天然气长输管道燃驱机组控制系统优化技术

王冠霖（中国石油西部管道公司生产技术服务中心，北京 102200 ）

1 引言

西气东输二线工程是目前全世界线路最长的天然气管道，起于新疆霍尔果斯，止于香港。途经15省，全长5000公里，2012年全线建成投产。西气东输二线（以下简称西二线）西段共计34台燃驱机组，12台电驱机组。燃驱机组作为主配机型，其正常平稳运行是安全生产工作要重点关注的问题。

西二线燃驱机组从2008年陆续投产，2012年全线投运。数年的运行磨合，燃驱机组暴露出很多问题。机务系统主要体现在现场的“跑冒滴漏”，问题很容易就得到了处理。控制系统的问题主要包括逻辑偏差保护、燃料气调节阀门、入口可调导叶、燃料气放空阀门。

2 防冰高偏差保护报警跳机

2.1 运行背景

燃驱机组防冰控制仅考虑环境温度因素，燃机入口未安装湿度计，忽略了现场湿度对结冰条件的影响。现场运行过程中，防冰高偏差保护报警频繁，导致机组跳机。

2.2 优化技术

（1）增加湿度计

湿度计选型，量程为0～100%RH，输出信号为4～20mA。在湿度计与PLC硬件之间的信号通道上加入隔离栅，保证模拟量信号隔离。隔离栅的选型要求：输入输出信号皆为4～20mA，供电电源24V DC。

（2）增加选择或使能模块

选择模块，当现场温度和湿度达到结冰条件时，防冰高偏差值可以取小值；当现场温度和湿度未达到结冰条件时，防冰高偏差值可以取大值，以降低防冰高偏差保护报警跳机频率。

使能模块：当现场温度和湿度达到结冰条件时，防冰高偏差保护报警跳机指令正常启动；当现场温度和湿度未达到结冰条件时，防冰高偏差保护报警跳机指令不启动。

（3）通道组态及量程标定

T40的模拟量通道配置位于T40HardwareDistributed I/OUCP2PAIC-2A1模块上，选用未使用的通道Analog Input 09，通道组态及量程标定如表1所示。

表1 通道组态及量程标定

（4）程序优化

T40/Software/Auxiliaries/Antiice/Antiice/_comment_4 Antiice control fault 的程序段内，防冰控制程序如图1所示。

图1 防冰控制程序

防冰入口温度设定值A20AI_SET减去低压压气机入口温度AT2MNSET之差大于防冰高偏差报警设定值K26_AI_ALM（默认值为7℉），或者低压压气机进口温度传感器故障信号AT2ALLFLT为1，如果同时防冰主控信号L4AI为1，则状态持续5分钟后，触发防冰高偏差信号L26AIA和防冰高偏差故障报警L26AIA_ALM。防冰高偏差信号L26AIA为1持续15分钟后，触发防冰控制高偏差故障信号L26AIS和防冰高偏差故障停机报警L26AIS_ALM。其中，防冰高偏差报警设定值K26_AI_ALM的参数设置时，未充分考虑现场湿度条件，只是依据温度条件来判断报警值输出，是防冰高偏差保护报警频繁跳机的主要原因。

当大气的相对湿度比较大，昼夜温差也比较大时，空气中的一部分水蒸汽会自然析出水滴，凝结成露，当大气温度持续下降至0℃以下时，水滴会形成小冰块，危害燃机运行安全。因此，同时考虑现场温度值和现场湿度值两种因素时，防冰控制程序的判断结冰条件会比较完整。在原程序的基础上，添加防冰高偏差报警设定值K26_AI_ALM的选择模块、使能模块如图2～3所示。

图2 选择模块

相对湿度Relative_Humidity_Real的值大于50%（可调整）时，防冰高偏差报警设定值K26_AI_ALM取7℉，否则防冰高偏差报警设定值K26_AI_ALM取值为20℉。

图3 使能模块

相对湿度Relative_Humidity_Real的值不大于50%（可调整）时，防冰控制高偏差故障L26AIS和防冰高偏差故障停机报警L26AIS_ALM不启动（信号始终为0）；当相对湿度Relative_Humidity_Real的值大于50%时，防冰控制高偏差故障信号L26AIS和防冰高偏差故障停机报警L26AIS_ALM，由防冰高偏差信号L26AIA的值决定。

