岳銘亮 陳臻榮榮 黃海 邵迪

浙江浙能天然氣運行有限公司

 

摘要：浙江省級管網(wǎng)在天然氣智能輸配控制系統建設中，率先研發(fā)出一套基于模糊理論的控制技術(shù)，提高了系統響應速度，減少了超調量，進(jìn)而實(shí)現主備支路聯(lián)鎖冗余、限流調壓等功能，使供氣保障能力顯著(zhù)提升。同時(shí)，結合水力仿真軟件的負荷預測功能，使輸氣計劃可自動(dòng)下達、分配至小時(shí)流量進(jìn)行控制，匹配用戶(hù)實(shí)際負荷，滿(mǎn)足各時(shí)段需求，提升了用戶(hù)滿(mǎn)意度，實(shí)現零干預、全自動(dòng)智能輸配。

關(guān)鍵詞：天然氣；智能輸配；模糊理論；聯(lián)鎖冗余；零干預

 

浙江省級天然氣管網(wǎng)以嘉興地區站場(chǎng)為試點(diǎn)，以輸配工藝為研究對象，探索出一套基于模糊理論的輸配控制技術(shù)，實(shí)現了工藝支路聯(lián)鎖冗余和全自動(dòng)輸配，為站場(chǎng)智能控制系統奠定了核心技術(shù)基礎。

1  國內外研究現狀

王放等人設計了一種針對干線(xiàn)天然氣分輸流程的控制方法，將壓力調節、流量調節、保障壓力設定和最大流量設定四種控制方式與比選邏輯相結合，從而確定最佳控制方式。該方法在西氣東輸二線(xiàn)取得了良好的實(shí)踐效果[1]。

董秀娟等人解決了多支路間壓力、流量耦合問(wèn)題，采用多支路調節控制，同時(shí)采取壓力調節模糊PID方法，改善了壓力調節性能，減少超調量[2]。

梁懌等人設計了自適應廣義預測控制方法，結合參數辨識、階躍響應系數、期望壓力軌跡開(kāi)環(huán)預測輸出及控制變量增量等，計算獲取當前周期的調節閥控制量，從而獲得可靠性高、穩定性好、超調量低的自動(dòng)分輸控制系統[3]。

MohamadiBaghmolaei等人對比了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、自適應模糊推理系統及模糊推理系統對天然氣輸送控制的優(yōu)化效果。發(fā)現人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )與遺傳算法相結合對輸送控制優(yōu)化具有低消耗，高出口壓力的優(yōu)點(diǎn)[4]。

Chebouba等人比較了蟻群算法及動(dòng)態(tài)規劃法對干線(xiàn)天然氣輸配控制的影響，對比發(fā)現蟻群算法響應更快、穩定性更高，同時(shí)具有更高的輸氣效率及出口壓力[5]。

Cabrera等人設計了一種模型預測控制策略，該策略結合非線(xiàn)性管道評估模型及抗飽和反演計算方法。與傳統預測控制策略相比，該方法具有更少執行時(shí)間、更小超調量以及更快穩定時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)[6]。

2  基于模糊理論的控制技術(shù)

傳統的天然氣輸配控制技術(shù)以經(jīng)典的PID控制方法為主，系統由輸入信號、控制器、執行機構和輸出信號組成（圖 1 a），通過(guò)對比例、積分及微分系數的調整來(lái)控制偏差。

基于模糊理論的控制技術(shù)利用計算機建立模糊數學(xué)模型，將模糊理論引入傳統PID控制系統中，由模糊推理模型、數據輸入、控制器、執行機構、輸出反饋組成（圖 1 b）。其中，模糊推理模型為核心部分，包括控制結構、算法和模糊規則。模糊規則根據省網(wǎng)工藝特點(diǎn)制定，通過(guò)計算標準化程序處理形成。

圖 1 PID控制系統及模糊控制系統結構簡(jiǎn)圖

模糊PID控制技術(shù)把天然氣輸配系統中壓力、溫度的模擬量信號轉換成實(shí)型數據，設置四限報警（高高、高、低、低低），PV調節閥閥位模擬信號轉換成整型數據用于控制設計。模糊推理模型主要通過(guò)對PID的誤差（ER）和誤差變化率（EC）進(jìn)行計算，輸出合理的參數給PID控制器進(jìn)行調節。模糊增量PID控制將誤差及誤差變化分為正大（PB）、正中（PM）、正�。≒S）、零（ZO）、負�。∟S）、負中（NM）、負大（NB）7個(gè)模糊集，采用三角分布作為隸屬度函數[7]（圖 2）。

