油氣管道運(yùn)輸中的工藝設(shè)備與自動(dòng)化控制

陳 浩，沈博臣，錢泓超

（杭州安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)有限公司，杭州 310007）

0 引言

中國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，各個(gè)行業(yè)均迎來(lái)了發(fā)展的機(jī)遇，使得能源消耗逐漸加大，尤其是石油和天然氣，兩者在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位也逐漸攀升。石油和天然氣能源不但是中國(guó)民用能源的主要供應(yīng)商，也是工業(yè)能源的關(guān)鍵支柱。石油和天然氣能源具備高壓、高溫的特征，并且運(yùn)輸介質(zhì)還具備易燃、易爆、有害、有毒等特點(diǎn)，這就對(duì)油氣生產(chǎn)與運(yùn)輸帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，也對(duì)工作人員操作規(guī)范化進(jìn)行了嚴(yán)格的要求。若是工作人員操作過(guò)程中，存在違規(guī)行為、排查未落實(shí)等現(xiàn)象，會(huì)加大管道事故發(fā)生的概率，從而威脅工作人員的安全，破壞油氣運(yùn)輸企業(yè)的聲譽(yù)，同時(shí)也會(huì)對(duì)社會(huì)大眾環(huán)境帶來(lái)恐慌情緒。通過(guò)上述描述可知，油氣運(yùn)輸安全性至關(guān)重要，受到了大眾以及相關(guān)行業(yè)、學(xué)者的高度關(guān)注。

油氣運(yùn)輸主要是指石油與天然氣的運(yùn)輸環(huán)節(jié)。依據(jù)石油與天然氣的特殊屬性，中國(guó)采用管道對(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，目前，中國(guó)油氣運(yùn)輸管道約為10萬(wàn)公里，并且與海外多個(gè)國(guó)家相連，構(gòu)成了符合中國(guó)國(guó)情的、獨(dú)一無(wú)二的油氣管道運(yùn)輸格局[1]。管道運(yùn)輸已經(jīng)成為既水運(yùn)、空運(yùn)、公路、鐵路后的第五大運(yùn)輸形式，具備著多種優(yōu)勢(shì)，例如穩(wěn)定性高、可靠性高、成本低廉等。相對(duì)于其他運(yùn)輸形式，管道運(yùn)輸可以進(jìn)行大運(yùn)量的運(yùn)輸，并且運(yùn)輸過(guò)程中能源消耗較低，適用于多種天氣、地形、地貌等條件。管道運(yùn)輸是油氣資源運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵手段，但潛藏著較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，若是發(fā)生事故，不但會(huì)對(duì)財(cái)產(chǎn)、人員造成損失，也會(huì)對(duì)社會(huì)安定造成一定的威脅，為了在根源上阻止油氣管道運(yùn)輸事故的發(fā)生，對(duì)油氣管道運(yùn)輸自動(dòng)化控制方法進(jìn)行研究，以此來(lái)保障油氣管道運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

1 油氣管道運(yùn)輸自動(dòng)化控制方法研究

1.1 工藝設(shè)備特征分析

對(duì)于油氣運(yùn)輸環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，其工藝設(shè)備指的就是管道，故本節(jié)主要對(duì)油氣運(yùn)輸管道特征進(jìn)行詳細(xì)分析，為后續(xù)自動(dòng)化控制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

油氣運(yùn)輸管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油氣運(yùn)輸管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，油氣運(yùn)輸管道系統(tǒng)是由輸油干線、中間分輸站、穿越站、油田集輸管道等構(gòu)成。在油氣運(yùn)輸管道系統(tǒng)中，每個(gè)構(gòu)成部分都具備同等的重要性，對(duì)整體管道的安全均具備決定作用。若某一構(gòu)成部分出現(xiàn)事故，不但威脅整個(gè)管道的安全，也會(huì)造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，甚至?xí)鹫麄€(gè)社會(huì)恐慌。

油氣運(yùn)輸管道分為多種類型，可以應(yīng)對(duì)不同環(huán)境下的運(yùn)輸需求。不同分類依據(jù)條件下，油氣運(yùn)輸管道類型劃分情況也存在著較大的差別，具體如表1所示。

表1 油氣運(yùn)輸管道類型劃分表

常規(guī)情況下，石油運(yùn)輸管道具備運(yùn)距長(zhǎng)、輸量大、分輸點(diǎn)少、管徑多樣、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)等特征。天然氣運(yùn)輸管道特征較多，具體表現(xiàn)在：一是管道為連續(xù)封閉系統(tǒng)；二是在天然氣輸送過(guò)程中，必須時(shí)刻保持帶壓狀態(tài)；三是天然氣運(yùn)輸管道事故釋放能量較大，并伴有明火，波及范圍較為廣泛；四是無(wú)液體管道水擊危害。

