王樹(shù)祺 姜念琛 戚菁菁 郭永華

(1.中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心,北京 100007；2.西南石油大學(xué),成都 610500)

長(zhǎng)輸液體管道加壓站和分輸站的出站位置一般都裝有調(diào)壓裝置，如壓力調(diào)節(jié)閥(簡(jiǎn)稱(chēng)出站調(diào)節(jié)閥)、變頻泵或兩者結(jié)合。調(diào)壓裝置根據(jù)控制算法輸出信號(hào)自動(dòng)控制閥門(mén)的開(kāi)度或變頻泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)管道內(nèi)介質(zhì)流量和壓力的目的[1,2]。實(shí)際工程中，常用單PID或非耦合雙PID回路對(duì)變頻泵的入口和出站壓力進(jìn)行控制，但是這兩種方式極易在控制模式切換時(shí)引起壓力波動(dòng)，影響管道的使用壽命和生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。因此，筆者將從長(zhǎng)輸液體管道的調(diào)控需求與調(diào)度員的操作特點(diǎn)出發(fā)，以工況分析的形式對(duì)低選控制原理進(jìn)行介紹[3]，推導(dǎo)和闡述低選控制在兩個(gè)PID回路間的自動(dòng)切換流程。最后對(duì)低選控制邏輯進(jìn)行總結(jié)分析，以便利用自動(dòng)化手段消除控制模式切換時(shí)的擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，保障管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1.1 調(diào)壓裝置的作用

調(diào)壓裝置的主要作用：對(duì)變頻泵進(jìn)行保護(hù)，控制變頻泵入口壓力始終保持微正壓，防止變頻泵入口壓力過(guò)低造成變頻泵吸空現(xiàn)象；對(duì)出站管線進(jìn)行保護(hù)，控制出站壓力，防止出站壓力超過(guò)管線可承受的最大壓力；與下一站進(jìn)站壓力相互配合，通過(guò)改變出站壓力，達(dá)到調(diào)整輸出量的目的。

變頻泵與出站調(diào)節(jié)閥具有極為相似的調(diào)節(jié)功能，使用出站調(diào)節(jié)閥做調(diào)壓裝置時(shí)，節(jié)流過(guò)程使管道內(nèi)介質(zhì)的機(jī)械能被損耗；使用變頻泵控制時(shí)，其產(chǎn)生的機(jī)械能是按需傳遞給管道介質(zhì)的，每一個(gè)量級(jí)的機(jī)械能都對(duì)應(yīng)一種控制需求。

1.2 進(jìn)/出站調(diào)節(jié)的作用方式

自動(dòng)控制的核心思想是反饋，正反饋尋求輸出的放大作用，而負(fù)反饋則尋求一種輸出對(duì)輸入的跟隨作用。負(fù)反饋理論包括測(cè)量、比較和執(zhí)行，測(cè)量值與期望值比較得出誤差，用誤差糾正控制系統(tǒng)的輸出。

PID控制算法具有控制響應(yīng)速度快和無(wú)靜差跟蹤的特點(diǎn)[4]。圖1為PID控制原理框圖。其中，Sv(t)為PID系統(tǒng)的輸入期望值，Pv(t)為系統(tǒng)的輸出測(cè)量值，Dv(t)為Sv(t)與Pv(t)之差；Mv(t)為PID輸出的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后以4～20mA工業(yè)信號(hào)控制調(diào)節(jié)閥。

圖1 PID控制原理框圖

PID控制的數(shù)學(xué)模型如下[5]：

(1)

Dv(t)=Sv(t)-Pv(t)

(2)

其中，Kp、Ti、Td分別為PID控制的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。

當(dāng)進(jìn)站壓力設(shè)定值不變，而進(jìn)站壓力下降時(shí)，為使進(jìn)站壓力達(dá)到設(shè)定值，出站調(diào)節(jié)閥要進(jìn)行節(jié)流，開(kāi)度減??；對(duì)于變頻泵，要降低轉(zhuǎn)速。反之則開(kāi)度增加，轉(zhuǎn)速增加。因此，進(jìn)站調(diào)節(jié)的作用方式是正作用方式。

