中俄东线压气站防喘振控制与负荷分配的应用

马 焱 孙 皓 苟云睿 杨 亓

（1.国家管网集团北方管道有限责任公司锦州输油气分公司，辽宁 锦州 121000；2.中国石油辽河油田油气集输公司，辽宁 盘锦 124000；3.国家管网集团北方管道有限责任公司哈尔滨输油气分公司，黑龙江 哈尔滨 150000；4.国家管网集团北方管道有限责任公司沈阳输油气分公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

中俄天然气管道是国家重要的能源战略通道，压气站承担着为中俄东线干线增压的重要任务。随着国内越来越多的压气站正式投产，国产化设备和控制系统逐步完善，以往压缩机组及辅助系统的控制在很大程度上依赖于站场运行人员的现场操作和确认的情况已大为转变。该压气站采用浙江中控设计的压缩机控制系统，分批完成了压缩机一键启停、防喘振控制与负荷分配调试等工作，功能调试结束后，在极大提升压气站自动化程度的同时，确保了压缩机组及附属设备的安全运行。

1 喘振原因及危害

1.1 喘振原因

喘振是离心式压缩机在流量减少到一定程度时所发生的一种非正常工况下的振动现象。这种气流振荡现象具有低频率、高振幅的特点，发生的原因主要是离心式压缩机在每转速下都有最低进口流量（喘振流量）要求，低于该流量时，压缩机组后的管网压力大于压缩机出口压力，增压后的高压气体倒流至机组内，出现反复排出与倒流的气体脉动现象，压缩机组处于非稳定运行状态，随着强烈振动，并发出“呼哧”的声音。发生喘振现象的运行工况点称为“喘振点”。

1.2 喘振危害

喘振是一种很大的激振力来源，会引起压缩机组部件的强烈振动和热端超温，并能在短时间内造成部件的严重损坏。1） 发生喘振后，压缩机组进口、出口压力、温度等运行参数出现大幅波动，对整体天然气输送工艺流程产生重大影响。2） 压缩机组内部元件会受到较大冲击，极易造成轴瓦密封型环刮碰摩擦及烧蚀变形。3） 会对压缩机组转动部件和轴承对机组转动部件和轴承、密封装置、隔板产生冲击，造成转子发生不平衡，静止件发生刮碰磨损。4） 喘振会造成压缩机组辅助设备设施（如干气密封系统）运行紊乱和损害，使机组发生联锁停机。5） 喘振发生后会造成密封件与转子异常摩擦，级间间隙超差，压缩机组压比降低。如天然气发生泄漏后，浓度达到报警值，会触发压缩机厂房可燃气体报警联锁停机。

2 防喘振控制

鉴于压缩机组发生喘振会为天然气输送工艺带来很多危险后果，在压气站生产运行工作中，防喘振控制功能显得尤为重要，是压缩机组安全运行的关键环节。压气站控制系统由浙江中控提供，可以根据运行工况点和防喘振控制线的距离进行自动调节，防喘振控制线包括4条，即压缩机喘振线（SLL）、压缩机喘振控制线（SCL）、压缩机阶跃响应线（SRL）和压缩机喘振保护线（SPL），见图1。由于系统中包括PI控制、阶跃控制、紧急控制、限值控制，因此可以实现中俄东线不同工况条件下的防喘振自动控制。

图1 压气站压缩机防喘振特性曲线

2.1 PI控制

SCL线的作用是在压缩机运行期间的任意时刻，通过调节防喘振阀的开度确保压缩机工作点在SLL线右侧安全区域，并远离SLL线。PI控制是根据设定值和实际值构成控制偏差，将偏差的PI通过线性组合构成控制量，进而实现对被控对象进行控制的。当压缩机工作点越过SCL线进入SCL线左侧区域时，PI响应会控制防喘振阀门打开，此时，压缩机出口部分的天然气会经防喘振阀回流至压缩机进口，进口流量有所增加，工作点向右侧移动，移入SCL右侧安全区域。PI控制适用于扰动量较小的工况条件，确保平稳实现防喘振控制。

2.2 阶跃控制

除扰动量较小的工况条件外，工艺运行中还可能存在扰动剧烈的情况，PI控制在可预见范围内进行慢速调节，而剧烈扰动应采用阶跃控制。阶跃控制指的是被控对象在单位阶跃信号的激励下产生零状态响应，在控制初期会产生一定波动，但后期随着稳定值的逐步逼近，被控对象变为稳定状态。当PI控制无法处理快速剧烈扰动时，系统利用阶跃控制使防喘振阀门迅速做出反应，打开阀门，并在较小的安全开度下将压缩机工作点拉回至安全区域。阶跃控制可以实现在快速剧烈扰动条件下保护压缩机组，防止喘振发生。

2.3 紧急控制

压缩机在运行过程中会发生一些极特殊情况，工作点会非常迅速地越过SLL线并继续向左移动，控制系统已无法通过PI控制和阶跃控制使工作点远离SLL线，因此设置了SPL线。当工作点到达SPL线时，触发紧急控制，系统将自行增加SCL线和SRL线裕度，使两条控制线向右移动，防喘振阀门迅速全开。一般在一次处理周期内可将压缩机工作点带回至安全区域。紧急控制可以在此类极特殊工况条件下确保压缩机防喘振功能正常工作。

