模糊控制在天然氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)智能化的應(yīng)用

楊靈飛，王偉，李志剛，李墨林

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引 言

天然氣壓縮機(jī)對(duì)石油中的伴生氣和天然氣進(jìn)行回收和再利用起到了關(guān)鍵的作用，為海洋油氣田的節(jié)能減排和降本增效提供保障。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備的功能越來越復(fù)雜，保護(hù)越來越完善，對(duì)天然氣壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)提出了更高的要求。智能化成為發(fā)展的趨勢(shì)，一種非線性的模糊控制算法使控制系統(tǒng)有了像人一樣分析和判斷的能力。

1 項(xiàng)目背景

天然氣壓縮機(jī)在整個(gè)運(yùn)行周期有吹掃、預(yù)潤滑、起動(dòng)主機(jī)、等待滑油溫度、手動(dòng)加載、自動(dòng)加載等流程，在這些流程中除了自動(dòng)加載流程以外其他流程是需要人員參與的，自動(dòng)加載是依靠PID 調(diào)節(jié)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。壓縮機(jī)的各個(gè)流程環(huán)環(huán)相扣，依次執(zhí)行，在每個(gè)流程內(nèi)部又有許多邏輯條件，都滿足后才能進(jìn)入下一步。這樣對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和判斷力有嚴(yán)格的要求。雖然在操作頁面有開機(jī)向?qū)?，減小了操作難度，但操作人員還是希望能有一個(gè)更簡便的傻瓜式的操作方案，一鍵起動(dòng)和智能化等。一鍵起動(dòng)即點(diǎn)擊一次起動(dòng)按鈕，觸發(fā)機(jī)器進(jìn)入流程，剩下工作的交給壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)來自己完成全部流程順序操作的過程，智能化要求機(jī)器像人一樣可以自己思考和判斷，能夠完成一些更為復(fù)雜的工作。

2 項(xiàng)目的原理分析和算法的實(shí)現(xiàn)

2.1 項(xiàng)目原理分析

天然氣壓縮機(jī)要實(shí)現(xiàn)一鍵起動(dòng)和智能化，需要壓縮機(jī)控制系統(tǒng)自己去判斷每個(gè)流程執(zhí)行的進(jìn)度，以及每個(gè)流程內(nèi)部的執(zhí)行的任務(wù)是否完成，邏輯條件是否滿足，沒有完成時(shí)如何處置或協(xié)助完成，條件滿足后自己去觸發(fā)進(jìn)入下一個(gè)流程，如此順序執(zhí)行。

在主電機(jī)起動(dòng)流程中為減小起動(dòng)阻力，回流閥的開度開到100%。主電機(jī)起動(dòng)流程結(jié)束后，面臨的一個(gè)最主要的困難是手動(dòng)加載流程。手動(dòng)加載流程為逐步減小回流閥的開度，來逐步提升壓縮機(jī)出口的壓力。在等速度的關(guān)閉回流閥的過程中，因存在著許多不同程度的不確定因素，包括模型誤差和外部干擾。每次起動(dòng)壓縮機(jī)，上游來的天然氣壓力、流量、溫度都有差異，天氣、外界環(huán)境等因素也有差異，需要依靠人的經(jīng)驗(yàn)和判斷做出千差萬別的操作。壓縮機(jī)的出口壓力上漲的速度并不勻稱，上漲過快給控制系統(tǒng)的穩(wěn)定帶來沖擊，也給切換到自動(dòng)加載時(shí)PID 調(diào)節(jié)初期帶來較大的波動(dòng)，操作錯(cuò)誤就會(huì)出現(xiàn)關(guān)停，所有流程需要從頭再來，操作難度有點(diǎn)大。

此時(shí)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不準(zhǔn)確，而且誤差比較大，需要采用一種非線性，減小對(duì)數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確度的依賴，將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成能像人一樣思考、判斷、綜合推理，并對(duì)這個(gè)過程做出微調(diào)，使結(jié)果達(dá)到令人滿意的效果。

2.2 項(xiàng)目算法的實(shí)現(xiàn)

采用壓縮機(jī)出口壓力上漲速度為自變量，對(duì)調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)速度干預(yù)程度為輸出量建立關(guān)系。采用一種非線性算法，模糊控制算法。

模糊數(shù)學(xué)模型能夠不過度依賴數(shù)學(xué)模型，設(shè)壓縮機(jī)出口壓力上漲速度為自變量，對(duì)調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)速度的干預(yù)程度為輸出量。

將自變量模糊化處理，負(fù)偏大說明壓力上漲速度過快，正偏大說明壓力上漲太慢，其他類推，的矢量值如表1所示。

表1 e 的矢量值

將輸出量模糊化處理，負(fù)大說明促使調(diào)節(jié)閥關(guān)閉速度加快，0 偏差對(duì)調(diào)節(jié)速度不干預(yù)，正大說明促使調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)速度減慢，的矢量值如表2所示。

表2 u 的矢量值

模糊規(guī)則：

（1）若負(fù)大，則正大。

（2）若負(fù)小，則正小。

（3）若為0，則為0。

（4）若正小，則為0。

（5）若正大，則為0。

因?yàn)閴毫ι蠞q速度慢，不會(huì)造成危險(xiǎn)，可以不對(duì)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)速度干預(yù)，任其按照固定的速度往小調(diào)節(jié)，模糊規(guī)則表如表3所示。

