CN109164761A - 一种国产燃驱压缩机组负荷分配控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃气轮机设备技术领域，具体涉及一种国产燃驱压缩机组负荷分配控制系统，该分配控制系统采用分布式结构，包括负荷分配监控人机界面HMI、冗余配置的上位机管理型交换机、通过环网光纤实现的抗网络风暴冗余三层管理型交换机、负荷分配控制器采用冗余结构的CPU及通讯模块、两个远程I/O模块框架、安全栅防浪涌及端子、用于监控若干个不同燃驱压缩机组的控制系统，控制系统包括国产一号机、国产二号机、国产三号机组控制系统、进口RR1号机组控制系统、进口RR2号机组控制系统、进口RR3号机组控制系统和场站调控系统。喘振控制同负荷分配联手控制避免了动态不稳定性，保证压缩机组在改变工艺条件时稳定操作。
Description
技术领域：
本发明属于燃气轮机设备技术领域，具体涉及一种国产燃驱压缩机组负荷分配控制系统。
背景技术：
近年来我国对于高效能源的需求逐年增加，国家开展了调整能源结构的西气东输工程，带动与天然气相关行业和系统工程的飞速发展。燃驱压缩机组在西气东输上作为天然气增压装置被广泛应用，西气东输一、二线建设时我国燃气轮机技术尚不成熟所以增压站采用国外罗罗公司、GE公司、西门子公司的成熟机组，为解决国外设备的垄断局面，国家大力发展燃气轮机设计制造技术。我国首套国产燃驱压缩机组已在新疆烟墩增压站投站运行。烟墩增压站是西气东输二、三线的交汇站，二线是三台罗罗燃驱压缩机组，三线是三台国产燃驱压缩机组，为保证二、三线既可独立运行也可并行运行。负荷分配控制系统作为多机组并车的控制核心，目前国内天然气管道上在用的负荷分配控制系统绝大多数为国外燃机配套公司生产制造的，主要应用在国外机组的负荷分配方面。还没有对国产燃驱压缩机组和国外机组同时负荷分配的系统，国内还没有相关发明专利涉及此技术领域。鉴于上述存在的问题，国产燃驱压缩机组负荷分配控制系统的发明填补了国内相关设备在此技术领域的空白，掌握国产燃驱压缩机组与不同厂家、不同驱动方式的压缩机组联合运行技术，有利于改善国家战略能源输送上国外技术垄断的局面。
发明内容：
本发明提供了一种国产燃驱压缩机组负荷分配控制系统，使压缩机每段回流量减到最小，从而最大限度地提高效率。使所有压缩机的运行点与喘振控制线的距离相同。喘振控制同负荷分配联手控制避免了动态不稳定性，保证压缩机组在改变工艺条件时稳定操作。
本发明采用的技术方案为：一种国产燃驱压缩机组负荷分配控制系统，该分配控制系统采用分布式结构，包括负荷分配监控人机界面HMI、冗余配置的上位机管理型交换机、通过环网光纤实现的抗网络风暴冗余三层管理型交换机、负荷分配控制器采用冗余结构的CPU及通讯模块、两个远程I/O模块框架、安全栅防浪涌及端子、用于监控若干个不同燃驱压缩机组的控制系统及电源，所述控制系统包括国产一号机组控制系统、国产二号机组控制系统、国产三号机组控制系统、进口RR1号机组控制系统、进口RR2号机组控制系统、进口RR3号机组控制系统和场站调控系统。
进一步地，所述负荷分配监控人机界面HMI与上位机管理型交换机通过数据线连接；上位机管理型交换机与抗网络风暴冗余三层管理型交换机进行数据传输；抗网络风暴冗余三层管理型交换机与负荷分配控制器通过数据线连接；所述负荷分配控制器、两个远程I/O模块框架、安全栅防浪涌及端子、用于监控若干个不同燃驱压缩机组的控制系统依次进行数据传输。
进一步地，所述负荷分配控制器包括采用冗余结构的CPU和通讯模块。
本发明的有益效果：其主要优点如下：
（1）、本套国产燃驱压缩机组控制系统的成功研制，填补了我国天然气长输管道中适用于国产燃驱压缩机组与国外机组负荷分配控制系统研制的空白；
（2）、掌握了国产燃驱压缩机组负荷分配控制算法及逻辑等核心技术。该负荷分配控制系统已经在西气东输二、三线并行新疆烟墩压气站对国产燃驱压缩机组和国外RR机组进行了负荷分配控制，保证压缩机安全操作，每台压缩机距喘振区有足够的裕量。使压缩机每段回流量减到最小，从而最大限度地提高效率。使所有压缩机的运行点与喘振控制线的距离相同。喘振控制同负荷分配联手控制避免了动态不稳定性，保证压缩机组在改变工艺条件时稳定操作；
（3）、实现了以下性能指标：
①、可机组在运行或停机启动状态下投入联合负荷分配功能后，满足30分钟内达到稳定运行；
②、调节压力波动在±0.2Mpa以内；
③、各机组转速波动在10rpm以内；
