摘 要:基于確保站場管理模式改變后能夠?qū)崿F(xiàn)自動分輸、站場“遠程監(jiān)控、有人值守、無人操作”的功能需求,采用了抗積分飽和的方法,結(jié)合下游分輸用戶的用氣特點、管道容積和閥門選型給出了工藝流程的數(shù)學模型,并基于該模型進行了對比試驗,得出抗積分飽和PID控制算法相對于傳統(tǒng)PID控制算法,更適合處理日高峰造成流量波動的結(jié)論。 cCl壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
引言
管道分輸站壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計理念、思路以及優(yōu)化原則是能夠滿足站場自動分輸?shù)幕驹瓌t[1,3],自動分輸設(shè)置包括安全設(shè)置、輸氣調(diào)節(jié)、自動切換和故障切換。由于輸氣管道建設(shè)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(xiàn)象。當在用氣低峰時(如深夜),實際流量在較長時間內(nèi)將使工作調(diào)節(jié)閥在小開度或關(guān)閉的情況下工作[4],在投產(chǎn)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(diào)節(jié)閥短時間內(nèi)無法走出單側(cè)正向/負向控制量的累積,出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥失控的現(xiàn)象[5,7]。通過對該現(xiàn)象的研究給出了一種自動分輸?shù)慕鉀Q方案,以期為后續(xù)的管道設(shè)計提供一種可參考的解決方案。
1 壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計
1.1 設(shè)計標準及選型
國內(nèi)標準《輸氣管道工程設(shè)計標準》(GB 50251-2015)對分輸壓力控制系統(tǒng)進行了規(guī)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(tǒng)失調(diào)的部位,壓力控制系統(tǒng)應(yīng)具有限流功能”的控制要求;8.4.3提出了“當上游#大操作壓力大于下游#大操作壓力1.6MPa以上,以及上游#大操作壓力大于下游管道和設(shè)備強度試驗壓力時,單個的(地衣級)壓力安全設(shè)備還應(yīng)同時加上第二個安全設(shè)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(diào)節(jié)閥進行分輸調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)系統(tǒng)采用分輸流量和分輸出站壓力選擇性調(diào)節(jié),由分輸流量計量系統(tǒng)、調(diào)壓及安全切斷系統(tǒng)、出站壓力檢測單元等構(gòu)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(1臺
壓力變送器和1臺流量計)、1個控制器和1個執(zhí)行結(jié)構(gòu)。在完成調(diào)控中心下發(fā)日指定分輸量的前提下[9],為保證給下游用戶提供安全、穩(wěn)定的氣源,保證天然氣在協(xié)議分輸壓力下輸送,確定整體控制目標及控制參數(shù)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(diào)壓”,即正常情況下,該系統(tǒng)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(shè)定值下工作,當供氣流量超過設(shè)定值時,根據(jù)管理需要,控制系統(tǒng)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(shè)定值既可由調(diào)度調(diào)控中心給定,也可由站控系統(tǒng)給定。
2)控制參數(shù)選擇
根據(jù)1)的要求,需要設(shè)計限定值和調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)值可以分為流量調(diào)節(jié)值和壓力調(diào)節(jié)值,流量調(diào)節(jié)值可以用于完成調(diào)控中心下發(fā)的輸量任務(wù),壓力調(diào)節(jié)值可以用于完成下游氣體在協(xié)議壓力下分輸。
2 控制器算法設(shè)計
在輸氣管道的分輸工藝控制過程中,每一個控制器都應(yīng)被集成相應(yīng)的優(yōu)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(xiàn)。對于單個控制器而言,其控制算法應(yīng)滿足第1節(jié)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。
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(xiàn)象[10]。當在用氣低峰時(如深夜),實際流量在較長時間內(nèi)將使工作調(diào)節(jié)閥在小開度或關(guān)閉的情況下工作,在投產(chǎn)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(diào)節(jié)閥短時間內(nèi)無法走出單側(cè)正向/負向控制量的累積,出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥失控的現(xiàn)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(shè)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(qū)而無法實現(xiàn)控制器對執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動。
2.2 控制算法實現(xiàn)的基本步驟
結(jié)合圖1,被控變量為調(diào)節(jié)閥后出口壓力,執(zhí)行結(jié)構(gòu)為電動執(zhí)行機構(gòu),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(qū)。
根據(jù)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
在PID控制模塊上,應(yīng)設(shè)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(yīng)能達防止長期進入死區(qū)而失控對工藝生產(chǎn)造成的影響,F(xiàn)以階躍信號為例,進行仿真、驗證。設(shè)被控對象為:
其中采樣時間為1ms,仿真結(jié)果見圖3、圖4。
2.4 分輸控制器算法特征
根據(jù)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(yōu)選需集成的控制算法。
3 結(jié)論
針對研究結(jié)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(yīng)數(shù)學模型,給出仿真結(jié)果,并針對不同的工控給出了tuijian的控制算法,得出如下結(jié)論:抗積分飽和控制算法應(yīng)用于輸氣管道自動分輸系統(tǒng)中,用于防止積分效應(yīng)造成的穩(wěn)態(tài)誤差累計系統(tǒng)響應(yīng)遲緩的現(xiàn)象。消除了由于大誤差引入的控制失調(diào),減少了輸出控制變量的波動,使得分輸用戶用氣壓力平穩(wěn)、可控,避免了由于大幅波動帶來的用氣不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
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