一種適用于天然氣管道的自動(dòng)分輸方法

孟 晉

（撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與電子工程系，遼寧 撫順 113122）

0 引言

管道分輸站壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念、思路以及優(yōu)化原則是能夠滿足站場自動(dòng)分輸?shù)幕驹瓌t[1,3]，自動(dòng)分輸設(shè)置包括安全設(shè)置、輸氣調(diào)節(jié)、自動(dòng)切換和故障切換。由于輸氣管道建設(shè)的需求，沿線存在多種分輸站，且不同分輸站的用戶類型不同，對(duì)于民用用戶而言，存在用氣高峰3次/日的現(xiàn)象。當(dāng)在用氣低峰時(shí)（如深夜），實(shí)際流量在較長時(shí)間內(nèi)將使工作調(diào)節(jié)閥在小開度或關(guān)閉的情況下工作[4]，在投產(chǎn)初期也存在下游用戶的用氣量較小的情況，這使得用氣量回升時(shí)，調(diào)節(jié)閥短時(shí)間內(nèi)無法走出單側(cè)正向/負(fù)向控制量的累積，出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥失控的現(xiàn)象[5,7]。通過對(duì)該現(xiàn)象的研究給出了一種自動(dòng)分輸?shù)慕鉀Q方案，以期為后續(xù)的管道設(shè)計(jì)提供一種可參考的解決方案。

1 壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及選型

圖1 天然氣站場自動(dòng)分輸工藝流程簡圖Fig.1 Diagram of automatic distribution process of natural gas station field

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50251-2015）對(duì)分輸壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)定，其中，8.4.2中，對(duì)壓力控制提出“供氣量超限可能導(dǎo)致管輸系統(tǒng)失調(diào)的部位，壓力控制系統(tǒng)應(yīng)具有限流功能”的控制要求；8.4.3提出了“當(dāng)上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力1.6MPa以上，以及上游最大操作壓力大于下游管道和設(shè)備強(qiáng)度試驗(yàn)壓力時(shí)，單個(gè)的（第一級(jí)）壓力安全設(shè)備還應(yīng)同時(shí)加上第二個(gè)安全設(shè)備”的要求。考慮到分析案例兼具普遍性和安全性的因素，本次分析選用雙安全截?cái)嚅y和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行分輸調(diào)節(jié)的工況。

1.2 工藝流程及控制特性分析

分輸流程壓力/流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用分輸流量和分輸出站壓力選擇性調(diào)節(jié)，由分輸流量計(jì)量系統(tǒng)、調(diào)壓及安全切斷系統(tǒng)、出站壓力檢測(cè)單元等構(gòu)成。工藝流程詳見圖1。

圖1工藝流程涉及1個(gè)控制子回路，包含2個(gè)檢測(cè)裝置（臺(tái)壓力變送器和1臺(tái)流量計(jì)）、1個(gè)控制器和1個(gè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)。

在完成調(diào)控中心下發(fā)日指定分輸量的前提下[9]，為保證給下游用戶提供安全、穩(wěn)定的氣源，保證天然氣在協(xié)議分輸壓力下輸送，確定整體控制目標(biāo)及控制參數(shù)選擇如下：

1）控制整體目標(biāo)

該P(yáng)ID控制回路整體控制目標(biāo)是“限流調(diào)壓”，即正常情況下，該系統(tǒng)采用壓力控制方式，以控制下游壓力；壓力控制回路在要求的設(shè)定值下工作，當(dāng)供氣流量超過設(shè)定值時(shí)，根據(jù)管理需要，控制系統(tǒng)將自動(dòng)切換為流量控制，對(duì)用戶供氣量進(jìn)行限量控制。壓力設(shè)定值既可由調(diào)度調(diào)控中心給定，也可由站控系統(tǒng)給定。

2）控制參數(shù)選擇

根據(jù)1）的要求，需要設(shè)計(jì)限定值和調(diào)節(jié)值。其中，限定值可分為流量限定值和壓力限定值。流量限定值用于控制分輸流量不大于1.2qmax，壓力限定值用于控制分輸壓力不低于下游管道的用戶保障壓力；調(diào)節(jié)值可以分為流量調(diào)節(jié)值和壓力調(diào)節(jié)值，流量調(diào)節(jié)值可以用于完成調(diào)控中心下發(fā)的輸量任務(wù)，壓力調(diào)節(jié)值可以用于完成下游氣體在協(xié)議壓力下分輸。

