岳銘亮 陳臻榮榮 黃海 邵迪

浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司

摘要：浙江省級(jí)管網(wǎng)在天然氣智能輸配控制系統(tǒng)建設(shè)中，率先研發(fā)出一套基于模糊理論的控制技術(shù)，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少了超調(diào)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主備支路聯(lián)鎖冗余、限流調(diào)壓等功能，使供氣保障能力顯著提升。同時(shí)，結(jié)合水力仿真軟件的負(fù)荷預(yù)測(cè)功能，使輸氣計(jì)劃可自動(dòng)下達(dá)、分配至小時(shí)流量進(jìn)行控制，匹配用戶實(shí)際負(fù)荷，滿足各時(shí)段需求，提升了用戶滿意度，實(shí)現(xiàn)零干預(yù)、全自動(dòng)智能輸配。

關(guān)鍵詞：天然氣；智能輸配；模糊理論；聯(lián)鎖冗余；零干預(yù)

浙江省級(jí)天然氣管網(wǎng)以嘉興地區(qū)站場(chǎng)為試點(diǎn)，以輸配工藝為研究對(duì)象，探索出一套基于模糊理論的輸配控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工藝支路聯(lián)鎖冗余和全自動(dòng)輸配，為站場(chǎng)智能控制系統(tǒng)奠定了核心技術(shù)基礎(chǔ)。

1  國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

王放等人設(shè)計(jì)了一種針對(duì)干線天然氣分輸流程的控制方法，將壓力調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)、保障壓力設(shè)定和最大流量設(shè)定四種控制方式與比選邏輯相結(jié)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(shí)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(diào)節(jié)控制，同時(shí)采取壓力調(diào)節(jié)模糊PID方法，改善了壓力調(diào)節(jié)性能，減少超調(diào)量[2]。

梁懌等人設(shè)計(jì)了自適應(yīng)廣義預(yù)測(cè)控制方法，結(jié)合參數(shù)辨識(shí)、階躍響應(yīng)系數(shù)、期望壓力軌跡開環(huán)預(yù)測(cè)輸出及控制變量增量等，計(jì)算獲取當(dāng)前周期的調(diào)節(jié)閥控制量，從而獲得可靠性高、穩(wěn)定性好、超調(diào)量低的自動(dòng)分輸控制系統(tǒng)[3]。

MohamadiBaghmolaei等人對(duì)比了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)模糊推理系統(tǒng)及模糊推理系統(tǒng)對(duì)天然氣輸送控制的優(yōu)化效果。發(fā)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法相結(jié)合對(duì)輸送控制優(yōu)化具有低消耗，高出口壓力的優(yōu)點(diǎn)[4]。

Chebouba等人比較了蟻群算法及動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)干線天然氣輸配控制的影響，對(duì)比發(fā)現(xiàn)蟻群算法響應(yīng)更快、穩(wěn)定性更高，同時(shí)具有更高的輸氣效率及出口壓力[5]。

Cabrera等人設(shè)計(jì)了一種模型預(yù)測(cè)控制策略，該策略結(jié)合非線性管道評(píng)估模型及抗飽和反演計(jì)算方法。與傳統(tǒng)預(yù)測(cè)控制策略相比，該方法具有更少執(zhí)行時(shí)間、更小超調(diào)量以及更快穩(wěn)定時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)[6]。

2  基于模糊理論的控制技術(shù)

傳統(tǒng)的天然氣輸配控制技術(shù)以經(jīng)典的PID控制方法為主，系統(tǒng)由輸入信號(hào)、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輸出信號(hào)組成（圖 1 a），通過對(duì)比例、積分及微分系數(shù)的調(diào)整來控制偏差。

基于模糊理論的控制技術(shù)利用計(jì)算機(jī)建立模糊數(shù)學(xué)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(jī)構(gòu)、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(jié)構(gòu)、算法和模糊規(guī)則。模糊規(guī)則根據(jù)省網(wǎng)工藝特點(diǎn)制定，通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化程序處理形成。

圖 1 PID控制系統(tǒng)及模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

模糊PID控制技術(shù)把天然氣輸配系統(tǒng)中壓力、溫度的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)型數(shù)據(jù)，設(shè)置四限報(bào)警（高高、高、低、低低），PV調(diào)節(jié)閥閥位模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成整型數(shù)據(jù)用于控制設(shè)計(jì)。模糊推理模型主要通過對(duì)PID的誤差（ER）和誤差變化率（EC）進(jìn)行計(jì)算，輸出合理的參數(shù)給PID控制器進(jìn)行調(diào)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�。≒S）、零（ZO）、負(fù)�。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）7個(gè)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(duì)調(diào)節(jié)后壓力曲線的實(shí)際追蹤過程中，在保證調(diào)節(jié)曲線收斂的情況下進(jìn)行控制規(guī)則的設(shè)計(jì)，模糊PID控制規(guī)則如下：以正向調(diào)節(jié)為例（即誤差為正），誤差先后經(jīng)歷正大到負(fù)大、負(fù)大到正小、正小到零直至趨近穩(wěn)定的幾個(gè)區(qū)域，而相應(yīng)誤差變化則先后經(jīng)歷負(fù)大至零再至正大、負(fù)中至零再至正小，最后為零并趨近穩(wěn)定的幾個(gè)區(qū)域，而反向調(diào)節(jié)則區(qū)間不變，正負(fù)相反。模糊規(guī)則表[7]如表 1所示。

