快速壓排載系統空壓機組的節能控制策略改造

姚汝林，尹石軍，林召凱，高海波，張勝飛，唐翊銘

(1.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226100；2.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

半潛式起重拆解平臺的快速壓排載系統是一個集成空壓機、管路、壓載艙等組件為一體的復雜系統，通過壓縮空氣進行快速排載來調節平臺的浮態。空壓機為快速壓排載過程中的最大能耗用戶，且在排載過程中，空壓機的運行狀態會影響排載效果，直接關系到平臺的安全。國內外已建和在建的半潛式起重拆解平臺，多采用工頻空壓機。此種模式匹配簡單的閾值門限方法控制啟停，能耗較大[1-2]。近幾年，國內外有不少關于空壓機節能改造的研究[3-5]。研究表明，對工頻空壓機進行變頻改造及優化控制策略，具有可觀的節能潛力。但對海洋平臺中快速壓排載系統進行節能控制研究，目前還沒有成熟的經驗可供借鑒。

如果快速壓排載中所有空壓機都選用變頻空壓機，無疑會取得可觀的節能效果，但會增加初始投資成本。本文以降低系統能耗為目標，以滿足作業時間要求為約束，將快速壓排載系統其中1臺空壓機定義為峰載負荷調節空壓機，對其進行變頻改造，并設計自適應的模糊PID空壓機變頻控制算法來應對不同的工況。

1 快速壓排載系統工作原理

海洋石油平臺的壽命到期后，如果沒有其他特殊用途，就必須進行拆解。“Serooskerke”是招商重工建造的一款適合全球作業的半潛式起重平臺，起重能力4 400 t，甲板作業面積約5 000 m2，居住人員可達500人。

快速壓排載系統是“Serooskerke”半潛式起重拆解平臺重要的組成部分之一。半潛平臺的立體結構見圖1。

圖1 半潛式起重船“Serooskerke”立體結構

快速壓排載系統的排載方式采用的是壓縮空氣排載，利用空氣壓縮機在壓載艙內達0.26 MPa的高壓，將艙內壓載水快速排出，其排載速度非常快，最高可以達到離心泵的數十倍[6-7]。吊重作業開始時，壓縮機啟動備用，根據吊重狀態，向主浮筒支柱壓載艙提供壓縮空氣將壓載水排出，平衡吊運作業所產生的傾覆力矩，調整起重船舶的吃水、縱、橫向平衡及穩心高度，保持平臺的動態平衡，確保起重船舶作業的安全性。支柱壓載艙(CSBT)的結構示意圖見圖2。

圖2 支柱壓載艙結構示意

2 空壓機組變頻改造

在快速壓排載系統中，為系統供氣的空壓機有4臺，其中1臺備用。在起重起始階段，1臺空壓機投入使用，起重作業時，除備用空壓機外，其他3臺空壓機均投入使用，一旦空壓機啟動，將始終處于裝載/卸載狀態，直到起重完成。在快速壓排載系統中，工頻空壓機組采用階梯式控制。所謂階梯式控制就是各臺空壓機的加卸載壓力呈階梯狀分布，相鄰2臺壓縮機的加卸載壓力呈現遞增趨勢[8]。對上述提出的階梯式控制工頻空壓機組進行變頻改造，其中3號工頻空壓機改為變頻空壓機，1號、2號工頻空壓機及備用空壓機保持不變。各空壓機的參數見表1。

表1 工頻和變頻空壓機參數表

3 空壓機變頻控制策略

空壓機是快速壓排載系中的動力提供者，其他附件如，管路、壓載艙、水泵等為輔助組成者，單臺空壓機功率為630 kW，水泵功率為52 kW，空壓機為系統中的最大能量消耗用戶，對空壓機進行變頻優化控制會帶來可觀的節能效益。排載過程中CSBT艙室中氣體壓力具有非線性、時變不確定性等特點，需要根據氣體壓力變化來控制空壓機的工作狀態，本文采用模糊PID方法來控制空壓機的工作頻率。

3.1 模糊PID變頻控制

常規PID構成的控制系統很難適應不同的工況，相比之下，模糊PID方法具有良好的適應性。模糊PID參數自整定控制算法能夠實時對PID控制器的參數進行調節以滿足其控制需求[9]，得出最佳的控制參數，從而實現空壓機按照實際用氣量和壓力需求變頻運行。參數自整定模糊PID控制器的原理見圖3，通過對壓縮空氣總管內氣體壓力設定值與壓力測量值的比較，得出系統的壓力偏差e及偏差的變化率ec，并進行量化，將量化后的e和ec進行模糊化，然后進行模糊推理，最后通過解模糊實現對PID的比例系數ΔKP、積分系數ΔKI和微分系數ΔKD3個參數的自整定，保證對于不同的e及ec，系統都能具有非常好的靜態性能及動態性能，模糊PID控制器經過運算得到空壓機的最優運行頻率。

圖3 參數自整定模糊PID控制原理

各參數的基本論域、量化后論域、量化因子見表2。

表2 論域和量化因子表

模糊PID控制器的模糊規則設計如下：將各輸入和輸出參數的模糊論域劃分為5個等級，即

{負大NB，負小NS，正中ZE，正小PS，正大PB}。若為e負大時，無論ec如何變化都需盡快消除誤差，需要增大控制頻率，加快空壓機轉速，增加供氣量，因此，取輸出量為正大；若為e負小或正中時，主要是針對系統的穩定性進行控制，為減小系統超調量，使系統盡快恢復到穩定狀態，根據偏差變化率的變化控制空壓機頻率；當ec取為負時，壓力差有增大的趨勢，壓縮機轉速應增大，控制頻率也相應增大；當ec取為正時，壓力差有減少的趨勢，應將空氣壓縮機的控制頻率適當減少。分析偏差為負的工況，總結經驗得出的控制規律同樣適用于偏差為正的情況。

根據參考文獻[10]及實際經驗設計模糊PID控制器的模糊規則如下。

1.If (eis NB) and (ecis NB) then (KPis PB)(KIis NB)(KDis PS)

2.If (eis NM) and (ecis NB) then (KPis PB)(KIis NB)(KDis PS)

3.If (eis NS) and (ecis NB) then (KPis PM)(KIis NB)(KDis ZO)

?

48.If (eis PM) and (ecis PB) then (KPis NB)(KIis PB)(KDis PB)

49.If (eis PB) and (ecis PB) then (KPis NB)(KIis PB)(KDis PB)

e和ec的隸屬度函數圖見圖4，三角形隸屬函數的分辨率較高，所以e和ec選用三角形隸屬函數。

圖4 e和ec的隸屬度函數

ΔKP、ΔKI和ΔKD這3個輸出參數的隸屬度函數見圖5，兩端采用整定效果較好的高斯型隸屬函數，其余使用三角形隸屬函數。

3.2 模糊PID與普通PID對比

仿真工況設計如下：起重平臺的2臺吊機協同作業400～800 t吊載工況，空壓機對壓縮空氣環形總管進行充氣，待壓力穩定在0.26 MPa，壓縮空氣閥打開連通壓縮空氣總管和壓載艙，壓縮空氣總管的壓力下降，與壓載艙內的氣體壓力保持一致。隨后由于空壓機的充氣，總管和壓載艙內氣體壓力上升，同時壓載艙內的水位下降，水位達到目標值時，壓縮空氣閥關閉，總管內氣壓快速恢復至0.26 MPa。在Simulink中分別搭建普通PID 控制和參數自整定模糊PID控制的快速壓排載系統模型，進行同步仿真。系統響應特性曲線見圖6。

圖6 系統響應曲線對比

對比普通PID控制和模糊PID控制，整個吊載工況內，模糊PID控制的快速壓排載系統，壓縮空氣總管內氣體壓力上升較快且超調量小。仿真結果表明,基于參數自整定模糊PID控制的快速壓排載系統能夠根據系統輸入進行自適應調節，給出最優化的控制參數，對空壓機進行變頻調速控制，提高了系統的響應速度，降低了系統的超調量，增加了系統的魯棒性。

4 典型工況仿真實驗

選擇起重平臺上2臺吊機協同作業0～4 200 t吊載工況進行仿真實驗。吊載過程所允許的最大時間3 000 s，吊桿的吊鉤負荷半徑22.1 m，吊桿的初始角度73°。由招商局重工集團(江蘇)的平臺穩性數據可得，在起重工況下4個立柱壓載艙內海水體積的變化：CSBTMP#1的初體積2 116 m3、終體積278 m3；CSBTMP#2的初體積2 111 m3、終體積279 m3；CSBTOP#1的初體積47 m3、終體積1 462 m3；CSBTOP#2的初體積46 m3、終體積1 457 m3。

采用上述提出的工頻空壓機組階梯式控制與變頻改造后的工-變頻空壓機組聯合控制2種策略模擬此起重工況，進行對比式的仿真研究，其中基于模糊PID變頻控制下的系統仿真模型見圖7，能耗對比圖見圖8。

圖7 基于模糊PID的空壓機組仿真模型

由圖8得到這2種控制方式下工況完成時間以及能耗，控制指標的對比圖。

圖8 工頻控制與模糊PID控制空壓機組的能耗對比圖

通過表3對比變頻改造前后可以發現，變頻改造后的工-變頻空壓機組聯合控制有效減少了系統的能耗，在0～4 200 t吊載工況內，新的控制方案使能耗從596.2 kW·h降低至535.3 kW·h，得到了10.2%的節能比例。并且變頻改造后的工-變頻空壓機組聯合控制中，0～4 200 t起重過程所用時間是2 228.3 s，仍滿足3 000 s以內的作業時間要求，能夠保證平臺的安全性。

表3 兩種控制方式的控制指標對比

5 結論

快速壓排載系統是保證半潛式起重拆解平臺安全作業的重要組成部分，排載過程中空壓機的運行狀態時刻影響平臺的浮態，空壓機同時也是該系統中的最大能耗用戶。

與快速壓排載系統原方案中工頻空壓機采用閾值加卸載控制方式相比，本文所提出的空壓機變頻改造方案及模糊PID變頻控制策略，能夠根據快速排載艙的壓力需求實時調節供氣。仿真實驗結果表明，該方案在保證平臺的穩定性和安全性的同時，能夠達到較好的節能運行效果。