往复式燃气发电机基于GPC负载控制优化

往复式燃气发电机基于GPC负载控制优化

摘要：海上某油田配置了一台10.5kV、2600kW往复式燃气发电机，主要为海上综合调整项目供应电力，为了考虑燃气发电机长期安全稳定运行，其功率输出限制为1800kW。燃气发电机主要存在的问题是运行一段时间后，就会发生负载波动，负载波动曲线呈现类似正弦波形态。燃气发电机负载控制由PLC进行调节，内置PID算法，当负载波动时，PLC会自行进行PID调节，但PID调节效果差，经常出现负载曲线波动剧烈，引发燃气发电机敲缸传感器动作，进而发生关停，导致部分负载卸载。经分析，PLC外围负载较多，影响PID执行速度。采用专业的燃气发电机控制模块GPC（GeneratorProtectionController）对燃气发电机负载进行控制，保留PLC其他控制功能，保证了燃气发电机的稳定运行。一、项目背景及存在问题1.1、项目背景某海上油田综合调整项目由两座中心平台和两座井口平台组成，两座中心平台各配备4台7.68MW原油发电机，其中一座中心平台还配置了一台10.5kV、2600kW的燃气发电机。各发电机出力柱状图综合调整项目新平台投产的前几年，整个区块新老平台伴生气总量能维持较高的产量，每日产量约8.8×104m3/d，从节能减排、降低开发成本考虑，特设置了一台2.6MW的往复式燃气发电机组，耗气约2.8×104sm3/d，设计预估该区域伴生气可供燃气发电机使用5年左右。但从目前的伴生气总量来看，伴生气可供燃气发电机的运行预期会超过当初的设计年限。该机组以集装箱形式布置在上层甲板。上甲板集装箱式燃气发电机撬块目前，综合调整项目冬季负载35.5MW，综合调整项目电网主机运行模式为“6+1+1”模式运行（6台主机运行、1台主机备用、1台主机大修）。自2019年开始，随着油田内水系统设备增加以及老井口平台电力接入，综合调整项目电力负载将升至47MW，综合调整项目电网主机运行模式将调整为“7+1”模式（7台主机运行，1台备用）。随着负载增加，电网压力将愈来愈大，燃气发电机虽然出力贡献仅为1.8MW，但一旦出现故障关停将对整个电网造成一定冲击，造成部分低压负载及油井卸载，导致原油产量损失。燃气发电机主要存在的问题是负载波动，PLC反应迟滞，PID不能有效调节，有时波动较大时，会造成燃气发电机故障停机。

故障现象自投产以来，燃气发电机出现的故障现象主要有以下四方面：

MCC间燃气发电机控制盘曾出现过6次燃气发电机加载无反应，解列操作失效等现象。控制盘死机时，无法正常解列，只能采取强制分断发电机断路器，这种情况在近一年内已经出现过3次。运行的过程中，还出现过一次由于PLC死机导致燃气发电机逆功率跳闸，此问题是由于PLC死机造成，自投产以来，出现过2次逆功率保护，这种故障对电网安全造成威胁；2018年9月后，燃气发电机带载1800KW时，平均不到两周就会有波动，有时候波动剧烈，PID调控不及时，会导致爆震传感器高报，进而发生停机；负载波动严重负载波动导致停机

每次波动时，为了延长燃气发电机运行时间，现场采取降载措施。降载100KW后，波动消除，运行两到三天后，又开始波动，降载100KW后，波动又消除，通常降至1200KW，保持两到三天后，负载又发生波动。当燃气发电机故障停机后，需要用电脑连接燃气发电机PLC，复位各项参数，启机后，逐步加载，对燃气发电机PID进行重新学习。1.3、故障原因：综合以上故障现象进行判断，结合PLC网络结构，可以看出，燃气发电机控制屏死机的原因主要是PLC负载过大。燃气发电机控制盘PLC外围数据读写较多，导致PLC有时反应较慢。PLC主要外设有两个人机交互界面、燃气发电机ESM控制模块、辅机设备的控制和反馈及传感器等。由于PLC的负载较高，其内置PID执行速度受影响。燃气发电机负载波动时，PLC无法及时执行PID调节，造成燃气发电机负载波动进一步恶化，引起燃气发电机缸头处爆震传感器动作，造成了燃气发电机停机。综合以上判断燃气发电机PLC网络设计不合理是造成PLC经常死机的根本原因。PLC网络结构图二、控制盘优化处理措施：针对以上原因，现场技术人员决定采取两个解决方案，解决PLC死机问题。已采取的两种解决方案如下：

针对燃气发电机控制盘进行PLC冗余改造。本方案主要采用同型号PLC，对燃气发电机控制盘PLC进行了冗余升级改造。对冗余PLC功能进行测试，人为切断主PLC电源时，出现了数据中断，辅CPU不能实时接管程序和IO口，导致机组出现故障停机。尝试缩短主辅PLC切换时间，继续测试两个PLC之间冗余无缝切换功能，辅PLC还是不能实时接管程序和I0口。经过了三天仔细研究和调试，PLC的CPU还是不能正常冗余。冗余改造失败后，恢复旧PLC接线及程序，对程序进行了优化，减少了HMI的通讯端口，降低PLC通讯速率，增加了EMS通讯口端口减少同一端口PLC数据交换的数量，以此来预防PLC再次死机的情况。冗余PLC升级不成功，最终原因是PLC版本并不支持冗余。原有PLC程序优化后，经过一年的时间运行验证，依然存在PLC程序死机情况，说明PLC对外围设备读取数据还是很大。

燃气发电机负载由专业GPC控制单元进行控制。现场人员仔细研究图纸和控制盘调研，发现控制盘内GPC仅仅作为保护使用，而GPC是专业的燃气发电机控制模块，集保护、监测、负载控制为一体的智能控制模块，GPC内置PID控制，能够很好地调整负载。将燃气发电机保护控制单元GPC与触摸屏、PLC进行程序融合，取消PLC负载控制功能，由GPC单独对燃气发电机负载进行控制。GPC模块加装GPC后的燃气发电机控制盘自燃气发电机负载控制模式优化改造至今，燃气发电机负载控制平稳，未发生过之前大幅波动和故障停机情况。燃气发电机负载虽然有时候会波动，但是通过GPC自身调整，负载会在很短的时间内恢复平稳，这已经说明本方案是成功的。改造后的燃气发电机负载曲线（红）平稳三、取得效果与总结燃气发电机原负载控制模式由现场盘P