孫曉波

（中國石油北京油氣調(diào)控中心，北京 100007）

0 引言

天然氣長輸管道持續(xù)快速發(fā)展，天然氣用戶規(guī)模也不斷擴(kuò)大［1］。手動(dòng)為用戶分輸需要耗費(fèi)大量人力且分輸控制準(zhǔn)確性不高，為了提高管道運(yùn)行效率和用戶分輸控制水平需要利用自動(dòng)分輸手段給用戶供氣。自動(dòng)分輸主要是根據(jù)分輸用戶的供氣特點(diǎn)，制定不同的自動(dòng)分輸控制邏輯，自動(dòng)完成用戶分輸?shù)母黜?xiàng)操作。借助自動(dòng)分輸可以降低用戶日指定量和實(shí)際用氣量的偏差，降低分輸控制工作量?；谥袊捅本┯蜌庹{(diào)控中心在相關(guān)領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)適應(yīng)不同用戶需求的自動(dòng)分輸供氣模式，提出各種供氣模式的控制邏輯和自動(dòng)分輸安全保護(hù)邏輯，通過實(shí)踐應(yīng)用檢驗(yàn)不同的自動(dòng)分輸控制邏輯可否滿足用戶供氣需求［2-4］。

1 用戶用氣特點(diǎn)和自動(dòng)分輸方式

1.1 用戶類型和用氣規(guī)律

北京油氣調(diào)控中心負(fù)責(zé)向華北地區(qū)長輸管網(wǎng)天然氣用戶供氣，根據(jù)用戶用氣特點(diǎn)和歷史供氣經(jīng)驗(yàn)，可以將用戶分為以下6 種類型：①居民用戶：用氣波峰波谷較為明顯，用氣量隨時(shí)間波動(dòng)較大，通常夜間為用氣低谷，需要保證最低供氣壓力；②綜合性用戶：通常同時(shí)包含民用用戶和工業(yè)用戶。有一定的基礎(chǔ)用氣，在此基礎(chǔ)上存在用氣量的波動(dòng)；③一般工業(yè)用戶：用氣較為穩(wěn)定，時(shí)段性不明顯；④不可中斷工業(yè)用戶：用氣壓力要求較高，產(chǎn)生壓力波動(dòng)可能會(huì)造成嚴(yán)重后果，如煉化廠、電廠、玻璃廠等；⑤CNG 加氣站等間歇性供氣用戶：不定時(shí)用氣，沒有可利用管存，用氣期間要求壓力平穩(wěn)；⑥間歇性供氣用戶：管存容量大，或有多方氣源，以間斷方式進(jìn)行供氣。

以上6 種用戶類型中居民用戶、一般工業(yè)用戶、綜合性用戶是有一定用氣規(guī)律的用戶，用戶用氣量隨時(shí)間變化，遵循一定的規(guī)律。CNG 加氣站用戶和間歇性供氣用戶的用氣量變化與時(shí)間無明顯關(guān)系，用氣隨機(jī)性較強(qiáng)，無明顯的用氣規(guī)律。不可中斷工業(yè)用戶用氣穩(wěn)定，用氣壓力要求敏感，產(chǎn)生壓力波動(dòng)可能會(huì)造成嚴(yán)重后果。

1.2 自動(dòng)分輸方式

針對(duì)不同的用戶供氣需求，基于到量停輸法、恒壓控制法、剩余平均法、不均勻系數(shù)法4種不同的自動(dòng)分輸控制算法，將其整合為一套自動(dòng)分輸控制程序以適應(yīng)各種不同用戶自動(dòng)化控制的需求，實(shí)現(xiàn)日指定的自動(dòng)精準(zhǔn)控制。不同用戶供氣需求可采用不同的自動(dòng)分輸方式（表1）：①對(duì)不可中斷且有供氣壓力需求的用戶采用不均勻系數(shù)控制方法按日指定量進(jìn)行自動(dòng)分輸供氣；②對(duì)可中斷用戶采用到量停輸法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分輸供氣；③對(duì)無壓力限制的用戶采用剩余平均控制法或到量停輸控制法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分輸供氣；④對(duì)穩(wěn)定供氣的不可中斷用戶采用恒壓控制法或剩余平均流量法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分輸供氣。

表1 用戶及自動(dòng)分輸方式對(duì)應(yīng)表

2 自動(dòng)分輸控制邏輯

天然氣管網(wǎng)運(yùn)行人員每天根據(jù)批復(fù)的用戶日指定量進(jìn)行輸氣作業(yè)。運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動(dòng)采集當(dāng)日批復(fù)的日指定量，由運(yùn)行人員進(jìn)行一鍵下發(fā)到自動(dòng)分輸控制系統(tǒng)，再由自動(dòng)分輸控制系統(tǒng)根據(jù)用戶日指定量進(jìn)行自動(dòng)分輸控制。自動(dòng)分輸控制主要依靠分輸調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)模式來實(shí)現(xiàn)，分輸調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)模式有壓力調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)兩種控制方式。在壓力控制模式下，能夠自動(dòng)檢測當(dāng)前壓力和目標(biāo)壓力，通過調(diào)節(jié)閥門開度使得當(dāng)前壓力達(dá)到目標(biāo)壓力。在流量控制模式下，能夠自動(dòng)檢測當(dāng)前流量和目標(biāo)流量，通過調(diào)節(jié)閥門開度使得當(dāng)前流量達(dá)到目標(biāo)流量［5-8］。

2.1 恒壓控制法控制邏輯

對(duì)于穩(wěn)定供氣的不可中斷用戶，自動(dòng)分輸時(shí)采用設(shè)定的壓力值進(jìn)行恒壓供氣。在恒壓控制模式下，管道分輸控制閥保持常開，采用壓力控制，壓力設(shè)定值按照需要的運(yùn)行壓力設(shè)定［9］。當(dāng)日指定量完成率達(dá)到99.8%時(shí)，繼續(xù)保持當(dāng)前壓力設(shè)定值進(jìn)行輸氣。恒壓控制下，日指定控制由用戶自主完成，程序不進(jìn)行干預(yù)［10-11］。

2.2 剩余平均法控制邏輯

剩余平均法適用于用戶各時(shí)段用氣分布比較均勻且無壓力限制的用戶。剩余平均法將每天劃分成若干個(gè)時(shí)段，在每個(gè)時(shí)段輸氣開始前，按照用戶日指定量和當(dāng)日已完成的輸氣量計(jì)算出的剩余時(shí)間的平均供氣量并按照剩余平均流量值控制分輸調(diào)節(jié)閥對(duì)用戶進(jìn)行供氣。完成當(dāng)日分輸后，系統(tǒng)保持當(dāng)前輸氣狀況不變，并按照第二天新下發(fā)的日指定量進(jìn)行供氣。

2.3 不均勻系數(shù)法控制邏輯

不均勻系數(shù)控制模式首先將每天劃分成若干個(gè)時(shí)段，根據(jù)過去7天用氣規(guī)律，計(jì)算當(dāng)天各時(shí)段所占的不均勻系數(shù)。在每個(gè)時(shí)段輸氣開始前，根據(jù)當(dāng)日日指定量和該時(shí)段的不均勻系數(shù)計(jì)算當(dāng)前時(shí)段輸氣量分配值并進(jìn)行流量調(diào)節(jié)（圖1）。完成當(dāng)日分輸后，系統(tǒng)保持當(dāng)前輸氣狀況不變，等待下發(fā)新的日指定量，然后重新計(jì)算預(yù)估偏差率、不均勻系數(shù)等參數(shù)，第二天開始自動(dòng)分輸。每個(gè)時(shí)段的不均勻系數(shù)計(jì)算公式如式（1）所示。

式中，Xwt為每個(gè)時(shí)段的不均勻系數(shù)；Qh為過去M天此時(shí)段的實(shí)際輸氣量，m3；Qd為過去M 天每天的總輸氣量，m3。

2.4 到量停輸控制邏輯

圖1 理想情況不均勻系數(shù)法供氣曲線圖

正常輸氣時(shí)采用恒壓控制法、剩余平均控制法或不均勻系數(shù)法3種控制方式中的一種，因?yàn)檫@3種供氣方式同一時(shí)間只能啟用一種。到量停輸控制邏輯可以與上述3種方式同時(shí)啟用，也可以不啟用。一般對(duì)于可中斷分輸用戶可以采用到量停輸法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分輸控制。實(shí)行到量停輸控制邏輯時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)前用戶總輸氣量，當(dāng)輸氣量到達(dá)日指定量的99.8%時(shí)發(fā)出日指定量完成報(bào)警，并根據(jù)到量停輸功能是否啟用確定是否執(zhí)行停輸操作。如果允許停輸，則關(guān)閉分輸用戶并發(fā)出報(bào)警，如果不允許關(guān)閉用戶，則保持原有供氣邏輯繼續(xù)供氣。當(dāng)完成供氣量的時(shí)間在7∶40-8∶10 范圍內(nèi)，程序不再執(zhí)行到量停輸邏輯。

2.5 輔助控制邏輯

為了保證用戶的供氣安全和供氣精準(zhǔn)度，開發(fā)了壓力超限控制、低流量保護(hù)、偏差調(diào)校3種輔助控制程序，其與到量停輸法、恒壓控制法、不均勻系數(shù)法、剩余平均法同時(shí)啟用。①壓力超限控制邏輯：在調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)模式下根據(jù)用戶要求設(shè)置最低分輸壓力和最高分輸壓力限值。在限值范圍內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，當(dāng)壓力達(dá)到上、下限值時(shí)系統(tǒng)切換為壓力調(diào)節(jié)，當(dāng)壓力恢復(fù)正常范圍后再切換為流量調(diào)節(jié)。②低流量保護(hù)控制邏輯（圖2a）：在自動(dòng)分輸過程中，當(dāng)瞬時(shí)流量連續(xù)300秒小于最低流量限值時(shí)自動(dòng)關(guān)閉供氣管路閥門，當(dāng)供氣壓力低于控制壓力低限時(shí)重新打開供氣管路閥門繼續(xù)進(jìn)行輸氣。目的是為了使流量計(jì)在量程范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)量，使計(jì)量結(jié)果更準(zhǔn)確。③預(yù)期偏差調(diào)校功能（圖2b）：當(dāng)用戶實(shí)際需求量與日指定輸氣量偏差較大時(shí)，系統(tǒng)能夠及早采取糾偏控制。系統(tǒng)計(jì)算日指定輸氣量與預(yù)估用氣量偏差率。如果偏差率小于±20%，系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)期偏差調(diào)校，采用最低分輸壓力進(jìn)行恒壓輸氣；如果偏差率大于±20%，采用最高分輸壓力進(jìn)行恒壓輸氣。當(dāng)預(yù)期偏差調(diào)校啟用時(shí)，每個(gè)時(shí)段輸氣完成后系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前實(shí)際輸氣量計(jì)算日指定輸氣量與當(dāng)日預(yù)估輸氣量偏差，如果偏差調(diào)校成功則停止預(yù)期偏差調(diào)校切換至原有控制模式，否則繼續(xù)保持預(yù)期偏差調(diào)校模式。

圖2 自動(dòng)分輸輔助控制邏輯圖

3 自動(dòng)分輸應(yīng)用

西沙屯站屬于北京油氣調(diào)控中心管理，是向下游用戶北京燃?xì)夤竟獾姆州斦?，高峰期供氣量達(dá)到2 500×104m3／d。未自動(dòng)分輸前是由人工進(jìn)行日指定控制，偏差率波動(dòng)較大且耗費(fèi)大量人力。2018年11月12日，西沙屯站自動(dòng)分輸改造完畢，開始采用不均勻系數(shù)法控制，投用后經(jīng)過不斷發(fā)現(xiàn)解決問題，整體偏差率曲線趨平緩。具體情況見圖3所示。

圖3 西沙屯站不均勻系數(shù)法日指定控制情況圖

4 結(jié)論

1）自動(dòng)分輸功能實(shí)施后，用戶日指定量與實(shí)際完成量偏差均在1%以內(nèi)，說明自動(dòng)分輸能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的日指定量控制，而且控制過程中除需下發(fā)日指定量外完全不需要人為操作，極大降低了分輸控制的工作量，減少了因日指定數(shù)據(jù)人工錄入錯(cuò)誤造成的控制偏差。

2）自動(dòng)分輸技術(shù)與集中遠(yuǎn)程控制的運(yùn)行模式相結(jié)合，為天然氣管網(wǎng)全面遠(yuǎn)控奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為站場的區(qū)域化管理模式變革提供了條件。

3）各管道公司大力推行無人站場加區(qū)域化管理的管控模式，將大量現(xiàn)場人員從重復(fù)工作中解放出來，投入到設(shè)備、線路、檢修等工作中，真正實(shí)現(xiàn)了減人增效［12］。

4）自動(dòng)分輸控制邏輯能夠在保障用戶供氣安全的情況下自動(dòng)完成當(dāng)天的輸氣任務(wù)并滿足用戶自動(dòng)分輸?shù)目刂埔螅休^高的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，可以大范圍地推廣使用［13］。