沈善修

(湖北省天然氣發(fā)展有限公司,湖北 武漢 437000)

伴隨著天然氣行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步,越來(lái)越多的輸氣場(chǎng)站采用調(diào)度中心控制或者自動(dòng)控制[1-3],各燃?xì)夤艿榔髽I(yè)相繼實(shí)施全自動(dòng)分輸控制改造,并逐步實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)輸氣。全自動(dòng)分輸控制邏輯主要是基于流量控制和壓力控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的[4]。壓力控制,指在日常輸氣時(shí)通過(guò)PLC對(duì)壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動(dòng)控制[5-7],使得調(diào)壓閥后端的壓力穩(wěn)定。

壓力控制主要是應(yīng)用PLC內(nèi)部的PID控制。當(dāng)下游天然氣管網(wǎng)壓力波動(dòng)頻繁、下游用氣不穩(wěn)定、工作調(diào)壓閥死區(qū)較大時(shí),PID控制就會(huì)出現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)不穩(wěn)、壓力波動(dòng)大、工作調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作的問(wèn)題[8-9]。目前,也有學(xué)者對(duì)該類問(wèn)題進(jìn)行研究,提出改進(jìn)控制算法,主要思路包括優(yōu)化PID算法、降低PID起調(diào)量、模糊算法控制、趨近控制法等方法[10-16],主要目的是避免調(diào)節(jié)幅度過(guò)大。近年來(lái),天然氣行業(yè)高速發(fā)展,很多輸氣場(chǎng)站與上游、下游場(chǎng)站“背靠背”而建,它們進(jìn)出站的管道水容積很小,下游稍小的流量波動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致上游出現(xiàn)較大的壓力波動(dòng),因此在實(shí)現(xiàn)恒壓控制時(shí)非常困難。

1 管容小時(shí)恒壓運(yùn)行難的原因

1.1 假設(shè)條件

輸氣站調(diào)壓工藝流程及壓力曲線如圖1所示。在推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型之前,假設(shè)管道內(nèi)的氣體為理想氣體,氣體的組分和溫度不變,通過(guò)工作調(diào)壓閥的流量為qV1,出站管道后端下游側(cè)的用氣流量為qV2,出站管道的氣體壓力為p,密度為ρ。則取圖1b)中的A點(diǎn),則A時(shí)刻氣體狀態(tài)方程如式(1)所示:

圖1 輸氣站調(diào)壓工藝流程及壓力曲線示意

(1)

式中:pA——A時(shí)刻管道的平均壓力;V——出站管道的水容積;mA——A時(shí)刻管道內(nèi)氣體的質(zhì)量;Mmol——管道內(nèi)氣體的摩爾質(zhì)量;R——普適氣體常量;T——?dú)怏w的溫度。

經(jīng)過(guò)輸氣時(shí)間Δt后,取圖1b)中的B點(diǎn),則B時(shí)刻氣體狀態(tài)方程如式(2)所示:

(2)

式中:pB——B時(shí)刻管道的平均壓力;mB——B時(shí)刻管道內(nèi)氣體的質(zhì)量。

從A時(shí)刻到B時(shí)刻,根據(jù)連續(xù)性方程得知:

mB=mA+ρ(qV1-qV2)·Δt

(3)

由式(1)～(3)得出式(4)如下:

(4)

由式(4)可知,B時(shí)刻的壓力主要跟qV1與qV2的差值、Δt及管道的水容積V有關(guān)。

1.2 小管容下恒壓難以控制的原因

若V很小,當(dāng)下游突然大幅度降低輸氣流量時(shí),pB在極短的時(shí)間迅速升高。如果閥門動(dòng)作不及時(shí),壓力迅速偏離設(shè)定壓力,甚至?xí)?dǎo)致切斷閥切斷而停止輸氣,從而造成調(diào)壓周期更長(zhǎng),這是在輸氣時(shí)出現(xiàn)壓力波動(dòng)的主要原因。這種大幅度調(diào)流導(dǎo)致的壓力波動(dòng)很難控制,響應(yīng)時(shí)間短,壓力上升速度快。

