基于獨(dú)立運(yùn)行的海上平臺(tái)天然氣主機(jī)控制系統(tǒng)的提升改造

高金虎

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司, 天津 300459)

0 引言

有電站的海上平臺(tái)間均采用電力組網(wǎng)的運(yùn)行模式，由一套電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)[1](以下簡(jiǎn)稱“EMS系統(tǒng)”)對(duì)電站內(nèi)平臺(tái)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行負(fù)荷控制。某海上平臺(tái)共有5臺(tái)發(fā)電機(jī)組、2臺(tái)原油發(fā)電機(jī)、3臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)、其中天然氣發(fā)電機(jī)由于缺少調(diào)速、調(diào)壓接口而無(wú)法接受EMS系統(tǒng)的控制，機(jī)組的帶載功率主要受限于燃?xì)庀到y(tǒng)的供氣壓力，由于機(jī)組使用的是低壓氣，燃?xì)鈮毫χ挡环€(wěn)定并且波動(dòng)范圍比較大，無(wú)法保證機(jī)組在一個(gè)準(zhǔn)確的帶載區(qū)間，導(dǎo)致供氣系統(tǒng)的壓力波動(dòng)大以及火炬的放空量控制難度高。

1 改造方案

為徹底解決3臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)組網(wǎng)后的“游離”狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其燃?xì)庹{(diào)控模式、設(shè)定天然氣發(fā)電機(jī)加卸載的基準(zhǔn)燃?xì)鈮毫χ?。?dāng)燃?xì)庀到y(tǒng)壓力值超過(guò)基準(zhǔn)值時(shí)，按照比例設(shè)定值增加天然氣發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)出力，增加天然氣消耗量，降低放空量；當(dāng)燃?xì)庀到y(tǒng)壓力值降低時(shí)，按照比例設(shè)定值減少天然氣發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)出力，減少天然氣消耗量，穩(wěn)定燃?xì)庀到y(tǒng)壓力。組織EMS系統(tǒng)廠家、天然氣原動(dòng)機(jī)廠家、天然氣發(fā)電機(jī)廠家、電力調(diào)度多次組會(huì)討論研究，提出天然氣主機(jī)控制系統(tǒng)的改造優(yōu)化方案，主要包含以下三個(gè)方面。

1.1 發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)升級(jí)

對(duì)3臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)改造，改造后實(shí)現(xiàn)與EMS系統(tǒng)的通訊，具體改造內(nèi)容如下：

(1)單臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)增加1塊8通道輸入通訊卡，并將其組態(tài)至天然氣發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)程序內(nèi)；

(2)修改單臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)程序，增加EMS系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)組的升速、降速、升壓、降壓四個(gè)硬線開(kāi)關(guān)量信號(hào)接口；

(3)修改單臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)程序，增加EMS投入/切除硬線信號(hào)(開(kāi)關(guān)量信號(hào)，投入時(shí)為1、切除時(shí)為0)；

(4)天然氣發(fā)電機(jī)控制柜增加EMS投入/切除旋鈕，當(dāng)在天然氣發(fā)電機(jī)控制柜控制EMS投入時(shí)，天然氣發(fā)電機(jī)可以接受EMS系統(tǒng)的調(diào)速、調(diào)壓控制；EMS切除時(shí)，天然氣發(fā)電機(jī)不接受EMS系統(tǒng)的控制。

1.2 燃?xì)饩彌_罐參數(shù)接入EMS系統(tǒng)

將燃?xì)饩彌_罐壓力值轉(zhuǎn)換為4～20 mA模擬量信號(hào)，經(jīng)過(guò)獨(dú)立的壓力變送器傳至EMS系統(tǒng)，不能同一個(gè)模擬量信號(hào)既傳給中控系統(tǒng)又傳給EMS系統(tǒng)。

1.3 EMS系統(tǒng)控制系統(tǒng)功能優(yōu)化

經(jīng)過(guò)適應(yīng)性改造后的天然氣發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，每臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)與EMS系統(tǒng)之間的硬線信號(hào)包括升速指令、降速指令、升壓指令、降壓指令、EMS系統(tǒng)投入/切除信號(hào)等。

