管線長距離輸送天然氣的閉環(huán)控制模型研究

劉亞龍，殷若鵬，尤冬石

（1中國石油西氣東輸管道公司山西管理處，太原　030001；2中國石油西氣東輸管道公司鄭州管理處，鄭州　450008；3中國石油西氣東輸管道公司浙江管理處，杭州　310008）

管線長距離輸送天然氣的閉環(huán)控制模型研究

劉亞龍1，殷若鵬2，尤冬石3

（1中國石油西氣東輸管道公司山西管理處，太原030001；2中國石油西氣東輸管道公司鄭州管理處，鄭州450008；3中國石油西氣東輸管道公司浙江管理處，杭州310008）

采用管線進行天然氣輸送是天然氣運輸?shù)闹饕绞?，天然氣管線輸送控制是西氣東輸工程關(guān)鍵技術(shù)問題。傳統(tǒng)的管線長距離輸送天然氣的控制模型采用模糊PID控制方法，當(dāng)天然氣管線傳輸節(jié)點出現(xiàn)自相關(guān)特征互擾時，對天然氣輸送的控制精度不高。提出一種基于自適應(yīng)漸進約束加權(quán)閉環(huán)控制的管線長距離輸送天然氣控制模型。構(gòu)建管線長距離輸送天然氣控制的控制對象模型，進行控制約束參量分析和控制目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建，構(gòu)建了多輸入輸出的天然氣管線負荷的時間序列信號模型，在天然氣流量的特征子空間中，采用閉環(huán)反饋校正方法實現(xiàn)管線長距離輸送天然氣的閉環(huán)控制算法改進。仿真結(jié)果表明，采用該控制模型進行天然氣在管線中的長距離調(diào)度和傳輸，具有較好的控制精度，天然氣輸送的傳遞誤差收斂到零，提高了天然氣儲運效率與安全性。

管線；天然氣；儲運；控制

0　引 言

天然氣是優(yōu)質(zhì)高效、清潔環(huán)保的能源和重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和民用各個領(lǐng)域，在經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生活中具有十分重要的作用，因此，扶持開發(fā)天然氣工業(yè)在國家經(jīng)濟發(fā)展中具有重要意義。“西氣東輸”是天然氣工業(yè)引進實施的重要項目工程?！拔鳉鈻|輸”工程是把我國西部地區(qū)富產(chǎn)天然氣地方的氣源通過管道輸送方式傳輸?shù)綎|部地區(qū)，“西氣東輸”天然氣輸送工程是我國距離最長、口徑最大的輸氣道管工程，西起塔里木盆地的輪南，東至上海。全線采用自動化控制，供氣范圍覆蓋中原、華東、長江三角洲地區(qū)。在“西氣東輸”工程中，天然氣主要通過管道線路進行長距離的傳輸，采用管線進行天然氣輸送是天然氣運輸?shù)闹饕绞?，天然氣管線輸送控制是“西氣東輸”工程關(guān)鍵技術(shù)問題。研究天然氣管線輸送控制優(yōu)化方法在“西氣東輸”工程中具有重要的里程碑意義，相關(guān)的控制模型研究受到人們的極大重視。

傳統(tǒng)方法中，對長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)的調(diào)度控制方法主要采用模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的長距離輸送天然氣管線控制方法、基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的長距離輸送天然氣管線負荷預(yù)測及控制方法、基于粒子群進化的長距離輸送天然氣管線控制方法和基于QoS調(diào)度的天然氣管線調(diào)度及控制方法等［1-3］，上述方法是采用非線性時間序列分析方法進行管線中天然氣流量的信號模型構(gòu)建和重構(gòu)，結(jié)合控制模型實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，提高天然氣在管線傳輸中的均衡性能，取得了一定的研究成果，其中，文獻［4］提出一種基于定量遞歸分析和天然氣流量的狀態(tài)矢量特征空間重構(gòu)的天然氣管線負荷數(shù)據(jù)預(yù)測算法實現(xiàn)長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)的優(yōu)化控制，對天然氣管線負荷數(shù)據(jù)進行相空間重構(gòu)，在重構(gòu)的相空間中進行遞歸圖的特征提取，采用自相關(guān)匹配算法實現(xiàn)對流量預(yù)測，提高天然氣管道的控制性能，但是該方法存在計算開銷較大，維數(shù)較高等問題，導(dǎo)致控制精度不高。文獻［5］提出一種采用子空間特征分解的多輸入輸出的長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)調(diào)度控制方法，通過覆蓋概率高階累積量切片的均衡控制處理，提高天然氣管線的調(diào)度控制性能，但是該算法對干擾強度大和信噪比較低情況下的天然氣管線的流量預(yù)測和控制的效果不好。文獻［6］給出的控制模型采用模糊PID控制方法，當(dāng)天然氣管線傳輸節(jié)點出現(xiàn)自相關(guān)特征互擾時，對天然氣輸送的控制精度不高。

