往复式天然气发电机和原油发电机组并车调试与运行管理分析

许海东，穆胜军

（中海油能源发展采油服务公司，天津 300452）

1 情况介绍

1.1 往复式天然气发电机组使用实例

海上油田主电站采用双燃料发电机组与天然气发电机组混用的有旅大27－2/32－2油田、渤中3－2油田海洋石油161。双燃料原油/柴油机是以净化后的原油为常用燃料，柴油为备用燃料。往复式天然气发电机组是以净化后的伴生气为燃料。机组天然气调试需要稳定的天然气供应，陆地不具备天然气机组的调试条件，需等油田正式投产后有稳定的天然气流量时才能对机组进行调试运行。

旅大27－2/32－2油田由一座生产储油平台PSP及一座与其以栈桥相连的井口平台WHPA和WHPB组成，油田特点为前期天然气产量较高、中后期产量较低，天然气外输价值不高。渤中3－2油田由一座海洋石油161生产储油平台及一座简易井口平台组成。

1.2 渤中3－2油田机组概况

海洋石油161其主电站由2台德国MAK公司的柴油/原油双燃料机组和济柴1台天然气机组组成。正常工况下，主电站一台原油主机、一台天然气机并车运行，外输工况下三台主机并车运行。

德国MAK原油机组每台的功率为1 350 kW，机型为直列四冲程8缸机，缸径200 mm、冲程300 mm，额定功率：1 520 kW，转速：1 000 rpm；压缩终点产生高温点燃，缸内进行空燃比混合，控制燃油量（油泵）。发电机功率为1 350 kW，电压：400 V，频率：50 Hz。

另外一台是济南柴油机厂生产的往复式天然气发电机组，功率为1 000 kW，机型为V型四冲程16缸机，缸径190 mm、冲程215 mm，火花塞点燃，进入汽缸前进行空燃比混合，控制混合气流量（节气门）。

2 往复式天然气发电机与原油机组并车调试

2.1 并车调试前检查

根据海洋石油161天然气机组与原油机组并车调试方案，结合现场实际调试情况，技术人员与海洋石油161项目组及平台监督充分讨论研究、对现场检查确认评估。①校对济柴主控盘连接到主开关盘的电流互感器、电压互感器等接线正确。②校对往复式天然气发电机控制盘（ABB提供）连接到主开关盘的电流互感器、电压互感器、开关分断等接线正确。③校对往复式天然气机主开关盘连接到发电机的相关电缆连接正确。④上述接线确认无问题后，待发电机组启动后观察主开关盘及并车控制盘（ABB提供）各指示仪表显示正常。⑤用万用表、电流表测量往复式天然气机主开关盘上的电流、电压数据与其显示仪表进行对比确认。⑥检查往复式天然气机发电机控制盘上指示仪表显示正常。⑦检查发电机主开关上下口的同相之间电压变化值，校核并车控制盘上的同步表。⑧按照要求调整好待并机组的频率。⑨发电机并入电网前应对发电机组进行检查，燃料供应充足，单机调试完毕，负荷试验运行正常。⑩为了保证主机并入电网时出现系统不稳定等不可预见因素，在原油发电机并车前启动应急发电机，使应急发电在预备状态。

2.2 并车试验

调试前检查确认工作完成后，可根据现场情况调试手动并车和自动并车功能。联合调试并车程序见表一。并车操作试验应满足以下要求，使用准同步并车方法，手动调整电压、频率至额定值，同步指示器灯在 12点的位置（±10°之间）时，按红色的“Close”按钮，并车断路器将闭合，手动实现并车；使用自动同步装置，只须打开待并发电机的自动并车按钮，同步装置检测并车所需的相关信号，符合并车条件后，能够自动合闸完成并车工作。

表1 并车运行程序

2.3 分级卸载试验

海洋石油161分级卸载主要分为优先脱扣和快速脱扣两方面。优先脱扣是通过主机控制盘的PPU模块参数设定，使之触发一级、二级卸载。快速脱扣是通过机组的故障停机信号使之触发二级卸载。

