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(tǒng)建設中，率先研發(fā)出一套基于模糊理論的控制技術，提高了系統(tǒng)響應速度，減少了超調量，進而實現(xiàn)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提升。同時，結合水力仿真軟件的負荷預測功能，使輸氣計劃可自動下達、分配至小時流量進行控制，匹配用戶實際負荷，滿足各時段需求，提升了用戶滿意度，實現(xiàn)零干預、全自動智能輸配。

關鍵詞：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(qū)站場為試點，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，實現(xiàn)了工藝支路聯(lián)鎖冗余和全自動輸配，為站場智能控制系統(tǒng)奠定了核心技術基礎。

1  國內外研究現(xiàn)狀

王放等人設計了一種針對干線天然氣分輸流程的控制方法，將壓力調節(jié)、流量調節(jié)、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取得了良好的實踐效果[1]。

董秀娟等人解決了多支路間壓力、流量耦合問題，采用多支路調節(jié)控制，同時采取壓力調節(jié)模糊PID方法，改善了壓力調節(jié)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(shù)辨識、階躍響應系數(shù)、期望壓力軌跡開環(huán)預測輸出及控制變量增量等，計算獲取當前周期的調節(jié)閥控制量，從而獲得可靠性高、穩(wěn)定性好、超調量低的自動分輸控制系統(tǒng)[3]。

MohamadiBaghmolaei等人對比了人工神經網(wǎng)絡、自適應模糊推理系統(tǒng)及模糊推理系統(tǒng)對天然氣輸送控制的優(yōu)化效果。發(fā)現(xiàn)人工神經網(wǎng)絡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[4]。

Chebouba等人比較了蟻群算法及動態(tài)規(guī)劃法對干線天然氣輸配控制的影響，對比發(fā)現(xiàn)蟻群算法響應更快、穩(wěn)定性更高，同時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，該策略結合非線性管道評估模型及抗飽和反演計算方法。與傳統(tǒng)預測控制策略相比，該方法具有更少執(zhí)行時間、更小超調量以及更快穩(wěn)定時間的優(yōu)點[6]。

2  基于模糊理論的控制技術

傳統(tǒng)的天然氣輸配控制技術以經典的PID控制方法為主，系統(tǒng)由輸入信號、控制器、執(zhí)行機構和輸出信號組成（圖 1 a），通過對比例、積分及微分系數(shù)的調整來控制偏差。

基于模糊理論的控制技術利用計算機建立模糊數(shù)學模型，將模糊理論引入傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)中，由模糊推理模型、數(shù)據(jù)輸入、控制器、執(zhí)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(guī)則。模糊規(guī)則根據(jù)省網(wǎng)工藝特點制定，通過計算標準化程序處理形成。

圖 1 PID控制系統(tǒng)及模糊控制系統(tǒng)結構簡圖

模糊PID控制技術把天然氣輸配系統(tǒng)中壓力、溫度的模擬量信號轉換成實型數(shù)據(jù)，設置四限報警（高高、高、低、低低），PV調節(jié)閥閥位模擬信號轉換成整型數(shù)據(jù)用于控制設計。模糊推理模型主要通過對PID的誤差（ER）和誤差變化率（EC）進行計算，輸出合理的參數(shù)給PID控制器進行調節(jié)。模糊增量PID控制將誤差及誤差變化分為正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、負小（NS）、負中（NM）、負大（NB）7個模糊集，采用三角分布作為隸屬度函數(shù)[7]（圖 2）。

圖 2 論域—隸屬度函數(shù)劃分圖

在對調節(jié)后壓力曲線的實際追蹤過程中，在保證調節(jié)曲線收斂的情況下進行控制規(guī)則的設計，模糊PID控制規(guī)則如下：以正向調節(jié)為例（即誤差為正），誤差先后經歷正大到負大、負大到正小、正小到零直至趨近穩(wěn)定的幾個區(qū)域，而相應誤差變化則先后經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(wěn)定的幾個區(qū)域，而反向調節(jié)則區(qū)間不變，正負相反。模糊規(guī)則表[7]如表 1所示。

表 1 模糊規(guī)則表

經現(xiàn)場實際應用測試，較傳統(tǒng)PID控制而言，采用基于模糊理論的控制技術進行雙向調節(jié)中正向或反向調節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)的時間都明顯縮短，過程中超調量大幅降低，調節(jié)系統(tǒng)響應速度和穩(wěn)定性有顯著改善。

3  智能化控制邏輯

3.1  閥門閉鎖

閥門鎖定狀態(tài)下，若閥門狀態(tài)發(fā)生變化且非操作員或邏輯觸發(fā)動作，則系統(tǒng)自動發(fā)送開/關命令將閥門恢復至鎖定狀態(tài)。操作員主動開啟或關閉閥門時閥門自動解鎖，開關到位后閥門自動閉鎖。

3.2  非調節(jié)支路聯(lián)鎖冗余

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

3.3  綜合壓力取值

以用戶為單位，將下游投用此功能的各用戶所使用的供氣支路中的壓力變送器數(shù)據(jù)取中位數(shù)作為壓力調節(jié)的反饋值，壓力變送器數(shù)量為偶數(shù)時取兩個中位數(shù)的平均值作為反饋值。

3.4  限壓調流和限流調壓

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

圖 3 調流和調壓控制界面

3.5  全自動輸配

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

傳統(tǒng)的PID控制基本只能實現(xiàn)半自動控制，需要值班人員實時監(jiān)控干預。引入模糊控制技術和一系列智能化控制邏輯后，只要設定某個用戶的壓力和流量范圍，系統(tǒng)就會自動控制整個輸配過程而完全不需要人為干預，且調節(jié)品質有效提升基本實現(xiàn)零超調，大幅度降低值班監(jiān)控的工作量。

為實現(xiàn)輸配過程全自動化，必須打通輸氣計劃制定、下達和控制終端執(zhí)行一整條生產線。傳統(tǒng)的輸氣計劃大部分通過人工制定，依靠外部輸入方式下達給控制終端，該模式無法較好地利用管網(wǎng)自身儲氣調峰能力，在小時調峰方面給用戶的體驗感較差，常有管網(wǎng)自身管存透支或供氣壓力波動較大的現(xiàn)象，不利于管網(wǎng)平穩(wěn)運行，用戶滿意度難以提高。

基于控制技術的創(chuàng)新和智能化水平的提升，采用大數(shù)據(jù)分析技術，對各用戶的歷史用氣負荷、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，并將次日小時流量按負荷曲線自動分配。校核過程中，用戶壓力過低或管存低于警戒值時，自動調整負荷曲線，重新分配小時流量直至輸氣計劃可行，經系統(tǒng)二次確認后，下達給對應輸氣站PLC控制器進行調節(jié)。

圖 4 PID控制系統(tǒng)及模糊控制系統(tǒng)結構簡圖

4  結論

（1）模糊PID控制是一種改進型控制方式，通過自整定PID參數(shù)以達到強適應性、快響應時間以及超調量小的目標，經實際測試效果較好，具有推廣潛力。

（2）基于模糊PID控制技術的創(chuàng)新應用，使新的輸配控制系統(tǒng)可以有更多自動化、智能化設計，包括電動閥門防誤動閉鎖、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(shù)據(jù)預測和管網(wǎng)水力仿真技術，從負荷預測到自動分配，再到計劃下達并執(zhí)行，初步實現(xiàn)了全過程自動輸配，彌補了傳統(tǒng)輸氣計劃人工編制帶來的不穩(wěn)定性，優(yōu)化了供氣節(jié)點工況和管存水平，增強了管網(wǎng)供氣可靠性，提升了用戶滿意度。

（4）該技術推廣至浙江省十個地市天然氣輸配控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)結合，初步實現(xiàn)零干擾、全自動的智能輸配功能，大大減少站場運行人員工藝操作量，提高了整體生產效率。

 

參考文獻：

[1]王放.天然氣自動分輸控制系統(tǒng)控制器設計[J].儀器儀表用戶，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(tǒng)設計[J].當代化工研究，2020(23)：89-91.

[3]梁懌，彭太翀，李明耀.輸氣站場無人化自動分輸技術在西氣東輸工程的實現(xiàn)[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.基于曲線跟蹤法的模糊增量型PI控制器設計及應用[J].天然氣技術與經濟.2019，13(1)：49-52.

作者簡介：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（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。