Тел.:+7 (812) 334-01-60
Факс: +7 (812) 334-01-61
/ / ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ И АДАПТАЦИИ К УСЛОВИЯМ ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ ДКС СИСТЕМ АНТИПОМПАЖНОГО И ТОПЛИВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МСКУ СС 4510

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ И АДАПТАЦИИ К УСЛОВИЯМ ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ ДКС СИСТЕМ АНТИПОМПАЖНОГО И ТОПЛИВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МСКУ СС 4510

Исмагилов Р.Н., Байгускаров Ш.Х., Саитов И.И., Закиров А.Р., Гайдаш Д.М.

На дожимных компрессорных станциях (ДКС) Уренгойского газопромыслового управления (УГПУ) эксплуатируется 99 газоперекачивающих агрегатов (ГПА), большая часть из которых (56 ГПА) оснащена системами автоматического управления МСКУ‑CC‑4510 разработки и производства ЗАО «НПФ «Система-Сервис».

Типовая технологическая схема ДКС представлена на рисунке 1. На всех ДКС, кроме ДКС-2В, используется двухступенчатая схема компремирования газа. Каждая ступень, как правило, состоит из трех включенных параллельно ГПА. Газ от ГПА поступает в цех очистки газа (ЦОГ), где происходит его первоначальная осушка и очистка от механических примесей, затем на вход первой ступени ДКС со степенью сжатия 1,7 – 2,2, охлаждается агрегатом воздушного охлаждения (АВО) и уходит на установку комплексной подготовки газа (УКПГ). Очищенный газ с УКПГ подается на вторую ступень ДКС для дополнительного компремирования и охлаждения АВО газа. Регулирование расхода газа подаваемого в межпромысловый коллектор (МПК) осуществляется изменением частот вращения силовых турбин (СТ) ГПА и количества включенных в работу ГПА. Для обеспечения заданного расхода газа и оптимальной работы станции необходимо одновременное решение нескольких задач:

Таким образом, каждый ГПА работает в узкой рабочей области, которая определяется безопасными значениями. Вместе с тем, режим работы нагнетателя ГПА диктуется технологическим процессом и необходимостью обеспечениязаданного расхода газа. Задача управления состоит в том, чтобы в жестких границах безопасной работы согласовать производительность нагнетателя с нагрузкой и не выйти при этом за границы безопасной работы. Решение этой задачи с учетом максимального использования полезной мощности нагнетателя требует приближения рабочей точки компрессора к линии помпажа, что противоречит требованиям безопасности. Традиционным и , в большинстве случаев, единственным способом защиты нагнетателей от помпажа является рециркуляция– перепуск газа с выхода на вход нагнетателя. В то же время, на сжатие рециркулируемой части газа расходуется большое количество энергии, вследствие чего рециркуляцию необходимо минимизировать.

Решение описанной задачи невозможно без применения современных систем электронного топливного и антипомпажного регулирования, установленных на всех ГПА обеих ступеней сжатия и выполняющей функции регулирования и защиты центробежных нагнетателей в случае падения расхода газа при изменениях режима работы станции и возмущениях, связанных с нестабильностью потока газа.

В настоящее время данная задача успешно решается в комплексе системой агрегатной автоматики МСКУ-СС-4510 разработки и производства ЗАО «НПФ «Система-Сервис», в рамках которой и реализуются указанные функции электронного топливного и антипомпажного регулирования.

Функции антипомпажного регулирования выполняются антипомпажным регулятором (АПР), который состоит из двух функционально законченных блоков:
1) блок регулирования;
2) блок диагностики предпомпажного состояния (сигнализатор помпажа).

Блок регулирования (1) предназначен выработки управляющего воздействия на антипомпажный клапан фирмы «Mokveld», установленный в линию рециркуляции. Основная функция блока регулирования – предупреждение аварийных ситуаций путем удержания в заданном диапазоне значений помпажного запаса (расстояния до границы помпажа), давления на выходе нагнетателя и степени сжатия нагнетателя.

Сигнализатор помпажа (2) предназначен для защиты нагнетателя от помпажа путем формирования сигналов «Предпомпажное состояние» и «Помпаж нагнетателя». В основе диагностики предпомпажного состояния лежит анализ производных по времени от частоты вращения ротора нагнетателя и перепада давления на конфузоре нагнетателя. Физический смысл анализа этих производных заключается в том, что при приближении нагнетателя к границе помпажа абсолютные значения производных становятся в 2-10 раз большими, чем при нахождении в зоне устойчивой работы, при этом возрастает скорость роста частоты вращения ротора нагнетателя и скорость падения перепада давления на конфузоре. При превышении любой из производных порогового значения формируется сигнал «Предпомпажное состояние». При срабатывании сигнализатора помпажа блок регулирования (1) выдает управляющий сигнал на полное открытие антипомпажного клапана.

