自適應(yīng)模糊控制策略用于深冷裝置制冷系統(tǒng)

孫 輝 大慶油田天然氣分公司

自適應(yīng)模糊控制策略用于深冷裝置制冷系統(tǒng)

孫 輝 大慶油田天然氣分公司

深冷輕烴回收裝置丙烷機(jī)與膨脹機(jī)采用獨(dú)立控制方式，并沒(méi)有考慮變負(fù)荷情況下膨脹機(jī)自適應(yīng)控制。此種模式造成能源的浪費(fèi)，增加了企業(yè)運(yùn)行成本。通過(guò)對(duì)影響膨脹機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，利用T-S模糊推理及遞推最小二乘法進(jìn)行結(jié)論參數(shù)辨識(shí)，建立膨脹機(jī)模糊控制模型。采用模糊自整定PID控制策略實(shí)現(xiàn)膨脹機(jī)自適應(yīng)控制，經(jīng)仿真模擬實(shí)驗(yàn)表明，模型誤差小于2%，完全符合現(xiàn)場(chǎng)要求。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，該方案達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)要求，能有效地降低系統(tǒng)能耗，提高裝置輕烴產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能增產(chǎn)目的。

自適應(yīng)模糊控制；制冷溫度；輕烴收率；模型；仿真

1 存在的問(wèn)題

大慶地區(qū)輕烴回收裝置分為深冷和淺冷兩種，其中深冷裝置制冷溫度達(dá)到-110℃左右，輕烴收率較高，膨脹機(jī)和丙烷機(jī)是深冷的主要制冷設(shè)備。輕烴回收裝置中的丙烷機(jī)為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，丙烷機(jī)的耗電量約占深冷裝置總耗電量的50%。而膨脹機(jī)靠透平驅(qū)動(dòng)，能耗低且制冷量較高。在深冷裝置塔頂制冷溫度相同的情況下，丙烷機(jī)和膨脹機(jī)的負(fù)荷大小對(duì)能耗有很大的影響。原有的控制方案并沒(méi)有考慮丙烷機(jī)和膨脹機(jī)的自動(dòng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)，均采用各自獨(dú)立控制方式。此種模式導(dǎo)致丙烷機(jī)負(fù)荷較大，能耗較高，造成能源的浪費(fèi)，增加了運(yùn)行成本。

因此，有必要制定膨脹機(jī)的自適應(yīng)優(yōu)化控制方案以實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)調(diào)整負(fù)荷的目的，即將丙烷機(jī)的負(fù)荷降低后，通過(guò)增加膨脹機(jī)的負(fù)荷以達(dá)到相同的制冷溫度，此時(shí)丙烷機(jī)能耗可大大降低。

2 自適應(yīng)控制策略及模型建立

通過(guò)上述分析，采用降低丙烷機(jī)負(fù)荷的措施（根據(jù)丙烷機(jī)負(fù)荷降低程度，通過(guò)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)提高膨脹機(jī)負(fù)荷），以實(shí)現(xiàn)制冷溫度相同的情況下節(jié)約系統(tǒng)能耗的目的。根據(jù)方案，首先采集膨脹機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)并分析，確定膨脹機(jī)建模所需要的輸入變量，建立膨脹機(jī)的模型，進(jìn)而采用合理的控制算法實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)控制[1]。

2.1 各變量對(duì)膨脹機(jī)工作影響的分析

膨脹機(jī)的運(yùn)行參數(shù)有膨脹機(jī)出口壓力、膨脹機(jī)進(jìn)口壓力、膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速、原料氣溫度、原料氣流量、噴嘴開度及膨脹機(jī)出口溫度。通過(guò)固定其他條件不變，調(diào)整某一變量得到膨脹機(jī)各相關(guān)變量對(duì)膨脹機(jī)工作的影響規(guī)律。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，膨脹機(jī)出口壓力、原料氣流量、膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)膨脹機(jī)出口溫度影響較大。因此，將此3個(gè)參數(shù)作為膨脹機(jī)建模的輸入變量，將膨脹機(jī)的出口溫度作為膨脹機(jī)建模的輸出變量。

2.2 膨脹機(jī)模型的建立

建立膨脹機(jī)控制模型，將所采用的模糊建模算法用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行編程，通過(guò)反復(fù)修改聚類參數(shù)得到最佳模糊規(guī)則，使模型的結(jié)構(gòu)劃分更合理[2]。其中隸屬度函數(shù)采用高斯函數(shù)。經(jīng)過(guò)在實(shí)驗(yàn)室的反復(fù)驗(yàn)證修改，得到膨脹機(jī)的最終模型為：