表 1 模糊規(guī)則表

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，較傳統(tǒng)PID控制而言，采用基于模糊理論的控制技術(shù)進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)中正向或反向調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間都明顯縮短，過程中超調(diào)量大幅降低，調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)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(dòng)作，則系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送開/關(guān)命令將閥門恢復(fù)至鎖定狀態(tài)。操作員主動(dòng)開啟或關(guān)閉閥門時(shí)閥門自動(dòng)解鎖，開關(guān)到位后閥門自動(dòng)閉鎖。

3.2  非調(diào)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(dāng)聯(lián)鎖主用支路出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，則該支路退出聯(lián)鎖轉(zhuǎn)為非連鎖。以過濾、計(jì)量支路為例，當(dāng)主用支路數(shù)量減少，則系統(tǒng)自動(dòng)將備用支路按支路序號(hào)順序投入主用，并開啟其所有電動(dòng)球閥直至主用支路數(shù)量恢復(fù)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(diào)節(jié)的反饋值，壓力變送器數(shù)量為偶數(shù)時(shí)取兩個(gè)中位數(shù)的平均值作為反饋值。

3.4  限壓調(diào)流和限流調(diào)壓

調(diào)壓區(qū)的聯(lián)鎖僅針對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥（PV閥），主用支路需自行選擇。當(dāng)調(diào)壓支路投用聯(lián)鎖時(shí)，多條支路開度由模糊控制模型統(tǒng)一計(jì)算調(diào)節(jié)，以先主用后備用的原則進(jìn)行正反向調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥共分為[0%～30%] [30%～60%] [60%～100%]三個(gè)調(diào)節(jié)區(qū)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，正向調(diào)節(jié)選取當(dāng)前調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)位于最小調(diào)節(jié)區(qū)間的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，反向調(diào)節(jié)選取當(dāng)前調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)開度最大的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，都按主用調(diào)節(jié)支路順序順延（圖 3）。

圖 3 調(diào)流和調(diào)壓控制界面

3.5  全自動(dòng)輸配

省級(jí)天然氣輸配主要存在三個(gè)難點(diǎn)：①部分上下游站場(chǎng)相鄰，兩級(jí)調(diào)節(jié)器互相干擾；②下游用戶用氣負(fù)荷隨小時(shí)變化較大；③多條調(diào)節(jié)支路協(xié)調(diào)控制復(fù)雜。

傳統(tǒng)的PID控制基本只能實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)控制，需要值班人員實(shí)時(shí)監(jiān)控干預(yù)。引入模糊控制技術(shù)和一系列智能化控制邏輯后，只要設(shè)定某個(gè)用戶的壓力和流量范圍，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)控制整個(gè)輸配過程而完全不需要人為干預(yù)，且調(diào)節(jié)品質(zhì)有效提升基本實(shí)現(xiàn)零超調(diào)，大幅度降低值班監(jiān)控的工作量。

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

基于控制技術(shù)的創(chuàng)新和智能化水平的提升，采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)各用戶的歷史用氣負(fù)荷、次日計(jì)劃量、管網(wǎng)輸送能力等多方面信息進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，結(jié)合管網(wǎng)水力仿真模型校核工況，模擬次日用戶壓力趨勢(shì)以及管網(wǎng)管存情況（圖 4），可計(jì)算出合理可行的日負(fù)荷曲線，并將次日小時(shí)流量按負(fù)荷曲線自動(dòng)分配。校核過程中，用戶壓力過低或管存低于警戒值時(shí)，自動(dòng)調(diào)整負(fù)荷曲線，重新分配小時(shí)流量直至輸氣計(jì)劃可行，經(jīng)系統(tǒng)二次確認(rèn)后，下達(dá)給對(duì)應(yīng)輸氣站PLC控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖 4 PID控制系統(tǒng)及模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4  結(jié)論

（1）模糊PID控制是一種改進(jìn)型控制方式，通過自整定PID參數(shù)以達(dá)到強(qiáng)適應(yīng)性、快響應(yīng)時(shí)間以及超調(diào)量小的目標(biāo)，經(jīng)實(shí)際測(cè)試效果較好，具有推廣潛力。

（2）基于模糊PID控制技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，使新的輸配控制系統(tǒng)可以有更多自動(dòng)化、智能化設(shè)計(jì)，包括電動(dòng)閥門防誤動(dòng)閉鎖、支路聯(lián)鎖冗余、綜合壓力取值、限壓調(diào)流和限流調(diào)壓等。

（3）利用大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和管網(wǎng)水力仿真技術(shù)，從負(fù)荷預(yù)測(cè)到自動(dòng)分配，再到計(jì)劃下達(dá)并執(zhí)行，初步實(shí)現(xiàn)了全過程自動(dòng)輸配，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)輸氣計(jì)劃人工編制帶來的不穩(wěn)定性，優(yōu)化了供氣節(jié)點(diǎn)工況和管存水平，增強(qiáng)了管網(wǎng)供氣可靠性，提升了用戶滿意度。

（4）該技術(shù)推廣至浙江省十個(gè)地市天然氣輸配控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)結(jié)合，初步實(shí)現(xiàn)零干擾、全自動(dòng)的智能輸配功能，大大減少站場(chǎng)運(yùn)行人員工藝操作量，提高了整體生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：岳銘亮，1986年生，油氣儲(chǔ)運(yùn)工程碩士，高級(jí)工程師，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），主要從事天然氣管道調(diào)度運(yùn)行管理工作。聯(lián)系方式：18368853585，evan47@163.com。