因需保证平台的正常生产，所以只能由原油机B机向MCC B段母排供电保证平台正常生产，天然气发电机组及原油机 C机通过MCC A段母排连接干电阻进行单机及并机调试工作。鉴于上述原因，一、二级卸载试验只能通过天然气发电机及原油机C机单机或并机进行试验工作。

2.4 并车调试期间负荷分配情况及故障停机应急应对措施

发电机组做并车调试期间，由原油机B机负责供电到母排B段、D段、应急段（断开ACB05母联开关），保证平台正常生产。原油机组C机及往复式天然气发电机A机通过A段母排连接干电阻，做并车及负荷分配调试工作。待发电机组C机和A机做完相关实验后可考虑三机并车操作。如需三台机组做并车及负荷分配试验，需闭合母联开关 ACB05并将原油机组 B机并入电网。若出现触发二级卸载情况，第一时间联系平台相关岗位恢复平台正常生产；若出现平台失电情况，按照黑启动应急岗位职责尽快恢复平台供电，保证正常生产。

3 机组在并车运行中问题分析

海洋石油161平台当电网发生解列故障或较大突变负荷时，发电机组的动态频率响应特性对于维持系统频率安全和稳定具有至关重要的作用。根据 CCS相关规范要求，柴油机组当加上或卸去梯级负荷时，其瞬时调速率不大于额定转速的 10 %，稳定调速率不大于额定转速的 5 %，稳定时间（即转速恢复到波动率为±1 %范围的时间）不超过5 s。本平台采用的往复式天然气机组通过出厂试验时的调速性能试验可知，该机组突加 20 %负荷时，转速稳定时间最长达到10 s，突卸负荷时转速稳定最长时间达到15 s。大大低于原油发电机组的动态响应时间。

3.1 机组并车、解列存在问题分析

海洋石油161电站并车的方式有两种，分为手动并车和自动并车。要将一台机组并入电网，要保证该机组的电压、频率相近，相位一致时，才可以将该机组并入电网。手动并车是手动的调节机组的电压、频率到达工频，然后观察同步表的相位，当电网的相位和待并机组的相位相同时，手动按下并车按钮。自动并车是PPU并车模块首先通过检测待并机组和电网电压的大小、频率、相位，然后利用其对机组的调压调速功能来调节发电机的电压、转速，以达到并车的条件。待检测到满足并车条件时发出并车命令，自动并车。

往复式天然气机组空载并入电网时，与任意一台机组并车，不存在问题。当天然气机组并车或解列时，存在的问题：①当天然气机并入或退出电网，负荷自动分配条件下（尤其是当电网负荷较大时），PPU控制模块会控制天然气机上以秒为单位自动加载或减载。因为天然气机的动态响应时间较长，这样就会造成天然气机转速的波动，容易造成气机的失速或超速报警甚至停机关断；②在一台原油发电机组和天然气机组并车的条件下，当原油发电机组需要退出电网负荷时，如采用自动减负荷的模式，会将原油发电机组承担的负荷以秒为单位自动加到天然气机上，会造成天然气机的失速报警甚至停机。

上述存在的问题主要通过从并车、解列操作的方式上解决，具体为采取手动的模式通过调节机组的转速，缓慢、间歇性的增加或减少气机的负荷，保证机组的转速稳定。

3.2 机组并车时负荷分配问题分析

天燃气发电机组在并车运行期间，负荷处于自动分配的状态。负荷分配由PPU模块对燃气发电机的EGS调速器，原油发电机的电子调速器和各自的电压调节器进行有功和无功的调节。燃气发电机的EGS调速器，原油发电机的电子调速器实现机组的稀薄燃烧、速度及负荷控制。在机组并车过程中，影响转速稳定的参数主要有：增益P，增益I，SDR，SDR和增益不足会造成缓慢游车，SDR和增益过高会造成执行器快速移动，转速线型呈锯齿状。由于原油发电机、燃气发电机控制系统参数按照出厂时设定，调试时使用的是干电阻，负荷比较稳定。在平台设备运行过程中感性负载较多，启动电流较大，且部分设备属于间歇启停设备，如制氮机、空压机。而两台机组的动态响应的时间不同，使机组始终处于较大的负荷调整过程中，极易造成电网负荷的波动，电网负荷越大波动越明显。

