輸氣站場無人化自動(dòng)分輸技術(shù)在西氣東輸工程的實(shí)現(xiàn)

梁 懌 彭太翀 李明耀

中國石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司

0 引言

隨著國家大力推進(jìn)清潔能源戰(zhàn)略，天然氣行業(yè)得到了迅速發(fā)展，天然氣管網(wǎng)日趨龐大，輸氣量日益增多[1-5]。西氣東輸工程是“氣化”中國能源大動(dòng)脈，其輸氣效率直接影響整個(gè)中國的天然氣能源行業(yè)。西氣東輸工程自2003年投產(chǎn)以來，其輸氣模式在不斷地進(jìn)行升級(jí)改造[6-10]，但仍未從根本上實(shí)現(xiàn)無人化的目標(biāo)。目前，西氣東輸輸氣站的天然氣分輸全過程包括：中國石油北京油氣調(diào)控中心下達(dá)分輸日指定任務(wù)后，站場輸氣工遠(yuǎn)控開啟分輸支路，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置比例—積分—微分控制器（Proportion-Integral-Differential，PID）參數(shù)，最后待分輸日指定量到達(dá)時(shí)遠(yuǎn)控關(guān)閉分輸支路的閥門。在長期運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)該模式存在以下問題：①分輸日指定量已到達(dá)，但輸氣工未及時(shí)關(guān)閥導(dǎo)致超輸；②分輸工況發(fā)生變化后，難以及時(shí)重新整定PID參數(shù)，致使分輸穩(wěn)定性下降；③輸氣過程中分輸支路閥門發(fā)生故障，輸氣工未及時(shí)介入，導(dǎo)致天然氣分輸中斷；④分輸流量過低時(shí)，輸氣工未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并停止分輸，導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確，引發(fā)輸差問題。另外，該運(yùn)行模式還大量占用站場人力資源，導(dǎo)致輸氣工不得不花費(fèi)大量時(shí)間執(zhí)行機(jī)械性、重復(fù)性工作。為提高天然氣分輸?shù)男?、精度和穩(wěn)定性，提出了無人化分輸方案，將全周期的分輸工作交由數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）控制，實(shí)現(xiàn)無人化的定時(shí)啟輸、智能分輸和到量停輸。

1 無人化分輸改造

1.1 定時(shí)啟輸

在可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)中設(shè)置定時(shí)啟輸邏輯（圖1），邏輯內(nèi)容包括：

1）設(shè)置“定時(shí)啟輸投用狀態(tài)”。操作員可以在站控機(jī)上選擇投用或禁用“定時(shí)啟輸”功能，投用“定時(shí)啟輸”邏輯后，分輸支路的電動(dòng)閥將切換至自動(dòng)狀態(tài)；

2）設(shè)置“定時(shí)啟輸準(zhǔn)備狀態(tài)”。該狀態(tài)用于判斷分輸支路中的電動(dòng)閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是否處于遠(yuǎn)控、自動(dòng)、無故障狀態(tài)。

3）增加時(shí)間判斷邏輯。邏輯用于定義執(zhí)行自動(dòng)啟動(dòng)的時(shí)間。

圖1 定時(shí)啟輸邏輯圖

當(dāng)邏輯滿足條件：北京油氣調(diào)控中心已發(fā)布分輸日指定任務(wù)，邏輯處于投用狀態(tài)和準(zhǔn)備完成狀態(tài)，PLC系統(tǒng)時(shí)間到達(dá)定時(shí)啟輸時(shí)間時(shí)，定時(shí)啟輸邏輯觸發(fā)。

在PLC系統(tǒng)中設(shè)置順序控制邏輯，當(dāng)定時(shí)啟輸邏輯觸發(fā)后，順序控制邏輯將依次啟動(dòng)相關(guān)閥門（圖 2）。

為了保證啟輸過程中分輸參數(shù)的穩(wěn)定性，在PLC系統(tǒng)中還設(shè)置了梯級(jí)開閥邏輯，邏輯內(nèi)容如下：

1）對于壓力需求型用戶，PLC系統(tǒng)以ΔP為梯級(jí)，執(zhí)行PID控制。初始的PID設(shè)定值PSP1=PV＋ΔP（PSP1表示首次壓力設(shè)定值，PV表示壓力反饋值，單位均為MPa），待PID控制開閥直至PV-PSP1≤25%ΔP時(shí)，邏輯控制執(zhí)行第二次賦值PSP2=PV＋ΔP，然后依次循環(huán)，直到PSP=PSPn。