2 步進(jìn)控制原理

管存小時(shí)的恒壓輸氣需要解決的問(wèn)題有兩個(gè): 一是閥門的調(diào)節(jié)要快,當(dāng)下游流量突然減小時(shí),閥門能夠快速減小開度,降低輸氣流量;當(dāng)下游流量突然增大時(shí),閥門能夠快速加大開度,增大輸氣流量。二是壓力控制要穩(wěn),閥門快速動(dòng)作后,實(shí)際壓力要盡可能地接近設(shè)定壓力,閥門盡量不要頻繁動(dòng)作。通過(guò)PLC分析采集壓力的變化規(guī)律,結(jié)合控制器來(lái)周期性調(diào)節(jié)閥門的動(dòng)作幅度,通過(guò)壓降速率來(lái)解決恒壓輸氣問(wèn)題。

2.1 壓降速率

管道的壓力變化可以使用壓降速率表示,如圖1b)中,定義AB點(diǎn)的壓降速率為vΔp,結(jié)合式(4)可知:

(5)

根據(jù)式(5)可知,vΔp與流量有關(guān),當(dāng)qV1=qV2時(shí),vΔp=0,pA=pB,此時(shí)壓力不變;當(dāng)qV1>qV2時(shí),vΔp>0,pApB,壓力降低。結(jié)合圖1b),根據(jù)零點(diǎn)定理可知,vΔp從負(fù)值到正值或從正值到負(fù)值時(shí),一定會(huì)存在一個(gè)時(shí)刻,使得vΔp=0,簡(jiǎn)稱壓力拐點(diǎn),該時(shí)刻qV1=qV2。

2.2 控制原理

步進(jìn)控制原理: 在1個(gè)時(shí)間周期t內(nèi),將當(dāng)前的工作調(diào)壓閥的閥位增大(或減小)1個(gè)動(dòng)作步長(zhǎng)Lss的開度,檢查vΔp是否滿足要求,如果不滿足要求,重復(fù)上述步驟,直到vΔp滿足要求,閥位停止調(diào)節(jié)。受制于工作調(diào)壓閥上電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度誤差[17-19],會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(執(zhí)行器)不動(dòng)作的情況,此時(shí)動(dòng)作步長(zhǎng)會(huì)累加到下個(gè)周期予以執(zhí)行,依次循環(huán),直到閥門執(zhí)行為止。步進(jìn)控制原理如圖2所示,調(diào)壓閥壓力區(qū)間與調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖2 步進(jìn)控制原理示意

圖3 調(diào)壓閥壓力區(qū)間與調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系示意

2.3 恒壓控制的工作邏輯

定義一個(gè)壓力偏差pdb為壓力死區(qū)和一個(gè)壓降速率死區(qū)vΔpdb,假設(shè)測(cè)量壓力值為pPV,恒壓控制的設(shè)定壓力值為pSV?？刂撇襟E如下。

2.3.1執(zhí)行壓力偏差控制

該步驟目的是使得閥門快速響應(yīng),使得壓力進(jìn)入壓力偏差區(qū)內(nèi),如圖3所示。

1)當(dāng)pPV>pSV+pdb,此時(shí)壓力大于目標(biāo)值,閥門開度需減小,使用步進(jìn)控制方法調(diào)節(jié)閥門開度,直到vΔp<0后停止調(diào)節(jié),此時(shí)qV1與qV2兩者相差較小,壓力緩慢下降,等待pPV緩慢趨近pSV。當(dāng)pSV-pdb≤pPV≤pSV+pdb,開始執(zhí)行壓降速率控制。

2)當(dāng)pPV0后停止調(diào)節(jié),此時(shí)qV1與qV2兩者相差較小,壓力緩慢上升,等待pPV緩慢趨近pSV。當(dāng)pSV-pdb≤pPV≤pSV+pdb,開始執(zhí)行壓降速率控制。

2.3.2執(zhí)行壓降速率控制

該步驟目的是降低vΔp,使壓力變化的速度更為緩慢,避免壓力波動(dòng)太大。

1)當(dāng)vΔp>+vΔpdb時(shí),壓降速率過(guò)大,需要減小閥門開度,使用步進(jìn)控制方法減小閥門開度,直到|vΔp|≤vΔpdb,閥門停止調(diào)節(jié)。