1.2 油氣管道運(yùn)輸事故成因關(guān)系鏈構(gòu)造

依據(jù)上述工藝設(shè)備特征分析結(jié)果，結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)造油氣管道運(yùn)輸事故成因關(guān)系鏈，為后續(xù)自動(dòng)化控制與修復(fù)環(huán)節(jié)提供依據(jù)。

油氣管道運(yùn)輸事故成因關(guān)系鏈如圖2所示。

圖2 油氣管道運(yùn)輸事故成因關(guān)系鏈?zhǔn)疽鈭D

如圖2所示，油氣管道運(yùn)輸事故成因關(guān)系鏈的構(gòu)造可以為事故原因?qū)ふ姨峁┍憷?，?jié)省事故處理時(shí)間，也能為事故預(yù)防提供一定的幫助。

1.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)硬件選擇

依據(jù)油氣管道運(yùn)輸事故因素與自動(dòng)化控制需求，對(duì)油氣運(yùn)輸管道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)硬件進(jìn)行合理的選擇，并對(duì)其進(jìn)行科學(xué)部署。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)硬件主要由傳感器、微處理器等構(gòu)成。依據(jù)油氣運(yùn)輸管道特征，選取多種傳感器對(duì)管道運(yùn)輸過(guò)程參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)與獲取，為后續(xù)自動(dòng)化控制程序的制定，控制參數(shù)的計(jì)算提供依據(jù)。

首先，“營(yíng)改增”政策對(duì)生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)上市公司減稅效應(yīng)顯著。由理論分析可知，“營(yíng)改增”的減稅效應(yīng)主要取決于企業(yè)的外購(gòu)商品及勞務(wù)能取得可抵扣進(jìn)項(xiàng)的多少，實(shí)證分析表明，“營(yíng)改增”后，企業(yè)外購(gòu)商品及勞務(wù)增加，使企業(yè)總稅負(fù)降低。同時(shí)，外購(gòu)商品及勞務(wù)對(duì)企業(yè)稅負(fù)下降的影響遠(yuǎn)大于“營(yíng)改增”政策所帶來(lái)的減稅效應(yīng)。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)傳感器最終選型結(jié)果如表2所示。

表2 傳感器最終選型結(jié)果表

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)硬件框架是硬件能夠穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)與前提，其框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)硬件框架示意圖

利用TinyOS操作系統(tǒng)將多種傳感器與其他組件進(jìn)行連接[2]。在自動(dòng)化控制程序初始化后，接收信標(biāo)幀在同步的同時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀發(fā)出加入申請(qǐng)。在加入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀后，按照一定周期對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如果采集數(shù)據(jù)發(fā)生變化，實(shí)時(shí)將其發(fā)送至射頻模塊。

在傳感器數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于環(huán)境、溫度等多種因素的影響，導(dǎo)致油氣運(yùn)輸管道相關(guān)參數(shù)存在著一定的誤差，會(huì)對(duì)自動(dòng)化控制過(guò)程產(chǎn)生極大的不利影響。因此，需要采用一定的方法對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。在油氣管道運(yùn)輸過(guò)程中，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，故對(duì)數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔進(jìn)行合理地設(shè)置，依據(jù)實(shí)際采集情況對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)試，并對(duì)數(shù)據(jù)算術(shù)平均值進(jìn)行計(jì)算，以此來(lái)有效消除異常數(shù)據(jù)采集值。

另外，微處理器相當(dāng)于硬件架構(gòu)中的匯聚節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理的任務(wù)，其具體程序?yàn)椋何⑻幚砥髟诔跏蓟?，馬上進(jìn)入發(fā)送模式，向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，等待接收不同傳感器的數(shù)據(jù)幀。接收到數(shù)據(jù)幀后，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過(guò)串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送至管理節(jié)點(diǎn)。上述描述的是微處理器一個(gè)周期的程序，在實(shí)際工作過(guò)程中，微處理器需要不斷循環(huán)，直至完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)為止。

為了節(jié)省成本開支，采用三邊測(cè)量法對(duì)傳感器位置進(jìn)行定位，以此來(lái)滿足傳感器科學(xué)部署需求。三邊測(cè)量法示意圖如圖4所示。

圖4 三邊測(cè)量法示意圖

如圖4所示，利用三邊測(cè)量法定位傳感器位置信息，以此來(lái)完成自動(dòng)化監(jiān)測(cè)硬件的合理部署，為后續(xù)自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)做準(zhǔn)備。

1.4 油氣運(yùn)輸自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)

以上述自動(dòng)化監(jiān)測(cè)硬件設(shè)備選取結(jié)果為基礎(chǔ)，基于PID控制原理制定油氣管道運(yùn)輸自動(dòng)化控制程序，通過(guò)穩(wěn)定執(zhí)行自動(dòng)化控制程序，來(lái)實(shí)現(xiàn)油氣管道運(yùn)輸安全的監(jiān)測(cè)與控制。

