一種適用于天然氣管道的自動分輸方法

孟 晉

（撫順職業技術學院 機械與電子工程系，遼寧 撫順 113122）

0 引言

管道分輸站壓力控制系統的設計理念、思路以及優化原則是能夠滿足站場自動分輸的基本原則[1,3]，自動分輸設置包括安全設置、輸氣調節、自動切換和故障切換。由于輸氣管道建設的需求，沿線存在多種分輸站，且不同分輸站的用戶類型不同，對于民用用戶而言，存在用氣高峰3次/日的現象。當在用氣低峰時（如深夜），實際流量在較長時間內將使工作調節閥在小開度或關閉的情況下工作[4]，在投產初期也存在下游用戶的用氣量較小的情況，這使得用氣量回升時，調節閥短時間內無法走出單側正向/負向控制量的累積，出現調節閥失控的現象[5,7]。通過對該現象的研究給出了一種自動分輸的解決方案，以期為后續的管道設計提供一種可參考的解決方案。

1 壓力控制系統的設計

1.1 設計標準及選型

圖1 天然氣站場自動分輸工藝流程簡圖Fig.1 Diagram of automatic distribution process of natural gas station field

國內標準《輸氣管道工程設計標準》（GB 50251-2015）對分輸壓力控制系統進行了規定，其中，8.4.2中，對壓力控制提出“供氣量超限可能導致管輸系統失調的部位，壓力控制系統應具有限流功能”的控制要求；8.4.3提出了“當上游最大操作壓力大于下游最大操作壓力1.6MPa以上，以及上游最大操作壓力大于下游管道和設備強度試驗壓力時，單個的（第一級）壓力安全設備還應同時加上第二個安全設備”的要求。考慮到分析案例兼具普遍性和安全性的因素，本次分析選用雙安全截斷閥和電動調節閥進行分輸調節的工況。

1.2 工藝流程及控制特性分析

分輸流程壓力/流量調節系統采用分輸流量和分輸出站壓力選擇性調節，由分輸流量計量系統、調壓及安全切斷系統、出站壓力檢測單元等構成。工藝流程詳見圖1。

圖1工藝流程涉及1個控制子回路，包含2個檢測裝置（臺壓力變送器和1臺流量計）、1個控制器和1個執行結構。

在完成調控中心下發日指定分輸量的前提下[9]，為保證給下游用戶提供安全、穩定的氣源，保證天然氣在協議分輸壓力下輸送，確定整體控制目標及控制參數選擇如下：

1）控制整體目標

該PID控制回路整體控制目標是“限流調壓”，即正常情況下，該系統采用壓力控制方式，以控制下游壓力；壓力控制回路在要求的設定值下工作，當供氣流量超過設定值時，根據管理需要，控制系統將自動切換為流量控制，對用戶供氣量進行限量控制。壓力設定值既可由調度調控中心給定，也可由站控系統給定。

2）控制參數選擇

根據1）的要求，需要設計限定值和調節值。其中，限定值可分為流量限定值和壓力限定值。流量限定值用于控制分輸流量不大于1.2qmax，壓力限定值用于控制分輸壓力不低于下游管道的用戶保障壓力；調節值可以分為流量調節值和壓力調節值，流量調節值可以用于完成調控中心下發的輸量任務，壓力調節值可以用于完成下游氣體在協議壓力下分輸。

2 控制器算法設計

在輸氣管道的分輸工藝控制過程中，每一個控制器都應被集成相應的優化算法，以確保其能夠完成控制器邏輯中描述的功能，從而保證整體控制目標的實現。

對于單個控制器而言，其控制算法應滿足第1節的一般要求。針對這部分要求，圖1給出工藝控制過程中存在的典型工況，并提出解決方案。

圖2 抗積分飽和PID控制算法得到其程序框圖Fig.2 Anti-integral saturation PID control algorithm gets its program block diagram

輸氣管道分輸工藝流程對于民用用戶而言，存在用氣高峰3次/日的現象[10]。當在用氣低峰時（如深夜），實際流量在較長時間內將使工作調節閥在小開度或關閉的情況下工作，在投產初期也存在下游用戶的用氣量較小的情況，這使得用氣量回升時，調節閥短時間內無法走出單側正向/負向控制量的累積，出現調節閥失控的現象。

2.1 解決方案

為解決該問題，引入抗積分飽和PID控制算法。設定閥門達到極限開度時，被控變量的輸出為umax，若u(k-1)＞umax，則只累加負偏差；若u(k-1)＜-umax，則只累加正偏差。這種控制算法可以避免因控制變量長期滯留在飽和區而無法實現控制器對執行機構的驅動。

2.2 控制算法實現的基本步驟

結合圖1，被控變量為調節閥后出口壓力，執行結構為電動執行機構，控制器的輸出控制變量u為4mA～20mA電流。

若u(k-1)＞18mA，則只累加負偏差；若u(k-1)＜6mA，則只累加正偏差。這種算法可以防止控制量長時間滯留在飽和區。

根據抗積分飽和PID控制算法得到其程序框圖見圖2。

2.3 控制仿真

圖4 采用抗積分飽和前控制效果Fig.4 Using anti-integral saturation pre-control effect

表1 工藝特征級控制算法集成Table 1 Process feature level control algorithm integration

在PID控制模塊上，應設置抗積分飽和控制算法可選項，可通過軟件或硬件的方式進行控制模式切換。投用在該模式后，應能達防止長期進入死區而失控對工藝生產造成的影響。現以階躍信號為例，進行仿真、驗證。

設被控對象為：

其中采樣時間為1ms，仿真結果見圖3、圖4。

2.4 分輸控制器算法特征

根據1.2的分析，共需4個控制器，表1給出了各個控制器的功能、潛在的工藝特征和優選需集成的控制算法。

3 結論

針對研究結論所選用的自動分輸裝置，利用抗積分飽和控制理論，建立相應數學模型，給出仿真結果，并針對不同的工控給出了推薦的控制算法，得出如下結論：

抗積分飽和控制算法應用于輸氣管道自動分輸系統中，用于防止積分效應造成的穩態誤差累計系統響應遲緩的現象。消除了由于大誤差引入的控制失調，減少了輸出控制變量的波動，使得分輸用戶用氣壓力平穩、可控，避免了由于大幅波動帶來的用氣不穩定的現象。