岳铭亮 陈臻荣荣 黄海 邵迪

浙江浙能天然气运行有限公司

 

摘要：浙江省级管网在天然气智能输配控制系统建设中，率先研发出一套基于模糊理论的控制技术，提高了系统响应速度，减少了超调量，进而实现主备支路联锁冗余、限流调压等功能，使供气保障能力显著提升。同时，结合水力仿真软件的负荷预测功能，使输气计划可自动下达、分配至小时流量进行控制，匹配用户实际负荷，满足各时段需求，提升了用户满意度，实现零干预、全自动智能输配。

关键词：天然气；智能输配；模糊理论；联锁冗余；零干预

 

浙江省级天然气管网以嘉兴地区站场为试点，以输配工艺为研究对象，探索出一套基于模糊理论的输配控制技术，实现了工艺支路联锁冗余和全自动输配，为站场智能控制系统奠定了核心技术基础。

1  国内外研究现状

王放等人设计了一种针对干线天然气分输流程的控制方法，将压力调节、流量调节、保障压力设定和最大流量设定四种控制方式与比选逻辑相结合，从而确定最佳控制方式。该方法在西气东输二线取得了良好的实践效果[1]。

董秀娟等人解决了多支路间压力、流量耦合问题，采用多支路调节控制，同时采取压力调节模糊PID方法，改善了压力调节性能，减少超调量[2]。

梁怿等人设计了自适应广义预测控制方法，结合参数辨识、阶跃响应系数、期望压力轨迹开环预测输出及控制变量增量等，计算获取当前周期的调节阀控制量，从而获得可靠性高、稳定性好、超调量低的自动分输控制系统[3]。

MohamadiBaghmolaei等人对比了人工神经网络、自适应模糊推理系统及模糊推理系统对天然气输送控制的优化效果。发现人工神经网络与遗传算法相结合对输送控制优化具有低消耗，高出口压力的优点[4]。

Chebouba等人比较了蚁群算法及动态规划法对干线天然气输配控制的影响，对比发现蚁群算法响应更快、稳定性更高，同时具有更高的输气效率及出口压力[5]。

Cabrera等人设计了一种模型预测控制策略，该策略结合非线性管道评估模型及抗饱和反演计算方法。与传统预测控制策略相比，该方法具有更少执行时间、更小超调量以及更快稳定时间的优点[6]。

2  基于模糊理论的控制技术

传统的天然气输配控制技术以经典的PID控制方法为主，系统由输入信号、控制器、执行机构和输出信号组成（图 1 a），通过对比例、积分及微分系数的调整来控制偏差。

基于模糊理论的控制技术利用计算机建立模糊数学模型，将模糊理论引入传统PID控制系统中，由模糊推理模型、数据输入、控制器、执行机构、输出反馈组成（图 1 b）。其中，模糊推理模型为核心部分，包括控制结构、算法和模糊规则。模糊规则根据省网工艺特点制定，通过计算标准化程序处理形成。

图 1 PID控制系统及模糊控制系统结构简图

模糊PID控制技术把天然气输配系统中压力、温度的模拟量信号转换成实型数据，设置四限报警（高高、高、低、低低），PV调节阀阀位模拟信号转换成整型数据用于控制设计。模糊推理模型主要通过对PID的误差（ER）和误差变化率（EC）进行计算，输出合理的参数给PID控制器进行调节。模糊增量PID控制将误差及误差变化分为正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NB）7个模糊集，采用三角分布作为隶属度函数[7]（图 2）。

图 2 论域—隶属度函数划分图

在对调节后压力曲线的实际追踪过程中，在保证调节曲线收敛的情况下进行控制规则的设计，模糊PID控制规则如下：以正向调节为例（即误差为正），误差先后经历正大到负大、负大到正小、正小到零直至趋近稳定的几个区域，而相应误差变化则先后经历负大至零再至正大、负中至零再至正小，最后为零并趋近稳定的几个区域，而反向调节则区间不变，正负相反。模糊规则表[7]如表 1所示。

表 1 模糊规则表

经现场实际应用测试，较传统PID控制而言，采用基于模糊理论的控制技术进行双向调节中正向或反向调节至稳定状态的时间都明显缩短，过程中超调量大幅降低，调节系统响应速度和稳定性有显著改善。

3  智能化控制逻辑

3.1  阀门闭锁

阀门锁定状态下，若阀门状态发生变化且非操作员或逻辑触发动作，则系统自动发送开/关命令将阀门恢复至锁定状态。操作员主动开启或关闭阀门时阀门自动解锁，开关到位后阀门自动闭锁。