當(dāng)出站壓力設(shè)定值不變，而出站壓力下降時(shí)，為使出站壓力達(dá)到設(shè)定值，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增加，變頻泵轉(zhuǎn)速上升。反之則開(kāi)度減小，轉(zhuǎn)速下降。因此，出站調(diào)節(jié)的作用方式是反作用方式。

2 低選控制

PID低選控制是一種雙PID回路耦合的選擇性切換控制方法。在液體管道調(diào)壓時(shí)，分別建立進(jìn)站壓力控制和出站壓力控制兩個(gè)獨(dú)立的PID回路，并將兩個(gè)PID控制回路的結(jié)果進(jìn)行比較，最后低選輸出。低選控制相比于傳統(tǒng)的單PID和雙PID非耦合控制方法，既可以達(dá)到快速平穩(wěn)的控制目標(biāo)，又能滿足長(zhǎng)輸液體管道對(duì)“嚴(yán)控出站超壓，防范進(jìn)站低壓”的調(diào)控需求。

2.1 控制原理

PID低選檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 PID低選檢測(cè)流程

PID低選的控制理念在于：約束出站壓力過(guò)高，限制進(jìn)站壓力過(guò)低，使進(jìn)、出站壓力調(diào)節(jié)之間自動(dòng)進(jìn)行切換。PID低選控制框圖如圖3所示。

圖3 PID低選控制框圖

2.2 邏輯分析

2.2.1工況1

進(jìn)站壓力測(cè)量值Pv1(t)等于進(jìn)站壓力設(shè)定值Sv1(t)，出站壓力測(cè)量值Pv2(t)等于出站壓力設(shè)定值Sv2(t)。則有：

Pv1(t)=Sv1(t)，Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]=0

Mv1(t)=Mv(t)

Pv2(t)=Sv2(t)，Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)=0

Mv2(t)=Mv(t)

Mv1(t)=Mv2(t)=Mv(t)

理論上系統(tǒng)達(dá)到平衡點(diǎn)，調(diào)節(jié)閥保持原位不進(jìn)行任何動(dòng)作。

2.2.2工況2

進(jìn)站壓力測(cè)量值Pv1(t)等于進(jìn)站壓力設(shè)定值Sv1(t)，出站壓力測(cè)量值Pv2(t)低于出站壓力設(shè)定值Sv2(t)。則有：

Pv1(t)=Sv1(t)，

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]=0，Mv1(t)=Mv(t)

Pv2(t)

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)>0，Mv2(t)>Mv(t)

由于Mv1(t)

2.2.3工況3

進(jìn)站壓力測(cè)量值Pv1(t)高于進(jìn)站壓力設(shè)定值Sv1(t)，出站壓力測(cè)量值Pv2(t)等于出站壓力設(shè)定值Sv2(t)。則有：

Pv1(t)>Sv1(t)，

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]>0，Mv1(t)>Mv(t)

Pv2(t)=Sv2(t)，

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)=0，Mv2(t)=Mv(t)

由于Mv2(t)

2.2.4工況4

進(jìn)站壓力測(cè)量值Pv1(t)低于進(jìn)站壓力設(shè)定值Sv1(t)，出站壓力測(cè)量值Pv2(t)不大于出站壓力設(shè)定值Sv2(t)。則有：

Pv1(t)

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]<0，Mv1(t)

Pv2(t)≤Sv2(t)，

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)≥0，Mv2(t)≥Mv(t)

由于Mv1(t)

2.2.5工況5

出站壓力測(cè)量值Pv2(t)高于出站壓力設(shè)定值Sv2(t)，進(jìn)站壓力測(cè)量值Pv1(t)不小于進(jìn)站壓力設(shè)定值Sv1(t)。則有：

Pv1(t)≥Sv1(t)，

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]≥0，Mv1(t)≥Mv(t)

Pv2(t)>Sv2(t)，

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)<0，Mv2(t)

