往復(fù)式天然氣發(fā)電機(jī)和原油發(fā)電機(jī)組并車(chē)調(diào)試與運(yùn)行管理分析

許海東，穆勝軍

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452）

1 情況介紹

1.1 往復(fù)式天然氣發(fā)電機(jī)組使用實(shí)例

海上油田主電站采用雙燃料發(fā)電機(jī)組與天然氣發(fā)電機(jī)組混用的有旅大27－2/32－2油田、渤中3－2油田海洋石油161。雙燃料原油/柴油機(jī)是以凈化后的原油為常用燃料，柴油為備用燃料。往復(fù)式天然氣發(fā)電機(jī)組是以凈化后的伴生氣為燃料。機(jī)組天然氣調(diào)試需要穩(wěn)定的天然氣供應(yīng)，陸地不具備天然氣機(jī)組的調(diào)試條件，需等油田正式投產(chǎn)后有穩(wěn)定的天然氣流量時(shí)才能對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。

旅大27－2/32－2油田由一座生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)PSP及一座與其以棧橋相連的井口平臺(tái)WHPA和WHPB組成，油田特點(diǎn)為前期天然氣產(chǎn)量較高、中后期產(chǎn)量較低，天然氣外輸價(jià)值不高。渤中3－2油田由一座海洋石油161生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)及一座簡(jiǎn)易井口平臺(tái)組成。

1.2 渤中3－2油田機(jī)組概況

海洋石油161其主電站由2臺(tái)德國(guó)MAK公司的柴油/原油雙燃料機(jī)組和濟(jì)柴1臺(tái)天然氣機(jī)組組成。正常工況下，主電站一臺(tái)原油主機(jī)、一臺(tái)天然氣機(jī)并車(chē)運(yùn)行，外輸工況下三臺(tái)主機(jī)并車(chē)運(yùn)行。

德國(guó)MAK原油機(jī)組每臺(tái)的功率為1 350 kW，機(jī)型為直列四沖程8缸機(jī)，缸徑200 mm、沖程300 mm，額定功率：1 520 kW，轉(zhuǎn)速：1 000 rpm；壓縮終點(diǎn)產(chǎn)生高溫點(diǎn)燃，缸內(nèi)進(jìn)行空燃比混合，控制燃油量（油泵）。發(fā)電機(jī)功率為1 350 kW，電壓：400 V，頻率：50 Hz。

另外一臺(tái)是濟(jì)南柴油機(jī)廠生產(chǎn)的往復(fù)式天然氣發(fā)電機(jī)組，功率為1 000 kW，機(jī)型為V型四沖程16缸機(jī)，缸徑190 mm、沖程215 mm，火花塞點(diǎn)燃，進(jìn)入汽缸前進(jìn)行空燃比混合，控制混合氣流量（節(jié)氣門(mén)）。

2 往復(fù)式天然氣發(fā)電機(jī)與原油機(jī)組并車(chē)調(diào)試

2.1 并車(chē)調(diào)試前檢查

根據(jù)海洋石油161天然氣機(jī)組與原油機(jī)組并車(chē)調(diào)試方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試情況，技術(shù)人員與海洋石油161項(xiàng)目組及平臺(tái)監(jiān)督充分討論研究、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)評(píng)估。①校對(duì)濟(jì)柴主控盤(pán)連接到主開(kāi)關(guān)盤(pán)的電流互感器、電壓互感器等接線正確。②校對(duì)往復(fù)式天然氣發(fā)電機(jī)控制盤(pán)（ABB提供）連接到主開(kāi)關(guān)盤(pán)的電流互感器、電壓互感器、開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗟冉泳€正確。③校對(duì)往復(fù)式天然氣機(jī)主開(kāi)關(guān)盤(pán)連接到發(fā)電機(jī)的相關(guān)電纜連接正確。④上述接線確認(rèn)無(wú)問(wèn)題后，待發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后觀察主開(kāi)關(guān)盤(pán)及并車(chē)控制盤(pán)（ABB提供）各指示儀表顯示正常。⑤用萬(wàn)用表、電流表測(cè)量往復(fù)式天然氣機(jī)主開(kāi)關(guān)盤(pán)上的電流、電壓數(shù)據(jù)與其顯示儀表進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)。⑥檢查往復(fù)式天然氣機(jī)發(fā)電機(jī)控制盤(pán)上指示儀表顯示正常。⑦檢查發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)上下口的同相之間電壓變化值，校核并車(chē)控制盤(pán)上的同步表。⑧按照要求調(diào)整好待并機(jī)組的頻率。⑨發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)前應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行檢查，燃料供應(yīng)充足，單機(jī)調(diào)試完畢，負(fù)荷試驗(yàn)運(yùn)行正常。⑩為了保證主機(jī)并入電網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定等不可預(yù)見(jiàn)因素，在原油發(fā)電機(jī)并車(chē)前啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)，使應(yīng)急發(fā)電在預(yù)備狀態(tài)。

