂家的机组实施远程控制。机组负荷分配控制操作依据中心调度员的经验，使用手动操作调节多机组等转速来进行负荷分配的方式，造成机组和管网运行效率降低、控制难度增加、中心调度员操作量大、远控模式下停机风险高、多台并联压缩机负荷分配不平衡等，手动操作难以实现如此复杂的调节。因此，改造负荷分配控制系统，收集分析压缩机远控问题：

（1）远控压力设定步长不优化，中心调度员操作量大；远控时，单次压力调整幅度为0.02～0.10 MPa，为达到目标压力需多次调整，且等待时间较长，压气站和压缩机组数量较多，尤其在管道输量调整时，调度员工作量大。

（2）无关键参数报警保护，停机风险高。机组关键参数达到报警值不能继续提高负荷时，UCP 不能及时反馈给SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制）系统和调度员，调度员无操作参考，机组停机风险高。

（3）负荷分配测试发现耗时长、升速快、燃机排气升温过快、压缩机入口滤芯高报警问题。

（4）压缩机负荷分配不均衡，影响机组出力。图1、图2 所示为等流量百分比控制策略下的问题：图1 中QP，1=QP，2，QP为计算等流量，QC为机组通过流量，QP-QC为循环回流量；图2 中Dev1=Dev2，但流量和转速并不相等。某合建压气站采用“1 燃+2 电”组合运行，当出站压力提高至11.5 MPa 时，电驱的变频器电流已接近报警值，不能再提高出站压力设定。而此时燃驱的转速在5022 r/mim，进口流量（10 350 mm H2O）也较小，负荷较低，相比6100 r/mim 的额定转速空间非常大，但受小机组（18 MW）限制，大机组（31 MW）不能再提高负荷。在不改变控制系统逻辑的情况下，如果想继续提高出站压力，方案有两个：一是增启一台燃驱，以“2 燃+3”电组合型式运行，但会造成能耗增大，方案不可取；二是中控放弃远控操作权限，切至站控手动提高机组负荷，以达到出口压力要求，不会造成额外能耗增加。

图1 等流量控制策略

图2 等喘振裕度控制策略

（5）压力控制时机组工况波动大。当管道流量发生波动时，机组在定出站压力控制模式下，工况调节频繁；压缩机PLC 控制反馈调节精度各不相同，造成转速调节频繁，站场无法维持中心控制模式，需要站控干预。

为实现压缩机中控系统控制参数自动调整控制、一键调整和优化压缩机远控方式，根据压缩机组不同功能特点及运行现状，开展技术研究，分析制定压气站实施无人值守站规划目标，通过配套支撑系统的优化改造及可靠性改造，并作为规划实现无人值守站管理模式的标准，推动集中调控向高质量发展。

2 远控参数自控研究目标、内容和技术路线

以典型合建压气站多型号燃驱压缩机组为试验点，收集分析压缩机集中调控操作需求，开展技术调研，初步确定优化方案并讨论可行性，开展研究和试验，编制一键设定自动调整技术方案。

2.1 研究目标

（1）优化控制方法，实现进出口压力目标值设定一步到位，解决中心调度员操作频繁的问题，降低误操作风险，提高工作效率。

（2）实现关键参数保护功能，机组自动调整时，控制逻辑与负荷调整相关的关键保护参数关联，作为机组负荷调整的边界条件，提升机组运行安全性。

（3）优化负荷分配控制策略，解决不同厂家、不同机型、不同功率、不同驱动方式的压缩机并联运行的负荷分配不平衡问题。

（4）实现中心投用负荷分配功能，中心控制压缩机组并网、退网，从启机到负荷分配投用及自动加载全程无需压气站现场干预，实现压气站无人值守站建设目标。

（5）单台机组跳机时剩余机组转速保持，不增加剩余机组停机风险，提高运行稳定性。

（6）实现机组增减提示报警功能，系统自动对比机组工况和控制目标值，给中心调度人员发出增减机组提示。

（7）探索实现负荷偏置功能，达到节能效果。

（8）针对有流量控制需求的压气站，探索目标流量控制方法。

（9）建立科学合理的压缩机组远程控制评价指标，实现压气站无人值守。

2.2 研究内容

随着技术引进和国产化，压缩机远程控制技术得到了应用。目前国内外天然气输送压缩机的远程控制技术有以下4 种：

（1）基准负荷控制。固定部分机组负荷，一台机组调负荷，该方式不稳定、能耗高。

（2）等速控制。机组全部等转速运行，要求机组型号、厂家、转子性能完全相同。该方式技术简单，不同性能压缩机负荷分配不能投入。

（3）等流量控制。控制机组的流量相同，控制算法过于简单，不同性能机组不能投入负荷分配，远程操控不稳定，运行效率不高。

（4）动态优化负荷控制。在压缩机运行点等距的基础上，动态优化分配负荷，能实现全自动运行，提高机组和管网运行效率。负荷平衡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。负荷分配通过一定技术手段（等距离、等比例、等速、等流量等）控制压缩机组的运行，并通过动态优化手段（工艺布置、偏置补偿、效率平衡）实现机组自动平稳运行，提高机组和管网运行效率。