④、各机组在稳态状态下防喘振裕度偏差在2%以内；
⑤、压力调节速率不大于0.05Mpa/min。
附图说明：
图1是国产燃驱压缩机组负荷分配控制系统结构示意图；
图2是负荷分配控制系统控制原理图；
图3是机组的流量系数计算方法图；
图4是机组的喘振裕度计算方法图；
图5是机组的负荷分配测点清单；
图6是负荷分配控制系统人机界面HMI显示图。
具体实施方式：
参照各图，一种国产燃驱压缩机组负荷分配控制系统，该分配控制系统采用分布式结构，包括负荷分配监控人机界面HMI 2、冗余配置的上位机管理型交换机3、通过环网光纤5实现的抗网络风暴冗余三层管理型交换机4、负荷分配控制器6采用冗余结构的CPU 61及通讯模块62、两个远程I/O模块框架8、安全栅防浪涌及端子9、用于监控若干个不同燃驱压缩机组的控制系统10及电源，所述控制系统10包括国产一号机组控制系统101、国产二号机组控制系统102、国产三号机组控制系统103、进口RR1号机组控制系统104、进口RR2号机组控制系统105、进口RR3号机组控制系统106和场站调控系统109；所述负荷分配监控人机界面HMI 2与上位机管理型交换机3通过数据线连接；上位机管理型交换机3与抗网络风暴冗余三层管理型交换机4进行数据传输；抗网络风暴冗余三层管理型交换机4与负荷分配控制器6通过数据线连接；所述负荷分配控制器6、两个远程I/O模块框架8、安全栅防浪涌及端子9、用于监控若干个不同燃驱压缩机组的控制系统10依次进行数据传输。国产燃驱压缩机组负荷分配控制系统采用热备冗余的控制器PLC处理模件，支持无扰冗余自动切换。
主要控制功能：
1）初始化功能：
在控制系统的PLC初次上电时，对控制输出变量、系统变量以及标志位进行初始化，并对负荷分配监控人机界面HMI 2中的操作设定值进行给定；
2）调度指令处理功能：
根据场站内各机组控制系统10给出的机组运行状态，对控制命令进行合理性检查、判断，防止误操作。最后根据选择后的命令以及各机组限制保护、故障保护的报警标志进行运行控制命令的发布，从而实现对不同控制模块的调用和禁止；
3）负荷计算功能：
在有新机组投入并行运行或有并行运行机组卸载停机及并行运行机组整个运行过程中，在保证压缩机组入口或出口压力恒定的情况下，控制目标使各压缩机组运行点相对喘振控制线的距离相等；
4）通信处理功能：
与站内各机组101至106、场站调控系统107进行相关信息交换，传送到107和上位机HMI；该系统的压力设定值既可由场站调控系统107设定。基于EtherNet/IP网络通过上位机管理型交换机3和抗网络风暴冗余三层管理型交换机4与负荷分配监控人机界面HMI 2进行数据通讯；
5）预警模块：
根据各机组控制系统101至106给出的机组状态，判断各机组系统是否产生报警等信息，有报警信息则产生声音预警报警，该报警可以由设定的按钮进行消音，在报警信号消失的情况下可由设定的按钮复位；
6）参数计算及传感器容错处理模块：
对控制器内部参数及机组相关性能曲线进行计算，对表征机组同一运行参数的多个传感器的采集信号进行容错处理，去伪存真、剔除错误和不合理的传感器信号，保证参与控制和监视信号的可靠性；
7）输出控制模块：
将负荷分配控制器各功能模块中的输出变量输出到对应的I/O接口，通过给定各机组的转速设定值及防喘振阀的开度设定值，实现负荷分配控制。
国产燃驱压缩机组的负荷分配控制系统的控制目标是保证压缩机安全操作，每台压缩机距喘振区有足够的裕量。使压缩机每段回流量减到最小，从而最大限度地提高效率。使所有压缩机的运行点与喘振控制线的距离相同。喘振控制同负荷分配联手控制避免了动态不稳定性，保证压缩机组在改变工艺条件时稳定操作
负荷分配控制系统在机组投入及退出负荷控制时，均采用自动控制。负荷分配控制系统通过各机组控制系统101至106采集各压缩机组的入口工艺管道压力、出口工艺管道压力及各压缩机组运行点相对喘振控制线的压缩机出口流量系数。采集各机组允许负荷分配标志、转速、防喘振控制阀开度、燃气轮机限制升、限制降等信号。根据各机组运行状态及性能特性，进行负荷分配计算，向对应的各机组的控制系统101至106发出相应的负荷指令，各机组的控制系统101至106根据负荷分配控制系统的指令对各个燃气轮机转速和防喘振控制阀进行控制，实现所有带载机组的平稳、经济运行。压缩机组投入负荷分配控制执行以下步骤（以国产一号机组控制系统101举例）
