基于压降速率法的恒压控制器设计.pdf

Jul,2023AUTOMATIONINDUSTRY2023年7 月石自Vol.59,No.4动油化第59 卷化第4期基于压降速率法的恒压控制器设计沈善修（湖北省天然气发展有限公司，湖北武汉43 7 0 0 0）摘要：针对天然气行业“背靠背”建设的输气场站，因距离上游和下游场站非常近，出站管道水容积较小，为了解决该类场站的恒压输气的问题，通过对输气时的压力曲线进行分析研究，设计一种以压降速率为依据的恒压控制方法。通过对压力和压降速率的计算和判断，采用步进控制及对关键参数优化，实现了工作调压阀的快速调节。实践结果表明：该方法能够较好地控制输气时的压力，当下游流量发生变化时，阀门能够快速调节，确保压力波动较小，对出口管存小的场站和调压工艺有着较好的适用性。关键词：恒压输气；压降速率控制法；步进式控制；管存；压力偏差控制；零点定理中图分类号：TP273文献标志码：B文章编号：10 0 7-7 3 2 4（2 0 2 3)0 4-0 0 3 7-0 4Design of Constant Pressure Controller Based on Pressure Drop Rate MethodShen Shanxiu(Hubei Natural Gas Development Co.Ltd.,Wuhan,437000,China)Abstracts:Aiming at the back-to-back construction of gas transmission stations,the watercapacity for the pipeline for the outbound is little due to closed distance of upstream anddownstream stations for many transportation stations.To solve the problem of constantpressure gas transportation in the stations,a constant pressure control method based onpressure drop rate is designed by analyzing the pressure curve during gas transportation.Through the calculation and judgment of pressure and pressure drop rate,the rapid adjustmentof the working pressure regulating valve is realized with adopting step-wise control andoptimization of key parameters.The practical results show that the method can better controlthe pressure during gas transportation.When the downstream flow changes,the valve can bequickly adjusted to ensure that the pressure fluctuation is small.It has good applicability to thestation and pressure regulating process with small outlet pipe storage.Key words:constant pressure gas transportation;pressure drop rate control method;step-wisecontrol;pipe storage;pressure deviation control;zero-point theorem伴随着天然气行业的发展进步，越来越多的输气场站采用调度中心控制或者自动控制 1-3 ，各燃气管道企业相继实施全自动分输控制改造，并逐步实现了全自动输气。全自动分输控制逻辑主要是基于流量控制和压力控制来实现的 4。压力控制，指在日常输气时通过PLC对压力调节阀进行自动控制 5-7，使得调压阀后端的压力稳定。压力控制主要是应用PLC内部的PID控制。当下游天然气管网压力波动频繁、下游用气不稳定、工作调压阀死区较大时，PID控制就会出现压力调节不稳、压力波动大、工作调节阀频繁动作的问题 8-。