往復式燃氣發(fā)電機基于GPC負載控制優(yōu)化

往復式燃氣發(fā)電機基于GPC負載控制優(yōu)化

摘要：海上某油田配置了一臺10.5kV、2600kW往復式燃氣發(fā)電機，主要為海上綜合調(diào)整項目供應(yīng)電力，為了考慮燃氣發(fā)電機長期安全穩(wěn)定運行，其功率輸出限制為1800kW。燃氣發(fā)電機主要存在的問題是運行一段時間后，就會發(fā)生負載波動，負載波動曲線呈現(xiàn)類似正弦波形態(tài)。燃氣發(fā)電機負載控制由PLC進行調(diào)節(jié)，內(nèi)置PID算法，當負載波動時，PLC會自行進行PID調(diào)節(jié)，但PID調(diào)節(jié)效果差，經(jīng)常出現(xiàn)負載曲線波動劇烈，引發(fā)燃氣發(fā)電機敲缸傳感器動作，進而發(fā)生關(guān)停，導致部分負載卸載。經(jīng)分析，PLC外圍負載較多，影響PID執(zhí)行速度。采用專業(yè)的燃氣發(fā)電機控制模塊GPC（GeneratorProtectionController）對燃氣發(fā)電機負載進行控制，保留PLC其他控制功能，保證了燃氣發(fā)電機的穩(wěn)定運行。一、項目背景及存在問題1.1、項目背景某海上油田綜合調(diào)整項目由兩座中心平臺和兩座井口平臺組成，兩座中心平臺各配備4臺7.68MW原油發(fā)電機，其中一座中心平臺還配置了一臺10.5kV、2600kW的燃氣發(fā)電機。各發(fā)電機出力柱狀圖綜合調(diào)整項目新平臺投產(chǎn)的前幾年，整個區(qū)塊新老平臺伴生氣總量能維持較高的產(chǎn)量，每日產(chǎn)量約8.8×104m3/d，從節(jié)能減排、降低開發(fā)成本考慮，特設(shè)置了一臺2.6MW的往復式燃氣發(fā)電機組，耗氣約2.8×104sm3/d，設(shè)計預估該區(qū)域伴生氣可供燃氣發(fā)電機使用5年左右。但從目前的伴生氣總量來看，伴生氣可供燃氣發(fā)電機的運行預期會超過當初的設(shè)計年限。該機組以集裝箱形式布置在上層甲板。上甲板集裝箱式燃氣發(fā)電機撬塊目前，綜合調(diào)整項目冬季負載35.5MW，綜合調(diào)整項目電網(wǎng)主機運行模式為“6+1+1”模式運行（6臺主機運行、1臺主機備用、1臺主機大修）。自2019年開始，隨著油田內(nèi)水系統(tǒng)設(shè)備增加以及老井口平臺電力接入，綜合調(diào)整項目電力負載將升至47MW，綜合調(diào)整項目電網(wǎng)主機運行模式將調(diào)整為“7+1”模式（7臺主機運行，1臺備用）。隨著負載增加，電網(wǎng)壓力將愈來愈大，燃氣發(fā)電機雖然出力貢獻僅為1.8MW，但一旦出現(xiàn)故障關(guān)停將對整個電網(wǎng)造成一定沖擊，造成部分低壓負載及油井卸載，導致原油產(chǎn)量損失。燃氣發(fā)電機主要存在的問題是負載波動，PLC反應(yīng)遲滯，PID不能有效調(diào)節(jié)，有時波動較大時，會造成燃氣發(fā)電機故障停機。

故障現(xiàn)象自投產(chǎn)以來，燃氣發(fā)電機出現(xiàn)的故障現(xiàn)象主要有以下四方面：

MCC間燃氣發(fā)電機控制盤曾出現(xiàn)過6次燃氣發(fā)電機加載無反應(yīng)，解列操作失效等現(xiàn)象?？刂票P死機時，無法正常解列，只能采取強制分斷發(fā)電機斷路器，這種情況在近一年內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)過3次。運行的過程中，還出現(xiàn)過一次由于PLC死機導致燃氣發(fā)電機逆功率跳閘，此問題是由于PLC死機造成，自投產(chǎn)以來，出現(xiàn)過2次逆功率保護，這種故障對電網(wǎng)安全造成威脅；2018年9月后，燃氣發(fā)電機帶載1800KW時，平均不到兩周就會有波動，有時候波動劇烈，PID調(diào)控不及時，會導致爆震傳感器高報，進而發(fā)生停機；負載波動嚴重負載波動導致停機