Опыт эксплуатации описанной системы антипомпажного регулирования на объектах ООО «Уренгойгазпром» выявил необходимость усовершенствования стратегии антипомпажного регулирования и защиты нагнетателей ГПА. В целях адаптации системы к жестким условиям двухступенчатых ДКС в программное обеспечение АПР были внесены следующие доработки и изменения:

  1. Введена зона нечувствительности антипомпажного клапана, которая для применяемых на ГПА клапанах составляет 10 – 15% от диапазона регулирования. При выдаче задания на открытие более чем на 2% управляющее воздействие пересчитывается с учетом указанной зоны нечувствительности клапана.
  2. Данная доработка особенно существенен для предотвращения помпажа нагнетателей и раскрутки силовых турбин при аварийном останове ГПА или открытии цехового клапана рециркуляции на первой ступени ДКС.

  3. Алгоритм диагностики предпомпажного состояния усовершенствован с целью исключения ложных срабатываний на переходных режимах. Сигнал «Предпомпажное состояние» формируется только при превышении пороговых значений обеими производными одновременно.
  4. Оптимизирован алгоритм формирования аварийного сигнала «Помпаж нагнетателя». Сигнал формируется при повторном срабатывании сигнализации «Предпомпажное состояние» в течение 10 секунд после ее однократного срабатывания.
  5. Введен дополнительный контур помпажной защиты, работающий по скорости падения помпажного запаса. При превышении скоростью падения порогового значения формируется команда на ступенчатое открытие антипомпажного клапана на 10%. По истечении временной задержки длительностью в 1 секунду скорость падения помпажного запаса повторно сравнивается с пороговым значением и, в случае превышения, команда на ступенчатое открытие выдается повторно. Если пороговое значение не превышено, то формируется команда на медленное закрытие клапана. При срабатывании контура формируется сигнализация «Ограничение по скорости помпажного запаса».
  6. Реализовано ступенчатое открытие антипомпажного клапана на 50% при снижении значения помпажного запаса до значения на 5% меньше линии регулирования.
    Указанная адаптация программного обеспечения серийной МСКУ‑СС‑4510 под нестандартные условия эксплуатации на ДКС УГПУ была выполнена совместно специалистами цеха наладки и текущего ремонта (ЦНТР) ООО «Уренгойгазпром» и ЗАО «НПФ «Система-Сервис». Программное обеспечение было проверено на программном имитаторе МСКУ в ЦНТР и комплексно опробовано на ДКС-6, ДКС-12.

Опыт эксплуатации доработанной системы АПР на ДКС-6 в зимнее время показал, что в случаях аварийного останова ГПА первой ступени ДКС не произошло ни одного останова агрегатов второй ступени.

На рисунках 2 и 3 показана работа АПР после доработки. Как видно из рисунка 2, превышение скоростью падения помпажного запаса порогового значения приводит к срабатыванию контура ограничения по скорости помпажного запаса, и формируется управляющее воздействие на ступенчатое открытие антипомпажного клапана на 20% (10% с учетом зоны нечувствительности), что возвращает нагнетатель в зону устойчивой работы. После стабилизации режима работы нагнетателя формируется команда на медленное закрытие антипомпажного клапана. Через некоторое время при полностью закрытом клапане ситуация повторяется, однако еще до того, как скорость падения помпажного запаса превышает пороговое значение, срабатывает сигнализатор помпажа. При одновременном превышении пороговых значений производными перепада давления на конфузоре и частоты вращения ротора СТ формируется задание на полное открытие антипомпажного клапана. После срабатывания сигнализатора помпажа формируется команда на медленное закрытие клапана, однако повторное срабатывание сигнализатора в течение последующих10 секунд приводит к аварийному останову по помпажу нагнетателя (рисунок 3).

Рис. 3. Поведение системы после доработки АПР на ДКС-12. Срабатывание сигнализатора помпажа.
Таким образом, проведенная доработка программного обеспечения позволяет оптимизировать функционирование ГПА, предотвратить развитие аварийных ситуаций до их наступления, а также вовремя производить аварийный останов ГПА при невозможности обеспечить стабильную работу нагнетателя в безопасном режиме (такая ситуация возникает при прекращении или длительном существенном сокращении подачи газа на вход нагнетателя).

Вторым этапом мероприятий по обеспечению оптимального режима работы ДКС УГПУ было осуществлено внедрение систем электронного топливного регулирования на базе серийной автоматики МСКУ‑СС‑4510.

Как было сказано ранее, одной из основных задач при оптимизации функционирования ДКС является обеспечение заданного расхода газа, для чего необходимо высокоточное регулирование частот вращения СТ ГПА, а также уверенный пуск ГПА при любых внешних условиях. Системы электронного топливного регулирования на базе МСКУ‑СС‑4510 успешно решают перечисленные задачи за счет следующих преимуществ:

Система электронного топливного регулирования реализуется в виде отдельного унифицированного программного модуля в составе программного обеспечения САУ и выполняет следующие основные функции:

Структурная схема системы топливного регулирования приведена на рисунке 4.

Система является унифицированной и применяется для управления более чем 26-ю типами ГТД, специфика конкретного типа ГТД и конкретного экземпляра ГТД учитывается посредством развитой системы настроек, доступных для изменения посредством конфигуратора.
Работа ГТД условно разделяется на функционально завершенные этапы – режимы «Резерв», «Пуск», «Работа», «НО», «Стоп». Схема переходов между режимами работы ГТД показана на рисунке 5.