目前，也有学者对该类问题进行研究，提出改进控制算法，主要思路包括优化PID算法、降低PID起调量、模糊算法控制、趋近控制法等方法 10-16，主要目的是避免调节幅度过大。近年来，天然气行业高速发展，很多输气场站与上游、下游场站“背靠背”而建，它们进出站的管道水容积很小，下游稍小的流量波动就会导致上游出现较大的压力波动，因此在实现恒压控制时非常困难。管容小时恒压运行难的原因1.1假设条件输气站调压工艺流程及压力曲线如图1所示。稿件收到日期：2 0 2 3-0 2-2 3，修改稿收到日期：2 0 2 3-0 5-2 3。基金项目：湖北省天然气发展有限公司“武汉中心站”技改项目(211200115337)。作者简介：沈善修（19 8 8 一），男，2 0 12 年毕业于长江大学油气储运专业，现就职于湖北省天然气发展有限公司，从事输气场站自动化及输气设备安全管理的研究工作，任工程师。意38第59 卷石油化工自动化在推导数学模型之前，假设管道内的气体为理想气体，气体的组分和温度不变，通过工作调压阀的流量为Qv，出站管道后端下游侧的用气流量为Qvz，出站管道的气体压力为p，密度为。则取图1b)中的A点，则A时刻气体状态方程如式（1）所示：PLC站站丙外高压侧低压侧流量计工作调压阀出站管道下游侧供气阀门a）输气站调压工艺流程Bdpdt0tb)输气时的压力-时间曲线图1输气站调压工艺流程及压力曲线示意mAPAVRT(1)Mmol式中：PA1一一A时刻管道的平均压力；V-出站管道的水容积；mA-A时刻管道内气体的质一量；Mmol管道内气体的摩尔质量；R普适1一气体常量；T-气体的温度。经过输气时间t后，取图1b)中的B点，则B时刻气体状态方程如式（2）所示：mBP:VRT（2)Mmol式中：力B一-B时刻管道的平均压力；mBB时刻管道内气体的质量。从A时刻到B时刻，根据连续性方程得知：mB=mA+p(qv,-qv,)t(3)由式(1)(3)得出式(4)如下：mAmBPB=PA-RT：VMmolORT(qvi-qv,)AtPA(4)MmolXV由式(4)可知,B时刻的压力主要跟qv,与Qvz的差值、t及管道的水容积V有关。1.2小管容下恒压难以控制的原因若V很小，当下游突然大幅度降低输气流量时，PB在极短的时间迅速升高。如果阀门动作不及时，压力迅速偏离设定压力，甚至会导致切断阀切断而停止输气，从而造成调压周期更长，这是在输气时出现压力波动的主要原因。这种大幅度调流导致的压力波动很难控制，响应时间短，压力上升速度快。2步进控制原理管存小时的恒压输气需要解决的问题有两个：一是阀门的调节要快，当下游流量突然减小时，阀门能够快速减小开度，降低输气流量；当下游流量突然增大时，阀门能够快速加大开度，增大输气流量。二是压力控制要稳，阀门快速动作后，实际压力要尽可能地接近设定压力，阀门尽量不要频繁动作。通过PLC分析采集压力的变化规律，结合控制器来周期性调节阀门的动作幅度，通过压降速率来解决恒压输气问题2.1压降速率管道的压力变化可以使用压降速率表示，如图1b)中，定义AB点的压降速率为 p，结合式(4)可知：dpPB-PAORTqV一qV2(5)dttMmolV根据式(5)可知，与流量有关，当Qv,=Qv2时，p=0，A=B，此时压力不变；当qvQv时，Up0,AB，压力升高；当qv,qv时，p p B，压力降低。结合图1b)，根据零点定理可知，p从负值到正值或从正值到负值时，一定会存在一个时刻，使得=0，简称压力拐点,该时刻qv,=qv,。2.2控制原理步进控制原理：在1个时间周期t内，将当前的工作调压阀的阀位增大（或减小)1个动作步长Lss的开度，检查 p是否满足要求，如果不满足要求，重复上述步骤，直到 p满足要求，阀位停止调节。受制于工作调压阀上电动执行机构的精度误差 17-19 1，会出现电动执行机构(执行器)不动作的情况，此时动作步长会累加到下个周期予以执行，依次循环，直到阀门执行为止。步进控制原理如39第4期沈善修.基于压降速率法的恒压控制器设计图2 所示，调压阀压力区间与调节对应关系如图3所示。步进式控制的原理开度增大开度减小执行器：开度+执行器：开度一动作步长累积动作步长累积经过时间周期经过时间周期执行执行NN器是否执行器是否执行动作？动作？YY调节结束是否达是否达NYYN到调节的终止到调节的终止条件？条件？图2步进控制原理示意开度增大区压力偏差在pa内开度减小区终止条件执行压降速率终止条件U40控制Psv-PabPsvPsv+Pabp/MPa开度增大区压降速率在U内开度减小区终止条件阀门不动作终止条件Ug在upa内g在ua内-APab0+PabUap/(MPas)图3调压阀压力区间与调节对应关系示意2.3恒压控制的工作逻辑定义一个压力偏差pb为压力死区和一个压降速率死区apab，假设测量压力值为ppv，恒压控制的设定压力值为psV。