針對上述問題，本文提出一種基于自適應(yīng)漸進約束加權(quán)閉環(huán)控制的管線長距離輸送天然氣控制模型。構(gòu)建管線長距離輸送天然氣控制的控制對象模型，進行控制約束參量分析和控制目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建，構(gòu)建了多輸入輸出的天然氣管線負荷的時間序列信號模型，采用閉環(huán)反饋校正方法實現(xiàn)管線長距離輸送天然氣的閉環(huán)控制算法改進。最后通過仿真實驗進行了性能測試，得出采用本文設(shè)計的控制模型進行天然氣在管線中的長距離調(diào)度和傳輸，具有較好的控制精度，天然氣輸送的傳遞誤差收斂到零，提高了天然氣儲運效率與安全性，展示了較好的應(yīng)用價值。

1　長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)的控制對象模型和控制約束參量分析

1.1長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)的控制對象模型

為了實現(xiàn)對長距離輸送天然氣管線的可靠性控制，需要首先進行控制模型構(gòu)建，首先構(gòu)建MIMO多跳長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)負荷數(shù)據(jù)時間序列分析模型［7-12］，實現(xiàn)長距離輸送天然氣管線的控制對象模型模擬，假設(shè)將整條管線分成小段，在管線起點采用一個離散二元方程描述距離輸送天然氣管線系統(tǒng)的輸入輸出模型為：

其中，x（k）∈Rp表示輸送管線的總傳熱系數(shù)，u（k）∈Rq表示系統(tǒng)的控制輸入，z（k）∈Rm表示長距離輸送天然氣管線的輸送天然氣的目標(biāo)屬性控制輸出，A，B，C為適當(dāng)維數(shù)矩陣，采用四元素變量p，q，m表示長距離輸送天然氣管線的輸送流量。

考慮系統(tǒng)在初始條件一定的情況下長距離輸送天然氣的流量負荷過渡過程表示為u（k）=Kx（k），在管線起始段，返回時延τk小于一個采樣周期時，此時輸送天然氣的流量在失衡時的校正的反饋跟蹤控制目標(biāo)函數(shù)可描述為：

采用四元素方法求管線流量為150 m3/h的摩擦生熱，考慮存在不確定時延和控制輸入直接作用下的管線控制的小擾動性，得到長距離輸送天然氣管線的被控對象可以描述為：

圖1　天然氣管線的粘度與溫度的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between viscosity and temperature of natural gas pipeline

由上面對長距離輸送天然氣管線的動態(tài)特性分析，考慮長距離輸送天然氣管線的不確定時延、未知擾動誤差、輸送起點油溫等干擾問題，得到天然氣管線的粘度與溫度的關(guān)系曲線如圖1所示。對圖1表示的天然氣管線的粘度與溫度的關(guān)系進行自適應(yīng)特征分析，在控制狀態(tài)方程引入干擾向量，得到引入干擾后加熱輸送時，流量越大，此時天然氣管線中進行流量調(diào)度和控制系統(tǒng)狀態(tài)方程描述為：

其中，w（k）∈Rn，表示管線采用大流量輸送的未知擾動，即w（k）∈L2（0，∞），A、B、C、D、F1、F2為適當(dāng)維數(shù)矩陣，變量n為正整數(shù)，ΔA1，ΔB1為流動摩擦熱和良好的管道保溫的原始數(shù)據(jù)的建模誤差，在全線不加熱下，得到一組不確定變量輸入，根據(jù)上述分析，構(gòu)建長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)的控制對象模型，作為控制模型的輸入數(shù)據(jù)。

1.2控制目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建和控制約束參量模型分析

在上述構(gòu)建的長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)的控制對象模型的基礎(chǔ)上，將多輸入輸出的長距離輸送天然氣管線路由節(jié)點引入到分簇模型中，定義在t域的天然氣管線負荷時間序列函數(shù)x（t）的p階高階累積量特征，在狀態(tài)空間中確定控制目標(biāo)函數(shù)Xp（u）和高階累積量信息Fpx（u），并且在M層子節(jié)點中分析天然氣管線系統(tǒng)信道阻抗的頻譜特征為：

