天然氣輸氣站場(chǎng)智能分輸控制過程分析

梁曉龍，牛生輝

(陜西省天然氣股份有限公司，陜西 西安 710016)

針對(duì)目前某公司天然氣分輸站場(chǎng)工人操作頻繁，尤其夜間容易造成誤操作等不安全因素，通過分析供氣支路工藝流程及下游用戶用氣結(jié)構(gòu)，研究智能分輸?shù)乃惴ㄌ攸c(diǎn)，利用站控系統(tǒng)自動(dòng)控制用戶氣量，達(dá)到降本增效、安全高效運(yùn)行、提高能源利用率的目的。本文通過試點(diǎn)站場(chǎng)的自動(dòng)化分輸功能，為今后該公司推行無人值守站場(chǎng)積累技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)。

1 輸氣站場(chǎng)站控系統(tǒng)及支路現(xiàn)狀

1.1 站控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)的控制模式分為三級(jí)： 第一級(jí)為中心控制，該級(jí)具有對(duì)全線及各站場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度管理和優(yōu)化運(yùn)行等功能；第二級(jí)為站場(chǎng)控制，設(shè)置在站場(chǎng)的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)工藝變量及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制及聯(lián)鎖保護(hù)，可與調(diào)控中心實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)；第三級(jí)為就地控制，在站場(chǎng)控制系統(tǒng)由于通信、電力故障等意外情況下，不能完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備執(zhí)行遠(yuǎn)程控制而由人工就地進(jìn)行的操作控制方式。站控系統(tǒng)的具體功能如下。

1)控制功能。閥門狀態(tài)控制、開度控制，火氣系統(tǒng)報(bào)警聯(lián)鎖，緊急切斷及安全聯(lián)鎖保護(hù)等。

2)站場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控及顯示功能。溫度、壓力、差壓、流量監(jiān)測(cè)；關(guān)鍵設(shè)備、閥門狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)；包括可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測(cè)和報(bào)警、火焰監(jiān)測(cè)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)與報(bào)警的火氣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)；其他配套設(shè)備設(shè)施參數(shù)監(jiān)測(cè)。

3)通信功能。光纖及數(shù)字鏈路主備通信網(wǎng)絡(luò)。

4)其他功能。數(shù)據(jù)管理，通信管理，系統(tǒng)冗余功能，主備傳輸網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)切換，時(shí)鐘同步，經(jīng)通信接口與第三方系統(tǒng)或智能設(shè)備交換信息。

1.2 計(jì)量調(diào)壓支路

站場(chǎng)計(jì)量調(diào)壓支路工藝流程如圖1所示，計(jì)量支路及調(diào)壓控流支路前后均有電動(dòng)控制閥門，KFCV01，KFCV02為電動(dòng)流量控制閥，通過遠(yuǎn)程控制開度，達(dá)到控制下游流量的目的。

圖1 計(jì)量調(diào)壓支路工藝流程示意

2 下游用戶用氣狀況分析

2.1 用戶用氣結(jié)構(gòu)

根據(jù)下游用戶用氣特點(diǎn)和供氣規(guī)律，可將用戶分為以下6種類型：

1)民用用戶。用氣波峰、波谷較為明顯，用氣隨季節(jié)和每天時(shí)間波動(dòng)較大，通常夜間為用氣低谷，需要保證最低供氣壓力。

2)一般工業(yè)用戶。持續(xù)性用氣，氣量均衡平穩(wěn)，峰谷差不明顯。

3)綜合性用戶。包括居民和工業(yè)用戶，有一定的基礎(chǔ)用氣量，在此基礎(chǔ)上有明顯峰谷差。

4)不可中斷工業(yè)用戶。對(duì)供氣壓力要求較高，要求供氣量及壓力穩(wěn)定；某些用戶還對(duì)氣質(zhì)要求較高，例如生產(chǎn)玻璃制品的企業(yè)，要求窯溫穩(wěn)定，燃料組分含量穩(wěn)定。