控制步骤如下。2.3.1执行压力偏差控制该步骤目的是使得阀门快速响应，使得压力进人压力偏差区内，如图3 所示。1）当ppvpsv十pab，此时压力大于目标值，阀门开度需减小，使用步进控制方法调节阀门开度，直到p0后停止调节，此时qv,与qv，两者相差较小，压力缓慢下降，等待Ppv缓慢趋近psv。当psvpabppvsv+pab，开始执行压降速率控制。2）当ppv0后停止调节，此时qv,与qv两者相差较小，压力缓慢上升，等待ppv缓慢趋近sv。当psv一pabppysv+pab，开始执行压降速率控制。2.3.2执行压降速率控制该步骤目的是降低p，使压力变化的速度更为缓慢，避免压力波动太大。1)当Up+Pb时，压降速率过大，需要减小阀门开度，使用步进控制方法减小阀门开度，直到|UpUApab，阀门停止调节。2)当UapO,AB;当pB，因此p的正负性可以理解为与时间无关，在执行压力偏差控制时，响应速度可以非常快。使用步进式控制方式，巧妙地结合了零点定理，使得阀门停止调节时的qv，和qv，的差值较小，ppv缓慢趋近于psV。当管道水容积较小时，下游的流量调节会带来较大的压力波动，压力变化会非常快，此时一定会进人压力偏差控制，从而实现了阀门的快速响应。当阀门的工作死区较大时，阀门经过多次调节后，流量基本不变，也会导致压力偏差越来越大，会迅速进入压力偏差控制区，快速越过控制死区。实际生产过程中，输气时可能会需要调整恒压运行时的psv，当psv变化较大时，会直接使得阀门进入压力偏差控制，使得力pv会缓慢接近psV，实际的供求流量差值较小，从根本上避免压力陡涨陡降的问题，从而保障输气平稳。3关键控制参数优化该算法目的是使阀门处于压降速率控制区，降低阀门调节幅度，使qv，与qv，的值更为接近。现实中qv与qv，存在一定的差值，随着时间的积累，使得ppv缓慢偏离psv，因此允许压力在一个小范围内波动。该控制算法主要与管道水容积、允许的单次流量差|qv,一qv，1、允许的压力死区、压降速率及阀门的控制死区等参数有关。结合设备和生产实际，相关参数的确定推荐使用如下公式。1）根据实际生产，选择pa和qv一Qv|的值,通过相关参数确定压降速率控制值时的pa，然后确定压降速率控制的时间周期T2。压降速率下转第45页）40第59 卷石油化工自动化控制值UAPab计算如式（6）所示：oRTqV2一qvAPdb(6)MmolV压降速率控制时的时间周期T计算如式（7）所示：PabVT2=(7)n2pa/qv,-qv,式中：n22，一般选择2 8 即可；pa大气压力;T2压降速率控制时的时间周期。确定压力偏差控制时的时间周期Ti，T 1可以非常小，但T1越小，阀门开度变化越快。根据上述逻辑可知，当流量过大，立即进人压力偏差控制，因此选择一个|qv一Qv。ma x 的上限值，一般T，中的n可以选择15。Ti的计算如式(8)所示：pabVT1=(8)ni pa/qv,-qv2max2）动作步长Lss的确定。动作步长主要与阀门自身特性有关，压降速率控制时的动作步长Ls一般推荐为控制精度的50%左右，压力偏差控制时的动作步长Ls，约为控制精度的6 6.7%。阀门在执行压降速率控制时，Lss，较小，动作周期较长；阀门在执行压力偏差控制时，Lss略大，动作周期较短。当下游输气流量变化时，上游侧的压降速率先快速增大，后缓慢减小，最后趋于平稳，时间越长，压降速率越精准越平稳 2 0-2 1，所以压降速率控制周期不能太小，周期太小压降速率的计算值不稳定，阀门调节的次数越多，压力波动次数越多。4案例应用某分输站出站管道到下游城市燃气门站撬装人口距离约10 0 m，出站管道管径DN250，该分输站工作调压阀前压力3.0 4.2 MPa，阀后运行压力1.52.1MPa，日均输气为标准6.0 10*m，下游流量需求在1.7 10 3 7.510 3 m/h，出站管道水容积约为9 m，管存非常小，工作调压阀控制精度为1%，压力上限为2.1MPa，压力下限为1.55MPa。早期该站只能上下游联动恒流输气，加装上述恒压算法后，实现了恒压1.7 5MPa全自动分输。参数选取：根据生产实际，选择pab=0.03MPa，I qv.-qv,|=300 m/h,|qvgqv,|mx=1 10m/h，n 2=3，n 1=3，计算得出：pa0.001MPa/s,T2=10 s,Ti=3 s,Ls=0.5%,Ls=0.8%。某分输站恒压控制曲线如图4所示。