2)當(dāng)vΔp<-vΔpdb時(shí),壓降速率過(guò)小,需要增大閥門開度,使用步進(jìn)控制方法增大閥門開度,直到|vΔp|≤vΔpdb,閥門停止調(diào)節(jié)。

3)當(dāng)-vΔpdb≤vΔp≤vΔpdb時(shí),壓降速率在允許的范圍內(nèi),閥門停止調(diào)節(jié),同時(shí)能避免閥門頻繁動(dòng)作。

上述過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)任意pSV下的恒壓控制,最終閥門在壓力死區(qū)范圍內(nèi)緩慢波動(dòng)。由式(5)可知,當(dāng)vΔp>0,pApB,因此vΔp的正負(fù)性可以理解為與時(shí)間無(wú)關(guān),在執(zhí)行壓力偏差控制時(shí),響應(yīng)速度可以非?？臁?/p>

使用步進(jìn)式控制方式,巧妙地結(jié)合了零點(diǎn)定理,使得閥門停止調(diào)節(jié)時(shí)的qV1和qV2的差值較小,pPV緩慢趨近于pSV。當(dāng)管道水容積較小時(shí),下游的流量調(diào)節(jié)會(huì)帶來(lái)較大的壓力波動(dòng),壓力變化會(huì)非?？?此時(shí)一定會(huì)進(jìn)入壓力偏差控制,從而實(shí)現(xiàn)了閥門的快速響應(yīng)。當(dāng)閥門的工作死區(qū)較大時(shí),閥門經(jīng)過(guò)多次調(diào)節(jié)后,流量基本不變,也會(huì)導(dǎo)致壓力偏差越來(lái)越大,會(huì)迅速進(jìn)入壓力偏差控制區(qū),快速越過(guò)控制死區(qū)。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,輸氣時(shí)可能會(huì)需要調(diào)整恒壓運(yùn)行時(shí)的pSV,當(dāng)pSV變化較大時(shí),會(huì)直接使得閥門進(jìn)入壓力偏差控制,使得pPV會(huì)緩慢接近pSV,實(shí)際的供求流量差值較小,從根本上避免壓力陡漲陡降的問(wèn)題,從而保障輸氣平穩(wěn)。

3 關(guān)鍵控制參數(shù)優(yōu)化

該算法目的是使閥門處于壓降速率控制區(qū),降低閥門調(diào)節(jié)幅度,使qV1與qV2的值更為接近。現(xiàn)實(shí)中qV1與qV2存在一定的差值,隨著時(shí)間的積累,使得pPV緩慢偏離pSV,因此允許壓力在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)。該控制算法主要與管道水容積、允許的單次流量差|qV1-qV2|、允許的壓力死區(qū)、壓降速率及閥門的控制死區(qū)等參數(shù)有關(guān)。結(jié)合設(shè)備和生產(chǎn)實(shí)際,相關(guān)參數(shù)的確定推薦使用如下公式。

1)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn),選擇pdb和|qV2-qV1|的值,通過(guò)相關(guān)參數(shù)確定壓降速率控制值時(shí)的vΔpdb,然后確定壓降速率控制的時(shí)間周期T2。壓降速率控制值vΔpdb計(jì)算如式(6)所示:

(6)

壓降速率控制時(shí)的時(shí)間周期T2計(jì)算如式(7)所示:

(7)

式中:n2≥2,一般選擇2～8即可;pa——大氣壓力;T2——壓降速率控制時(shí)的時(shí)間周期。

確定壓力偏差控制時(shí)的時(shí)間周期T1,T1可以非常小,但T1越小,閥門開度變化越快。根據(jù)上述邏輯可知,當(dāng)流量過(guò)大,立即進(jìn)入壓力偏差控制,因此選擇一個(gè)|qV1-qV2|max的上限值,一般T1中的n1可以選擇1～5。T1的計(jì)算如式(8)所示:

(8)

2)動(dòng)作步長(zhǎng)Lss的確定。動(dòng)作步長(zhǎng)主要與閥門自身特性有關(guān),壓降速率控制時(shí)的動(dòng)作步長(zhǎng)Lss2一般推薦為控制精度的50%左右,壓力偏差控制時(shí)的動(dòng)作步長(zhǎng)Lss1約為控制精度的66.7%。