1、负荷分配控制系统向机组控制系统101发出请求负荷分配投入信号，所需投入的目标机组其转速达到最小负荷转速并且完成工况暖机，同时保证没有管道天然气压力过高报警；
2、操作员在机组控制系统101机组的HMI界面上发出允许负荷分配器控制指令后，该机组转为负荷分配系统控制。该过程分为三种情况：
1）、该机组为首台投入负荷分配器控制的机组，这种情况下机组会自动提升转速，直到其防喘振控制阀全关或转速达到负荷分配控制系统的预制值；
2）、若该台机组不是首台投入负荷分配控制的机组，则又分为二种情况：
a、若管道天然气压力在要求范围内，则刚投入负荷分配控制的机组与已在负荷分配控制下的机组，按距离防喘振线等距离的原则，分配现有总流量；
b、若管道天然气压力不在要求范围内，刚投入负荷分配控制机组不与现有机组分享负荷，直接加速到与已有机组匹配的流量后，正式投入负荷分配控制；
在负荷分配监控人机界面HMI 2上选择运行方式
1）、出口压力控制
选定该模式后，操作人员仅需要在负荷分配监控人机界面HMI 2上设定要求的管道天然气出口压力即可，机组会自动将出口压力维持在要求的压力范围内。需要说明的是，运行过程中当入口压力过低，达到报警值时机组会自动转为以该报警值为设定值的入口压力调节，同时记录显示该时刻的压缩机转速，作为再切换回出口压力控制的参照；
2）、入口压力控制
选定该模式后，操作人员仅需要在负荷分配监控人机界面HMI 2上设定要求的管道天然气入口压力即可，机组会自动将入口压力维持在要求的压力范围内。需要说明的是，运行过程中当出口压力过高，达到报警值时机组会自动转为以该报警值为设定值的出口压力调节，同时记录显示该时刻的压缩机转速，作为再切换回入口压力控制的参照；
3）、流量调节
该模式操作人员仅需要通过负荷分配监控人机界面HMI 2上的增、减按钮改变压缩机转速的设定值即可。和前两种模式不同的是，该模式属于开环调节。运行中压缩机被控制在要求的转速上，而不考虑管道天然气的压力变化。
4）、停机（退出负荷分配控制）
退出负荷分配控制有两种方式：
a、在负荷分配监控人机界面HMI 2上发出命令 ；
b、在国产1号机组控制系统101的HMI上发出命令。
两者区别是，前者可将退出负荷分配控制的机组所带的负荷，让尚在负荷分配控制的机组承担；而后者仅是脱离负荷分配控制，不考虑负荷继承问题。另外对第一种情况，退出负荷分配控制后的机组，需要在10分钟内开始停机过程，否则尚在负荷分配控制下的机组不会承担退出机组的原有负荷。
燃驱压缩机组负荷分配控制系统保证压缩机安全操作，每台压缩机距喘振区有足够的裕量；通过设定各机组的转速及防喘振阀的开度，使压缩机每段回流量减到最小，从而最大限度地提高效率。使所有压缩机的运行点与喘振控制线的距离相同；国产燃驱压缩机组与不同厂家、不同驱动方式的压缩机组联合运行时的负荷分配控制。
Claims (3)
1. 一种国产燃驱压缩机组负荷分配控制系统，其特征在于：分配控制系统采用分布式结构，包括负荷分配监控人机界面HMI （2）、冗余配置的上位机管理型交换机（3）、通过环网光纤（5）实现的抗网络风暴冗余三层管理型交换机（4）、负荷分配控制器（6）、两个远程I/O模块框架（8）、安全栅防浪涌及端子（9）、用于监控若干个不同燃驱压缩机组的控制系统（10）及电源，所述控制系统（10）包括国产一号机组控制系统（101）、国产二号机组控制系统（102）、国产三号机组控制系统（103）、进口RR1号机组控制系统（104）、进口RR2号机组控制系统（105）、进口RR3号机组控制系统（106）和场站调控系统（109）。
2.根据权利要求1所述的一种国产燃驱压缩机组负荷分配控制系统，其特征在于：所述负荷分配监控人机界面HMI （2）与上位机管理型交换机（3）通过数据线连接；上位机管理型交换机（3）与抗网络风暴冗余三层管理型交换机（4）进行数据传输；抗网络风暴冗余三层管理型交换机（4）与负荷分配控制器（6）通过数据线连接；所述负荷分配控制器（6）、两个远程I/O模块框架（8）、安全栅防浪涌及端子（9）、用于监控若干个不同燃驱压缩机组的控制系统（10）依次进行数据传输。
3.根据权利要求1所述的一种国产燃驱压缩机组负荷分配控制系统，其特征在于：所述负荷分配控制器（6）包括采用冗余结构的CPU（61）和通讯模块（62）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190108 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |