輸氣站場無人化自動分輸技術在西氣東輸工程的實現

梁 懌 彭太翀 李明耀

中國石油管道有限責任公司西氣東輸分公司

0 引言

隨著國家大力推進清潔能源戰略，天然氣行業得到了迅速發展，天然氣管網日趨龐大，輸氣量日益增多[1-5]。西氣東輸工程是“氣化”中國能源大動脈，其輸氣效率直接影響整個中國的天然氣能源行業。西氣東輸工程自2003年投產以來，其輸氣模式在不斷地進行升級改造[6-10]，但仍未從根本上實現無人化的目標。目前，西氣東輸輸氣站的天然氣分輸全過程包括：中國石油北京油氣調控中心下達分輸日指定任務后，站場輸氣工遠控開啟分輸支路，然后根據經驗設置比例—積分—微分控制器（Proportion-Integral-Differential，PID）參數，最后待分輸日指定量到達時遠控關閉分輸支路的閥門。在長期運行中，發現該模式存在以下問題：①分輸日指定量已到達，但輸氣工未及時關閥導致超輸；②分輸工況發生變化后，難以及時重新整定PID參數，致使分輸穩定性下降；③輸氣過程中分輸支路閥門發生故障，輸氣工未及時介入，導致天然氣分輸中斷；④分輸流量過低時，輸氣工未能及時發現并停止分輸，導致計量不準確，引發輸差問題。另外，該運行模式還大量占用站場人力資源，導致輸氣工不得不花費大量時間執行機械性、重復性工作。為提高天然氣分輸的效率、精度和穩定性，提出了無人化分輸方案，將全周期的分輸工作交由數據采集與監視控制系統（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）控制，實現無人化的定時啟輸、智能分輸和到量停輸。

1 無人化分輸改造

1.1 定時啟輸

在可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統中設置定時啟輸邏輯（圖1），邏輯內容包括：

1）設置“定時啟輸投用狀態”。操作員可以在站控機上選擇投用或禁用“定時啟輸”功能，投用“定時啟輸”邏輯后，分輸支路的電動閥將切換至自動狀態；

2）設置“定時啟輸準備狀態”。該狀態用于判斷分輸支路中的電動閥和電動調節閥是否處于遠控、自動、無故障狀態。

3）增加時間判斷邏輯。邏輯用于定義執行自動啟動的時間。

圖1 定時啟輸邏輯圖

當邏輯滿足條件：北京油氣調控中心已發布分輸日指定任務，邏輯處于投用狀態和準備完成狀態，PLC系統時間到達定時啟輸時間時，定時啟輸邏輯觸發。

在PLC系統中設置順序控制邏輯，當定時啟輸邏輯觸發后，順序控制邏輯將依次啟動相關閥門（圖 2）。

為了保證啟輸過程中分輸參數的穩定性，在PLC系統中還設置了梯級開閥邏輯，邏輯內容如下：

1）對于壓力需求型用戶，PLC系統以ΔP為梯級，執行PID控制。初始的PID設定值PSP1=PV＋ΔP（PSP1表示首次壓力設定值，PV表示壓力反饋值，單位均為MPa），待PID控制開閥直至PV-PSP1≤25%ΔP時，邏輯控制執行第二次賦值PSP2=PV＋ΔP，然后依次循環，直到PSP=PSPn。

2）對于流量需求型用戶，PLC系統以ΔF為梯級，執行PID控制。初始的PID設定值FSP1=FV＋ΔF（FSP1表示首次流量設定值，FV表示流量反饋值，單位均為m3），待PID控制開閥直至FVFSP1≤25%ΔF時，邏輯控制執行第二次賦值FSP2=PV＋ΔP，然后依次循環，直到FSP=FSPn。

1.2 智能分輸

梯級開閥完畢后，無人化分輸邏輯將由定時啟輸階段切換至智能分輸階段。智能分輸使用自適應廣義預測控制方法[11-16]。自適應廣義預測控制方法對于工藝參數周期性變化的站場具有較好的適應性，可以避免調節閥的動作頻繁、響應滯后、開度變化劇烈等問題。西氣東輸的自適應廣義預測控邏輯的預設參數如表1所示。

圖2 用戶啟輸邏輯執行順序圖

表1 西氣東輸自適應廣義預測控制參數表

邏輯工作原理如下：

1）基于當前周期采樣的多個壓力反饋值，剔除最大值和最小值，計算獲取當前周期的壓力反饋值y。

2）計算獲取當前周期的辨識參數：

式中k表示當前采樣周期；k-1表示上一個采樣周期；θ(k)表示當前周期的辨識參數；K(k)表示計算辨識參數的中間變量，y(k)表示當前采樣周期壓力反饋值，h(k)表示數據向量，Δu(k-1)表示上一周期的控制變量增量；P(k-1)表示上一周期的P矩陣；I表示單位矩陣。

