長輸液體管道出站調壓裝置壓力自動低選控制原理探討

王樹祺 姜念琛 戚菁菁 郭永華

(1.中國石油北京油氣調控中心,北京 100007；2.西南石油大學,成都 610500)

長輸液體管道加壓站和分輸站的出站位置一般都裝有調壓裝置，如壓力調節閥(簡稱出站調節閥)、變頻泵或兩者結合。調壓裝置根據控制算法輸出信號自動控制閥門的開度或變頻泵的轉速，從而達到調節管道內介質流量和壓力的目的[1,2]。實際工程中，常用單PID或非耦合雙PID回路對變頻泵的入口和出站壓力進行控制，但是這兩種方式極易在控制模式切換時引起壓力波動，影響管道的使用壽命和生產的平穩運行。因此，筆者將從長輸液體管道的調控需求與調度員的操作特點出發，以工況分析的形式對低選控制原理進行介紹[3]，推導和闡述低選控制在兩個PID回路間的自動切換流程。最后對低選控制邏輯進行總結分析，以便利用自動化手段消除控制模式切換時的擾動風險，保障管道的安全平穩運行。

1.1 調壓裝置的作用

調壓裝置的主要作用：對變頻泵進行保護，控制變頻泵入口壓力始終保持微正壓，防止變頻泵入口壓力過低造成變頻泵吸空現象；對出站管線進行保護，控制出站壓力，防止出站壓力超過管線可承受的最大壓力；與下一站進站壓力相互配合，通過改變出站壓力，達到調整輸出量的目的。

變頻泵與出站調節閥具有極為相似的調節功能，使用出站調節閥做調壓裝置時，節流過程使管道內介質的機械能被損耗；使用變頻泵控制時，其產生的機械能是按需傳遞給管道介質的，每一個量級的機械能都對應一種控制需求。

1.2 進/出站調節的作用方式

自動控制的核心思想是反饋，正反饋尋求輸出的放大作用，而負反饋則尋求一種輸出對輸入的跟隨作用。負反饋理論包括測量、比較和執行，測量值與期望值比較得出誤差，用誤差糾正控制系統的輸出。

PID控制算法具有控制響應速度快和無靜差跟蹤的特點[4]。圖1為PID控制原理框圖。其中，Sv(t)為PID系統的輸入期望值，Pv(t)為系統的輸出測量值，Dv(t)為Sv(t)與Pv(t)之差；Mv(t)為PID輸出的調節閥開度，經數模轉換后以4～20mA工業信號控制調節閥。

圖1 PID控制原理框圖

PID控制的數學模型如下[5]：

(1)

Dv(t)=Sv(t)-Pv(t)

(2)

其中，Kp、Ti、Td分別為PID控制的比例度、積分時間和微分時間。

當進站壓力設定值不變，而進站壓力下降時，為使進站壓力達到設定值，出站調節閥要進行節流，開度減小；對于變頻泵，要降低轉速。反之則開度增加，轉速增加。因此，進站調節的作用方式是正作用方式。

當出站壓力設定值不變，而出站壓力下降時，為使出站壓力達到設定值，調節閥開度增加，變頻泵轉速上升。反之則開度減小，轉速下降。因此，出站調節的作用方式是反作用方式。

2 低選控制

PID低選控制是一種雙PID回路耦合的選擇性切換控制方法。在液體管道調壓時，分別建立進站壓力控制和出站壓力控制兩個獨立的PID回路，并將兩個PID控制回路的結果進行比較，最后低選輸出。低選控制相比于傳統的單PID和雙PID非耦合控制方法，既可以達到快速平穩的控制目標，又能滿足長輸液體管道對“嚴控出站超壓，防范進站低壓”的調控需求。

2.1 控制原理

PID低選檢測流程如圖2所示。

圖2 PID低選檢測流程

PID低選的控制理念在于：約束出站壓力過高，限制進站壓力過低，使進、出站壓力調節之間自動進行切換。PID低選控制框圖如圖3所示。

圖3 PID低選控制框圖

2.2 邏輯分析

2.2.1工況1

進站壓力測量值Pv1(t)等于進站壓力設定值Sv1(t)，出站壓力測量值Pv2(t)等于出站壓力設定值Sv2(t)。則有：

Pv1(t)=Sv1(t)，Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]=0

Mv1(t)=Mv(t)

Pv2(t)=Sv2(t)，Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)=0

Mv2(t)=Mv(t)

Mv1(t)=Mv2(t)=Mv(t)