5)CNG加氣站等間歇性用戶。不定時(shí)用氣，沒有可利用的管存，用氣期間要求壓力穩(wěn)定。

6)有其他氣源點(diǎn)補(bǔ)充的用戶。以間斷方式供氣。

以上6種用戶類型中居民用戶、一般工業(yè)用戶及綜合性用戶有一定的用氣規(guī)律，用戶用氣隨時(shí)間變化；不可中斷工業(yè)用戶要求供氣壓力穩(wěn)定；CNG等間歇性用戶及有其他氣源點(diǎn)補(bǔ)充的用戶用氣隨機(jī)性較大。

針對(duì)不同的用戶供氣需求，可采用到量停輸法、不均勻系數(shù)法、剩余平均流量法、恒壓控制法4種不同的自動(dòng)分輸控制算法，并結(jié)合相應(yīng)的輔助控制邏輯，將其整合為一套自動(dòng)分輸控制程序以適應(yīng)各種不同用戶自動(dòng)化控制的需求，實(shí)現(xiàn)日指定的自動(dòng)精準(zhǔn)控制。不同用戶供氣需求可采用不同的自動(dòng)分輸方式，見表1所列。

表1 不同用戶類型的供氣要求及自動(dòng)分輸方式

2.2 試點(diǎn)站場(chǎng)下游用戶用氣分析

試點(diǎn)站場(chǎng)下游用戶用氣結(jié)構(gòu)見表2所列。

表2 試點(diǎn)站場(chǎng)下游用戶用氣結(jié)構(gòu)

2.3 供氣狀況

分輸站12月連續(xù)3 d向城燃供氣小時(shí)量見表3所列。

表3 瞬時(shí)供氣量數(shù)據(jù)參數(shù)

由表3可看出，給城燃供氣屬于連續(xù)性供氣，配壓穩(wěn)定在0.3 MPa,白天民用及公服加氣、工業(yè)全部用氣，小時(shí)氣量較大，晚上主要為工業(yè)用氣，民用及公服用氣較少，用氣量降低。

3 無人值守站場(chǎng)自動(dòng)分輸功能實(shí)現(xiàn)

無人值守自動(dòng)分輸控制邏輯如圖2所示。

圖2 無人值守自動(dòng)分輸邏輯示意

由分輸站小時(shí)供氣數(shù)據(jù)可看出，每日給城燃門站供氣早、中、晚高峰用氣量略高，晚上供氣壓力及用氣量持續(xù)穩(wěn)定，波動(dòng)較小，可采用不均勻系數(shù)法供氣。

不均勻系數(shù)法控制邏輯針對(duì)連續(xù)供氣用戶使用，將用戶24 h用氣分為m個(gè)時(shí)段，每天早上8：00， 程序根據(jù)過去n天各時(shí)段累計(jì)流量與日累計(jì)流量，通過加權(quán)平均計(jì)算出當(dāng)日權(quán)重系數(shù)，每個(gè)時(shí)段按日指定氣量與相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)乘積結(jié)果控制氣量，從而反向擬合用戶用氣規(guī)律，最終達(dá)到在一定壓力范圍內(nèi)控制日指定氣量的目的。

每個(gè)時(shí)段分輸完畢后，預(yù)計(jì)時(shí)段分輸量與實(shí)際時(shí)段分輸量比較得到ΔV。ΔV補(bǔ)償在下一時(shí)段中，則下一時(shí)段接受流量補(bǔ)償后根據(jù)時(shí)段權(quán)重值重新調(diào)整該階段的流量設(shè)定值，以糾正調(diào)壓設(shè)備執(zhí)行誤差或日指定變更誤差，最終達(dá)到日指定氣量控制的目的。

為保證供氣的平穩(wěn)性，每小時(shí)分輸量應(yīng)確定一個(gè)波動(dòng)范圍。分輸權(quán)重系數(shù)控制邏輯廣泛適用于各類用戶，用戶小時(shí)不均勻系數(shù)不宜高于0.5。