每次波動時，為了延長燃氣發(fā)電機運行時間，現(xiàn)場采取降載措施。降載100KW后，波動消除，運行兩到三天后，又開始波動，降載100KW后，波動又消除，通常降至1200KW，保持兩到三天后，負載又發(fā)生波動。當燃氣發(fā)電機故障停機后，需要用電腦連接燃氣發(fā)電機PLC，復位各項參數(shù)，啟機后，逐步加載，對燃氣發(fā)電機PID進行重新學習。1.3、故障原因：綜合以上故障現(xiàn)象進行判斷，結(jié)合PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以看出，燃氣發(fā)電機控制屏死機的原因主要是PLC負載過大。燃氣發(fā)電機控制盤PLC外圍數(shù)據(jù)讀寫較多，導致PLC有時反應(yīng)較慢。PLC主要外設(shè)有兩個人機交互界面、燃氣發(fā)電機ESM控制模塊、輔機設(shè)備的控制和反饋及傳感器等。由于PLC的負載較高，其內(nèi)置PID執(zhí)行速度受影響。燃氣發(fā)電機負載波動時，PLC無法及時執(zhí)行PID調(diào)節(jié)，造成燃氣發(fā)電機負載波動進一步惡化，引起燃氣發(fā)電機缸頭處爆震傳感器動作，造成了燃氣發(fā)電機停機。綜合以上判斷燃氣發(fā)電機PLC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不合理是造成PLC經(jīng)常死機的根本原因。PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖二、控制盤優(yōu)化處理措施：針對以上原因，現(xiàn)場技術(shù)人員決定采取兩個解決方案，解決PLC死機問題。已采取的兩種解決方案如下：

針對燃氣發(fā)電機控制盤進行PLC冗余改造。本方案主要采用同型號PLC，對燃氣發(fā)電機控制盤PLC進行了冗余升級改造。對冗余PLC功能進行測試，人為切斷主PLC電源時，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)中斷，輔CPU不能實時接管程序和IO口，導致機組出現(xiàn)故障停機。嘗試縮短主輔PLC切換時間，繼續(xù)測試兩個PLC之間冗余無縫切換功能，輔PLC還是不能實時接管程序和I0口。經(jīng)過了三天仔細研究和調(diào)試，PLC的CPU還是不能正常冗余。冗余改造失敗后，恢復舊PLC接線及程序，對程序進行了優(yōu)化，減少了HMI的通訊端口，降低PLC通訊速率，增加了EMS通訊口端口減少同一端口PLC數(shù)據(jù)交換的數(shù)量，以此來預防PLC再次死機的情況。冗余PLC升級不成功，最終原因是PLC版本并不支持冗余。原有PLC程序優(yōu)化后，經(jīng)過一年的時間運行驗證，依然存在PLC程序死機情況，說明PLC對外圍設(shè)備讀取數(shù)據(jù)還是很大。

燃氣發(fā)電機負載由專業(yè)GPC控制單元進行控制?，F(xiàn)場人員仔細研究圖紙和控制盤調(diào)研，發(fā)現(xiàn)控制盤內(nèi)GPC僅僅作為保護使用，而GPC是專業(yè)的燃氣發(fā)電機控制模塊，集保護、監(jiān)測、負載控制為一體的智能控制模塊，GPC內(nèi)置PID控制，能夠很好地調(diào)整負載。將燃氣發(fā)電機保護控制單元GPC與觸摸屏、PLC進行程序融合，取消PLC負載控制功能，由GPC單獨對燃氣發(fā)電機負載進行控制。GPC模塊加裝GPC后的燃氣發(fā)電機控制盤自燃氣發(fā)電機負載控制模式優(yōu)化改造至今，燃氣發(fā)電機負載控制平穩(wěn)，未發(fā)生過之前大幅波動和故障停機情況。燃氣發(fā)電機負載雖然有時候會波動，但是通過GPC自身調(diào)整，負載會在很短的時間內(nèi)恢復平穩(wěn)，這已經(jīng)說明本方案是成功的。改造后的燃氣發(fā)電機負載曲線（紅）平穩(wěn)三、取得效果與總結(jié)燃氣發(fā)電機原負載控制模式由現(xiàn)場盤P