閥門在執(zhí)行壓降速率控制時(shí),Lss2較小,動(dòng)作周期較長(zhǎng);閥門在執(zhí)行壓力偏差控制時(shí),Lss1略大,動(dòng)作周期較短。當(dāng)下游輸氣流量變化時(shí),上游側(cè)的壓降速率先快速增大,后緩慢減小,最后趨于平穩(wěn),時(shí)間越長(zhǎng),壓降速率越精準(zhǔn)越平穩(wěn)[20-21],所以壓降速率控制周期不能太小,周期太小壓降速率的計(jì)算值不穩(wěn)定,閥門調(diào)節(jié)的次數(shù)越多,壓力波動(dòng)次數(shù)越多。

4 案例應(yīng)用

某分輸站出站管道到下游城市燃?xì)忾T站撬裝入口距離約100 m,出站管道管徑DN250,該分輸站工作調(diào)壓閥前壓力3.0～4.2 MPa,閥后運(yùn)行壓力1.5～2.1 MPa,日均輸氣為標(biāo)準(zhǔn)6.0×104m3,下游流量需求在1.7×103～7.5×103m3/h,出站管道水容積約為9 m3,管存非常小,工作調(diào)壓閥控制精度為1%,壓力上限為2.1 MPa,壓力下限為1.55 MPa。早期該站只能上下游聯(lián)動(dòng)恒流輸氣,加裝上述恒壓算法后,實(shí)現(xiàn)了恒壓1.75 MPa全自動(dòng)分輸。

參數(shù)選取: 根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際,選擇pdb=0.03 MPa, |qV2-qV1|=300 m3/h, |qV2-qV1|max=1×103m3/h,n2=3,n1=3,計(jì)算得出:vΔpdb=0.001 MPa/s,T2=10 s,T1=3 s,Lss2=0.5%,Lss1=0.8%。某分輸站恒壓控制曲線如圖4所示。

圖4 某分輸站恒壓控制曲線示意

通過(guò)圖4可知: 輸氣流量范圍為2.2×103～3.2×103m3/h,壓力波動(dòng)的最小值為1.70 MPa,壓力最大值為1.80 MPa。6 min開始,系統(tǒng)恒壓1.75 MPa運(yùn)行。7～14 min,執(zhí)行壓力偏差控制,出現(xiàn)拐點(diǎn)后閥門不再動(dòng)作,壓力緩慢上升。15～125 min,系統(tǒng)處于壓降速率控制,流量約為2.2×103m3/h,壓力緩慢波動(dòng)。126 min時(shí),下游突然調(diào)流到2.6×103m3/h,處于壓力偏差控制,閥門迅速增大,壓力緩慢上升后,由于壓降速率過(guò)大,再次調(diào)節(jié)閥門開度,最終控制流量為2.6×103m3/h。270 min,下游突然將流量從3.2×103m3/h降低到2.4×103m3/h,執(zhí)行壓力偏差控制,閥位迅速降低,然后執(zhí)行壓降速率控制,壓力緩慢波動(dòng)。

通過(guò)圖4可以看出,該算法響應(yīng)時(shí)間短,閥門快速響應(yīng),能夠有效控制輸氣時(shí)的壓力,從而將出站壓力波動(dòng)穩(wěn)定在一個(gè)較小的范圍內(nèi),并且從閥門的開度變化也能看出閥門沒(méi)有頻繁動(dòng)作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了以壓降速率為核心的恒壓控制算法,以下游實(shí)際輸氣流量為目標(biāo)進(jìn)行控制,可始終將輸氣流量控制到下游的實(shí)際用氣流量附近,能夠很好地解決出站管容小而難以穩(wěn)定恒壓輸氣的問(wèn)題。算法的快速響應(yīng)能避免較大的壓力波動(dòng),能夠有效解決閥門切斷問(wèn)題,該算法原理簡(jiǎn)單,可在常規(guī) PLC上實(shí)現(xiàn),結(jié)合自動(dòng)分輸邏輯,非常適用于集中調(diào)度和無(wú)人值守的場(chǎng)景,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。