理論上系統達到平衡點，調節閥保持原位不進行任何動作。

2.2.2工況2

進站壓力測量值Pv1(t)等于進站壓力設定值Sv1(t)，出站壓力測量值Pv2(t)低于出站壓力設定值Sv2(t)。則有：

Pv1(t)=Sv1(t)，

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]=0，Mv1(t)=Mv(t)

Pv2(t)

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)>0，Mv2(t)>Mv(t)

由于Mv1(t)

2.2.3工況3

進站壓力測量值Pv1(t)高于進站壓力設定值Sv1(t)，出站壓力測量值Pv2(t)等于出站壓力設定值Sv2(t)。則有：

Pv1(t)>Sv1(t)，

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]>0，Mv1(t)>Mv(t)

Pv2(t)=Sv2(t)，

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)=0，Mv2(t)=Mv(t)

由于Mv2(t)

2.2.4工況4

進站壓力測量值Pv1(t)低于進站壓力設定值Sv1(t)，出站壓力測量值Pv2(t)不大于出站壓力設定值Sv2(t)。則有：

Pv1(t)

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]<0，Mv1(t)

Pv2(t)≤Sv2(t)，

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)≥0，Mv2(t)≥Mv(t)

由于Mv1(t)

2.2.5工況5

出站壓力測量值Pv2(t)高于出站壓力設定值Sv2(t)，進站壓力測量值Pv1(t)不小于進站壓力設定值Sv1(t)。則有：

Pv1(t)≥Sv1(t)，

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]≥0，Mv1(t)≥Mv(t)

Pv2(t)>Sv2(t)，

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)<0，Mv2(t)

由于Mv2(t)

2.2.6工況6

進站壓力測量值Pv1(t)高于進站壓力設定值Sv1(t)，出站壓力測量值Pv2(t)低于出站壓力設定值Sv2(t)。則有：

Pv1(t)>Sv1(t)，

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]>0，Mv1(t)>Mv(t)

Pv2(t)

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)>0，Mv2(t)>Mv(t)

由于Mv1(t)和Mv2(t)均大于Mv(t)，經低選后選擇Mv1(t)和Mv2(t)中數值較小的一個做為輸出來增加調節閥的開度。相對而言，由于使用數值較小的值來控制閥開度，因此需采用緩慢、保守的方式開閥。

2.2.7工況7

進站壓力測量值Pv1(t)低于進站壓力設定值Sv1(t)，出站壓力測量值Pv2(t)高于出站壓力設定值Sv2(t)。則有：

Pv1(t)

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]<0，Mv1(t)

Pv2(t)>Sv2(t)，

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)<0，Mv2(t)

由于Mv1(t)和Mv2(t)均小于Mv(t)，經低選后選擇Mv1(t)和Mv2(t)中數值較小的一個做為輸出來減小調節閥的開度。相對而言，由于使用數值較小的值來控制關閉閥門，因此關閥應當機立斷。

2.3 邏輯總結

當出站壓力高于出站設定值和進站壓力低于進站設定值兩種情況并存時，根據兩路PID的低選結果，選擇能使PID輸出結果更低的較小者，即關閥急，誰急調誰。

當出站壓力高于出站設定值和進站壓力低于進站設定值兩種情況單獨出現時，根據兩路PID的低選結果，優先保證出站不超壓或泵入口壓力不過低。

當壓力在正常范圍內運行時，根據兩路PID的低選結果，開閥幅度會相對緩慢。

3 結束語

低選控制的特點是根據設定值，圍繞某一個控制量進行調節時，可以同時兼顧另一控制量，即可在設定值允許范圍內同時約束兩個控制量的變化。例如出站壓力控制時，可以兼顧調節進站壓力不低于進站設定值；進站壓力控制時，可以兼顧調節出站壓力不高于出站設定值。

低選控制的適用性在于它是從液體管道的控制需求與調度員的操作特點出發，實現一種自動切換輔助功能，消除進站壓力控制和出站壓力控制之間切換帶來的壓力擾動，從而確保進、出站壓力的自動切換和系統的平穩運行，利用自動化手段降低了因人工切換不及時等復雜因素所帶來的管道運行風險。

[1] 王志.電動調節閥動態特性與控制研究[D].濟南:山東大學,2013.

[2] 王書惠.天然氣長輸管道分輸壓力控制系統技術研究[J].石油規劃設計,2012,23(1):23～26.

[3] 吉建嬌,張姣姣,劉丹丹.選擇性控制系統[J].科技創新導報,2009,(24):174.

[4] Richard C D,Robert H B.Modern Control Systems[M].London: Prentice Hall,2010.

[5] 黃德先,王京春,金以慧.過程控制系統[M].北京:清華大學出版社,2011.