2）對于流量需求型用戶，PLC系統(tǒng)以ΔF為梯級(jí)，執(zhí)行PID控制。初始的PID設(shè)定值FSP1=FV＋ΔF（FSP1表示首次流量設(shè)定值，F(xiàn)V表示流量反饋值，單位均為m3），待PID控制開閥直至FVFSP1≤25%ΔF時(shí)，邏輯控制執(zhí)行第二次賦值FSP2=PV＋ΔP，然后依次循環(huán)，直到FSP=FSPn。

1.2 智能分輸

梯級(jí)開閥完畢后，無人化分輸邏輯將由定時(shí)啟輸階段切換至智能分輸階段。智能分輸使用自適應(yīng)廣義預(yù)測控制方法[11-16]。自適應(yīng)廣義預(yù)測控制方法對于工藝參數(shù)周期性變化的站場具有較好的適應(yīng)性，可以避免調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作頻繁、響應(yīng)滯后、開度變化劇烈等問題。西氣東輸?shù)淖赃m應(yīng)廣義預(yù)測控邏輯的預(yù)設(shè)參數(shù)如表1所示。

圖2 用戶啟輸邏輯執(zhí)行順序圖

表1 西氣東輸自適應(yīng)廣義預(yù)測控制參數(shù)表

邏輯工作原理如下：

1）基于當(dāng)前周期采樣的多個(gè)壓力反饋值，剔除最大值和最小值，計(jì)算獲取當(dāng)前周期的壓力反饋值y。

2）計(jì)算獲取當(dāng)前周期的辨識(shí)參數(shù)：

式中k表示當(dāng)前采樣周期；k-1表示上一個(gè)采樣周期；θ(k)表示當(dāng)前周期的辨識(shí)參數(shù)；K(k)表示計(jì)算辨識(shí)參數(shù)的中間變量，y(k)表示當(dāng)前采樣周期壓力反饋值，h(k)表示數(shù)據(jù)向量，Δu(k-1)表示上一周期的控制變量增量；P(k-1)表示上一周期的P矩陣；I表示單位矩陣。

3）計(jì)算獲取階躍響應(yīng)系數(shù)：

式中g(shù)表示階躍響應(yīng)系數(shù)；G表示系數(shù)矩陣；a1、a2、b0、b1、b2表示θ(k)中的元素。

4）計(jì)算獲取期望壓力軌跡（Yr）：

5）計(jì)算獲取開環(huán)預(yù)測輸出（Ym）：

式中yk0表示計(jì)算開環(huán)預(yù)測輸出的中間變量。

6）計(jì)算獲取當(dāng)前周期的控制變量增量（Δu）：

7）基于上一周期電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制量和當(dāng)前周期的控制變量增量，計(jì)算獲取當(dāng)前周期的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制量，然后輸出控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。

1.3 狀態(tài)監(jiān)控

1.3.1 低流量分輸監(jiān)控

用戶每日各個(gè)時(shí)刻的用氣量不均衡，存在波峰和波谷現(xiàn)象。用氣量的波峰通常不會(huì)超過流量計(jì)正常計(jì)量的上限，但波谷卻經(jīng)常低于流量計(jì)正常計(jì)量的下限。在分輸過程中，若用氣量長時(shí)間低于計(jì)量下限，將造成計(jì)量不準(zhǔn)確。為解決該問題，在PLC系統(tǒng)中設(shè)置了低流量狀態(tài)監(jiān)控邏輯（圖3）。在智能分輸階段，邏輯實(shí)時(shí)監(jiān)控分輸?shù)乃矔r(shí)流量，若瞬時(shí)流量在2 min內(nèi)持續(xù)低于流量計(jì)正常計(jì)量的下限，PLC系統(tǒng)將執(zhí)行用戶停輸邏輯，停止分輸。

圖3 低流量停輸判斷邏輯圖

低流量停輸完成后，PLC系統(tǒng)還將持續(xù)監(jiān)測分輸用戶出口壓力。若分輸用戶出口壓力持續(xù)10 min低于工藝允許的出口壓力時(shí)，PLC系統(tǒng)將再次執(zhí)行啟輸邏輯和智能分輸，以保障分輸參數(shù)的穩(wěn)定性（圖4）。

圖4 低流量停輸后自動(dòng)啟輸判斷邏輯圖

1.3.2 計(jì)量橇狀態(tài)監(jiān)控

PLC系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)量橇的狀態(tài)，當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測到分輸在用路計(jì)量橇發(fā)生了電動(dòng)閥事故關(guān)斷或者流量計(jì)死機(jī)，并且備用路計(jì)量橇狀態(tài)正常時(shí)，PLC系統(tǒng)將執(zhí)行計(jì)量橇故障切換邏輯：自動(dòng)開啟備用路計(jì)量橇，備用路計(jì)量橇啟動(dòng)完畢后再自動(dòng)關(guān)停故障路計(jì)量橇，保障分輸不間斷和計(jì)量的準(zhǔn)確性。

1.3.3 調(diào)壓橇狀態(tài)監(jiān)控

PLC系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)壓橇的狀態(tài)，當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測到分輸在用路調(diào)壓橇的工作調(diào)節(jié)閥發(fā)生了故障或電動(dòng)閥發(fā)生了事故關(guān)斷，并且備用路調(diào)壓橇狀態(tài)正常時(shí)，PLC系統(tǒng)將執(zhí)行調(diào)壓橇故障切換邏輯：開啟備用路調(diào)壓橇的同時(shí)，關(guān)閉在用路調(diào)壓橇，保障分輸不間斷和分輸?shù)姆€(wěn)定性。

1.4 到量停輸

無人化自動(dòng)分輸邏輯采用到量停輸功能來停止分輸。該邏輯在PLC系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)參數(shù)“已輸百分比”和“停輸百分比”。“已輸百分比”是當(dāng)日已輸氣量與日指定輸氣量的商?！巴］敯俜直取笨稍诓僮鲉T工站上設(shè)置，當(dāng)“已輸百分比”大于或等于“停輸百分比”時(shí)，無人化自動(dòng)分輸邏輯將自動(dòng)由智能分輸階段切換至到量停輸階段。

用戶停輸邏輯的執(zhí)行順序如下：

1）工作調(diào)節(jié)閥切換至軟件手動(dòng)控制狀態(tài)。

2）切換成功后，工作調(diào)節(jié)閥的閥位值被自動(dòng)設(shè)置為0%，執(zhí)行關(guān)閥操作。

3）工作調(diào)節(jié)閥的開度小于10%或者工作調(diào)節(jié)閥持續(xù)關(guān)閥超過2 min開度仍大于10%時(shí)，邏輯將自動(dòng)關(guān)工作調(diào)節(jié)閥前的電動(dòng)閥。

4）電動(dòng)閥關(guān)到位視為邏輯執(zhí)行成功，若用戶停輸邏輯在10 min內(nèi)未成功關(guān)閉電動(dòng)閥將視為邏輯執(zhí)行失敗。邏輯執(zhí)行失敗時(shí)將產(chǎn)生警鈴報(bào)警，以提示需要進(jìn)行人工干預(yù)。

當(dāng)日分輸完畢后，待第二天PLC系統(tǒng)的時(shí)鐘到達(dá)設(shè)定的啟輸時(shí)間時(shí)，控制系統(tǒng)將繼續(xù)按照之前設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)啟輸、自動(dòng)分輸和到量停輸，完成新一天的天然氣分輸任務(wù)。

2 應(yīng)用測試

無人化分輸邏輯在西氣東輸一線中的31座輸氣站場的55家用戶進(jìn)行了為期半年的試運(yùn)行，期間每日使用無人化分輸邏輯進(jìn)行天然氣分輸，累計(jì)輸送天然氣22.48×108m3。試運(yùn)行期間對邏輯進(jìn)行了各種測試，測試內(nèi)容如表2所示。

表2 邏輯測試表

試運(yùn)行結(jié)果顯示無人化分輸邏輯具有更為穩(wěn)定、精準(zhǔn)和高效的輸氣效果，試運(yùn)行期間未出現(xiàn)任何分輸中斷、輸差和計(jì)量不準(zhǔn)確問題，天然氣分輸被控參數(shù)的超調(diào)量低于5%，降低的閥門開度變化率超過10%。

3 結(jié)束語

無人化分輸功能將需要大量人工操作的分輸工作簡化為只需要一次人工參數(shù)設(shè)定，后續(xù)的所有每日分輸工作由SCADA系統(tǒng)自動(dòng)完成。無人化分輸改造將站場從繁重的輸氣工作中解放了出來，優(yōu)化了人力資源配置，實(shí)現(xiàn)了無人化的自動(dòng)分輸，提高了站場的自動(dòng)化、智能化管理水平。但是從另一方面來看，目前無人分輸控制邏輯仍存在一定的局限性，表現(xiàn)在其狀態(tài)監(jiān)控功能仍是基于固定模式的故障響應(yīng)，在一般情況下無需人工干預(yù)，但是一旦出現(xiàn)預(yù)設(shè)模式以外的狀況，SCADA系統(tǒng)可能無法進(jìn)行有效應(yīng)對。未來，以自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)為基本要素的智能化分析將作為新的發(fā)展方向，智能化后的分析系統(tǒng)將能夠不斷積累經(jīng)驗(yàn)，對各類異常狀況自行決策，最終實(shí)現(xiàn)故障響應(yīng)智能化的目標(biāo)。