天然氣分輸管理與控制技術(shù)研究

梁浩　郝一博　李海川

（中國(guó)石油西氣東輸管道公司，上海　200122）

天然氣分輸管理與控制技術(shù)研究

梁浩郝一博李海川

（中國(guó)石油西氣東輸管道公司，上海200122）

中國(guó)石油西氣東輸管道公司采用按照每日指定輸氣量向下游用戶供氣的分輸管理模式，為保證尤其是在無(wú)人值守分輸站時(shí)向用戶供氣的準(zhǔn)確，需實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣分輸設(shè)備的自動(dòng)控制改造。在分析分輸工藝流程的基礎(chǔ)上，提出了一種按日指定計(jì)劃分輸?shù)淖詣?dòng)控制方案，介紹了方案中的針對(duì)不同用戶情況下按日指定計(jì)劃分輸?shù)淖詣?dòng)控制調(diào)節(jié)方法，結(jié)合自動(dòng)控制特性形成調(diào)節(jié)規(guī)律公式，并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和模型確定自動(dòng)控制參數(shù)，將該自動(dòng)控制方案應(yīng)用于分輸站的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了分輸站自動(dòng)分輸?shù)墓δ堋?/p>

天然氣分輸管理西氣東輸無(wú)人值守PID控制PID參數(shù)

0　引言

中國(guó)石油西氣東輸管道公司（以下簡(jiǎn)稱“公司”）采用每日指定輸氣量向下游用戶供氣的分輸管理模式。從2009年公司開(kāi)始實(shí)行分輸站夜間無(wú)人值守的管理模式，因此需要對(duì)分輸站控制功能進(jìn)行改造，以適應(yīng)分輸站管理模式的變化。筆者在分析分輸站工藝流程的基礎(chǔ)上，提出了一種按日指定計(jì)劃分輸?shù)淖詣?dòng)控制方案。

1　控制方案

在工業(yè)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器通常采用比例、積分和微分調(diào)節(jié)規(guī)律，簡(jiǎn)稱PID調(diào)節(jié)。天然氣管道分輸站的工藝流程為：天然氣經(jīng)由過(guò)濾分離器處理后，再經(jīng)計(jì)量、調(diào)壓系統(tǒng)分輸至下游用戶；分輸站調(diào)壓系統(tǒng)的PID控制方式是以壓力調(diào)節(jié)為主的調(diào)壓限流控制方式，此種PID控制方式對(duì)輸氣壓力的調(diào)節(jié)穩(wěn)定可靠，符合管道建設(shè)的要求和設(shè)計(jì)規(guī)范，而且已經(jīng)安全平穩(wěn)運(yùn)行了多年［1］。

1.1對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)控制

采用雙PID控制回路與超馳控制相結(jié)合的控制方法對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，雙PID控制回路包括壓力調(diào)節(jié)回路（PID1）、流量調(diào)節(jié)回路（PID2）。超馳控制就是當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)接收到偏差越限和發(fā)生故障等異常信號(hào)時(shí)，由超馳控制的判定邏輯確定使系統(tǒng)越過(guò)目前正在工作的調(diào)節(jié)回路，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到預(yù)先設(shè)定好的另一安全調(diào)節(jié)回路。

1）白天采用PID1進(jìn)行調(diào)壓限流控制。即在正常情況下采用壓力調(diào)節(jié)，當(dāng)流量超過(guò)設(shè)定流量時(shí)，自動(dòng)切換到流量調(diào)節(jié)，當(dāng)流量下降到允許范圍后再自動(dòng)切換回壓力調(diào)節(jié)，流量調(diào)節(jié)起限流保護(hù)作用。

2）夜間采用PID2進(jìn)行調(diào)流限壓控制。在保證分輸壓力不超出最大分輸壓力值（該值可取調(diào)壓系統(tǒng)中監(jiān)控調(diào)壓閥的設(shè)定值）的前提下，進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。若分輸壓力超出設(shè)定的最大分輸壓力值，由超馳控制的判定邏輯將控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到壓力調(diào)節(jié)，當(dāng)壓力下降到允許范圍后再自動(dòng)切換回流量調(diào)節(jié)。

1.2按日指定計(jì)劃分輸?shù)淖詣?dòng)控制

針對(duì)不同的分輸用戶，分別采用以下調(diào)節(jié)方案：①對(duì)于連續(xù)分輸且用氣量不穩(wěn)定的用戶，白天采用調(diào)壓限流方式，夜間采用調(diào)流限壓方式。②對(duì)于間歇分輸?shù)挠脩?，白天采用調(diào)壓限流方式分輸夜間停輸，夜間不能停輸?shù)牟捎谜{(diào)流限壓方式。

