梁 懌 彭太翀 李明耀

中國(guó)石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司

0 引言

隨著國(guó)家大力推進(jìn)清潔能源戰(zhàn)略，天然氣行業(yè)得到了迅速發(fā)展，天然氣管網(wǎng)日趨龐大，輸氣量日益增多[1-5]。西氣東輸工程是“氣化”中國(guó)能源大動(dòng)脈，其輸氣效率直接影響整個(gè)中國(guó)的天然氣能源行業(yè)。西氣東輸工程自2003年投產(chǎn)以來，其輸氣模式在不斷地進(jìn)行升級(jí)改造[6-10]，但仍未從根本上實(shí)現(xiàn)無人化的目標(biāo)。目前，西氣東輸輸氣站的天然氣分輸全過程包括：中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心下達(dá)分輸日指定任務(wù)后，站場(chǎng)輸氣工遠(yuǎn)控開啟分輸支路，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置比例—積分—微分控制器（Proportion-Integral-Differential，PID）參數(shù)，最后待分輸日指定量到達(dá)時(shí)遠(yuǎn)控關(guān)閉分輸支路的閥門。在長(zhǎng)期運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)該模式存在以下問題：①分輸日指定量已到達(dá)，但輸氣工未及時(shí)關(guān)閥導(dǎo)致超輸；②分輸工況發(fā)生變化后，難以及時(shí)重新整定PID參數(shù)，致使分輸穩(wěn)定性下降；③輸氣過程中分輸支路閥門發(fā)生故障，輸氣工未及時(shí)介入，導(dǎo)致天然氣分輸中斷；④分輸流量過低時(shí)，輸氣工未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并停止分輸，導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確，引發(fā)輸差問題。另外，該運(yùn)行模式還大量占用站場(chǎng)人力資源，導(dǎo)致輸氣工不得不花費(fèi)大量時(shí)間執(zhí)行機(jī)械性、重復(fù)性工作。為提高天然氣分輸?shù)男?、精度和穩(wěn)定性，提出了無人化分輸方案，將全周期的分輸工作交由數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）控制，實(shí)現(xiàn)無人化的定時(shí)啟輸、智能分輸和到量停輸。

1 無人化分輸改造

1.1 定時(shí)啟輸

在可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)中設(shè)置定時(shí)啟輸邏輯（圖1），邏輯內(nèi)容包括：

1）設(shè)置“定時(shí)啟輸投用狀態(tài)”。操作員可以在站控機(jī)上選擇投用或禁用“定時(shí)啟輸”功能，投用“定時(shí)啟輸”邏輯后，分輸支路的電動(dòng)閥將切換至自動(dòng)狀態(tài)；

2）設(shè)置“定時(shí)啟輸準(zhǔn)備狀態(tài)”。該狀態(tài)用于判斷分輸支路中的電動(dòng)閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是否處于遠(yuǎn)控、自動(dòng)、無故障狀態(tài)。

3）增加時(shí)間判斷邏輯。邏輯用于定義執(zhí)行自動(dòng)啟動(dòng)的時(shí)間。

圖1 定時(shí)啟輸邏輯圖

當(dāng)邏輯滿足條件：北京油氣調(diào)控中心已發(fā)布分輸日指定任務(wù)，邏輯處于投用狀態(tài)和準(zhǔn)備完成狀態(tài)，PLC系統(tǒng)時(shí)間到達(dá)定時(shí)啟輸時(shí)間時(shí)，定時(shí)啟輸邏輯觸發(fā)。

在PLC系統(tǒng)中設(shè)置順序控制邏輯，當(dāng)定時(shí)啟輸邏輯觸發(fā)后，順序控制邏輯將依次啟動(dòng)相關(guān)閥門（圖 2）。

為了保證啟輸過程中分輸參數(shù)的穩(wěn)定性，在PLC系統(tǒng)中還設(shè)置了梯級(jí)開閥邏輯，邏輯內(nèi)容如下：

1）對(duì)于壓力需求型用戶，PLC系統(tǒng)以ΔP為梯級(jí)，執(zhí)行PID控制。初始的PID設(shè)定值PSP1=PV＋ΔP（PSP1表示首次壓力設(shè)定值，PV表示壓力反饋值，單位均為MPa），待PID控制開閥直至PV-PSP1≤25%ΔP時(shí)，邏輯控制執(zhí)行第二次賦值PSP2=PV＋ΔP，然后依次循環(huán)，直到PSP=PSPn。

2）對(duì)于流量需求型用戶，PLC系統(tǒng)以ΔF為梯級(jí)，執(zhí)行PID控制。初始的PID設(shè)定值FSP1=FV＋ΔF（FSP1表示首次流量設(shè)定值，F(xiàn)V表示流量反饋值，單位均為m3），待PID控制開閥直至FVFSP1≤25%ΔF時(shí)，邏輯控制執(zhí)行第二次賦值FSP2=PV＋ΔP，然后依次循環(huán)，直到FSP=FSPn。

1.2 智能分輸

梯級(jí)開閥完畢后，無人化分輸邏輯將由定時(shí)啟輸階段切換至智能分輸階段。智能分輸使用自適應(yīng)廣義預(yù)測(cè)控制方法[11-16]。自適應(yīng)廣義預(yù)測(cè)控制方法對(duì)于工藝參數(shù)周期性變化的站場(chǎng)具有較好的適應(yīng)性，可以避免調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作頻繁、響應(yīng)滯后、開度變化劇烈等問題。西氣東輸?shù)淖赃m應(yīng)廣義預(yù)測(cè)控邏輯的預(yù)設(shè)參數(shù)如表1所示。

圖2 用戶啟輸邏輯執(zhí)行順序圖

表1 西氣東輸自適應(yīng)廣義預(yù)測(cè)控制參數(shù)表

邏輯工作原理如下：

1）基于當(dāng)前周期采樣的多個(gè)壓力反饋值，剔除最大值和最小值，計(jì)算獲取當(dāng)前周期的壓力反饋值y。

2）計(jì)算獲取當(dāng)前周期的辨識(shí)參數(shù)：

式中k表示當(dāng)前采樣周期；k-1表示上一個(gè)采樣周期；θ(k)表示當(dāng)前周期的辨識(shí)參數(shù)；K(k)表示計(jì)算辨識(shí)參數(shù)的中間變量，y(k)表示當(dāng)前采樣周期壓力反饋值，h(k)表示數(shù)據(jù)向量，Δu(k-1)表示上一周期的控制變量增量；P(k-1)表示上一周期的P矩陣；I表示單位矩陣。

3）計(jì)算獲取階躍響應(yīng)系數(shù)：

式中g(shù)表示階躍響應(yīng)系數(shù)；G表示系數(shù)矩陣；a1、a2、b0、b1、b2表示θ(k)中的元素。

4）計(jì)算獲取期望壓力軌跡（Yr）：

5）計(jì)算獲取開環(huán)預(yù)測(cè)輸出（Ym）：

式中yk0表示計(jì)算開環(huán)預(yù)測(cè)輸出的中間變量。

6）計(jì)算獲取當(dāng)前周期的控制變量增量（Δu）：

7）基于上一周期電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制量和當(dāng)前周期的控制變量增量，計(jì)算獲取當(dāng)前周期的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制量，然后輸出控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。

1.3 狀態(tài)監(jiān)控

1.3.1 低流量分輸監(jiān)控

用戶每日各個(gè)時(shí)刻的用氣量不均衡，存在波峰和波谷現(xiàn)象。用氣量的波峰通常不會(huì)超過流量計(jì)正常計(jì)量的上限，但波谷卻經(jīng)常低于流量計(jì)正常計(jì)量的下限。在分輸過程中，若用氣量長(zhǎng)時(shí)間低于計(jì)量下限，將造成計(jì)量不準(zhǔn)確。為解決該問題，在PLC系統(tǒng)中設(shè)置了低流量狀態(tài)監(jiān)控邏輯（圖3）。在智能分輸階段，邏輯實(shí)時(shí)監(jiān)控分輸?shù)乃矔r(shí)流量，若瞬時(shí)流量在2 min內(nèi)持續(xù)低于流量計(jì)正常計(jì)量的下限，PLC系統(tǒng)將執(zhí)行用戶停輸邏輯，停止分輸。

圖3 低流量停輸判斷邏輯圖

低流量停輸完成后，PLC系統(tǒng)還將持續(xù)監(jiān)測(cè)分輸用戶出口壓力。若分輸用戶出口壓力持續(xù)10 min低于工藝允許的出口壓力時(shí)，PLC系統(tǒng)將再次執(zhí)行啟輸邏輯和智能分輸，以保障分輸參數(shù)的穩(wěn)定性（圖4）。

圖4 低流量停輸后自動(dòng)啟輸判斷邏輯圖

1.3.2 計(jì)量橇狀態(tài)監(jiān)控

PLC系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)量橇的狀態(tài)，當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測(cè)到分輸在用路計(jì)量橇發(fā)生了電動(dòng)閥事故關(guān)斷或者流量計(jì)死機(jī)，并且備用路計(jì)量橇狀態(tài)正常時(shí)，PLC系統(tǒng)將執(zhí)行計(jì)量橇故障切換邏輯：自動(dòng)開啟備用路計(jì)量橇，備用路計(jì)量橇啟動(dòng)完畢后再自動(dòng)關(guān)停故障路計(jì)量橇，保障分輸不間斷和計(jì)量的準(zhǔn)確性。

1.3.3 調(diào)壓橇狀態(tài)監(jiān)控

PLC系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)壓橇的狀態(tài)，當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測(cè)到分輸在用路調(diào)壓橇的工作調(diào)節(jié)閥發(fā)生了故障或電動(dòng)閥發(fā)生了事故關(guān)斷，并且備用路調(diào)壓橇狀態(tài)正常時(shí)，PLC系統(tǒng)將執(zhí)行調(diào)壓橇故障切換邏輯：開啟備用路調(diào)壓橇的同時(shí)，關(guān)閉在用路調(diào)壓橇，保障分輸不間斷和分輸?shù)姆€(wěn)定性。

1.4 到量停輸

無人化自動(dòng)分輸邏輯采用到量停輸功能來停止分輸。該邏輯在PLC系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)參數(shù)“已輸百分比”和“停輸百分比”?！耙演敯俜直取笔钱?dāng)日已輸氣量與日指定輸氣量的商?！巴］敯俜直取笨稍诓僮鲉T工站上設(shè)置，當(dāng)“已輸百分比”大于或等于“停輸百分比”時(shí)，無人化自動(dòng)分輸邏輯將自動(dòng)由智能分輸階段切換至到量停輸階段。

用戶停輸邏輯的執(zhí)行順序如下：

1）工作調(diào)節(jié)閥切換至軟件手動(dòng)控制狀態(tài)。

2）切換成功后，工作調(diào)節(jié)閥的閥位值被自動(dòng)設(shè)置為0%，執(zhí)行關(guān)閥操作。

3）工作調(diào)節(jié)閥的開度小于10%或者工作調(diào)節(jié)閥持續(xù)關(guān)閥超過2 min開度仍大于10%時(shí)，邏輯將自動(dòng)關(guān)工作調(diào)節(jié)閥前的電動(dòng)閥。

4）電動(dòng)閥關(guān)到位視為邏輯執(zhí)行成功，若用戶停輸邏輯在10 min內(nèi)未成功關(guān)閉電動(dòng)閥將視為邏輯執(zhí)行失敗。邏輯執(zhí)行失敗時(shí)將產(chǎn)生警鈴報(bào)警，以提示需要進(jìn)行人工干預(yù)。

當(dāng)日分輸完畢后，待第二天PLC系統(tǒng)的時(shí)鐘到達(dá)設(shè)定的啟輸時(shí)間時(shí)，控制系統(tǒng)將繼續(xù)按照之前設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)啟輸、自動(dòng)分輸和到量停輸，完成新一天的天然氣分輸任務(wù)。

2 應(yīng)用測(cè)試

無人化分輸邏輯在西氣東輸一線中的31座輸氣站場(chǎng)的55家用戶進(jìn)行了為期半年的試運(yùn)行，期間每日使用無人化分輸邏輯進(jìn)行天然氣分輸，累計(jì)輸送天然氣22.48×108m3。試運(yùn)行期間對(duì)邏輯進(jìn)行了各種測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容如表2所示。

表2 邏輯測(cè)試表

試運(yùn)行結(jié)果顯示無人化分輸邏輯具有更為穩(wěn)定、精準(zhǔn)和高效的輸氣效果，試運(yùn)行期間未出現(xiàn)任何分輸中斷、輸差和計(jì)量不準(zhǔn)確問題，天然氣分輸被控參數(shù)的超調(diào)量低于5%，降低的閥門開度變化率超過10%。

3 結(jié)束語

無人化分輸功能將需要大量人工操作的分輸工作簡(jiǎn)化為只需要一次人工參數(shù)設(shè)定，后續(xù)的所有每日分輸工作由SCADA系統(tǒng)自動(dòng)完成。無人化分輸改造將站場(chǎng)從繁重的輸氣工作中解放了出來，優(yōu)化了人力資源配置，實(shí)現(xiàn)了無人化的自動(dòng)分輸，提高了站場(chǎng)的自動(dòng)化、智能化管理水平。但是從另一方面來看，目前無人分輸控制邏輯仍存在一定的局限性，表現(xiàn)在其狀態(tài)監(jiān)控功能仍是基于固定模式的故障響應(yīng)，在一般情況下無需人工干預(yù)，但是一旦出現(xiàn)預(yù)設(shè)模式以外的狀況，SCADA系統(tǒng)可能無法進(jìn)行有效應(yīng)對(duì)。未來，以自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)為基本要素的智能化分析將作為新的發(fā)展方向，智能化后的分析系統(tǒng)將能夠不斷積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各類異常狀況自行決策，最終實(shí)現(xiàn)故障響應(yīng)智能化的目標(biāo)。