往復(fù)式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)基于GPC負(fù)載控制優(yōu)化

往復(fù)式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)基于GPC負(fù)載控制優(yōu)化

摘要：海上某油田配置了一臺(tái)10.5kV、2600kW往復(fù)式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，主要為海上綜合調(diào)整項(xiàng)目供應(yīng)電力，為了考慮燃?xì)獍l(fā)電機(jī)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，其功率輸出限制為1800kW。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)主要存在的問(wèn)題是運(yùn)行一段時(shí)間后，就會(huì)發(fā)生負(fù)載波動(dòng)，負(fù)載波動(dòng)曲線呈現(xiàn)類(lèi)似正弦波形態(tài)。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)負(fù)載控制由PLC進(jìn)行調(diào)節(jié)，內(nèi)置PID算法，當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，PLC會(huì)自行進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，但PID調(diào)節(jié)效果差，經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)載曲線波動(dòng)劇烈，引發(fā)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)敲缸傳感器動(dòng)作，進(jìn)而發(fā)生關(guān)停，導(dǎo)致部分負(fù)載卸載。經(jīng)分析，PLC外圍負(fù)載較多，影響PID執(zhí)行速度。采用專(zhuān)業(yè)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)控制模塊GPC（GeneratorProtectionController）對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)負(fù)載進(jìn)行控制，保留PLC其他控制功能，保證了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。一、項(xiàng)目背景及存在問(wèn)題1.1、項(xiàng)目背景某海上油田綜合調(diào)整項(xiàng)目由兩座中心平臺(tái)和兩座井口平臺(tái)組成，兩座中心平臺(tái)各配備4臺(tái)7.68MW原油發(fā)電機(jī)，其中一座中心平臺(tái)還配置了一臺(tái)10.5kV、2600kW的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)。各發(fā)電機(jī)出力柱狀圖綜合調(diào)整項(xiàng)目新平臺(tái)投產(chǎn)的前幾年，整個(gè)區(qū)塊新老平臺(tái)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(kāi)發(fā)成本考慮，特設(shè)置了一臺(tái)2.6MW的往復(fù)式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，耗氣約2.8×104sm3/d，設(shè)計(jì)預(yù)估該區(qū)域伴生氣可供燃?xì)獍l(fā)電機(jī)使用5年左右。但從目前的伴生氣總量來(lái)看，伴生氣可供燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的運(yùn)行預(yù)期會(huì)超過(guò)當(dāng)初的設(shè)計(jì)年限。該機(jī)組以集裝箱形式布置在上層甲板。上甲板集裝箱式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)撬塊目前，綜合調(diào)整項(xiàng)目冬季負(fù)載35.5MW，綜合調(diào)整項(xiàng)目電網(wǎng)主機(jī)運(yùn)行模式為“6+1+1”模式運(yùn)行（6臺(tái)主機(jī)運(yùn)行、1臺(tái)主機(jī)備用、1臺(tái)主機(jī)大修）。自2019年開(kāi)始，隨著油田內(nèi)水系統(tǒng)設(shè)備增加以及老井口平臺(tái)電力接入，綜合調(diào)整項(xiàng)目電力負(fù)載將升至47MW，綜合調(diào)整項(xiàng)目電網(wǎng)主機(jī)運(yùn)行模式將調(diào)整為“7+1”模式（7臺(tái)主機(jī)運(yùn)行，1臺(tái)備用）。隨著負(fù)載增加，電網(wǎng)壓力將愈來(lái)愈大，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)雖然出力貢獻(xiàn)僅為1.8MW，但一旦出現(xiàn)故障關(guān)停將對(duì)整個(gè)電網(wǎng)造成一定沖擊，造成部分低壓負(fù)載及油井卸載，導(dǎo)致原油產(chǎn)量損失。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)主要存在的問(wèn)題是負(fù)載波動(dòng)，PLC反應(yīng)遲滯，PID不能有效調(diào)節(jié)，有時(shí)波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)造成燃?xì)獍l(fā)電機(jī)故障停機(jī)。

故障現(xiàn)象自投產(chǎn)以來(lái)，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象主要有以下四方面：

MCC間燃?xì)獍l(fā)電機(jī)控制盤(pán)曾出現(xiàn)過(guò)6次燃?xì)獍l(fā)電機(jī)加載無(wú)反應(yīng)，解列操作失效等現(xiàn)象?？刂票P(pán)死機(jī)時(shí)，無(wú)法正常解列，只能采取強(qiáng)制分?jǐn)喟l(fā)電機(jī)斷路器，這種情況在近一年內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)3次。運(yùn)行的過(guò)程中，還出現(xiàn)過(guò)一次由于PLC死機(jī)導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)電機(jī)逆功率跳閘，此問(wèn)題是由于PLC死機(jī)造成，自投產(chǎn)以來(lái)，出現(xiàn)過(guò)2次逆功率保護(hù)，這種故障對(duì)電網(wǎng)安全造成威脅；2018年9月后，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)帶載1800KW時(shí)，平均不到兩周就會(huì)有波動(dòng)，有時(shí)候波動(dòng)劇烈，PID調(diào)控不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致爆震傳感器高報(bào)，進(jìn)而發(fā)生停機(jī)；負(fù)載波動(dòng)嚴(yán)重負(fù)載波動(dòng)導(dǎo)致停機(jī)