多輸入輸出的長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)傳輸節(jié)點接收到的負載信息的功率為：

多時段信道均衡下管線輸出的負荷時間序列在相空間中的相位角為α=pπ/2。Fα［·］為功率譜密度的算子符號，多輸入輸出多跳長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)閉環(huán)控制的選擇權(quán)值sw（u），得到Kp（t，u）控制約束下管線的摩阻損失變換核：

其中，n為多輸入輸出多跳長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)中壓氣站的節(jié)點的個數(shù)，即n∈Z。將核函數(shù)代入上式，長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)時延擴展Xp（u）可以表示為：

采用MIMO多跳長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)負荷數(shù)據(jù)時間序列分析方法，得到天然氣管線的排出壓力和管道的工作壓力負荷測量均衡后的控制目標(biāo)函數(shù)為：

通過上述分析，實現(xiàn)了控制目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建和控制約束參量模型分析，在此基礎(chǔ)上進行閉環(huán)控制模型優(yōu)化。

2　管線長距離輸送天然氣的閉環(huán)控制模型改進設(shè)計與實現(xiàn)

在上述進行了控制約束參量分析和控制目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，進行管線長距離輸送天然氣的閉環(huán)控制模型改進設(shè)計，傳統(tǒng)的管線長距離輸送天然氣的控制模型采用模糊PID控制方法，當(dāng)天然氣管線傳輸節(jié)點出現(xiàn)自相關(guān)特征互擾時，對天然氣輸送的控制精度不高。為了克服傳統(tǒng)方法的弊端，本文提出一種基于自適應(yīng)漸進約束加權(quán)閉環(huán)控制的管線長距離輸送天然氣控制模型。構(gòu)建管線長距離輸送天然氣控制的控制對象模型，構(gòu)建了多輸入輸出的天然氣管線負荷的時間序列信號模型，在天然氣流量的特征子空間中，采用閉環(huán)反饋校正方法實現(xiàn)管線長距離輸送天然氣的閉環(huán)控制算法改進，改進模型算法設(shè)計描述如下，構(gòu)建自適應(yīng)漸進約束加權(quán)閉環(huán)控制算法，令qw、va、fwk分別表示多輸入輸出多跳長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)通信系統(tǒng)的吞吐量Qw、Va、Fwk的均值，得到天然氣管線的傳輸流量的約束控制的建模誤差的表達式具體描述為：

其中，G∈Rr×l，A1∈Rl×p，B1∈Rl×q為長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)負荷預(yù)測的確定成分參量矩陣，F(xiàn)∈Rl×l為未知擾動成分參量的矩陣，但滿足條件FTF≤I，特征函數(shù)r，l為正整數(shù)。記特征約束遍歷誤差為：

通過上述描述，構(gòu)建了長距離輸送天然氣管線失衡條件下的控制對象模型，對于每一個重構(gòu)的廣域子空間模型，空間矢量表示為：

對于裸露管線，只需增加厚度不大的保溫層，提高調(diào)度控制傳輸過程中的特征匹配度，此時裸露管線的溫降特征相關(guān)函數(shù)為：

通過上述處理，實現(xiàn)對多輸入輸出多跳長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)負荷的信號特征重構(gòu)，從L+1到2L維進行長距離輸送天然氣的負荷預(yù)測，得到管線有保溫層時的溫降和壓降特征分解過程為：

式中，多跳長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)負荷傳輸距離、天然氣傳遞的功率向量V=［V1，V2，…，Vm］∈Rm×m且正交，從而得到傳熱系數(shù)控制約束特征表示為：

求得含有天然氣管線負荷走勢的所有狀態(tài)信息，能有效表征研究的長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)負荷數(shù)據(jù)的狀態(tài)參量，進行多輸入輸出多跳長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)的調(diào)度控制的線性時間預(yù)測，可得：

其中，xt表示多輸入輸出多跳長距離輸送天然氣管線系統(tǒng)數(shù)據(jù)包預(yù)測分析樣本數(shù)據(jù)；wt表示于自適應(yīng)漸進約束加權(quán)閉環(huán)控制的權(quán)值向量。