2 控制器算法設(shè)計(jì)

在輸氣管道的分輸工藝控制過程中，每一個(gè)控制器都應(yīng)被集成相應(yīng)的優(yōu)化算法，以確保其能夠完成控制器邏輯中描述的功能，從而保證整體控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于單個(gè)控制器而言，其控制算法應(yīng)滿足第1節(jié)的一般要求。針對(duì)這部分要求，圖1給出工藝控制過程中存在的典型工況，并提出解決方案。

圖2 抗積分飽和PID控制算法得到其程序框圖Fig.2 Anti-integral saturation PID control algorithm gets its program block diagram

輸氣管道分輸工藝流程對(duì)于民用用戶而言，存在用氣高峰3次/日的現(xiàn)象[10]。當(dāng)在用氣低峰時(shí)（如深夜），實(shí)際流量在較長時(shí)間內(nèi)將使工作調(diào)節(jié)閥在小開度或關(guān)閉的情況下工作，在投產(chǎn)初期也存在下游用戶的用氣量較小的情況，這使得用氣量回升時(shí)，調(diào)節(jié)閥短時(shí)間內(nèi)無法走出單側(cè)正向/負(fù)向控制量的累積，出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥失控的現(xiàn)象。

2.1 解決方案

為解決該問題，引入抗積分飽和PID控制算法。設(shè)定閥門達(dá)到極限開度時(shí)，被控變量的輸出為umax，若u(k-1)＞umax，則只累加負(fù)偏差；若u(k-1)＜-umax，則只累加正偏差。這種控制算法可以避免因控制變量長期滯留在飽和區(qū)而無法實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)。

2.2 控制算法實(shí)現(xiàn)的基本步驟

結(jié)合圖1，被控變量為調(diào)節(jié)閥后出口壓力，執(zhí)行結(jié)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制器的輸出控制變量u為4mA～20mA電流。

若u(k-1)＞18mA，則只累加負(fù)偏差；若u(k-1)＜6mA，則只累加正偏差。這種算法可以防止控制量長時(shí)間滯留在飽和區(qū)。

根據(jù)抗積分飽和PID控制算法得到其程序框圖見圖2。

2.3 控制仿真

圖4 采用抗積分飽和前控制效果Fig.4 Using anti-integral saturation pre-control effect

表1 工藝特征級(jí)控制算法集成Table 1 Process feature level control algorithm integration

在PID控制模塊上，應(yīng)設(shè)置抗積分飽和控制算法可選項(xiàng)，可通過軟件或硬件的方式進(jìn)行控制模式切換。投用在該模式后，應(yīng)能達(dá)防止長期進(jìn)入死區(qū)而失控對(duì)工藝生產(chǎn)造成的影響?，F(xiàn)以階躍信號(hào)為例，進(jìn)行仿真、驗(yàn)證。

設(shè)被控對(duì)象為：

其中采樣時(shí)間為1ms，仿真結(jié)果見圖3、圖4。

2.4 分輸控制器算法特征

根據(jù)1.2的分析，共需4個(gè)控制器，表1給出了各個(gè)控制器的功能、潛在的工藝特征和優(yōu)選需集成的控制算法。

3 結(jié)論

針對(duì)研究結(jié)論所選用的自動(dòng)分輸裝置，利用抗積分飽和控制理論，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，給出仿真結(jié)果，并針對(duì)不同的工控給出了推薦的控制算法，得出如下結(jié)論：

抗積分飽和控制算法應(yīng)用于輸氣管道自動(dòng)分輸系統(tǒng)中，用于防止積分效應(yīng)造成的穩(wěn)態(tài)誤差累計(jì)系統(tǒng)響應(yīng)遲緩的現(xiàn)象。消除了由于大誤差引入的控制失調(diào)，減少了輸出控制變量的波動(dòng)，使得分輸用戶用氣壓力平穩(wěn)、可控，避免了由于大幅波動(dòng)帶來的用氣不穩(wěn)定的現(xiàn)象。