2.0PpvP1505.51031.6404.6103开始恒压运行开度(i-4.u)/b1.230%3.7103.0.82052.81030.4101.910301.0103072144216288360t/min图4某分输站恒压控制曲线示意通过图4可知：输气流量范围为2.2 10 3 3.2103m/h，压力波动的最小值为1.7 0 MPa，压力最大值为1.8 0 MPa。6 m in 开始，系统恒压1.75MPa运行。7 14min，执行压力偏差控制，出现拐点后阀门不再动作，压力缓慢上升。15125min，系统处于压降速率控制，流量约为2.2 103m/h，压力缓慢波动。12 6 min时，下游突然调流到2.6 10 3 m/h，处于压力偏差控制，阀门迅速增大，压力缓慢上升后，由于压降速率过大，再次调节阀门开度，最终控制流量为2.6103m/h。2 7 0 m in，下游突然将流量从3.2 X103m/h降低到2.410 3 m/h，执行压力偏差控制，阀位迅速降低，然后执行压降速率控制，压力缓慢波动。通过图4可以看出，该算法响应时间短，阀门快速响应，能够有效控制输气时的压力，从而将出站压力波动稳定在一个较小的范围内，并且从阀门的开度变化也能看出阀门没有频繁动作。5结束语本文提出了以压降速率为核心的恒压控制算法，以下游实际输气流量为目标进行控制，可始终将输气流量控制到下游的实际用气流量附近，能够很好地解决出站管容小而难以稳定恒压输气的问题。算法的快速响应能避免较大的压力波动，能够有效解决阀门切断问题，该算法原理简单，可在常规PLC上实现，结合自动分输逻辑，非常适用于集中调度和无人值守的场景，具有较高的应用价值。参考文献：1高皋，唐晓雪.天然气无人值守站场管理方式研究.化工管理，2 0 17(0 7)：152.2 崔勋杰.天然气无人值守站场建设模式探索.辽宁化工，2020,49(06)：7 3 2-7 3 3,7 46.3 赵廉斌，田家兴，王海峰，等。输气站场自控系统夜间无人值（上接第40 页）45沈奕峰.控制室腐蚀性气体的防治第4期一种非常有效的去除控制室大气污染物的手段，可以同时达到对气态污染物和固态污染物的控制目标。GB/T507792022要求控制室新风及回风应过滤，其中供给主要功能性房间的新风应设置化学过滤器。4结束语各项研究表明，即使是“优良”环境下的气态污染物仍然可能腐蚀电子设备，影响电子设备长期稳定工作。国内外标准对控制室的环境条件规定了越来越严格的要求。设计人员需要通过密闭、温湿度控制、正压通风、化学过滤等综合措施防治控制室内的腐蚀性气体。参考文献：1 ISA.Environmental conditions for process measurementand control systems:ISA S71.04:2013S.USA:ISA,2013.2中国环境监测总站，中国环境科学研究院，大连市环境监测中心，等.环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）：HJ6332012S.北京：中国环境科学出版社，2 0 12.守功能的实现J.油气储运，2 0 12，3 1（0 4）：3 14-3 17，3 2 7.4子孙晓波.天然气管道自动分输模式及应用.天然气技术与经济,2 0 19,13(0 4)：6 9-7 3.5谢庚.天然气站场调压装置故障分析与处理.中国石油和化工标准与质量，2 0 2 2，42（0 3）：2 3-2 5.6丁长瑞，单超.天然气长输管道分输压力控制系统分析J.当代化工研究，2 0 18（0 6）：8 6-8 8.7 王书惠.天然气长输管道分输压力控制系统技术研究.石油规划设计，2 0 12,2 3（0 1）：2 3-2 6,51.8 罗小兵，吴飞.基于现状的PID调节优化 J.化工管理，2 0 18(25)：19 7-19 8.9 郭有强，张自军，裴学柱.天然气自动分输控制系统不稳定性研究 J.微计算机信息，2 0 10，2 6（0 4）：7 9-8 1.10周湃，姜希彤，陆津津，等.天然气管道分输站场调压系统调节方法的改进 J.油气储运，2 0 18，3 7（0 3）：3 56-3 6 0.11谭小路，谭程.基于模糊控制的调压系统设计J.石油化工自动化2 0 17,53（0 4）：2 6-2 7,3 2.12沈国良，季寿宏，谭汉，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，2 0 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