針對(duì)每個(gè)用戶，實(shí)施下述按日指定計(jì)劃分輸?shù)淖詣?dòng)控制方案：①白天采用調(diào)壓限流控制方式，夜間由調(diào)流限壓方式來(lái)實(shí)現(xiàn)按日指定計(jì)劃分輸?shù)目刂?，夜間流量設(shè)定值取當(dāng)天日指定剩余未分輸量的平均值。②為確保對(duì)按日指定計(jì)劃分輸?shù)目刂?，?dāng)每天分輸量達(dá)到日指定分輸量計(jì)劃的95%（該值可根據(jù)實(shí)際情況確定）時(shí)發(fā)出提示報(bào)警。

2　PID控制的調(diào)試

結(jié)合PID特有的比例調(diào)節(jié)的快速性、積分調(diào)節(jié)消除誤差的能力和微分調(diào)節(jié)的預(yù)見(jiàn)性，構(gòu)成如下的PID調(diào)節(jié)規(guī)律公式：

式中，u（t）為調(diào)節(jié)器的輸出；e（t）為調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)（誤差輸出）；P為比例度；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

在選擇了調(diào)節(jié)規(guī)律和相應(yīng)的調(diào)節(jié)器后，下一步是如何確定PID參數(shù)，以得到所要求的控制效果。下面介紹幾種常用的工程方法：

1）經(jīng)驗(yàn)法。首先把P確定好，再加積分作用以消除誤差，最后利用微分調(diào)節(jié)作用以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量，具體作法為［2］：①確定比例度P時(shí)，先去掉積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，P取較大經(jīng)驗(yàn)值，然后逐步減小P，觀察被控系統(tǒng)響應(yīng)曲線，直到滿意為止。②取上述確定的P值，調(diào)節(jié)被控系統(tǒng)使其達(dá)到4∶1的衰減比，然后將P擴(kuò)大10%～20%，將Ti由小到大逐步增加，直到獲得衰減比為4∶1的響應(yīng)曲線為止，確定相應(yīng)Ti值。③確定好比例度和Ti后，將P縮小10%～20%，適當(dāng)減小Ti，再把微分時(shí)間常數(shù)Td由小到大逐步增加，觀察被控系統(tǒng)響應(yīng)曲線，直到滿意為止，最后確定Td值。在PID控制的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與應(yīng)用中，公司兩分輸站PID參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1　公司兩個(gè)分輸站PID參數(shù)取值表

2）PID參數(shù)自整定。PID參數(shù)自整定分為使用基于模型和基于規(guī)則的兩類方法［3-5］，參照目標(biāo)或響應(yīng)模型整定PID參數(shù)，見(jiàn)表2。

3　應(yīng)用實(shí)例

近年來(lái)在分輸站1進(jìn)行按日指定計(jì)劃分輸?shù)淖詣?dòng)控制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該分輸站白天采用調(diào)壓限流控制，夜間采用調(diào)流限壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)按日指定計(jì)劃分輸?shù)目刂?，取得了較為滿意的控制效果。流量PID控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2　PID參數(shù)自整定方法表

表3　分輸站流量PID控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的測(cè)試數(shù)據(jù)表

在分輸站2完成了按日指定計(jì)劃分輸?shù)淖詣?dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，當(dāng)每天分輸量達(dá)到日指定分輸量的95%時(shí)會(huì)發(fā)出提示報(bào)警功能，取得了較滿意的應(yīng)用效果。

4　結(jié)束語(yǔ)

公司實(shí)行分輸站夜間無(wú)人值守的管理模式，根據(jù)分輸站管理模式的變化，對(duì)西一線分輸站進(jìn)行了PID控制功能改造，完成按日指定計(jì)劃分輸?shù)淖詣?dòng)控制方案的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了分輸站自動(dòng)分輸?shù)墓δ埽〉昧溯^為滿意的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

［1］劉開(kāi)富.SY／T 5922-1994天然氣輸送管道運(yùn)行管理規(guī)范［S］.北京：石油工業(yè)出版社，1994.

［2］王再英，劉淮霞，陳毅靜.過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］魯明休，羅安.化工過(guò)程控制系統(tǒng)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［4］張俊，羅大庸.廣義預(yù)測(cè)控制和PID控制在混凝投藥中的應(yīng)用［J］.信息與控制，2012，41（3）：89-94.

［5］徐孝軒，黃業(yè)千，亢澤濤.川氣東送分輸站壓力能回收利用潛力分析［J］.天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2013，7（2）：48-51.

（編輯：蔣龍）

B

2095-1132（2015）06-0049-02

10.3969／j.issn.2095-1132.2015.06.014

修訂回稿日期：2015－11－30

梁浩（1963－），博士，副研究員，從事長(zhǎng)輸天然氣管道技術(shù)領(lǐng)域的科技項(xiàng)目管理工作。E-mail：xqdsliang?hao@petrochina.com.cn。