3 燃料气调节阀故障

3.1 运行背景

燃料气调节阀故障导致燃驱机组无法正常启机或无法正常停机，对故障的燃料气调节阀进行拆解发现正常磨损造成工作卡涩是故障的主要原因。新产品的订购和在用产品的维修均受制于燃驱机组国外总包商，商务报价无谈判空间，订购（维修）周期也无法满足运行要求，替代产品的选型由此显得极为迫切。

3.2 优化技术

燃驱机组在某一工况下运行时，其所需要的燃气流量为固定值。根据燃气流量需求，监测燃料系统相关参数（如燃料气调节阀阀前压力、阀后压力、燃气供气温度等），结合燃料气调节阀阀组特性系数，包括：燃料组分、阀门通流特性，可以得到与工况相对应的燃料气调节阀开度指令。

不同厂家的阀组特性不同，开度与流量的对应关系也不同。无论开度与流量的对应关系如何变化，只要燃料气调节阀可以满足特定工况下的燃气流量需求，就可以保证燃驱机组正常运行。

由此确定在不改变燃驱机组原有燃烧控制逻辑的情况下，重新配置控制程序中的燃料阀特性，针对不同阀组特性差异，改变燃气流量与燃料气调节阀开度之间的关系，使新的调节阀开度指令与机组所需的燃气流量相对应，可做到燃料气调节阀的替换。

考虑到燃驱机组燃烧系统的特殊性，以航改型燃机领域应用较广的某型号燃料气调节阀为例做出替换方案。

（1）通道组态及量程标定：此优化内容主要为程序替换，应用原有硬件组态及软件通道即可，无新增程序标签。

（2）程序变更：T10 SoftwareGASFUELSYSGFMVCTRL\_comment LM_GFMVPOS的程序段内，燃料气调节阀开度计算程序如图4所示。

图4 燃料气调节阀开度计算程序

气体燃料打开标签激活指令GFUEL_ON为1，且燃料阀手动命令CALFM_CMD为0时，燃料气调节阀位置请求（开度）gfmvposcmd的值，可以根据燃料气调节阀流量需求S_WFGMVDMD、燃气阀阀前选择压力GP1SEL、阀后选择压力GP2SEL、燃料气供应温度TFUEL_SEL、燃料气特定重量系数KZGASSEL（常数，典型值为0.96，取值范围为0.7～1）、燃料气特定重量系数KSGSEL（常数，典型值为0.585，取值范围为0.5～1）、燃料气精确加热比率KCPCVSEL（常数，典型值为1.3，取值范围为1.001～1.4）等7个参数变量，查燃料阀组特性表TableGFMV得到。燃料气调节阀特性部分，位于T10 SoftwareGASFUELSYSFuelSYS TableTable DefinitionsTableGFMV的程序段内，特性关系如图5所示。

图5 燃料气调节阀特性关系

横坐标为燃料气调节阀阀后选择压力GP2SEL与阀前选择压力GP1SEL比值；纵坐标为燃料气调节阀7个阀组特性参数根据阀组公式的计算值EFA，其意义可以表征阀组的通流量。根据横纵坐标的实时值，即可得到燃料气调节阀的实时开度。

在燃驱机组上安装新的燃料气调节阀后，将新的阀组特性输入到此表格内，或根据阀组特性公式，由阀前压力GP1SEL、阀后压力GP2SEL、燃料气调节阀流量需求S_WFGMVDMD以及燃气温度TFUEL_SEL计算出燃料气调节阀阀门开度请求gfmvposcmd，即可在控制程序内完成阀组特性的替换。

作为替用选型的某燃料气调节阀阀组特性公式：

（a）GP1SEL>2×GP2SEL,

CV=(K1×S_WFGMVDMD×SQR((TFUEL_SEL-32)/1.8+273.15))/( GP1SEL×1000)

（b）GP1SEL<2×GP2SEL,

CV=(K2×S_WFGMVDMD×SQR((TFUEL_SEL-32)/1.8+273.15))/(SQR(GP1SEL×GP1SEL–GP2SEL×GP2SEL)×1000)

GP1SEL为阀前压力、GP2SEL为阀后压力、S_WFGMVDMD为燃料气调节阀流量需求、TFUEL_SEL为燃气温度、CV为燃料阀流量系数。阀组参数K1、K2以及燃料阀流量系数CV与阀开度之间的具体关系由阀门厂家提供或根据现场实际情况标定。