表3 模糊規(guī)則表

模糊關(guān)系：

模糊關(guān)系矩陣：

根據(jù)模糊關(guān)系，規(guī)則內(nèi)取交集，規(guī)則間取并集。得：

模糊決策：

控制量反模糊化：

當(dāng)為負(fù)大時(shí)，

當(dāng)為負(fù)小時(shí)，

當(dāng)為0 時(shí)，

當(dāng)為正小時(shí)，

當(dāng)為正大時(shí)，

按照隸屬度最大關(guān)系，為負(fù)大、負(fù)小、0、正小、正大時(shí)。對(duì)應(yīng)的值是4、2、0、0、0 即在壓力上漲速度大于目標(biāo)設(shè)定速度時(shí)對(duì)回流閥的關(guān)閉速度按照等級(jí)進(jìn)行干預(yù)，上漲越快干預(yù)越強(qiáng)，低于時(shí)不對(duì)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉速度干預(yù)，即按照設(shè)定速度逐步關(guān)閉。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用過程中，會(huì)有特殊情況。為此按照有經(jīng)驗(yàn)的調(diào)試工程師編制了一個(gè)專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，在參數(shù)出現(xiàn)特殊情況時(shí)，控制系統(tǒng)按照專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的規(guī)則可以提出更高優(yōu)先級(jí)的干預(yù)，讓系統(tǒng)動(dòng)作暫停并保持，留出足夠的時(shí)間讓上游設(shè)備做出反應(yīng)和讓壓縮機(jī)本體內(nèi)的壓力充分上漲，避免過快迭代。

在手動(dòng)加載的過程中，可能出現(xiàn)如下狀況：

出現(xiàn)上游天然氣補(bǔ)充不及時(shí)造成一級(jí)入口壓力暫時(shí)偏低，繼續(xù)減小回流閥的開度會(huì)對(duì)上游工藝系統(tǒng)造成影響，需要回流閥短暫等待上游壓力恢復(fù)；

出現(xiàn)上游天然氣補(bǔ)充波動(dòng)造成一級(jí)入口壓力暫時(shí)偏高，即使出口滿足設(shè)計(jì)要求也要使回流閥的開度繼續(xù)下降，直到入口壓力滿足要求將回流閥切入到PID 控制。

兩臺(tái)回流調(diào)節(jié)閥配合不當(dāng)造成級(jí)間壓力高，或級(jí)間壓力低。

根據(jù)以上幾條，應(yīng)對(duì)壓力特殊情況的經(jīng)驗(yàn)列表如表4所示。

表4 經(jīng)驗(yàn)列表一

其中P1 表示一級(jí)入口壓力，L1 表示入口壓力低報(bào)警值，H1 表示入口壓力高報(bào)警值，P2 表示一級(jí)出口壓力，L2 表示出口壓力低報(bào)警值，H2 表示出口壓力高報(bào)警值；P3 表示二級(jí)入口壓力，L3 表示二級(jí)入口壓力低報(bào)警值，H3 表示二級(jí)入口壓力高報(bào)警值，P4 表示二級(jí)出口壓力，L4 表示二級(jí)出口壓力低報(bào)警值，H4 表示二級(jí)出口壓力高報(bào)警值；PV1 表示一級(jí)回流閥開度值，PV2 表示二級(jí)回流閥開度值。

對(duì)于有兩級(jí)壓縮機(jī)的機(jī)型需要考慮一級(jí)加載與二級(jí)加載不均衡出現(xiàn)偏載，造成排氣溫度差異較大，排氣溫度大的一側(cè)容易溫度高高關(guān)停，也對(duì)機(jī)械本身不利。

根據(jù)上面，應(yīng)對(duì)溫度不平衡的經(jīng)驗(yàn)列表如表5所示。

表5 經(jīng)驗(yàn)列表二

T1 表示一級(jí)排氣溫度，T2 表示二級(jí)排氣溫度，溫度允許有上下10 ℃的偏差；PV1 表示一級(jí)回流閥開度值，PV2表示二級(jí)回流閥開度值。

以上這些表格存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的壓力或閥門的開度與預(yù)先設(shè)定有較大偏差時(shí)，機(jī)器可以從數(shù)據(jù)庫查表，并作出類似于人類判斷，并對(duì)機(jī)器進(jìn)行干預(yù)。

2.3 使用效果

在工控軟件中制作成帶背景數(shù)據(jù)的功能塊如圖1所示。

圖1 功能塊

3 結(jié) 論

在實(shí)際使用時(shí)，回流調(diào)節(jié)閥回關(guān)動(dòng)作速度與壓力上漲速度協(xié)調(diào)，很好地控制了壓力過快上漲造成的沖擊、和載荷的不平衡，減輕了天然氣壓縮機(jī)對(duì)上游設(shè)備的沖擊，降低了操作人員的工作量，降低了操作錯(cuò)誤帶來的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和像人一樣能夠思考的能力。提高了控制系統(tǒng)的智能化水平。