在實(shí)現(xiàn)EMS系統(tǒng)調(diào)速、調(diào)壓功能的前提下，通過(guò)燃?xì)庀到y(tǒng)壓力變送器的模擬量信號(hào)反饋，實(shí)時(shí)提高或者降低天然氣發(fā)電機(jī)的有功出力[2]。天然氣發(fā)電機(jī)EMS系統(tǒng)調(diào)控與孤島模式自動(dòng)切換，天然氣發(fā)電機(jī)在EMS系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行模式下，一旦出現(xiàn)電網(wǎng)解列的運(yùn)行工況，EMS系統(tǒng)將自動(dòng)退出調(diào)控，3臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)自動(dòng)切換至孤島運(yùn)行模式，避免出現(xiàn)并列運(yùn)行天然氣發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)搶負(fù)荷而導(dǎo)致超頻停機(jī)的情況[3]。

當(dāng)EMS系統(tǒng)調(diào)控功能投入后天然氣發(fā)電機(jī)應(yīng)具備以下調(diào)節(jié)功能：

(1)油田內(nèi)三臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)有功功率、無(wú)功功率等比例調(diào)節(jié)；

(2)油田間在網(wǎng)運(yùn)行天然氣發(fā)電機(jī)有功功率等比例調(diào)節(jié)；

(3)油田間/油田內(nèi)三臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)有功功率、無(wú)功功率調(diào)度調(diào)節(jié)(調(diào)度調(diào)節(jié)即為設(shè)定有功功率值定值的運(yùn)行模式)；

(4)油田內(nèi)三臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)燃?xì)饽Ｊ礁鶕?jù)燃?xì)庀到y(tǒng)的燃?xì)鈮毫χ祵?shí)時(shí)調(diào)控天然氣發(fā)電機(jī)組的有功功率。

2 改造方案實(shí)施

2.1 控制盤(pán)柜升級(jí)改造

天然氣發(fā)電機(jī)控制柜新增通訊卡, 并敷設(shè)通訊電纜到EMS控制柜，用來(lái)接入EMS系統(tǒng)調(diào)速、調(diào)壓、投入/切除、孤島模式切換等信號(hào)。相關(guān)模塊及線纜安裝完成后進(jìn)行EMS系統(tǒng)離線狀態(tài)的模擬信號(hào)測(cè)試。

2.2 EMS系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化

(1)天然氣發(fā)電機(jī)組自動(dòng)調(diào)壓調(diào)速

EMS系統(tǒng)升級(jí)后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)并入電網(wǎng)天然氣發(fā)電機(jī)的EMS系統(tǒng)控制，天然氣發(fā)電機(jī)組根據(jù)整體電網(wǎng)的用電負(fù)荷需求，對(duì)發(fā)電機(jī)組等比例進(jìn)行調(diào)壓、調(diào)速。

(2)EMS系統(tǒng)調(diào)控模式自動(dòng)轉(zhuǎn)孤島模式

EMS系統(tǒng)新增孤島模式判定程序，設(shè)定電力組網(wǎng)中的電網(wǎng)解列判定點(diǎn)位，當(dāng)電網(wǎng)中的任意一個(gè)點(diǎn)位出現(xiàn)解列，EMS系統(tǒng)第一時(shí)間給天然氣發(fā)電機(jī)控制柜發(fā)送一個(gè)3 s的脈沖信號(hào)，使其在運(yùn)行中的天然氣發(fā)電機(jī)由EMS系統(tǒng)控制/基載模式自動(dòng)退出，自動(dòng)切換為孤島運(yùn)行模式。

(3)EMS系統(tǒng)根據(jù)燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)機(jī)組的功率

EMS系統(tǒng)新增天然氣發(fā)電機(jī)組根據(jù)燃?xì)庀到y(tǒng)壓力值(新增EMS獨(dú)立壓力變送器，如圖1所示)調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率的程序，當(dāng)燃?xì)庀到y(tǒng)的壓力值超過(guò)某個(gè)設(shè)定閾值，EMS系統(tǒng)將全部在線天然氣發(fā)電機(jī)有功出力上調(diào)，上調(diào)幅度根據(jù)天然氣壓力數(shù)值按比例給定。燃?xì)庀到y(tǒng)壓力低于設(shè)定閾值，EMS系統(tǒng)將全部在線天然氣發(fā)電機(jī)有功出力下調(diào)，下調(diào)幅度根據(jù)天然氣壓力數(shù)值按比例給定。

圖1 新增EMS獨(dú)立壓力變送器

根據(jù)EMS系統(tǒng)新增調(diào)控程序，對(duì)EMS系統(tǒng)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的監(jiān)控、調(diào)控畫(huà)面升級(jí)，升級(jí)后的監(jiān)控、調(diào)控畫(huà)面如圖2粗方框內(nèi)所示。

圖2 EMS系統(tǒng)天然氣主機(jī)燃?xì)饽Ｊ秸{(diào)控界面

3 改造效果確認(rèn)

3.1 三種運(yùn)行模式自動(dòng)調(diào)控

項(xiàng)目改造實(shí)施后，實(shí)現(xiàn)了EMS系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的雙向交互通訊，成功地將天然氣發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)接入到EMS系統(tǒng)中。通過(guò)測(cè)試，確認(rèn)EMS系統(tǒng)對(duì)天然氣發(fā)電機(jī)組的調(diào)控均達(dá)到預(yù)期的效果。

等比例模式：設(shè)定平臺(tái)內(nèi)、平臺(tái)間的發(fā)電機(jī)組的出力比值后，EMS系統(tǒng)根據(jù)天然氣發(fā)電機(jī)的最大負(fù)荷分配和電網(wǎng)電站出力的百分比實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)天然氣發(fā)電機(jī)的功率，使每臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)組按比例帶載運(yùn)行。

調(diào)度模式：通過(guò)設(shè)定功率調(diào)度值，EMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)發(fā)電機(jī)組的有功功率、無(wú)功功率的定功率調(diào)節(jié)。

燃?xì)饽Ｊ剑涸谌細(xì)庀到y(tǒng)壓力大于設(shè)定閾值時(shí)，天然氣發(fā)電機(jī)組開(kāi)始升速，到設(shè)定的最大出力時(shí)停止；在燃?xì)庀到y(tǒng)壓力小于設(shè)定閾值時(shí)，天然氣發(fā)電機(jī)組開(kāi)始減速，降至最低帶載值時(shí)停止。

為避免機(jī)組的頻繁調(diào)頻、調(diào)壓造成電網(wǎng)的波動(dòng)，設(shè)定燃?xì)鈮毫φ{(diào)整的下限值470 kPa、上限值510 kPa，使其穩(wěn)定在40 kPa的穩(wěn)壓區(qū)間；為避免機(jī)組的低載荷、過(guò)負(fù)荷，程序設(shè)定其最低1400 kW/最高3000 kW的出力區(qū)間；為避免突增/突卸負(fù)載造成電網(wǎng)的波動(dòng)，設(shè)定單次調(diào)載30～50 kW，調(diào)載時(shí)間間隔15 s。

3.2 實(shí)現(xiàn)EMS調(diào)控與孤島模式自動(dòng)切換

天然氣發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)提升改造完工后，對(duì)EMS系統(tǒng)增加電網(wǎng)解列判斷程序，測(cè)試電網(wǎng)出現(xiàn)解列工況時(shí)，EMS系統(tǒng)可以在幾十毫秒內(nèi)把在線的天然氣發(fā)電機(jī)組退出EMS調(diào)控模式，徹底解決了天然氣發(fā)電機(jī)組因恒功率調(diào)載模式造成的互相搶負(fù)荷的問(wèn)題，增加了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 推廣價(jià)值

海上油田孤立運(yùn)行的天然氣發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的提升改造項(xiàng)目實(shí)施后，徹底解決了小型天然氣發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)后不受電網(wǎng)能量控制系統(tǒng)調(diào)控的難題，提升電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。利用工藝系統(tǒng)燃?xì)鈮毫χ悼刂铺烊粴獍l(fā)電機(jī)自動(dòng)加卸載功能的成功投用，每日天然氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電多利用0.5萬(wàn)m3天然氣，每年多利用182.5萬(wàn) m3天然氣，實(shí)現(xiàn)不增加增壓設(shè)備的工況下最大可能利用火炬放空氣。項(xiàng)目應(yīng)用為海上油田類似項(xiàng)目提供了應(yīng)用實(shí)踐的案例，尤其為岸電入海后為海上油田透平發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化控制提供了借鑒。