圖 2 論域—隸屬度函數劃分圖

在對調節后壓力曲線(xiàn)的實(shí)際追蹤過(guò)程中，在保證調節曲線(xiàn)收斂的情況下進(jìn)行控制規則的設計，模糊PID控制規則如下：以正向調節為例（即誤差為正），誤差先后經(jīng)歷正大到負大、負大到正小、正小到零直至趨近穩定的幾個(gè)區域，而相應誤差變化則先后經(jīng)歷負大至零再至正大、負中至零再至正小，最后為零并趨近穩定的幾個(gè)區域，而反向調節則區間不變，正負相反。模糊規則表[7]如表 1所示。

表 1 模糊規則表

經(jīng)現場(chǎng)實(shí)際應用測試，較傳統PID控制而言，采用基于模糊理論的控制技術(shù)進(jìn)行雙向調節中正向或反向調節至穩定狀態(tài)的時(shí)間都明顯縮短，過(guò)程中超調量大幅降低，調節系統響應速度和穩定性有顯著(zhù)改善。

3  智能化控制邏輯

3.1  閥門(mén)閉鎖

閥門(mén)鎖定狀態(tài)下，若閥門(mén)狀態(tài)發(fā)生變化且非操作員或邏輯觸發(fā)動(dòng)作，則系統自動(dòng)發(fā)送開(kāi)/關(guān)命令將閥門(mén)恢復至鎖定狀態(tài)。操作員主動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉閥門(mén)時(shí)閥門(mén)自動(dòng)解鎖，開(kāi)關(guān)到位后閥門(mén)自動(dòng)閉鎖。

3.2  非調節支路聯(lián)鎖冗余

在支路聯(lián)鎖情況下，以用戶(hù)為單位，當聯(lián)鎖主用支路出現故障報警時(shí)，則該支路退出聯(lián)鎖轉為非連鎖。以過(guò)濾、計量支路為例，當主用支路數量減少，則系統自動(dòng)將備用支路按支路序號順序投入主用，并開(kāi)啟其所有電動(dòng)球閥直至主用支路數量恢復原有數量。

3.3  綜合壓力取值

以用戶(hù)為單位，將下游投用此功能的各用戶(hù)所使用的供氣支路中的壓力變送器數據取中位數作為壓力調節的反饋值，壓力變送器數量為偶數時(shí)取兩個(gè)中位數的平均值作為反饋值。

3.4  限壓調流和限流調壓

調壓區的聯(lián)鎖僅針對電動(dòng)調節閥（PV閥），主用支路需自行選擇。當調壓支路投用聯(lián)鎖時(shí)，多條支路開(kāi)度由模糊控制模型統一計算調節，以先主用后備用的原則進(jìn)行正反向調節。調節閥共分為[0%～30%] [30%～60%] [60%～100%]三個(gè)調節區間進(jìn)行調節，正向調節選取當前調節系統內位于最小調節區間的調節閥進(jìn)行調節，反向調節選取當前調節系統內開(kāi)度最大的調節閥進(jìn)行調節，都按主用調節支路順序順延（圖 3）。

圖 3 調流和調壓控制界面

3.5  全自動(dòng)輸配

省級天然氣輸配主要存在三個(gè)難點(diǎn)：①部分上下游站場(chǎng)相鄰，兩級調節器互相干擾；②下游用戶(hù)用氣負荷隨小時(shí)變化較大；③多條調節支路協(xié)調控制復雜。

傳統的PID控制基本只能實(shí)現半自動(dòng)控制，需要值班人員實(shí)時(shí)監控干預。引入模糊控制技術(shù)和一系列智能化控制邏輯后，只要設定某個(gè)用戶(hù)的壓力和流量范圍，系統就會(huì )自動(dòng)控制整個(gè)輸配過(guò)程而完全不需要人為干預，且調節品質(zhì)有效提升基本實(shí)現零超調，大幅度降低值班監控的工作量。