3 仿真實(shí)驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用對(duì)比分析

本方案采用模糊自適應(yīng)PID控制策略，將膨脹機(jī)出口溫度偏差和偏差的變化率作為模糊系統(tǒng)的輸入，3個(gè)PID參數(shù)的變化值作為輸出，根據(jù)事先確定好的模糊控制規(guī)則做出模糊推理，在線改變PID參數(shù)的值，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自調(diào)整[3]。結(jié)合實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)以及模糊規(guī)則建立的原則，可得出膨脹機(jī)冷量自動(dòng)調(diào)節(jié)的模糊控制規(guī)則。在控制規(guī)則中E代表誤差，EC代表誤差變化，ΔKp、ΔKi、ΔKd分別代表輸出的模糊控制量。針對(duì)不同的輸出量，分別得到49條控制規(guī)則。

找出PID的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd與E和EC之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)控制器不斷檢測(cè)E和EC，根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同的E和EC對(duì)控制參數(shù)的要求，使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證模型的精確性，在裝置正常運(yùn)行的情況下采集膨脹機(jī)輸入、輸出變量的100組數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)用于所建立的模糊模型，以驗(yàn)證模型誤差是否在允許的誤差范圍內(nèi)。膨脹機(jī)模型誤差仿真效果如圖1所示。

圖1 膨脹機(jī)模型誤差仿真

由仿真圖可以看出，所得模型誤差小于0.2%，完全符合現(xiàn)場(chǎng)要求。

3.2 膨脹機(jī)變負(fù)荷自適應(yīng)控制策略應(yīng)用

將上述建立的膨脹機(jī)變負(fù)荷自適應(yīng)控制策略加載至DCS控制系統(tǒng)，逐漸降低丙烷機(jī)負(fù)荷，膨脹機(jī)負(fù)荷由控制算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到期望的制冷溫度，由此實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗目的。通過(guò)采集控制策略，對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比分析。表1為膨脹機(jī)優(yōu)化前后相關(guān)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況。

表1 膨脹機(jī)優(yōu)化前后相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3 效益分析

該項(xiàng)目在深冷裝置應(yīng)用后，裝置能耗有所降低，輕烴產(chǎn)量增加。

（1）由于提高了膨脹機(jī)制冷負(fù)荷，所以丙烷機(jī)負(fù)荷大幅降低，經(jīng)計(jì)算，丙烷機(jī)的電耗由172.59× 10-4kW·h/m3下降到136.30×10-4kW·h/m3，裝置年節(jié)約電量72.59×104kW·h。

（2）優(yōu)化措施應(yīng)用后，脫甲烷塔溫度梯度分布更趨于合理化，提高了系統(tǒng)制冷能力，輕烴收率有所提高。經(jīng)計(jì)算，裝置輕烴收率由1.95×10-4t/m3提高到2.03×10-4t/m3，裝置年增產(chǎn)輕烴1 612.54 t。

按裝置設(shè)計(jì)處理量2×108m3/a，輕烴4 250元/噸，電費(fèi)0.574 7元/千瓦時(shí)計(jì)，年增加經(jīng)濟(jì)效益726.33萬(wàn)元。

4 結(jié)論

（1）膨脹機(jī)的自適應(yīng)優(yōu)化控制方案是利用T-S模糊推理的非線性逼近能力，借鑒模式識(shí)別聚類思想提取樣本數(shù)據(jù)模糊規(guī)則，用遞推最小二乘法進(jìn)行結(jié)論參數(shù)辨識(shí)，建立模糊規(guī)則來(lái)描述系統(tǒng)特征，即模型輸入與輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)證，采用此類方法建立的模型精度達(dá)到2%以內(nèi)。

（2）基于模塊化思想設(shè)計(jì)優(yōu)化控制模型，將關(guān)鍵部分封裝成標(biāo)準(zhǔn)化模塊，可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求組建優(yōu)化控制系統(tǒng)，使優(yōu)化控制模型具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

（3）將模糊PID控制、預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制策略應(yīng)用于控制模型，得到了良好控制效果，并保持了受控對(duì)象自身的動(dòng)、靜性能，系統(tǒng)具有更強(qiáng)的魯棒性。

（4）通過(guò)本項(xiàng)目的研究，優(yōu)化系統(tǒng)控制參數(shù)，提高膨脹機(jī)制冷能力，合理優(yōu)化裝置脫甲烷塔冷量梯度分布，有效降低裝置能耗，提高裝置輕烴產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能增產(chǎn)目的。本項(xiàng)目研究成果可為其他同類裝置節(jié)能增產(chǎn)提供指導(dǎo)作用。

[1]程武山．智能控制理論與應(yīng)用[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，2006：45-60.

[2]劉曙光，魏俊民，竺志超，模糊控制技術(shù)[M]．北京：中國(guó)紡織出版社，2001：78-83.

[3]王永紅．NURBS曲線數(shù)控插補(bǔ)算法研究[J]．機(jī)械制造與自動(dòng)化，2010（4）：57-60.

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.029

孫輝：工程師，2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院控制理論與控制工程專業(yè)，現(xiàn)任大慶油田天然氣分公司油氣加工十大隊(duì)生產(chǎn)辦主任。

2015-05-08

（0459）4418084、trqsunhui@petrochina.com.cn