2.2 并車(chē)試驗(yàn)

調(diào)試前檢查確認(rèn)工作完成后，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)試手動(dòng)并車(chē)和自動(dòng)并車(chē)功能。聯(lián)合調(diào)試并車(chē)程序見(jiàn)表一。并車(chē)操作試驗(yàn)應(yīng)滿足以下要求，使用準(zhǔn)同步并車(chē)方法，手動(dòng)調(diào)整電壓、頻率至額定值，同步指示器燈在 12點(diǎn)的位置（±10°之間）時(shí)，按紅色的“Close”按鈕，并車(chē)斷路器將閉合，手動(dòng)實(shí)現(xiàn)并車(chē)；使用自動(dòng)同步裝置，只須打開(kāi)待并發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并車(chē)按鈕，同步裝置檢測(cè)并車(chē)所需的相關(guān)信號(hào)，符合并車(chē)條件后，能夠自動(dòng)合閘完成并車(chē)工作。

表1 并車(chē)運(yùn)行程序

2.3 分級(jí)卸載試驗(yàn)

海洋石油161分級(jí)卸載主要分為優(yōu)先脫扣和快速脫扣兩方面。優(yōu)先脫扣是通過(guò)主機(jī)控制盤(pán)的PPU模塊參數(shù)設(shè)定，使之觸發(fā)一級(jí)、二級(jí)卸載?？焖倜摽凼峭ㄟ^(guò)機(jī)組的故障停機(jī)信號(hào)使之觸發(fā)二級(jí)卸載。

因需保證平臺(tái)的正常生產(chǎn)，所以只能由原油機(jī)B機(jī)向MCC B段母排供電保證平臺(tái)正常生產(chǎn)，天然氣發(fā)電機(jī)組及原油機(jī) C機(jī)通過(guò)MCC A段母排連接干電阻進(jìn)行單機(jī)及并機(jī)調(diào)試工作。鑒于上述原因，一、二級(jí)卸載試驗(yàn)只能通過(guò)天然氣發(fā)電機(jī)及原油機(jī)C機(jī)單機(jī)或并機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)工作。

2.4 并車(chē)調(diào)試期間負(fù)荷分配情況及故障停機(jī)應(yīng)急應(yīng)對(duì)措施

發(fā)電機(jī)組做并車(chē)調(diào)試期間，由原油機(jī)B機(jī)負(fù)責(zé)供電到母排B段、D段、應(yīng)急段（斷開(kāi)ACB05母聯(lián)開(kāi)關(guān)），保證平臺(tái)正常生產(chǎn)。原油機(jī)組C機(jī)及往復(fù)式天然氣發(fā)電機(jī)A機(jī)通過(guò)A段母排連接干電阻，做并車(chē)及負(fù)荷分配調(diào)試工作。待發(fā)電機(jī)組C機(jī)和A機(jī)做完相關(guān)實(shí)驗(yàn)后可考慮三機(jī)并車(chē)操作。如需三臺(tái)機(jī)組做并車(chē)及負(fù)荷分配試驗(yàn)，需閉合母聯(lián)開(kāi)關(guān) ACB05并將原油機(jī)組 B機(jī)并入電網(wǎng)。若出現(xiàn)觸發(fā)二級(jí)卸載情況，第一時(shí)間聯(lián)系平臺(tái)相關(guān)崗位恢復(fù)平臺(tái)正常生產(chǎn)；若出現(xiàn)平臺(tái)失電情況，按照黑啟動(dòng)應(yīng)急崗位職責(zé)盡快恢復(fù)平臺(tái)供電，保證正常生產(chǎn)。

3 機(jī)組在并車(chē)運(yùn)行中問(wèn)題分析

海洋石油161平臺(tái)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生解列故障或較大突變負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性對(duì)于維持系統(tǒng)頻率安全和穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用。根據(jù) CCS相關(guān)規(guī)范要求，柴油機(jī)組當(dāng)加上或卸去梯級(jí)負(fù)荷時(shí)，其瞬時(shí)調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的 10 %，穩(wěn)定調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的 5 %，穩(wěn)定時(shí)間（即轉(zhuǎn)速恢復(fù)到波動(dòng)率為±1 %范圍的時(shí)間）不超過(guò)5 s。本平臺(tái)采用的往復(fù)式天然氣機(jī)組通過(guò)出廠試驗(yàn)時(shí)的調(diào)速性能試驗(yàn)可知，該機(jī)組突加 20 %負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)到10 s，突卸負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定最長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到15 s。大大低于原油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

3.1 機(jī)組并車(chē)、解列存在問(wèn)題分析

海洋石油161電站并車(chē)的方式有兩種，分為手動(dòng)并車(chē)和自動(dòng)并車(chē)。要將一臺(tái)機(jī)組并入電網(wǎng)，要保證該機(jī)組的電壓、頻率相近，相位一致時(shí)，才可以將該機(jī)組并入電網(wǎng)。手動(dòng)并車(chē)是手動(dòng)的調(diào)節(jié)機(jī)組的電壓、頻率到達(dá)工頻，然后觀察同步表的相位，當(dāng)電網(wǎng)的相位和待并機(jī)組的相位相同時(shí)，手動(dòng)按下并車(chē)按鈕。自動(dòng)并車(chē)是PPU并車(chē)模塊首先通過(guò)檢測(cè)待并機(jī)組和電網(wǎng)電壓的大小、頻率、相位，然后利用其對(duì)機(jī)組的調(diào)壓調(diào)速功能來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)速，以達(dá)到并車(chē)的條件。待檢測(cè)到滿足并車(chē)條件時(shí)發(fā)出并車(chē)命令，自動(dòng)并車(chē)。

往復(fù)式天然氣機(jī)組空載并入電網(wǎng)時(shí)，與任意一臺(tái)機(jī)組并車(chē)，不存在問(wèn)題。當(dāng)天然氣機(jī)組并車(chē)或解列時(shí)，存在的問(wèn)題：①當(dāng)天然氣機(jī)并入或退出電網(wǎng)，負(fù)荷自動(dòng)分配條件下（尤其是當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較大時(shí)），PPU控制模塊會(huì)控制天然氣機(jī)上以秒為單位自動(dòng)加載或減載。因?yàn)樘烊粴鈾C(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，這樣就會(huì)造成天然氣機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，容易造成氣機(jī)的失速或超速報(bào)警甚至停機(jī)關(guān)斷；②在一臺(tái)原油發(fā)電機(jī)組和天然氣機(jī)組并車(chē)的條件下，當(dāng)原油發(fā)電機(jī)組需要退出電網(wǎng)負(fù)荷時(shí)，如采用自動(dòng)減負(fù)荷的模式，會(huì)將原油發(fā)電機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷以秒為單位自動(dòng)加到天然氣機(jī)上，會(huì)造成天然氣機(jī)的失速報(bào)警甚至停機(jī)。

上述存在的問(wèn)題主要通過(guò)從并車(chē)、解列操作的方式上解決，具體為采取手動(dòng)的模式通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)組的轉(zhuǎn)速，緩慢、間歇性的增加或減少氣機(jī)的負(fù)荷，保證機(jī)組的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

3.2 機(jī)組并車(chē)時(shí)負(fù)荷分配問(wèn)題分析

天燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在并車(chē)運(yùn)行期間，負(fù)荷處于自動(dòng)分配的狀態(tài)。負(fù)荷分配由PPU模塊對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的EGS調(diào)速器，原油發(fā)電機(jī)的電子調(diào)速器和各自的電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行有功和無(wú)功的調(diào)節(jié)。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的EGS調(diào)速器，原油發(fā)電機(jī)的電子調(diào)速器實(shí)現(xiàn)機(jī)組的稀薄燃燒、速度及負(fù)荷控制。在機(jī)組并車(chē)過(guò)程中，影響轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的參數(shù)主要有：增益P，增益I，SDR，SDR和增益不足會(huì)造成緩慢游車(chē)，SDR和增益過(guò)高會(huì)造成執(zhí)行器快速移動(dòng)，轉(zhuǎn)速線型呈鋸齒狀。由于原油發(fā)電機(jī)、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)參數(shù)按照出廠時(shí)設(shè)定，調(diào)試時(shí)使用的是干電阻，負(fù)荷比較穩(wěn)定。在平臺(tái)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中感性負(fù)載較多，啟動(dòng)電流較大，且部分設(shè)備屬于間歇啟停設(shè)備，如制氮機(jī)、空壓機(jī)。而兩臺(tái)機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)間不同，使機(jī)組始終處于較大的負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中，極易造成電網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)，電網(wǎng)負(fù)荷越大波動(dòng)越明顯。

具體情況為天然氣發(fā)電機(jī)和原油發(fā)電機(jī)并車(chē)后，帶載1100 kW以下時(shí)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的負(fù)荷在370 kW～500 kW左右波動(dòng)；帶載1 300 kW以上時(shí)，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的負(fù)荷在400 kW～800 kW波動(dòng)。通過(guò)判斷發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)主要是由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)造成的。故需要通過(guò)對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)EGS調(diào)速器，PPU模塊的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。具體調(diào)節(jié)步驟為，調(diào)節(jié) EGS 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)升速速率由原來(lái)25轉(zhuǎn)/s調(diào)整到5轉(zhuǎn)/s，調(diào)整Droop（下降率）率3.0%改為5.0%，使燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的速度反應(yīng)比較穩(wěn)定。PID增益的 P增益：功率20 %時(shí)設(shè)定值0.8修改為1.0，功率40 %時(shí)設(shè)定值1.2修改改為1.4，功率60 %時(shí)設(shè)定值1.4修改為1.6。通過(guò)改變這些參數(shù)使燃?xì)獍l(fā)電機(jī)調(diào)速器反應(yīng)更快、功率調(diào)節(jié)更平穩(wěn)。修改PPU模塊內(nèi)的參數(shù)：編號(hào)：2600 Relay control GOV ON TIME 375 ms改為350 ms，編號(hào)：2580 P Control relay Kp 10改為8。修改編號(hào)2600和2580設(shè)定值后，功率調(diào)節(jié)命令的反應(yīng)速度更快、更穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)上述對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的EGS調(diào)速器和PPU模塊的調(diào)節(jié)，有效解決了兩種機(jī)型的機(jī)組并車(chē)時(shí)的負(fù)荷波動(dòng)問(wèn)題。

3.3 電網(wǎng)負(fù)荷率存在問(wèn)題分析

電負(fù)荷計(jì)算中的負(fù)荷率和海洋石油161電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷率存在較大差別。實(shí)際上冬季正常生產(chǎn)狀態(tài)下，負(fù)荷約為1 100 KW左右，負(fù)荷率約為46.8 %。此工況下單從機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行選擇來(lái)看，選擇一臺(tái)原油發(fā)電機(jī)比較合適，負(fù)荷率約為 81.4%。但從平臺(tái)電網(wǎng)的穩(wěn)定性及天然氣機(jī)運(yùn)行的節(jié)能、降耗情況來(lái)看，選擇一臺(tái)原油發(fā)電機(jī)和一臺(tái)天然氣機(jī)并車(chē)運(yùn)行更為合適。但這種工況下的缺點(diǎn)就是使原油發(fā)電機(jī)組處于低負(fù)荷狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)造成機(jī)組燃燒不充分、積碳的現(xiàn)象，且還會(huì)造成燃料消耗成本、維修保養(yǎng)成本的增加。

冬季外輸工況下，按照設(shè)計(jì)要求三臺(tái)主機(jī)并車(chē)運(yùn)行，負(fù)荷約為1 800 KW左右，負(fù)荷率約為48.6 %。此工況會(huì)有上述工況同樣的問(wèn)題。

上述兩個(gè)問(wèn)題目前平臺(tái)方面正在積極探索和實(shí)踐，如正常生產(chǎn)工況下，保持一臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)和一臺(tái)原油發(fā)電機(jī)組并車(chē)運(yùn)行，對(duì)于原油發(fā)電機(jī)低負(fù)荷積碳的問(wèn)題，通過(guò)定期定時(shí)的將天然氣機(jī)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到原油發(fā)電機(jī)上，盡量在規(guī)定時(shí)間內(nèi)加大原油發(fā)電機(jī)的負(fù)荷率，消除機(jī)組相關(guān)部位積碳的問(wèn)題。外輸工況下，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備的啟停順序，暫停非重要設(shè)備的方式，選擇一臺(tái)天然氣機(jī)和一臺(tái)原油發(fā)電機(jī)并車(chē)完成外輸工作，此工況的負(fù)荷率達(dá)到76.6 %。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與運(yùn)行中參數(shù)分析得知：往復(fù)式天然氣機(jī)組的調(diào)速特性比原油機(jī)組反應(yīng)較慢，且天然氣機(jī)組不適合突加突卸負(fù)荷值較大的狀態(tài)（海洋石油161約為200 kW），不適宜在空載情況下進(jìn)行并車(chē)，一般為原油機(jī)組帶一定負(fù)載，再將天然氣機(jī)組投入電站進(jìn)行并車(chē)，負(fù)載轉(zhuǎn)移，負(fù)荷比例約為2∶1。通過(guò)在海上油氣田正常生產(chǎn)情況下，不斷電調(diào)試的成功實(shí)踐，證明單一燃料的往復(fù)式天然氣機(jī)組與雙燃料原油/柴油機(jī)組可以良好并車(chē)運(yùn)行，節(jié)約成本，有效利用能源。

同時(shí)對(duì)不同類(lèi)型機(jī)組并車(chē)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，并摸索出具體改進(jìn)措施和應(yīng)對(duì)方法。不僅為渤中3－2油田的穩(wěn)定生產(chǎn)、電站的安全運(yùn)行提供了保障，還為海洋石油后期類(lèi)似設(shè)施的建造設(shè)計(jì)、設(shè)備調(diào)試、運(yùn)行管理提供一定的參考依據(jù)，有利于降低油田的整體開(kāi)發(fā)項(xiàng)目成本。