通過上述算法設(shè)計實現(xiàn)控制模型改進，改進算法實現(xiàn)流量如圖2所示。

3　仿真實驗與性能分析測試

為了驗證本文設(shè)計的控制模型在實現(xiàn)天然氣在管線中長距離傳輸中有效控制的應(yīng)用性能，進行仿真實驗。仿真采用Matlab 7作為仿真工具進行算法設(shè)計，選擇了ADI公司的ADSP-BF537作為天然氣管線的流量采集芯片，天然氣管線運輸?shù)牧髁坎蓸宇l率為13.63 kHz，測試數(shù)據(jù)集分布的頻率范圍：22～28 kHz天然氣管線運輸?shù)拿}寬34 ms，閉環(huán)控制的解調(diào)頻率為20 Hz，干擾SNR=10 dB。在上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上，進行管線長距離輸送天然氣的閉環(huán)控制仿真測試，為了定量分析性能，采用本文方法和傳統(tǒng)方法，以不同溫度和不同流量下的天然氣傳輸?shù)耐掏铝繛闇y試指標(biāo)，得到仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖可見，采用該控制模型進行天然氣在管線中的長距離調(diào)度和傳輸，具有較好的控制精度，天然氣輸送的傳遞誤差收斂到零，吞吐量較高，提高了天然氣儲運效率與安全性。

圖2　天然氣管線運輸?shù)拈]環(huán)控制模型改進實現(xiàn)流程Fig.2 Improved implementation of closed loop control model for natural gas pipeline transportation

圖3　不同環(huán)境溫度下管線對天然氣傳輸?shù)耐掏铝縁ig.3 Throughput of pipeline for natural gas transmission under different ambient temperature

圖4　不同流量下天然氣傳輸?shù)耐掏铝縁ig.4 Throughput of natural gas transmission under different traffic conditions

4　結(jié)束語

本文提出了一種基于自適應(yīng)漸進約束加權(quán)閉環(huán)控制的管線長距離輸送天然氣控制模型。構(gòu)建管線長距離輸送天然氣控制的控制對象模型，進行控制約束參量分析和控制目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建，構(gòu)建了多輸入輸出的天然氣管線負荷的時間序列信號模型，在天然氣流量的特征子空間中，采用閉環(huán)反饋校正方法實現(xiàn)管線長距離輸送天然氣的閉環(huán)控制算法改進。仿真結(jié)果表明，采用該控制模型進行天然氣在管線中的長距離調(diào)度和傳輸，具有較好的控制精度，天然氣輸送的傳遞誤差收斂到零，提高了天然氣儲運效率與安全性，應(yīng)用價值較高。

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Research on closed loop control model for long distance pipeline transportation of natural gas

LIU Yalong1，YIN Ruopeng2，YOU Dongshi3
（1 China Petroleum West East Gas Pipeline Company Shanxi Management Office，Taiyuan 030001，China；2 China Petroleum West East Gas Pipeline Company Zhengzhou Management Office，Zhengzhou 450008，China；3 China Petroleum West East Gas Pipeline Company Zhejiang Management Office，Hangzhou 310008，China）

The natural gas transportation is the main way of natural gas transportation，and the control of natural gas pipeline transportation is the key technical problem of the west to east gas transmission project.The traditional control model of long distance transportation natural gas using fuzzy PID control method，the control accuracy of natural gas transmission is not high when the natural gas pipeline transmission node appears auto correlation characteristic mutual interference.A natural gas control model based on Adaptive Incremental constrained weighted closed loop control for long distance transportation is proposed.Construction of long distance pipeline conveying natural gas control model of the controlled object，to control constraint parameters analysis and control objective function to build，build the time series signal model of MIMO（multiple input multiple output）of natural gas pipeline load，in natural gas flow in the feature subspace by closed loop feedback correction method for realization of natural gas pipeline.Simulation results show that using this control method for natural gas in the pipeline in the long distance scheduling and transmission，has good control precision，transporting natural gas transmission error converges to zero and improve the natural gas storage and transportation efficiency and safety.

pipeline；natural gas；storage and transportation；control

TP273

A

2095-2163（2016）03-0025-04

2016-04-12

劉亞龍（1989-），男，學(xué)士，助理工程師，主要研究方向：天然氣儲運工程；殷若鵬（1989-），男，學(xué)士，助理工程師，主要研究方向：電氣自動化；尤冬石（1990-），男，學(xué)士，助理工程師，主要研究方向：天然氣儲運工程。