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

曹玉林 张超明

中海石油（中国）有限公司秦皇岛 32-6作业公司

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（Generator Protection Controller）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PLC控制，在机组运行期间发生过负载控制不稳定，LCP盘触摸屏死机，机组不明原因停机导致EMS系统卸载等现象。将燃气发电机负载改为GPC控制后，上述现象得以彻底解决；机组运行稳定，使得平台伴生气有效得以利用，减少原油消耗和碳排放量，更好地实现了节能减排。