從本質(zhì)角度上看，PID控制原理呈現(xiàn)為線性控制形式。PID控制原理中的控制偏差由實(shí)際輸出值與給定值差值計(jì)算獲得，再利用比例、積分和微分運(yùn)算獲取控制器的最終控制輸出量[3]。由上述分析可知，PID控制原理表達(dá)式為：

式(1)中，u（t）表示的是PID控制器的控制輸出值；kp表示的是比例系數(shù)；e（t）表示的是PID控制器的控制偏差；Ti表示的是積分時(shí)間常數(shù)；Td表示的是微分時(shí)間常數(shù)。

為了方便研究的進(jìn)行，將式(1)轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)形式，表達(dá)式為：

式(2)中，s表示的是傳遞函數(shù)參數(shù)。

PID控制原理中，每個(gè)校正控制偏差環(huán)節(jié)都承擔(dān)著不同的作用，并且比例系數(shù)kp、積分時(shí)間常數(shù)Ti與微分時(shí)間常數(shù)Td的大小也會(huì)影響控制偏差的校正效果，具體情況如表3所示。

表3 PID控制偏差校正環(huán)節(jié)作用表

將PID控制原理應(yīng)用至油氣管道運(yùn)輸自動(dòng)化控制過(guò)程中，最需要注意的就是PID參數(shù)（kp、Ti、Td）的取值，故此研究依據(jù)油氣運(yùn)輸自動(dòng)化控制的目標(biāo)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)試湊法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行一定程度的調(diào)整，以此來(lái)滿足油氣運(yùn)輸控制需求。

實(shí)驗(yàn)試湊法主要是利用閉環(huán)進(jìn)行模擬或運(yùn)行，獲取控制器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，并采用曲線形式對(duì)其進(jìn)行展示，通過(guò)參數(shù)對(duì)PID控制器性能影響結(jié)果，反復(fù)進(jìn)行參數(shù)試湊，直到響應(yīng)曲線符合需求為止，以此來(lái)確定PID參數(shù)。

油氣管道運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化控制PID參數(shù)調(diào)試程序如圖5所示。

圖5 油氣管道運(yùn)輸自動(dòng)化控制PID參數(shù)調(diào)試程序圖

依據(jù)圖5所示流程，結(jié)合油氣管道運(yùn)輸工藝設(shè)備相關(guān)信息、參數(shù)等，確定自動(dòng)化控制PID參數(shù)，將其輸入至PID控制器中，執(zhí)行PID自動(dòng)化控制程序，即可實(shí)現(xiàn)油氣運(yùn)輸管道溫度、壓力、流量、管壁應(yīng)力等參數(shù)的采集與控制，從而保障油氣運(yùn)輸管道的安全。

通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)了油氣管道運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化控制，為油氣運(yùn)輸管道安全提供更加有效的保障，也為自動(dòng)化控制研究提供一定的參考。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證提出方法與現(xiàn)有方法應(yīng)用性能之間的差異，采用TinyOS仿真工具設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下所示。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

實(shí)驗(yàn)環(huán)境指的是傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行的關(guān)鍵與基礎(chǔ)。將自動(dòng)化監(jiān)測(cè)硬件——多種傳感器合理地部署在實(shí)驗(yàn)對(duì)象相應(yīng)位置，利用多跳無(wú)線方式將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)中。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境示意圖如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境示意圖

TinyOS仿真工具中，使用較為廣泛的是仿真平臺(tái)TOSSIM和Avrora，各自具備豐富的建模資源與優(yōu)勢(shì)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，選取TOSSIM仿真平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，具體流程如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)仿真流程圖

TOSSIM仿真平臺(tái)采用C#語(yǔ)言對(duì)實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行編程，C#是微軟公司生產(chǎn)的面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，同時(shí)科學(xué)設(shè)置油氣運(yùn)輸管道監(jiān)測(cè)窗口。

2.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取

實(shí)驗(yàn)選取某段油氣運(yùn)輸管道作為對(duì)象，將選取的多種傳感器均勻地、科學(xué)地部署在管道上，利用傳感器對(duì)油氣運(yùn)輸管道參數(shù)進(jìn)行獲取與處理，以此為基礎(chǔ)，判斷現(xiàn)有方法與提出方法應(yīng)用性能的好壞。油氣運(yùn)輸管道實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 油氣運(yùn)輸管道實(shí)物圖

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)上述搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行油氣管道運(yùn)輸工藝設(shè)備自動(dòng)化控制實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)間與超調(diào)量來(lái)顯示方法的應(yīng)用性能，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過(guò)程如下：

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得方法應(yīng)用性能數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 應(yīng)用性能數(shù)據(jù)表

3 結(jié)語(yǔ)