具体情况为天然气发电机和原油发电机并车后，带载1100 kW以下时燃气发电机的负荷在370 kW～500 kW左右波动；带载1 300 kW以上时，燃气发电机的负荷在400 kW～800 kW波动。通过判断发现导致电网负荷波动主要是由燃气发电机造成的。故需要通过对燃气发电机EGS调速器，PPU模块的参数进行调整。具体调节步骤为，调节 EGS 燃气发电机升速速率由原来25转/s调整到5转/s，调整Droop（下降率）率3.0%改为5.0%，使燃气发电机的速度反应比较稳定。PID增益的 P增益：功率20 %时设定值0.8修改为1.0，功率40 %时设定值1.2修改改为1.4，功率60 %时设定值1.4修改为1.6。通过改变这些参数使燃气发电机调速器反应更快、功率调节更平稳。修改PPU模块内的参数：编号：2600 Relay control GOV ON TIME 375 ms改为350 ms，编号：2580 P Control relay Kp 10改为8。修改编号2600和2580设定值后，功率调节命令的反应速度更快、更稳定。经过上述对燃气发电机的EGS调速器和PPU模块的调节，有效解决了两种机型的机组并车时的负荷波动问题。

3.3 电网负荷率存在问题分析

电负荷计算中的负荷率和海洋石油161电网实际负荷率存在较大差别。实际上冬季正常生产状态下，负荷约为1 100 KW左右，负荷率约为46.8 %。此工况下单从机组的经济运行选择来看，选择一台原油发电机比较合适，负荷率约为 81.4%。但从平台电网的稳定性及天然气机运行的节能、降耗情况来看，选择一台原油发电机和一台天然气机并车运行更为合适。但这种工况下的缺点就是使原油发电机组处于低负荷状态，长时间会造成机组燃烧不充分、积碳的现象，且还会造成燃料消耗成本、维修保养成本的增加。

冬季外输工况下，按照设计要求三台主机并车运行，负荷约为1 800 KW左右，负荷率约为48.6 %。此工况会有上述工况同样的问题。

上述两个问题目前平台方面正在积极探索和实践，如正常生产工况下，保持一台天然气发电机和一台原油发电机组并车运行，对于原油发电机低负荷积碳的问题，通过定期定时的将天然气机的负荷转移到原油发电机上，尽量在规定时间内加大原油发电机的负荷率，消除机组相关部位积碳的问题。外输工况下，通过优化设备的启停顺序，暂停非重要设备的方式，选择一台天然气机和一台原油发电机并车完成外输工作，此工况的负荷率达到76.6 %。

4 结束语

经由现场调试与运行中参数分析得知：往复式天然气机组的调速特性比原油机组反应较慢，且天然气机组不适合突加突卸负荷值较大的状态（海洋石油161约为200 kW），不适宜在空载情况下进行并车，一般为原油机组带一定负载，再将天然气机组投入电站进行并车，负载转移，负荷比例约为2∶1。通过在海上油气田正常生产情况下，不断电调试的成功实践，证明单一燃料的往复式天然气机组与双燃料原油/柴油机组可以良好并车运行，节约成本，有效利用能源。

同时对不同类型机组并车运行过程中出现的问题进行分析，并摸索出具体改进措施和应对方法。不仅为渤中3－2油田的稳定生产、电站的安全运行提供了保障，还为海洋石油后期类似设施的建造设计、设备调试、运行管理提供一定的参考依据，有利于降低油田的整体开发项目成本。