2.4 限值控制

根据系统设置，压缩机具备单机限值控制功能，即可设置每台压缩机进口压力低限值和出口高限值，当进口压力低于低限值或者出口压力高于高限值时，限值控制功能会将防喘振阀门打开，出口天然气部分回流至压缩机进口。当进口、出口压力在限值以内时，防喘振阀门自动关闭，恢复正常控制。限值控制既可以实现防喘振控制，同时也可以确保压缩机进口、出口压力稳定在限值内运行。

3 单机性能控制与多机负荷分配控制

3.1 单机性能控制

单台压缩机的性能控制是利用进口压力和出口压力对单机转速进行调节。压缩机运行期间，进出口压力实际测量值与输入设定值共同进入CCS性能控制器进行计算，计算结果传输至变频调速器，调节压缩机转速，并直接影响压缩机的实际进出口压力，见图2。

图2 性能控制示意图

由此，压缩机的进出口压力可以相对稳定在符合工艺要求的工作点附近。CCS性能控制器计算环节采用了增量式PID计算，要点在于：1） 容易通过加权处理获得比较好的控制效果。2） 受压缩机发生故障影响的范围小。3） 手动-自动切换时切换干扰小。

为克服频繁调节和扰动对系统控制稳定性带来的影响，需要在PID计算中加入死区控制，当偏差小于死区范围时，死区输出值为0。偏差大于死区范围时，按正常PID控制计算。

压缩机控制系统中包括防喘振控制到性能控制器的解耦和性能控制器到防喘振控制的解耦。当压缩机工作点越过SCL线时，被防喘振控制器侦测记录，经过PID计算后，防喘振阀打开，部分增压后的天然气回流至压缩机进口，从而影响压缩机进出口压力。而防喘振阀动作会影响CCS性能控制器，这种影响的结果是CCS性能控制器的调节作用明显滞后，故为了确保防喘振控制器和性能控制器相互作用的准确及时，增加了两者之间的解耦。解耦增设后，控制由多变量耦合转变为多个独立单变量，防喘振控制器和性能控制器克服了大部分干扰，使系统整体控制效果得到明显提升。

3.2 多机负荷分配控制

多机并联运行负荷分配控制由两部分组成：负荷控制和平衡控制。负荷控制是以调节每台压缩机组负荷的方式确保压气站进出站压力和流量满足设定要求。平衡控制是指对每台压缩机组能力进行平衡分配。两种控制的叠加使负荷分配控制可以将并联的每台压缩机工作点自动控制在与SCL线近似等距的位置上，实现出口流量系数相同，喘振控制器的偏差相等。

负荷分配控制包括主性能控制器、防喘振控制器和性能控制器。该压气站主性能控制器设置于站控系统中，防喘振控制器和性能控制器均分别设置于1#、2#压缩机组控制系统中。站控系统和UCS压缩机控制系统通过站内通信连接。在解耦控制下，既可以实现在模拟量输入后利用偏差计算控制防喘振阀开度，又能实现在平衡控制、负荷并网、负荷单机方式下的变频调速，站控室主性能控制器可以给予模拟量输入，下达到1#、2#压缩机控制系统中，达到防喘振控制和负荷分配控制的作用，见图3。

图3 压气站压缩机组负荷分配控制图

4 负荷分配的实际应用

4.1 双机负荷分配运行

该站操作人员在HMI界面上将性能控制设为并网，模式选择出站压力，并输入设定压力。主性能控制器将负荷分配的计算结果传输至1#、2#的UCS压缩机控制系统中，机组的性能控制器对各自转速进行调节，防喘振控制器对防喘振阀进行调节。当出站压力未达到设定值且双机转速未达到最大值4800r/min时，压缩机组继续提高转速，直到满足出站压力设定条件或达到压缩机最大设定转速为止。

4.2 单启或增启压缩机

当站场无压缩机组运行、启动单台机组时，将性能控制设为并网，模式选择出站压力，并输入设定压力。点击一键启机按钮，压缩机启动，转速到达3120r/min后，根据出站压力设定要求自动继续提速，直至出站压力达到设定要求。

当站场已有压缩机组运行、增启备用机组时，完成“出站压力设定”“出站压力”“并网”三项设定后，点击备用机组一键启机按钮，备用机组启动到3120r/min后自动提速，并完成备用机与已运行机组的负荷分配调速。

4.3 一键切机

确认待切除运行机组与准备运行机组，完成“出站压力设定”“出站压力”“并网”三项设定后，点击一键切机按钮，自动启动准备运行机组，自动提速，自动停待切除运行机组。待切除机组停机前，操作人员通过站控HMI综合报警复位（综合复位）可终止一键切机流程。

5 结语

在中俄东线天然气管道大型压气站运行工作中，利用防喘振控制可以有效确保关键设备——压缩机组的安全稳定。负荷分配控制在该压气站的使用不仅充分满足了工艺运行需求，同时也极大提高了压缩机启机、切机、并联运行等的工作效率，消除了大部分异常停机的风险。防喘振控制与负荷分配在实际应用中取得了较为理想的运行效果，为中俄东线压气站场的安全高效、平稳运行打下了坚实基础。