田茂彬 黑龍江省火電一公司

燃氣輪機增壓站防喘振系統(tǒng)控制分析

田茂彬 黑龍江省火電一公司

本文介紹了大型燃氣輪機增壓站所配離心式壓縮機防喘振系統(tǒng)的控制分析, 通過對其控制邏輯的分析與執(zhí)行機構(gòu)的配置介紹, 對預防喘振的整個過程進行了闡述。同時,通過對增壓站壓縮機性能曲線的分析,在實際中對增壓站壓縮機防喘振控制邏輯進行了改進,改進后的控制邏輯在增壓站壓縮機運行中控制效果良好,在168小時試運行中,增壓站壓縮機未出現(xiàn)過任何喘振現(xiàn)象。這對于國內(nèi)電力行業(yè)的天然氣增壓具有重要的借鑒意義。

燃氣機；增壓站；防喘振；防喘振閥；喘振線；防喘振線

1 前言

1.1 燃氣輪機增壓站工程:本工程為孟加拉國同吉80MW燃氣輪機機組電廠新建工程，主要包括一臺燃氣輪機、發(fā)電機、增壓站、附屬系統(tǒng)等。燃氣輪機系統(tǒng)設備和發(fā)電機系統(tǒng)設備由美國GE公司設計,其控制系統(tǒng)為:MARK-VSPEEDTRONIC 。

1.2 增壓站的重要作用:增壓站在燃氣輪機機組中起著重要的作用，它將廠外來的低壓天然氣進行升壓，達到燃機所需要的燃氣壓力和流量等參數(shù)，以確保燃氣輪機機組正常可靠運行。本機組增壓站主要包括：增壓泵和增壓泵進、出口管道及相應設備,如過濾器、冷卻器、閥門、儀表等。增壓泵設備由沈陽鼓風機廠成套供貨，增壓泵進出口管道及相應設備由荷蘭PETROGAS公司成套供貨。增壓泵電機為佳木斯電機廠設備，為6KV、3218KW高壓電機，電機通過對輪和齒輪箱驅(qū)動增壓泵壓縮機，壓縮機為離心式壓縮機，型號為2MCL458，額定轉(zhuǎn)速為12474r/min。增壓泵額定參數(shù)如下：流量3600Nm3/H，入口壓力3.7868bar，入口溫度35℃，出口壓力27.1bar，出口溫度134.8℃。

2 燃氣輪機增壓站控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)流程圖:

圖1 增壓站控制系統(tǒng)流程圖

其中: FT01為增壓站壓縮機入口燃氣流量; TE01 為增壓站壓縮機入口燃氣溫度;

PT01為增壓站壓縮機入口燃氣壓力; TE02為增壓站壓縮機出口燃氣溫度;

PT02為增壓站壓縮機出口燃氣壓力;

TE03為增壓站出口燃氣溫度;

FT02為增壓站出口燃氣流量;

PT03為增壓站出口燃氣壓力;

A01為防喘振氣動閥;

A02 為氣動調(diào)節(jié)閥;

2.2 控制系統(tǒng)功能:本機組增壓站控制系統(tǒng)由荷蘭PETROGAS公司成套設計并供貨，采用日本YOKOGAWA PLC 控制系統(tǒng)，主要控制功能如下：增壓泵啟動系統(tǒng)控制功能、增壓泵跳閘系統(tǒng)控制功能、潤滑油系統(tǒng)控制功能、再循環(huán)系統(tǒng)控制功能、防喘振系統(tǒng)控制功能、過濾器系統(tǒng)控制功能、冷卻器系統(tǒng)控制功能、干氣密封系統(tǒng)控制功能、空壓機系統(tǒng)控制功能、制氮系統(tǒng)控制功能、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)控制功能、實時報警系統(tǒng)控制功能。

3 增壓站壓縮機的防喘振控制系統(tǒng)

3.1 增壓站壓縮機防喘振原理:當來自離心式壓縮機出口處的天然氣壓力管網(wǎng)的阻力增加到一定值時，排氣流量將快速下降。當排氣流量降到某一點時，一個周期性的氣流波動在壓縮機管道內(nèi)發(fā)生，排氣壓力和流量波動很大，同時意味著異常的噪音出現(xiàn)，這種現(xiàn)象叫喘振。當喘振發(fā)生時，很容易損害壓縮機，因此壓縮機不允許在喘振區(qū)內(nèi)工作。增壓站壓縮機防喘振的基本原理是：無論壓縮機運行狀況如何，均應確保入口流量大于喘振時的流量。只在這樣，才能確保壓縮機穩(wěn)定地工作。這就需要找出真實的喘振線來確保壓縮機在更穩(wěn)定的工作區(qū)域工作。

3.2 增壓站壓縮機防喘振閥的性能分析:

3.2.1 防喘振閥主要作用: 當壓縮機即將發(fā)生喘振時,迅速打開,增加入口流量。圖1中的A01為防喘振氣動閥，其氣動原理圖如圖2：

圖2 防喘振閥A01氣動原理圖

3.2.2 防喘振氣動閥各組成元件的性能:

a.氣動閥:本防喘振閥為氣關(guān)閥,有壓力氣源時關(guān)閥,無壓力氣源時開閥。

b.定位器:向PLC反饋位置信號為4～20m A，相對應于閥門開度0%～100%。P LC 向定位器輸出相對應于閥門開度0%～100%的4～20m A調(diào)節(jié)信號，定位器便輸出一個與輸入開度調(diào)節(jié)信號（0%～100%）相反的壓力調(diào)節(jié)氣源（100%～0%）。

c.電磁閥:帶電時1和2通、2和R斷，失電時1和2斷、2和R通，R為排氣孔。

d.滑閥:首先有一個主氣源P作為導通信號，當滑閥輸入的壓力氣源信號P1由100%向0%變化時，滑閥向防喘振閥輸出的壓力氣源信號P2也由100%向0%變化。

e.釋放閥:當P有氣源壓力時A和R斷，當P無氣源壓力時A和R通。

3.3 增壓站壓縮機防喘振氣動閥工作原理:當電磁閥帶電時，PLC向定位器輸入調(diào)節(jié)信號4～20m A（對應于氣動閥開度0%～100%），定位器便相應輸出壓力調(diào)節(jié)氣源信號100%～0%（對應于氣動閥開度0%～100%），此信號經(jīng)電磁閥輸入至滑閥P1處，滑閥便輸出壓力氣源信號100%～0%，氣動閥便由全關(guān)至全開調(diào)節(jié)，此時釋放閥的A和R斷；當電磁閥失電時，滑閥因無氣源壓力調(diào)節(jié)信號P1輸入，故輸出P2為0，氣動閥全開，此時，釋放閥的A和R通，確保氣動閥內(nèi)的壓力氣源排出，而快速達到全開位置。

4 增壓站壓縮機防喘振控制邏輯及其改進

4.1 增壓站壓縮機原防喘振控制邏輯:

4.1.1 原防喘振控制過程:在增壓站壓縮機正常運行時,當壓縮機入口壓力PT01下降到2.0bar以下,那么,此時防喘振閥將立即打到全開位置，防止增壓泵入口出現(xiàn)低負壓，防止喘振出現(xiàn)，當入口壓力PT01升到2.2bar以上時，防喘振閥再逐漸關(guān)閉。當壓縮機啟動或停機時，防喘振閥全開，防止出現(xiàn)喘振現(xiàn)象而損害設備。

4.1.2 原防喘振控制邏輯的缺陷: 原防喘振控制邏輯在做防喘振線和喘振線時，僅僅考慮了壓縮機入口壓力一個因素，其他如燃氣分子密度、流量、入口溫度、出口溫度、出口壓力等因素的變化影響均未考慮，顯然太簡單，無法反映真實的喘振線和防喘振線。因原有防喘振邏輯與實際相差較大，故不能保證壓縮機正常穩(wěn)定地工作，會給壓縮機帶來很大的損害。

4.2 改進后的增壓站壓縮機防喘振控制邏輯:

4.2.1 壓縮機性能曲線分析: 通過對壓縮機管道內(nèi)燃氣分子密度、流量、入口壓力、入口溫度、出口壓力、出口溫度等因素變化影響的考慮，根據(jù)壓縮機性能曲線. 做出下列算式：

式(1)(2)中, QCTRL 為防喘振線上壓縮機入口燃氣流量, 單位為Nm3/h ;

QSRG為喘振線上壓縮機入口燃氣流量, 單位為Nm3/h ;

P 為壓縮機出口燃氣壓力,單位為kpa ;

通過以上算式,做出如下坐標圖圖3:

圖3 增壓站壓縮機入口流量和出口壓力關(guān)系坐標圖

在圖3中能顯示出改進后的增壓站壓縮機防喘振控制邏輯是如何工作的。圖中SL表示喘振線，CL表示防喘振線，Qs l表示喘振線上壓縮機燃氣入口流量，Q c l表示防喘振線上壓縮機燃氣入口流量，P表示壓縮機出口壓力PT02，Q入表示壓縮機入口流量FT01。SL線和CL線將工作區(qū)分成三個部分，位于SL左側(cè)為喘振部分，位于SL線和CL線之間的為調(diào)整部分，位于CL線右側(cè)為安全部分。

4.2.2 防喘振控制過程: 共有1、2、3、4等4種狀況：

1區(qū)：工作點在喘振線上方移動，PLC對防喘振閥的控制信號為100%，防喘振閥全開，電磁閥失電；

2區(qū)：工作點在防喘振線下方移動，PLC對防喘振閥的控制信號為100%，電磁閥帶電；

3區(qū)：工作點由2區(qū)向3區(qū)移動過程中，當Q=Qc l時，PLC對防喘振閥的控制信號開始由100%逐漸遞減，速率為0.5%/S，直至防喘振閥全關(guān)為止，此過程，電磁閥始終帶電；

4區(qū)：工作點由3區(qū)向4區(qū)移動過程中，當Q=Qc l時，PLC對防喘振閥的控制信號開始由0%逐漸遞增，當Q=Q s l時，剛好為100%，此時，電磁閥剛好斷電。

4.2.3 防喘振控制系統(tǒng): 共有三種控制方式可以設定：自動方式、半自動方式，手動方式。

a.自動方式：整個防喘振系統(tǒng)均采用自動控制方式；

b.半自動方式：當工作點在喘振線上方時，可采用手動控制，其他均采用自動控制方式；

c.手動方式：整個防喘振系統(tǒng)均采用手動控制方式；

當壓縮機啟動或停機時，防喘振閥均全開，然后再逐漸關(guān)上。

5改進后的增壓站壓縮機防喘振控制邏輯程序:

6 結(jié)束語

6.1 改進后的增壓站壓縮機防喘振控制邏輯程序?qū)τ跈C組運行的作用和意義：因原有防喘振邏輯設計有錯誤，故在現(xiàn)場對防喘振邏輯進行了重新設計?，F(xiàn)有防喘振邏輯設計時，考慮的因素比較全面，做出的防喘振線和喘振線更接近于真實的防喘振線和喘振線，因此確保了壓縮機有更穩(wěn)定的工作區(qū)域，工作更安全，更進一步確保燃機的穩(wěn)定運行。

6.2 隨著西氣東輸?shù)拈_展, 越來越多的燃氣電廠和化工廠即將投入運行, 離心式壓縮機具有廣闊的應用前景, 深刻理解增壓站壓縮機防喘振控制過程和控制邏輯，對于燃氣增壓系統(tǒng)的安全運行有著重要的意義。

[1]郝點，等.壓縮機手冊.北京中國石化出版社. 書號 :7-80164-303

[2]王書敏, 何可禹.離心式壓縮機技術(shù)問答( 第二版 ).北京中國石化出版社.書號:7-80043-545-8.2005年1月

[3]高可源.計算機控制技術(shù). 中央廣播電視大學出版社.2001年2月

[4]周萬珍, 高鴻斌.PLC分析與設計應用.北京電子工業(yè)出版社.2004年1月1日

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.093

田茂彬 1991年7月至今工作于黑龍江省火電建設第一工程公司熱控分公司；畢業(yè)于牡丹江師范學院 計算機技術(shù)應用專業(yè) 大專；目前：工作于黑龍江省火電一公司 魏橋創(chuàng)業(yè)集團鄒平第三電廠施工現(xiàn)場，職務工程師。