由于Mv2(t)

2.2.6工況6

進(jìn)站壓力測(cè)量值Pv1(t)高于進(jìn)站壓力設(shè)定值Sv1(t)，出站壓力測(cè)量值Pv2(t)低于出站壓力設(shè)定值Sv2(t)。則有：

Pv1(t)>Sv1(t)，

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]>0，Mv1(t)>Mv(t)

Pv2(t)

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)>0，Mv2(t)>Mv(t)

由于Mv1(t)和Mv2(t)均大于Mv(t)，經(jīng)低選后選擇Mv1(t)和Mv2(t)中數(shù)值較小的一個(gè)做為輸出來(lái)增加調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。相對(duì)而言，由于使用數(shù)值較小的值來(lái)控制閥開(kāi)度，因此需采用緩慢、保守的方式開(kāi)閥。

2.2.7工況7

進(jìn)站壓力測(cè)量值Pv1(t)低于進(jìn)站壓力設(shè)定值Sv1(t)，出站壓力測(cè)量值Pv2(t)高于出站壓力設(shè)定值Sv2(t)。則有：

Pv1(t)

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]<0，Mv1(t)

Pv2(t)>Sv2(t)，

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)<0，Mv2(t)

由于Mv1(t)和Mv2(t)均小于Mv(t)，經(jīng)低選后選擇Mv1(t)和Mv2(t)中數(shù)值較小的一個(gè)做為輸出來(lái)減小調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。相對(duì)而言，由于使用數(shù)值較小的值來(lái)控制關(guān)閉閥門(mén)，因此關(guān)閥應(yīng)當(dāng)機(jī)立斷。

2.3 邏輯總結(jié)

當(dāng)出站壓力高于出站設(shè)定值和進(jìn)站壓力低于進(jìn)站設(shè)定值兩種情況并存時(shí)，根據(jù)兩路PID的低選結(jié)果，選擇能使PID輸出結(jié)果更低的較小者，即關(guān)閥急，誰(shuí)急調(diào)誰(shuí)。

當(dāng)出站壓力高于出站設(shè)定值和進(jìn)站壓力低于進(jìn)站設(shè)定值兩種情況單獨(dú)出現(xiàn)時(shí)，根據(jù)兩路PID的低選結(jié)果，優(yōu)先保證出站不超壓或泵入口壓力不過(guò)低。

當(dāng)壓力在正常范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)兩路PID的低選結(jié)果，開(kāi)閥幅度會(huì)相對(duì)緩慢。

3 結(jié)束語(yǔ)

低選控制的特點(diǎn)是根據(jù)設(shè)定值，圍繞某一個(gè)控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可以同時(shí)兼顧另一控制量，即可在設(shè)定值允許范圍內(nèi)同時(shí)約束兩個(gè)控制量的變化。例如出站壓力控制時(shí)，可以兼顧調(diào)節(jié)進(jìn)站壓力不低于進(jìn)站設(shè)定值；進(jìn)站壓力控制時(shí)，可以兼顧調(diào)節(jié)出站壓力不高于出站設(shè)定值。

低選控制的適用性在于它是從液體管道的控制需求與調(diào)度員的操作特點(diǎn)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)一種自動(dòng)切換輔助功能，消除進(jìn)站壓力控制和出站壓力控制之間切換帶來(lái)的壓力擾動(dòng)，從而確保進(jìn)、出站壓力的自動(dòng)切換和系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，利用自動(dòng)化手段降低了因人工切換不及時(shí)等復(fù)雜因素所帶來(lái)的管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 王志.電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)特性與控制研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2013.

[2] 王書(shū)惠.天然氣長(zhǎng)輸管道分輸壓力控制系統(tǒng)技術(shù)研究[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2012,23(1):23～26.

[3] 吉建嬌,張姣姣,劉丹丹.選擇性控制系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009,(24):174.

[4] Richard C D,Robert H B.Modern Control Systems[M].London: Prentice Hall,2010.

[5] 黃德先,王京春,金以慧.過(guò)程控制系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.