為實(shí)現輸配過(guò)程全自動(dòng)化，必須打通輸氣計劃制定、下達和控制終端執行一整條生產(chǎn)線(xiàn)。傳統的輸氣計劃大部分通過(guò)人工制定，依靠外部輸入方式下達給控制終端，該模式無(wú)法較好地利用管網(wǎng)自身儲氣調峰能力，在小時(shí)調峰方面給用戶(hù)的體驗感較差，常有管網(wǎng)自身管存透支或供氣壓力波動(dòng)較大的現象，不利于管網(wǎng)平穩運行，用戶(hù)滿(mǎn)意度難以提高。

基于控制技術(shù)的創(chuàng )新和智能化水平的提升，采用大數據分析技術(shù)，對各用戶(hù)的歷史用氣負荷、次日計劃量、管網(wǎng)輸送能力等多方面信息進(jìn)行預測分析，結合管網(wǎng)水力仿真模型校核工況，模擬次日用戶(hù)壓力趨勢以及管網(wǎng)管存情況（圖 4），可計算出合理可行的日負荷曲線(xiàn)，并將次日小時(shí)流量按負荷曲線(xiàn)自動(dòng)分配。校核過(guò)程中，用戶(hù)壓力過(guò)低或管存低于警戒值時(shí)，自動(dòng)調整負荷曲線(xiàn)，重新分配小時(shí)流量直至輸氣計劃可行，經(jīng)系統二次確認后，下達給對應輸氣站PLC控制器進(jìn)行調節。

圖 4 PID控制系統及模糊控制系統結構簡(jiǎn)圖

4  結論

（1）模糊PID控制是一種改進(jìn)型控制方式，通過(guò)自整定PID參數以達到強適應性、快響應時(shí)間以及超調量小的目標，經(jīng)實(shí)際測試效果較好，具有推廣潛力。

（2）基于模糊PID控制技術(shù)的創(chuàng )新應用，使新的輸配控制系統可以有更多自動(dòng)化、智能化設計，包括電動(dòng)閥門(mén)防誤動(dòng)閉鎖、支路聯(lián)鎖冗余、綜合壓力取值、限壓調流和限流調壓等。

（3）利用大數據預測和管網(wǎng)水力仿真技術(shù)，從負荷預測到自動(dòng)分配，再到計劃下達并執行，初步實(shí)現了全過(guò)程自動(dòng)輸配，彌補了傳統輸氣計劃人工編制帶來(lái)的不穩定性，優(yōu)化了供氣節點(diǎn)工況和管存水平，增強了管網(wǎng)供氣可靠性，提升了用戶(hù)滿(mǎn)意度。

（4）該技術(shù)推廣至浙江省十個(gè)地市天然氣輸配控制系統，與傳統SCADA系統結合，初步實(shí)現零干擾、全自動(dòng)的智能輸配功能，大大減少站場(chǎng)運行人員工藝操作量，提高了整體生產(chǎn)效率。

 

參考文獻：

[1]王放.天然氣自動(dòng)分輸控制系統控制器設計[J].儀器儀表用戶(hù)，2017，24(12)：12-15.

[2]董秀娟，朱峰，劉曉偉.天然氣管道一體化智能分輸控制系統設計[J].當代化工研究，2020(23)：89-91.

[3]梁懌，彭太翀，李明耀.輸氣站場(chǎng)無(wú)人化自動(dòng)分輸技術(shù)在西氣東輸工程的實(shí)現[J].天然氣工業(yè)，2019，39(11)：112-116.

[4]MohamadiBaghmolaei M, Mahmoudy M, Jafari D, et al. Assessing and optimization of pipeline system performance using intelligent systems[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2014, 18: 64-76.

[5]Chebouba A, Yalaoui F, Smati A, et al. Optimization of natural gas pipeline transportation using ant colony optimization[J]. Computers & Operations Research, 2009, 36(6): 1916-1923.

[6]Cardenas-Cabrera J, Diaz-Charris L, Torres-Carvajal A, et al. Model predictive control strategies performance evaluation over a pipeline transportation system[J]. Journal of Control Science and Engineering,2019.

[7]沈國良，季壽宏，邵迪等.基于曲線(xiàn)跟蹤法的模糊增量型PI控制器設計及應用[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟.2019，13(1)：49-52.

作者簡(jiǎn)介：岳銘亮，1986年生，油氣儲運工程碩士，高級工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），主要從事天然氣管道調度運行管理工作。聯(lián)系方式：18368853585，evan47@163.com。