В зависимости от типа ГТД на различных режимах могут использоваться различные законы управления (например, на режиме «Пуск» может использоваться как разомкнутое управление, так и управление по обратной связи, а также совокупность этих способов).

Функционально система топливного регулирования включает в себя совокупность основных регулирующих и ограничительных контуров, каждый из которых представляет собой контур отрицательной обратной связи с ПИД-законом регулирования. Основные регулирующие контура служат для поддержания заданной величины какого-либо из параметров двигателя (частоты вращения СТ, частоты вращения КВД). Ограничительные контура предназначены для предупреждения аварийных ситуаций путем удержания некоторых параметров в заданном диапазоне. После завершения запуска, подсистема топливного регулирования автоматически переходит в состояние поддержания частоты вращения СТ. Задание на частоту вращения СТ определяется оператором или САУ верхнего уровня. Скорость увеличения и уменьшения частоты вращения при изменении задания ограничивается. На рабочих режимах оператор может с пульта управления перевести ГТУ на режим поддержания частоты вращения КВД (такая возможность необходима при проведении наладочных или регламентных работ по двигателю).

Особенностью управления ГТД является то, что несколько контуров обратной связи воздействуют на один исполнительный орган – дозатор топлива. В каждый момент времени обратная связь замкнута только по одной регулируемой переменной. Один контур обратной связи является рабочим, остальные осуществляют управление только вблизи ограничений, и не участвуют в управлении, когда расстояние до ограничений велико. Для организации выбора управляющего выхода и переключение на него, применяют селекторную схему, включающую селекторы минимума и максимума. При работе непрерывно вычисляются выходы всех контуров обратной связи, при этом регуляторы выполняют нормирование различных физических величин (скоростей вращения турбин, температуры продуктов сгорания, давления в камере сгорания) к расходу топлива, из вычисленных значений выбирается минимум для ограничений сверху и максимум для ограничений снизу. Выбранный контур обратной связи получает управление, остальные при этом разомкнуты.

Для настройки подсистемы топливного регулирования под конкретный двигатель служит набор параметров, часть из которых доступна для изменения с рабочей станции оператора на работающем двигателе, а остальные задаются с помощью конфигуратора. Конфигуратор создает блоки, которые затем интегрируются в проект и не меняются в процессе эксплуатации САУ.
Основное отличие между настройками, задающимися в конфигураторе, и параметрами, изменяемыми оператором, состоит в том, что первые соответствуют определенному типу двигателя, а вторые позволяют произвести более тонкую настройку регулятора для конкретной установки.

Конфигуратор поддерживает два типа настроек – числовые и табличные. Числовые настройки – это константы, такие как: частота вращения прогрева, холостого хода, аварийные уставки параметров. Табличные настройки позволяют создавать зависимости параметров регулятора от входных величин (например, от частот вращения турбин и их производных). В конфигураторе реализованы расчеты по термодинамическим моделям ГТУ с целью автоматического контроля настроек и характеристик. В случае некорректных значений последних автоматически формируются предупредительные сообщения.

Настройками, доступными для изменения с рабочей станции оператора с соблюдением необходимых прав доступа, являются коэффициенты ПИД контуров регулирования, а также регулировки некоторых параметров, таких как: расход на розжиг, ограничение температуры на запуске и пр. Это позволяет осуществить т.н. «тонкую» настройку подсистемы топливного регулирования под конкретный двигатель в процессе его функционирования и обеспечить необходимое качество переходных процессов.
Одной из особенностей ГТД является его нелинейность как объекта управления, что проявляется в изменении характеристик в зависимости от режима его работы. Так, например, переходные процессы, полученные с одними и теми же настройками на разных режимах работы ГТД, будут сильно отличаться друг от друга. Система табличных настроек, реализующая коррекцию коэффициентов ПИД-контуров регулирования в зависимости от режима работы ГТД, компенсирует эту нелинейность. Координаты точек подстроечных кривых устанавливаются при испытании регулятора на каждый новый тип двигателя. Этим достигается высокое качество переходных процессов на всем диапазоне рабочих и пусковых режимов ГТД и высокая точность поддержания частоты вращения СТ – не хуже 5 об/мин.

Внедрение систем электронного топливного регулирования на ДКС УГПУ позволило практически свести к нулю незавершенные запуски ГТД и существенно повысить характеристики ГПА по парированию помпажных ситуаций, возникающих при нештатных остановах агрегатов на первой или второй ступенях ДКС.

Внедрение МСКУ‑СС‑4510 с указанными доработками проводилось специалистами ЗАО «НПФ «Система-Сервис» совместно со специалистами ЦНТР УГПУ. К настоящему времени суммарная наработка САУ на объектах ООО «Уренгойгазпром» составила _____ часов. Система обеспечивает бесперебойную и безаварийную эксплуатацию ДКС, чего удалось достичь в результате эффективной совместной работы разработчиков САУ и специалистов ООО «Уренгойгазпром».