由于原有各机组控制系统并不开放，就不能实现高级的优化功能。如果中心调度人员不能随时掌握每台压缩机组的运行效率（压气量与燃气耗量之间的关系），仅追求压缩机组运行点等距的运行方式是远远不够的。而这种高级优化方式的实现在原有封闭的软/硬件平台上是不可能实现的，只有开放的软/硬件平台才能进行高级优化，实现压缩机中控系统控制参数自动调整控制，才能真正得到效益。

2.3 关键技术路线

为了提高运行稳定性、降低运行成本、提高管网效率，实现压缩机中控系统控制参数自动调整控制、一键调整和优化压缩机远控方式，已成为基本要求，并且随着不断的增输，压缩机配置越来越复杂，需要优化负荷分配、参数自动调整控制得到越来越多的应用，需要掌握的关键技术：

（1）不同厂家、不同型号的机组负荷分配及负荷平衡控制技术。按照生产需要将总负荷分配到不同厂家、不同型号的压缩机组上，负荷分配及负荷平衡控制技术，即将总负荷按照压缩机运行点与喘振控制线的绝对距离，分配每台压缩机的负荷，保证压缩机运行点到喘振控制线的距离相等。

（2）总负荷变化时自动加减载机组的控制技术。当总负荷发生变化时，控制系统在机组允许的时间内，（考虑到电驱和燃驱机组爬坡率要求不同，按15 min 计算，实际调试中按照现场情况调整），快速完成加减载的控制目标，并实现无出口汇管压力扰动2%以内。

（3）负荷偏置的计算技术。多机组并联时，机组的布置位置、型号、驱动方式等，对机组负荷平衡都有一定影响，通过机组运行点到喘振控制线的距离相等，机组的效率不一定是最优的，但是通过增加或减少偏置值，可以达到优化的负荷平衡。

（4）控制算法的通用化、国产化。对控制算法的研究分析，将控制算法进行归纳总结，采用标准编写程序，使控制算法在实现时就具有通用的特性，以便技术推广。并且通过控制程序的标准化，实现控制程序的国产化。

3 控制参数自动调整控制功能

在典型合建压气站场安装一套新的负荷分配控制系统，在新硬件平台基础上进行优化，多台机组同时运行时，调整机组运行转速达到设定的总出口管线压力，以实现生产需求；同时在满足生产需求的情况下，调整每台压缩机的负荷，实现压缩机组高效运行。可以根据生产需求调整运行的压缩机组数量，达到每台机组效率最大化，满足油气调控中心的技术需求。

3.1 压力设定一步到位

步长优化包含三项关键程序：①步长分解；②根据实测压力反馈逐步台阶下发步长；③压缩机升降速率限制。在程序中由比较计算器算出负荷区间，再由选择器选择单次下发的步进值，发给负荷分配控制器。当出站压力反馈满足一个步进值后，控制器再次下发下一个步进值，直至满足压力设定。

控制目标为大步长值设定后，转速升降平缓、不增加停机风险，对管网扰动小。转速升降平均速率≤30 r/min2,压力设定后调整到位时间：平稳运行阶段≤60 min/（1 MPa）；超调值小于±0.05 MPa；稳定工况下转速波动范围在±20 r/min。

比选两种方案：方案1，一次函数，y=k（x-3965）+b；方案2，log 函数，y=-log（m）（x-3865）+b（图3～图4）。

图3 一次函数

图4 log 函数

除转速和步长计算结果外，两个函数中的其余均为可调变量。一次函数曲线计算结果步长值变化平缓，log 函数计算结果在低转速时变化过陡，且一次函数调整变量操作更简单。经比选，选用一次函数进行步长优化，将步长计算方法写入MCP（Management Control Program）管理控制程序，同时对压缩机组转速升速速率做了限值，避免升速过快（＜30 r/min2）。

3.2 关键参数保护功能

控制目标为与机组负荷调整相关的关键保护参数，作为机组负荷调整的边界条件。有参数达到高报警，机组停止升速；机组自动降速，当离开报警值区间，按时间设定，再次下发负荷调整命令；有参数达到高报警、机组不能继续升速时，发出报警提示并上传至调控中心监控画面。以典型合建压气站为例，设置有13 个关键参数，作为机组负荷调整的限制条件（表1）。

