基于独立运行的海上平台天然气主机控制系统的提升改造

高金虎

(中海石油(中国)有限公司天津分公司, 天津 300459)

0 引言

有电站的海上平台间均采用电力组网的运行模式，由一套电网能量管理系统[1](以下简称“EMS系统”)对电站内平台的发电机进行负荷控制。某海上平台共有5台发电机组、2台原油发电机、3台天然气发电机、其中天然气发电机由于缺少调速、调压接口而无法接受EMS系统的控制，机组的带载功率主要受限于燃气系统的供气压力，由于机组使用的是低压气，燃气压力值不稳定并且波动范围比较大，无法保证机组在一个准确的带载区间，导致供气系统的压力波动大以及火炬的放空量控制难度高。

1 改造方案

为彻底解决3台天然气发电机组网后的“游离”状态，同时实现其燃气调控模式、设定天然气发电机加卸载的基准燃气压力值。当燃气系统压力值超过基准值时，按照比例设定值增加天然气发电机的实时出力，增加天然气消耗量，降低放空量；当燃气系统压力值降低时，按照比例设定值减少天然气发电机的实时出力，减少天然气消耗量，稳定燃气系统压力。组织EMS系统厂家、天然气原动机厂家、天然气发电机厂家、电力调度多次组会讨论研究，提出天然气主机控制系统的改造优化方案，主要包含以下三个方面。

1.1 发电机控制系统升级

对3台天然气发电机控制系统进行优化升级改造，改造后实现与EMS系统的通讯，具体改造内容如下：

(1)单台天然气发电机控制系统增加1块8通道输入通讯卡，并将其组态至天然气发电机控制系统程序内；

(2)修改单台天然气发电机控制系统程序，增加EMS系统对发电机组的升速、降速、升压、降压四个硬线开关量信号接口；

(3)修改单台天然气发电机控制系统程序，增加EMS投入/切除硬线信号(开关量信号，投入时为1、切除时为0)；

(4)天然气发电机控制柜增加EMS投入/切除旋钮，当在天然气发电机控制柜控制EMS投入时，天然气发电机可以接受EMS系统的调速、调压控制；EMS切除时，天然气发电机不接受EMS系统的控制。

1.2 燃气缓冲罐参数接入EMS系统

将燃气缓冲罐压力值转换为4～20 mA模拟量信号，经过独立的压力变送器传至EMS系统，不能同一个模拟量信号既传给中控系统又传给EMS系统。

1.3 EMS系统控制系统功能优化

经过适应性改造后的天然气发电机控制系统，每台天然气发电机与EMS系统之间的硬线信号包括升速指令、降速指令、升压指令、降压指令、EMS系统投入/切除信号等。

在实现EMS系统调速、调压功能的前提下，通过燃气系统压力变送器的模拟量信号反馈，实时提高或者降低天然气发电机的有功出力[2]。天然气发电机EMS系统调控与孤岛模式自动切换，天然气发电机在EMS系统调控运行模式下，一旦出现电网解列的运行工况，EMS系统将自动退出调控，3台天然气发电机自动切换至孤岛运行模式，避免出现并列运行天然气发电机组出现抢负荷而导致超频停机的情况[3]。

当EMS系统调控功能投入后天然气发电机应具备以下调节功能：

(1)油田内三台天然气发电机有功功率、无功功率等比例调节；

(2)油田间在网运行天然气发电机有功功率等比例调节；

(3)油田间/油田内三台天然气发电机有功功率、无功功率调度调节(调度调节即为设定有功功率值定值的运行模式)；

(4)油田内三台天然气发电机燃气模式根据燃气系统的燃气压力值实时调控天然气发电机组的有功功率。

2 改造方案实施

2.1 控制盘柜升级改造

天然气发电机控制柜新增通讯卡, 并敷设通讯电缆到EMS控制柜，用来接入EMS系统调速、调压、投入/切除、孤岛模式切换等信号。相关模块及线缆安装完成后进行EMS系统离线状态的模拟信号测试。

2.2 EMS系统升级优化

(1)天然气发电机组自动调压调速

EMS系统升级后，可实现对并入电网天然气发电机的EMS系统控制，天然气发电机组根据整体电网的用电负荷需求，对发电机组等比例进行调压、调速。

(2)EMS系统调控模式自动转孤岛模式

EMS系统新增孤岛模式判定程序，设定电力组网中的电网解列判定点位，当电网中的任意一个点位出现解列，EMS系统第一时间给天然气发电机控制柜发送一个3 s的脉冲信号，使其在运行中的天然气发电机由EMS系统控制/基载模式自动退出，自动切换为孤岛运行模式。

(3)EMS系统根据燃气压力调节机组的功率

EMS系统新增天然气发电机组根据燃气系统压力值(新增EMS独立压力变送器，如图1所示)调节机组有功功率的程序，当燃气系统的压力值超过某个设定阈值，EMS系统将全部在线天然气发电机有功出力上调，上调幅度根据天然气压力数值按比例给定。燃气系统压力低于设定阈值，EMS系统将全部在线天然气发电机有功出力下调，下调幅度根据天然气压力数值按比例给定。

图1 新增EMS独立压力变送器

根据EMS系统新增调控程序，对EMS系统进行相对应的监控、调控画面升级，升级后的监控、调控画面如图2粗方框内所示。

图2 EMS系统天然气主机燃气模式调控界面

3 改造效果确认

3.1 三种运行模式自动调控

项目改造实施后，实现了EMS系统与发电机控制系统的双向交互通讯，成功地将天然气发电机组控制系统接入到EMS系统中。通过测试，确认EMS系统对天然气发电机组的调控均达到预期的效果。

等比例模式：设定平台内、平台间的发电机组的出力比值后，EMS系统根据天然气发电机的最大负荷分配和电网电站出力的百分比实时调节天然气发电机的功率，使每台天然气发电机组按比例带载运行。

调度模式：通过设定功率调度值，EMS系统实现对单台发电机组的有功功率、无功功率的定功率调节。

燃气模式：在燃气系统压力大于设定阈值时，天然气发电机组开始升速，到设定的最大出力时停止；在燃气系统压力小于设定阈值时，天然气发电机组开始减速，降至最低带载值时停止。

为避免机组的频繁调频、调压造成电网的波动，设定燃气压力调整的下限值470 kPa、上限值510 kPa，使其稳定在40 kPa的稳压区间；为避免机组的低载荷、过负荷，程序设定其最低1400 kW/最高3000 kW的出力区间；为避免突增/突卸负载造成电网的波动，设定单次调载30～50 kW，调载时间间隔15 s。

3.2 实现EMS调控与孤岛模式自动切换

天然气发电机控制系统提升改造完工后，对EMS系统增加电网解列判断程序，测试电网出现解列工况时，EMS系统可以在几十毫秒内把在线的天然气发电机组退出EMS调控模式，彻底解决了天然气发电机组因恒功率调载模式造成的互相抢负荷的问题，增加了机组运行的稳定性。

4 推广价值

海上油田孤立运行的天然气发电机组控制系统的提升改造项目实施后，彻底解决了小型天然气发电机组并入电网后不受电网能量控制系统调控的难题，提升电网运行的稳定性。利用工艺系统燃气压力值控制天然气发电机自动加卸载功能的成功投用，每日天然气发电机组发电多利用0.5万m3天然气，每年多利用182.5万 m3天然气，实现不增加增压设备的工况下最大可能利用火炬放空气。项目应用为海上油田类似项目提供了应用实践的案例，尤其为岸电入海后为海上油田透平发电机组的优化控制提供了借鉴。