孫 輝 大慶油田天然氣分公司

自適應(yīng)模糊控制策略用于深冷裝置制冷系統(tǒng)

孫 輝 大慶油田天然氣分公司

深冷輕烴回收裝置丙烷機與膨脹機采用獨立控制方式，并沒有考慮變負荷情況下膨脹機自適應(yīng)控制。此種模式造成能源的浪費，增加了企業(yè)運行成本。通過對影響膨脹機運行的關(guān)鍵因素進行分析，利用T-S模糊推理及遞推最小二乘法進行結(jié)論參數(shù)辨識，建立膨脹機模糊控制模型。采用模糊自整定PID控制策略實現(xiàn)膨脹機自適應(yīng)控制，經(jīng)仿真模擬實驗表明，模型誤差小于2%，完全符合現(xiàn)場要求。通過現(xiàn)場實際驗證，該方案達到了預(yù)期的指標要求，能有效地降低系統(tǒng)能耗，提高裝置輕烴產(chǎn)量，實現(xiàn)了節(jié)能增產(chǎn)目的。

自適應(yīng)模糊控制；制冷溫度；輕烴收率；模型；仿真

1 存在的問題

大慶地區(qū)輕烴回收裝置分為深冷和淺冷兩種，其中深冷裝置制冷溫度達到-110℃左右，輕烴收率較高，膨脹機和丙烷機是深冷的主要制冷設(shè)備。輕烴回收裝置中的丙烷機為電動機驅(qū)動，丙烷機的耗電量約占深冷裝置總耗電量的50%。而膨脹機靠透平驅(qū)動，能耗低且制冷量較高。在深冷裝置塔頂制冷溫度相同的情況下，丙烷機和膨脹機的負荷大小對能耗有很大的影響。原有的控制方案并沒有考慮丙烷機和膨脹機的自動變負荷調(diào)節(jié)，均采用各自獨立控制方式。此種模式導(dǎo)致丙烷機負荷較大，能耗較高，造成能源的浪費，增加了運行成本。

因此，有必要制定膨脹機的自適應(yīng)優(yōu)化控制方案以實現(xiàn)其自動調(diào)整負荷的目的，即將丙烷機的負荷降低后，通過增加膨脹機的負荷以達到相同的制冷溫度，此時丙烷機能耗可大大降低。

2 自適應(yīng)控制策略及模型建立

通過上述分析，采用降低丙烷機負荷的措施（根據(jù)丙烷機負荷降低程度，通過自動控制實現(xiàn)提高膨脹機負荷），以實現(xiàn)制冷溫度相同的情況下節(jié)約系統(tǒng)能耗的目的。根據(jù)方案，首先采集膨脹機的相關(guān)數(shù)據(jù)并分析，確定膨脹機建模所需要的輸入變量，建立膨脹機的模型，進而采用合理的控制算法實現(xiàn)其自適應(yīng)控制[1]。

2.1 各變量對膨脹機工作影響的分析

膨脹機的運行參數(shù)有膨脹機出口壓力、膨脹機進口壓力、膨脹機轉(zhuǎn)速、原料氣溫度、原料氣流量、噴嘴開度及膨脹機出口溫度。通過固定其他條件不變，調(diào)整某一變量得到膨脹機各相關(guān)變量對膨脹機工作的影響規(guī)律。從實驗數(shù)據(jù)可以看出，膨脹機出口壓力、原料氣流量、膨脹機轉(zhuǎn)速對膨脹機出口溫度影響較大。因此，將此3個參數(shù)作為膨脹機建模的輸入變量，將膨脹機的出口溫度作為膨脹機建模的輸出變量。

2.2 膨脹機模型的建立

建立膨脹機控制模型，將所采用的模糊建模算法用MATLAB語言進行編程，通過反復(fù)修改聚類參數(shù)得到最佳模糊規(guī)則，使模型的結(jié)構(gòu)劃分更合理[2]。其中隸屬度函數(shù)采用高斯函數(shù)。經(jīng)過在實驗室的反復(fù)驗證修改，得到膨脹機的最終模型為：

3 仿真實驗及實際應(yīng)用對比分析

本方案采用模糊自適應(yīng)PID控制策略，將膨脹機出口溫度偏差和偏差的變化率作為模糊系統(tǒng)的輸入，3個PID參數(shù)的變化值作為輸出，根據(jù)事先確定好的模糊控制規(guī)則做出模糊推理，在線改變PID參數(shù)的值，從而實現(xiàn)PID參數(shù)的自調(diào)整[3]。結(jié)合實際操作經(jīng)驗以及模糊規(guī)則建立的原則，可得出膨脹機冷量自動調(diào)節(jié)的模糊控制規(guī)則。在控制規(guī)則中E代表誤差，EC代表誤差變化，ΔKp、ΔKi、ΔKd分別代表輸出的模糊控制量。針對不同的輸出量，分別得到49條控制規(guī)則。