3.2  非调节支路联锁冗余

在支路联锁情况下，以用户为单位，当联锁主用支路出现故障报警时，则该支路退出联锁转为非连锁。以过滤、计量支路为例，当主用支路数量减少，则系统自动将备用支路按支路序号顺序投入主用，并开启其所有电动球阀直至主用支路数量恢复原有数量。

3.3  综合压力取值

以用户为单位，将下游投用此功能的各用户所使用的供气支路中的压力变送器数据取中位数作为压力调节的反馈值，压力变送器数量为偶数时取两个中位数的平均值作为反馈值。

3.4  限压调流和限流调压

调压区的联锁仅针对电动调节阀（PV阀），主用支路需自行选择。当调压支路投用联锁时，多条支路开度由模糊控制模型统一计算调节，以先主用后备用的原则进行正反向调节。调节阀共分为[0%～30%] [30%～60%] [60%～100%]三个调节区间进行调节，正向调节选取当前调节系统内位于最小调节区间的调节阀进行调节，反向调节选取当前调节系统内开度最大的调节阀进行调节，都按主用调节支路顺序顺延（图 3）。

图 3 调流和调压控制界面

3.5  全自动输配

省级天然气输配主要存在三个难点：①部分上下游站场相邻，两级调节器互相干扰；②下游用户用气负荷随小时变化较大；③多条调节支路协调控制复杂。

传统的PID控制基本只能实现半自动控制，需要值班人员实时监控干预。引入模糊控制技术和一系列智能化控制逻辑后，只要设定某个用户的压力和流量范围，系统就会自动控制整个输配过程而完全不需要人为干预，且调节品质有效提升基本实现零超调，大幅度降低值班监控的工作量。

为实现输配过程全自动化，必须打通输气计划制定、下达和控制终端执行一整条生产线。传统的输气计划大部分通过人工制定，依靠外部输入方式下达给控制终端，该模式无法较好地利用管网自身储气调峰能力，在小时调峰方面给用户的体验感较差，常有管网自身管存透支或供气压力波动较大的现象，不利于管网平稳运行，用户满意度难以提高。

基于控制技术的创新和智能化水平的提升，采用大数据分析技术，对各用户的历史用气负荷、次日计划量、管网输送能力等多方面信息进行预测分析，结合管网水力仿真模型校核工况，模拟次日用户压力趋势以及管网管存情况（图 4），可计算出合理可行的日负荷曲线，并将次日小时流量按负荷曲线自动分配。校核过程中，用户压力过低或管存低于警戒值时，自动调整负荷曲线，重新分配小时流量直至输气计划可行，经系统二次确认后，下达给对应输气站PLC控制器进行调节。

图 4 PID控制系统及模糊控制系统结构简图

4  结论

（1）模糊PID控制是一种改进型控制方式，通过自整定PID参数以达到强适应性、快响应时间以及超调量小的目标，经实际测试效果较好，具有推广潜力。

（2）基于模糊PID控制技术的创新应用，使新的输配控制系统可以有更多自动化、智能化设计，包括电动阀门防误动闭锁、支路联锁冗余、综合压力取值、限压调流和限流调压等。

（3）利用大数据预测和管网水力仿真技术，从负荷预测到自动分配，再到计划下达并执行，初步实现了全过程自动输配，弥补了传统输气计划人工编制带来的不稳定性，优化了供气节点工况和管存水平，增强了管网供气可靠性，提升了用户满意度。

（4）该技术推广至浙江省十个地市天然气输配控制系统，与传统SCADA系统结合，初步实现零干扰、全自动的智能输配功能，大大减少站场运行人员工艺操作量，提高了整体生产效率。

 

参考文献：

[1]王放.天然气自动分输控制系统控制器设计[J].仪器仪表用户，2017，24(12)：12-15.

[2]董秀娟，朱峰，刘晓伟.天然气管道一体化智能分输控制系统设计[J].当代化工研究，2020(23)：89-91.

[3]梁怿，彭太翀，李明耀.输气站场无人化自动分输技术在西气东输工程的实现[J].天然气工业，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]沈国良，季寿宏，邵迪等.基于曲线跟踪法的模糊增量型PI控制器设计及应用[J].天然气技术与经济.2019，13(1)：49-52.

作者简介：岳铭亮，1986年生，油气储运工程硕士，高级工程师，毕业于中国石油大学（北京），主要从事天然气管道调度运行管理工作。联系方式：18368853585，evan47@163.com。