每次波動(dòng)時(shí)，為了延長(zhǎng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)采取降載措施。降載100KW后，波動(dòng)消除，運(yùn)行兩到三天后，又開(kāi)始波動(dòng)，降載100KW后，波動(dòng)又消除，通常降至1200KW，保持兩到三天后，負(fù)載又發(fā)生波動(dòng)。當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)故障停機(jī)后，需要用電腦連接燃?xì)獍l(fā)電機(jī)PLC，復(fù)位各項(xiàng)參數(shù)，啟機(jī)后，逐步加載，對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)PID進(jìn)行重新學(xué)習(xí)。1.3、故障原因：綜合以上故障現(xiàn)象進(jìn)行判斷，結(jié)合PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以看出，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)控制屏死機(jī)的原因主要是PLC負(fù)載過(guò)大。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)控制盤(pán)PLC外圍數(shù)據(jù)讀寫(xiě)較多，導(dǎo)致PLC有時(shí)反應(yīng)較慢。PLC主要外設(shè)有兩個(gè)人機(jī)交互界面、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)ESM控制模塊、輔機(jī)設(shè)備的控制和反饋及傳感器等。由于PLC的負(fù)載較高，其內(nèi)置PID執(zhí)行速度受影響。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，PLC無(wú)法及時(shí)執(zhí)行PID調(diào)節(jié)，造成燃?xì)獍l(fā)電機(jī)負(fù)載波動(dòng)進(jìn)一步惡化，引起燃?xì)獍l(fā)電機(jī)缸頭處爆震傳感器動(dòng)作，造成了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)停機(jī)。綜合以上判斷燃?xì)獍l(fā)電機(jī)PLC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不合理是造成PLC經(jīng)常死機(jī)的根本原因。PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖二、控制盤(pán)優(yōu)化處理措施：針對(duì)以上原因，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員決定采取兩個(gè)解決方案，解決PLC死機(jī)問(wèn)題。已采取的兩種解決方案如下：

針對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)控制盤(pán)進(jìn)行PLC冗余改造。本方案主要采用同型號(hào)PLC，對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)控制盤(pán)PLC進(jìn)行了冗余升級(jí)改造。對(duì)冗余PLC功能進(jìn)行測(cè)試，人為切斷主PLC電源時(shí)，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)中斷，輔CPU不能實(shí)時(shí)接管程序和IO口，導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)故障停機(jī)。嘗試縮短主輔PLC切換時(shí)間，繼續(xù)測(cè)試兩個(gè)PLC之間冗余無(wú)縫切換功能，輔PLC還是不能實(shí)時(shí)接管程序和I0口。經(jīng)過(guò)了三天仔細(xì)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(fù)舊PLC接線及程序，對(duì)程序進(jìn)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(lái)預(yù)防PLC再次死機(jī)的情況。冗余PLC升級(jí)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(guò)一年的時(shí)間運(yùn)行驗(yàn)證，依然存在PLC程序死機(jī)情況，說(shuō)明PLC對(duì)外圍設(shè)備讀取數(shù)據(jù)還是很大。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)負(fù)載由專(zhuān)業(yè)GPC控制單元進(jìn)行控制?，F(xiàn)場(chǎng)人員仔細(xì)研究圖紙和控制盤(pán)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)控制盤(pán)內(nèi)GPC僅僅作為保護(hù)使用，而GPC是專(zhuān)業(yè)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)控制模塊，集保護(hù)、監(jiān)測(cè)、負(fù)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(fù)載。將燃?xì)獍l(fā)電機(jī)保護(hù)控制單元GPC與觸摸屏、PLC進(jìn)行程序融合，取消PLC負(fù)載控制功能，由GPC單獨(dú)對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)負(fù)載進(jìn)行控制。GPC模塊加裝GPC后的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)控制盤(pán)自燃?xì)獍l(fā)電機(jī)負(fù)載控制模式優(yōu)化改造至今，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)負(fù)載控制平穩(wěn)，未發(fā)生過(guò)之前大幅波動(dòng)和故障停機(jī)情況。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)負(fù)載雖然有時(shí)候會(huì)波動(dòng)，但是通過(guò)GPC自身調(diào)整，負(fù)載會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)平穩(wěn)，這已經(jīng)說(shuō)明本方案是成功的。改造后的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)負(fù)載曲線（紅）平穩(wěn)三、取得效果與總結(jié)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)原負(fù)載控制模式由現(xiàn)場(chǎng)盤(pán)P