一种适用于天然气管道的自动分输方法

孟 晋

（抚顺职业技术学院 机械与电子工程系，辽宁 抚顺 113122）

0 引言

管道分输站压力控制系统的设计理念、思路以及优化原则是能够满足站场自动分输的基本原则[1,3]，自动分输设置包括安全设置、输气调节、自动切换和故障切换。由于输气管道建设的需求，沿线存在多种分输站，且不同分输站的用户类型不同，对于民用用户而言，存在用气高峰3次/日的现象。当在用气低峰时（如深夜），实际流量在较长时间内将使工作调节阀在小开度或关闭的情况下工作[4]，在投产初期也存在下游用户的用气量较小的情况，这使得用气量回升时，调节阀短时间内无法走出单侧正向/负向控制量的累积，出现调节阀失控的现象[5,7]。通过对该现象的研究给出了一种自动分输的解决方案，以期为后续的管道设计提供一种可参考的解决方案。

1 压力控制系统的设计

1.1 设计标准及选型

图1 天然气站场自动分输工艺流程简图Fig.1 Diagram of automatic distribution process of natural gas station field

国内标准《输气管道工程设计标准》（GB 50251-2015）对分输压力控制系统进行了规定，其中，8.4.2中，对压力控制提出“供气量超限可能导致管输系统失调的部位，压力控制系统应具有限流功能”的控制要求；8.4.3提出了“当上游最大操作压力大于下游最大操作压力1.6MPa以上，以及上游最大操作压力大于下游管道和设备强度试验压力时，单个的（第一级）压力安全设备还应同时加上第二个安全设备”的要求。考虑到分析案例兼具普遍性和安全性的因素，本次分析选用双安全截断阀和电动调节阀进行分输调节的工况。

1.2 工艺流程及控制特性分析

分输流程压力/流量调节系统采用分输流量和分输出站压力选择性调节，由分输流量计量系统、调压及安全切断系统、出站压力检测单元等构成。工艺流程详见图1。

图1工艺流程涉及1个控制子回路，包含2个检测装置（台压力变送器和1台流量计）、1个控制器和1个执行结构。

在完成调控中心下发日指定分输量的前提下[9]，为保证给下游用户提供安全、稳定的气源，保证天然气在协议分输压力下输送，确定整体控制目标及控制参数选择如下：

1）控制整体目标

该PID控制回路整体控制目标是“限流调压”，即正常情况下，该系统采用压力控制方式，以控制下游压力；压力控制回路在要求的设定值下工作，当供气流量超过设定值时，根据管理需要，控制系统将自动切换为流量控制，对用户供气量进行限量控制。压力设定值既可由调度调控中心给定，也可由站控系统给定。

2）控制参数选择

根据1）的要求，需要设计限定值和调节值。其中，限定值可分为流量限定值和压力限定值。流量限定值用于控制分输流量不大于1.2qmax，压力限定值用于控制分输压力不低于下游管道的用户保障压力；调节值可以分为流量调节值和压力调节值，流量调节值可以用于完成调控中心下发的输量任务，压力调节值可以用于完成下游气体在协议压力下分输。

2 控制器算法设计

在输气管道的分输工艺控制过程中，每一个控制器都应被集成相应的优化算法，以确保其能够完成控制器逻辑中描述的功能，从而保证整体控制目标的实现。

对于单个控制器而言，其控制算法应满足第1节的一般要求。针对这部分要求，图1给出工艺控制过程中存在的典型工况，并提出解决方案。

图2 抗积分饱和PID控制算法得到其程序框图Fig.2 Anti-integral saturation PID control algorithm gets its program block diagram

输气管道分输工艺流程对于民用用户而言，存在用气高峰3次/日的现象[10]。当在用气低峰时（如深夜），实际流量在较长时间内将使工作调节阀在小开度或关闭的情况下工作，在投产初期也存在下游用户的用气量较小的情况，这使得用气量回升时，调节阀短时间内无法走出单侧正向/负向控制量的累积，出现调节阀失控的现象。

2.1 解决方案

为解决该问题，引入抗积分饱和PID控制算法。设定阀门达到极限开度时，被控变量的输出为umax，若u(k-1)＞umax，则只累加负偏差；若u(k-1)＜-umax，则只累加正偏差。这种控制算法可以避免因控制变量长期滞留在饱和区而无法实现控制器对执行机构的驱动。

2.2 控制算法实现的基本步骤

结合图1，被控变量为调节阀后出口压力，执行结构为电动执行机构，控制器的输出控制变量u为4mA～20mA电流。

若u(k-1)＞18mA，则只累加负偏差；若u(k-1)＜6mA，则只累加正偏差。这种算法可以防止控制量长时间滞留在饱和区。

根据抗积分饱和PID控制算法得到其程序框图见图2。

2.3 控制仿真

图4 采用抗积分饱和前控制效果Fig.4 Using anti-integral saturation pre-control effect

表1 工艺特征级控制算法集成Table 1 Process feature level control algorithm integration

在PID控制模块上，应设置抗积分饱和控制算法可选项，可通过软件或硬件的方式进行控制模式切换。投用在该模式后，应能达防止长期进入死区而失控对工艺生产造成的影响。现以阶跃信号为例，进行仿真、验证。

设被控对象为：

其中采样时间为1ms，仿真结果见图3、图4。

2.4 分输控制器算法特征

根据1.2的分析，共需4个控制器，表1给出了各个控制器的功能、潜在的工艺特征和优选需集成的控制算法。

3 结论

针对研究结论所选用的自动分输装置，利用抗积分饱和控制理论，建立相应数学模型，给出仿真结果，并针对不同的工控给出了推荐的控制算法，得出如下结论：

抗积分饱和控制算法应用于输气管道自动分输系统中，用于防止积分效应造成的稳态误差累计系统响应迟缓的现象。消除了由于大误差引入的控制失调，减少了输出控制变量的波动，使得分输用户用气压力平稳、可控，避免了由于大幅波动带来的用气不稳定的现象。