找出PID的3個參數(shù)Kp、Ki、Kd與E和EC之間的模糊關(guān)系，在運行中通過控制器不斷檢測E和EC，根據(jù)模糊控制原理來對3個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同的E和EC對控制參數(shù)的要求，使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。

3.1 仿真實驗

為了驗證模型的精確性，在裝置正常運行的情況下采集膨脹機輸入、輸出變量的100組數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)用于所建立的模糊模型，以驗證模型誤差是否在允許的誤差范圍內(nèi)。膨脹機模型誤差仿真效果如圖1所示。

圖1 膨脹機模型誤差仿真

由仿真圖可以看出，所得模型誤差小于0.2%，完全符合現(xiàn)場要求。

3.2 膨脹機變負荷自適應(yīng)控制策略應(yīng)用

將上述建立的膨脹機變負荷自適應(yīng)控制策略加載至DCS控制系統(tǒng)，逐漸降低丙烷機負荷，膨脹機負荷由控制算法實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，達到期望的制冷溫度，由此實現(xiàn)節(jié)約能耗目的。通過采集控制策略，對應(yīng)用效果進行對比分析。表1為膨脹機優(yōu)化前后相關(guān)數(shù)據(jù)的對比情況。

表1 膨脹機優(yōu)化前后相關(guān)數(shù)據(jù)對比

3.3 效益分析

該項目在深冷裝置應(yīng)用后，裝置能耗有所降低，輕烴產(chǎn)量增加。

（1）由于提高了膨脹機制冷負荷，所以丙烷機負荷大幅降低，經(jīng)計算，丙烷機的電耗由172.59× 10-4kW·h/m3下降到136.30×10-4kW·h/m3，裝置年節(jié)約電量72.59×104kW·h。

（2）優(yōu)化措施應(yīng)用后，脫甲烷塔溫度梯度分布更趨于合理化，提高了系統(tǒng)制冷能力，輕烴收率有所提高。經(jīng)計算，裝置輕烴收率由1.95×10-4t/m3提高到2.03×10-4t/m3，裝置年增產(chǎn)輕烴1 612.54 t。

按裝置設(shè)計處理量2×108m3/a，輕烴4 250元/噸，電費0.574 7元/千瓦時計，年增加經(jīng)濟效益726.33萬元。

4 結(jié)論

（1）膨脹機的自適應(yīng)優(yōu)化控制方案是利用T-S模糊推理的非線性逼近能力，借鑒模式識別聚類思想提取樣本數(shù)據(jù)模糊規(guī)則，用遞推最小二乘法進行結(jié)論參數(shù)辨識，建立模糊規(guī)則來描述系統(tǒng)特征，即模型輸入與輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。經(jīng)驗證，采用此類方法建立的模型精度達到2%以內(nèi)。

（2）基于模塊化思想設(shè)計優(yōu)化控制模型，將關(guān)鍵部分封裝成標準化模塊，可根據(jù)系統(tǒng)的實際需求組建優(yōu)化控制系統(tǒng)，使優(yōu)化控制模型具有更強的適應(yīng)性。

（3）將模糊PID控制、預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進控制策略應(yīng)用于控制模型，得到了良好控制效果，并保持了受控對象自身的動、靜性能，系統(tǒng)具有更強的魯棒性。

（4）通過本項目的研究，優(yōu)化系統(tǒng)控制參數(shù)，提高膨脹機制冷能力，合理優(yōu)化裝置脫甲烷塔冷量梯度分布，有效降低裝置能耗，提高裝置輕烴產(chǎn)量，實現(xiàn)了節(jié)能增產(chǎn)目的。本項目研究成果可為其他同類裝置節(jié)能增產(chǎn)提供指導(dǎo)作用。

[1]程武山．智能控制理論與應(yīng)用[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，2006：45-60.

[2]劉曙光，魏俊民，竺志超，模糊控制技術(shù)[M]．北京：中國紡織出版社，2001：78-83.

[3]王永紅．NURBS曲線數(shù)控插補算法研究[J]．機械制造與自動化，2010（4）：57-60.

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.029

孫輝：工程師，2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院控制理論與控制工程專業(yè)，現(xiàn)任大慶油田天然氣分公司油氣加工十大隊生產(chǎn)辦主任。

2015-05-08

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