4 入口可调导叶、燃料气放空阀反馈异常

4.1 运行背景

燃驱机组入口可调导叶、燃料气放空阀门反馈异常导致机组误停机，故障排除时存在因素多，耗时长，很大程度上影响燃驱机组正常运行。

4.2 优化技术

在反馈回路中加入可以提供状态指示的隔离栅，判断反馈回路是否开路。如果判断信号为开路状态，证明反馈信号为错误信号，为故障排除提供依据。

4.2.1 硬件选型

隔离栅的选型规格，输入输出信号皆为4～20mA，供电电源24V DC，并可提供判断是否开路的状态指示数字量输出信号。

4.2.2 通道组态及量程标定

（1）入口可调导叶反馈

判断VSV反馈线路是否开路的变量名为VSVSEL_OPEN ，判断VSV误差反馈线路是否开路的变量名为VSVERR_OPEN 。使用的数字量通道配置位于T10HardwareDistributed I/OUCP1PDIO-2A5模块Contact 16、Contact 17。

（2）燃料气放空阀门反馈

判断燃料气放空阀反馈线路是否开路的变量名为FUEL_VENT_VALVE_OPEN_S1和S2。使用的数字量通道配置位于T40HardwareDistributed I/OUCP2PDIO-2A2模块Contact 17、Contact 18。

4.2.3 程序变更

（1）入口可调导叶

反馈信号HWIN_VSVSEL的相关程序位于T10ProgramsI/O_Health COMMENT_12 VSV，程序如图6所示。

变量HWIN_VSVSEL读取T10Hardwaredistributed I/OPSVO-2A2Reg1_Fdbk的模拟量输入值，判断其信号正常后，输出给VSV反馈选择值VSVSEL。

误差反馈信号HWIN_VSVERR的相关程序位于T10ProgramsIO_Health COMMENT_12 VSV内，程序如图7所示。

图6 入口可调导叶反馈控制程序

图7 入口可调导叶误差反馈控制程序

变量HWIN_VSVERR读取T10Hardwaredistributed I/OPSVO-2A2Reg1_Error的模拟量输入值，判断其信号正常后，输出给VSV误差反馈值VSVERR；取绝对值后，输出给VSV位置误差信号VSVPOSERR。

隔离栅安装于硬件通道T10Hardwaredistributed I/OPSVO-2A2Reg1_Fdbk和T10Hardwaredistributed I/OPSVO-2A2Reg1_Error与VSV传感器之间。任一线路开路，对应的变量VSVSEL_OPEN或VSVERR_OPEN置1。

（2）燃料气放空阀门

反馈信号GVNTZSC1及GVNTZSC2的相关程序位于T40ProgramsIFACEIN_40msSFTHWIN_40msSftSisHwln_40ms，程序如图8所示，模块Sis_B2IN_Val_19的内部程序如图9所示。

图8 燃料气放空阀门反馈控制程序

图9 模块Sis_B2IN_Val_19内部程序

变量GVNTZSC1、GVNTZSC2读取T40Hardwaredistributed I/OUCP1PPRF-1A1SAFETY_CPU_A[HIMatrix-11.4_byte_input_5.Input_1-51_3]以及T40Hardwaredistributed I/OUCP1PPRF-1A3SAFETY_CPU_A[HIMatrix-12.4_byte_input_5.Input_1-52_3]数字量输入信号，判断其信号正常后，输出给燃料气放空阀全关反馈GVNTZSC。

隔离栅安装于硬件通道T40Hardwaredistributed I/OUCP1PPRF-1A1SAFETY_CPU_A[HIMatrix-11.4_byte_input_5.Input_1-51_3]和T40Hardwaredistributed I/OUCP1PPRF-1A3SAFETY_CPU_A[HIMatrix-12.4_byte_input_5.Input_1-52_3]与燃料气放空阀之间。任一线路开路，对应的变量FUEL_VENT_VALVE_OPEN_S1和FUEL_VENT_VALVE_OPEN_S2置1。

5 结语

2008年西二线投产至今，逾三分之二的燃驱机组已经完成了控制系统在逻辑偏差保护、燃料气调节阀门、入口可调导叶、燃料气放空阀门等方面的优化，安全平稳的运行在各站场，之后相关优化工作会继续进行。

燃驱机组控制系统优化技术在我国首条引进境外天然气长输管道工程的应用，提升了设备运维水平，提高了设备利用率，消除了生产瓶颈；同时也为涉及燃驱机组的控制专业同行提供了技术借鉴。