3）計算獲取階躍響應系數：

式中g表示階躍響應系數；G表示系數矩陣；a1、a2、b0、b1、b2表示θ(k)中的元素。

4）計算獲取期望壓力軌跡（Yr）：

5）計算獲取開環預測輸出（Ym）：

式中yk0表示計算開環預測輸出的中間變量。

6）計算獲取當前周期的控制變量增量（Δu）：

7）基于上一周期電動調節閥的控制量和當前周期的控制變量增量，計算獲取當前周期的電動調節閥的控制量，然后輸出控制電動調節閥動作。

1.3 狀態監控

1.3.1 低流量分輸監控

用戶每日各個時刻的用氣量不均衡，存在波峰和波谷現象。用氣量的波峰通常不會超過流量計正常計量的上限，但波谷卻經常低于流量計正常計量的下限。在分輸過程中，若用氣量長時間低于計量下限，將造成計量不準確。為解決該問題，在PLC系統中設置了低流量狀態監控邏輯（圖3）。在智能分輸階段，邏輯實時監控分輸的瞬時流量，若瞬時流量在2 min內持續低于流量計正常計量的下限，PLC系統將執行用戶停輸邏輯，停止分輸。

圖3 低流量停輸判斷邏輯圖

低流量停輸完成后，PLC系統還將持續監測分輸用戶出口壓力。若分輸用戶出口壓力持續10 min低于工藝允許的出口壓力時，PLC系統將再次執行啟輸邏輯和智能分輸，以保障分輸參數的穩定性（圖4）。

圖4 低流量停輸后自動啟輸判斷邏輯圖

1.3.2 計量橇狀態監控

PLC系統實時監控計量橇的狀態，當PLC系統檢測到分輸在用路計量橇發生了電動閥事故關斷或者流量計死機，并且備用路計量橇狀態正常時，PLC系統將執行計量橇故障切換邏輯：自動開啟備用路計量橇，備用路計量橇啟動完畢后再自動關停故障路計量橇，保障分輸不間斷和計量的準確性。

1.3.3 調壓橇狀態監控

PLC系統實時監控調壓橇的狀態，當PLC系統檢測到分輸在用路調壓橇的工作調節閥發生了故障或電動閥發生了事故關斷，并且備用路調壓橇狀態正常時，PLC系統將執行調壓橇故障切換邏輯：開啟備用路調壓橇的同時，關閉在用路調壓橇，保障分輸不間斷和分輸的穩定性。

1.4 到量停輸

無人化自動分輸邏輯采用到量停輸功能來停止分輸。該邏輯在PLC系統中設置了兩個參數“已輸百分比”和“停輸百分比”?！耙演敯俜直取笔钱斎找演敋饬颗c日指定輸氣量的商?！巴］敯俜直取笨稍诓僮鲉T工站上設置，當“已輸百分比”大于或等于“停輸百分比”時，無人化自動分輸邏輯將自動由智能分輸階段切換至到量停輸階段。

用戶停輸邏輯的執行順序如下：

1）工作調節閥切換至軟件手動控制狀態。

2）切換成功后，工作調節閥的閥位值被自動設置為0%，執行關閥操作。

3）工作調節閥的開度小于10%或者工作調節閥持續關閥超過2 min開度仍大于10%時，邏輯將自動關工作調節閥前的電動閥。

4）電動閥關到位視為邏輯執行成功，若用戶停輸邏輯在10 min內未成功關閉電動閥將視為邏輯執行失敗。邏輯執行失敗時將產生警鈴報警，以提示需要進行人工干預。

當日分輸完畢后，待第二天PLC系統的時鐘到達設定的啟輸時間時，控制系統將繼續按照之前設置的參數自動進行定時啟輸、自動分輸和到量停輸，完成新一天的天然氣分輸任務。

2 應用測試

無人化分輸邏輯在西氣東輸一線中的31座輸氣站場的55家用戶進行了為期半年的試運行，期間每日使用無人化分輸邏輯進行天然氣分輸，累計輸送天然氣22.48×108m3。試運行期間對邏輯進行了各種測試，測試內容如表2所示。

表2 邏輯測試表

試運行結果顯示無人化分輸邏輯具有更為穩定、精準和高效的輸氣效果，試運行期間未出現任何分輸中斷、輸差和計量不準確問題，天然氣分輸被控參數的超調量低于5%，降低的閥門開度變化率超過10%。

3 結束語

無人化分輸功能將需要大量人工操作的分輸工作簡化為只需要一次人工參數設定，后續的所有每日分輸工作由SCADA系統自動完成。無人化分輸改造將站場從繁重的輸氣工作中解放了出來，優化了人力資源配置，實現了無人化的自動分輸，提高了站場的自動化、智能化管理水平。但是從另一方面來看，目前無人分輸控制邏輯仍存在一定的局限性，表現在其狀態監控功能仍是基于固定模式的故障響應，在一般情況下無需人工干預，但是一旦出現預設模式以外的狀況，SCADA系統可能無法進行有效應對。未來，以自適應和自學習為基本要素的智能化分析將作為新的發展方向，智能化后的分析系統將能夠不斷積累經驗，對各類異常狀況自行決策，最終實現故障響應智能化的目標。