表1 关键参数保护功能

3.3 负荷分配控制功能优化

控制目标为每台机组能基本发挥最大出力，当一台机组达到负荷极限时，不影响其余机组出力，其余机组负荷率≥90%。优先使用“等喘振控制点距离”控制策略，满足负荷平衡。

（1）故障停机时的保护。单台机组跳机时，剩余机组保持当前转速，负荷分配控制命令暂不起作用，剩余运行机组转速不猛升。待重新投用负荷分配功能或重新给定压力目标值时，负荷分配再起作用，从而不增加剩余机组停机风险。

（2）中心控制负荷分配投用/退出。调控中心可以远程投用或退出负荷分配系统，通过增加站控系统-负荷分配MCP 控制盘间硬接线方式实现。

（3）单台机组并/退网。增机、减机、切机操作时，通过并退网操作，无需现场辅助干预，通过增加站控系统—负荷分配MCP 控制盘间硬接线方式实现。

（4）负荷投用/退出无扰切换：投用时各机组不进入喘振工况；退出后，机组进入当前转速控制模式。

3.4 并网操作关闭防喘阀

现场手动将单台机组并网时，需待防喘阀关闭后，再投入并网（图5）。如果进站流量偏低，新开机组进口流量不足（如B 点），防喘阀有一直不能关闭的现象，导致无法并网。通过优化并网方法，由负荷分配计算器自动计算多机并联运行防喘振裕度，根据计算结果（如A 点），先将新启机组并网，再给新并网机组分配流量和提速，实现压缩机自动并网。

图5 并网操作关闭防喘阀

3.5 自动增减机提示

每台机组能基本发挥最大出力，当一台机组达到负荷极限时，不影响其余机组出力，其余机组负荷率≥90%。优先使用“等喘振控制点距离”控制策略，满足负荷平衡。

（1）增机提示如图6 所示，一是机组负荷不能再提高（负荷率≥90%），且不能满足压力设定时；二是压缩机性能曲线上工作点（A 点）进入阻塞工况无法继续提高过流量时。

图6 自动增减机提示

（2）减机提示：工作点（B 点）靠近喘振控制线（喘振裕度≤5%），即将进入喘振区，进口流量不足时。

3.6 远控无需站场辅助人工干预

负荷分配盘MCP 硬接线接入站控系统PLC，实现负荷分配功能远程投用、退出（图7）。每台机组的远控使能命令通过硬接线由UCP 接入负荷分配盘MCP，再通过软点传给站控PLC，可实现单台机组并网、退网。

图7 机组远控模式变化

4 考核实现指标

逻辑程序应保证安全、稳定，满足压缩机组自动调整控制的需求，提出压缩机组远程控制评价指标应符合管道运行要求和相关标准。

（1）实现进出站压力设定一步到位。在大步长值设定后，机组转速调整平缓，平均速率变化≤30 r/min2；不增加停机风险，对管网运行扰动小；压力设定后，调整到平稳运行阶段时间≤60 min；超调值小±0.05 MPa；输量稳定工况下转速波动范围±20 r/min 内。

（2）机组根据进出站压力设定自动调整时，控制逻辑与负荷调整相关的关键保护参数关联，作为机组负荷调整的边界条件。

（3）同时具备进站压力控制和出站压力控制两种控制模式。

（4）负荷分配模式运行时，每台机组能基本发挥最大出力，功率大机组补偿功率小机组负荷，不额外增启机组、增加功耗。但某台机组先达到负荷极限时，不能影响其余机组出力，其余机组负荷率≥90%。

（5）单台机组故障停机时，剩余运行机组转速不猛升，不增加停机风险。

（6）负荷分配系统投用、退出操作无扰切换。投用时各机组不进入喘振工况，转速变化变化≤30 r/min2；负荷分配系统退出后，机组进入当前转速控制模式。

（7）实现调控中心远控操作，从启机到负荷分配系统投用无需现场干预操作，包括负荷分配系统投用/退出、单台机组并网/退网等关键操作。操作指令接入SCADA 系统，并连接至中控画面。根据进出站压力设定值，负荷分配系统自动判断机组运行台数是否满足压力设定要求，给出机组增减提示。

5 结束语

为了优化压缩机组远程控制，建设适应先进管网集中调控体系，通过对国内外现有技术分析，对已投用站场现场调研，研究压缩机优化的负荷分配技术应用于不同机组厂家或相同厂家不同机型燃机驱动的压气站、电机驱动的压气站或两种驱动方式混合的压气站，使得压缩机组处于高效运行状态，达到以人为本、高效可靠运行的生产管理模式。