不均勻系數(shù)控制模式首先將每天劃分成若干個(gè)時(shí)段，根據(jù)過去n天用氣規(guī)律，計(jì)算當(dāng)天各時(shí)段所占的不均勻系數(shù)。在每個(gè)時(shí)段輸氣開始前，根據(jù)當(dāng)日日指定量和該時(shí)段的不均勻系數(shù)計(jì)算當(dāng)前時(shí)段輸氣量分配值并調(diào)節(jié)流量，如圖3所示。完成當(dāng)日分輸后，系統(tǒng)保持當(dāng)前輸氣狀況不變，等待下發(fā)新的日指定量，然后重新計(jì)算預(yù)估偏差率、不均勻系數(shù)等參數(shù)，第二天開始自動(dòng)分輸。每個(gè)時(shí)段的不均勻系數(shù)計(jì)算如式(1)所示。若輸氣過程中需要更改當(dāng)日指定氣量，則根據(jù)更改后的瞬時(shí)均量與之前的瞬時(shí)氣量累加，即為調(diào)整后的瞬時(shí)供氣量。

圖3 不均勻系數(shù)法計(jì)算的時(shí)段供氣量及與總量的對(duì)比示意

(1)

式中：Xwt——每個(gè)時(shí)段的不均勻系數(shù)；Vh——過去M天某時(shí)段的實(shí)際輸氣量， m3；Vd——過去M天每天的總輸氣量，m3。

24 h內(nèi)隨著時(shí)間變化下游用戶瞬時(shí)氣量變化曲線如圖4所示，根據(jù)實(shí)際情況可將曲線劃分為4段，則日累積氣量V如式(2)所示：

圖4 瞬時(shí)氣量與時(shí)間關(guān)系示意

V=V1+V2+V3+V4

(2)

瞬時(shí)流量的函數(shù)連續(xù)可導(dǎo)的，則日累積氣量V計(jì)算如式(3)所示：

(3)

假設(shè)某一天供氣量見表4所列。由表4可看出所有瞬時(shí)量調(diào)整周期為2 h，各時(shí)段累積氣量總和為一天結(jié)算氣量。如果對(duì)應(yīng)時(shí)段調(diào)整有誤差，則該時(shí)段實(shí)際不均勻系數(shù)與理論計(jì)算的不均勻系數(shù)有差值，則將該差值累積到下時(shí)段調(diào)整中，確保及時(shí)糾正瞬時(shí)氣量，或者日指定氣量有調(diào)整，則實(shí)際不均勻系數(shù)有變化，同樣將差值累計(jì)到下時(shí)段及時(shí)調(diào)整，達(dá)到按日指定氣量供氣的目的。

表4 小時(shí)供氣量及不均勻系數(shù)

4 結(jié)束語

試點(diǎn)站場(chǎng)實(shí)施無人值守模式后，根據(jù)自動(dòng)分輸邏輯，對(duì)下游用戶進(jìn)行智能調(diào)峰，避免了人工頻繁操作，降低安全事故發(fā)生頻率，提升了站場(chǎng)自動(dòng)化水平，優(yōu)化勞動(dòng)用工，降低了人工成本，提高了公司的管理水平和生產(chǎn)效率。但是無人值守站場(chǎng)對(duì)通信、自控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定要求更高，對(duì)設(shè)備的配置及優(yōu)化尤為重要，因此今后站場(chǎng)工作重點(diǎn)將轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備維護(hù)及檢修。在實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)電動(dòng)球閥偶爾有卡死現(xiàn)象，分析原因?yàn)殡妱?dòng)球閥關(guān)閥后，前后壓差過大導(dǎo)致無法打開，該公司下一步計(jì)劃準(zhǔn)備改造試點(diǎn)站場(chǎng)工藝支路關(guān)鍵遠(yuǎn)控閥門，增加旁通閥及差壓監(jiān)測(cè)，在差壓過大時(shí)優(yōu)先自動(dòng)開啟旁通閥進(jìn)行平壓。