模糊控制在天然氣壓縮機控制系統智能化的應用

楊靈飛，王偉，李志剛，李墨林

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引 言

天然氣壓縮機對石油中的伴生氣和天然氣進行回收和再利用起到了關鍵的作用，為海洋油氣田的節能減排和降本增效提供保障。隨著工業技術的進步，設備的功能越來越復雜，保護越來越完善，對天然氣壓縮機的控制系統提出了更高的要求。智能化成為發展的趨勢，一種非線性的模糊控制算法使控制系統有了像人一樣分析和判斷的能力。

1 項目背景

天然氣壓縮機在整個運行周期有吹掃、預潤滑、起動主機、等待滑油溫度、手動加載、自動加載等流程，在這些流程中除了自動加載流程以外其他流程是需要人員參與的，自動加載是依靠PID 調節自動實現。壓縮機的各個流程環環相扣，依次執行，在每個流程內部又有許多邏輯條件，都滿足后才能進入下一步。這樣對操作人員的經驗和判斷力有嚴格的要求。雖然在操作頁面有開機向導，減小了操作難度，但操作人員還是希望能有一個更簡便的傻瓜式的操作方案，一鍵起動和智能化等。一鍵起動即點擊一次起動按鈕，觸發機器進入流程，剩下工作的交給壓縮機的控制系統來自己完成全部流程順序操作的過程，智能化要求機器像人一樣可以自己思考和判斷，能夠完成一些更為復雜的工作。

2 項目的原理分析和算法的實現

2.1 項目原理分析

天然氣壓縮機要實現一鍵起動和智能化，需要壓縮機控制系統自己去判斷每個流程執行的進度，以及每個流程內部的執行的任務是否完成，邏輯條件是否滿足，沒有完成時如何處置或協助完成，條件滿足后自己去觸發進入下一個流程，如此順序執行。

在主電機起動流程中為減小起動阻力，回流閥的開度開到100%。主電機起動流程結束后，面臨的一個最主要的困難是手動加載流程。手動加載流程為逐步減小回流閥的開度，來逐步提升壓縮機出口的壓力。在等速度的關閉回流閥的過程中，因存在著許多不同程度的不確定因素，包括模型誤差和外部干擾。每次起動壓縮機，上游來的天然氣壓力、流量、溫度都有差異，天氣、外界環境等因素也有差異，需要依靠人的經驗和判斷做出千差萬別的操作。壓縮機的出口壓力上漲的速度并不勻稱，上漲過快給控制系統的穩定帶來沖擊，也給切換到自動加載時PID 調節初期帶來較大的波動，操作錯誤就會出現關停，所有流程需要從頭再來，操作難度有點大。

此時被控對象的數學模型不準確，而且誤差比較大，需要采用一種非線性，減小對數學模型準確度的依賴，將控制系統設計成能像人一樣思考、判斷、綜合推理，并對這個過程做出微調，使結果達到令人滿意的效果。

2.2 項目算法的實現

采用壓縮機出口壓力上漲速度為自變量，對調節閥開度調節速度干預程度為輸出量建立關系。采用一種非線性算法，模糊控制算法。

模糊數學模型能夠不過度依賴數學模型，設壓縮機出口壓力上漲速度為自變量，對調節閥開度調節速度的干預程度為輸出量。

將自變量模糊化處理，負偏大說明壓力上漲速度過快，正偏大說明壓力上漲太慢，其他類推，的矢量值如表1所示。

表1 e 的矢量值

將輸出量模糊化處理，負大說明促使調節閥關閉速度加快，0 偏差對調節速度不干預，正大說明促使調節閥的調節速度減慢，的矢量值如表2所示。

表2 u 的矢量值

模糊規則：

（1）若負大，則正大。

（2）若負小，則正小。

（3）若為0，則為0。

（4）若正小，則為0。

（5）若正大，則為0。

因為壓力上漲速度慢，不會造成危險，可以不對調節閥的調節速度干預，任其按照固定的速度往小調節，模糊規則表如表3所示。

表3 模糊規則表

模糊關系：

模糊關系矩陣：

根據模糊關系，規則內取交集，規則間取并集。得：

模糊決策：

控制量反模糊化：

當為負大時，

當為負小時，

當為0 時，

當為正小時，

當為正大時，

按照隸屬度最大關系，為負大、負小、0、正小、正大時。對應的值是4、2、0、0、0 即在壓力上漲速度大于目標設定速度時對回流閥的關閉速度按照等級進行干預，上漲越快干預越強，低于時不對調節閥關閉速度干預，即按照設定速度逐步關閉。

現場實際使用過程中，會有特殊情況。為此按照有經驗的調試工程師編制了一個專家經驗數據庫，在參數出現特殊情況時，控制系統按照專家經驗數據庫的規則可以提出更高優先級的干預，讓系統動作暫停并保持，留出足夠的時間讓上游設備做出反應和讓壓縮機本體內的壓力充分上漲，避免過快迭代。

在手動加載的過程中，可能出現如下狀況：

出現上游天然氣補充不及時造成一級入口壓力暫時偏低，繼續減小回流閥的開度會對上游工藝系統造成影響，需要回流閥短暫等待上游壓力恢復；

出現上游天然氣補充波動造成一級入口壓力暫時偏高，即使出口滿足設計要求也要使回流閥的開度繼續下降，直到入口壓力滿足要求將回流閥切入到PID 控制。

兩臺回流調節閥配合不當造成級間壓力高，或級間壓力低。

根據以上幾條，應對壓力特殊情況的經驗列表如表4所示。

表4 經驗列表一

其中P1 表示一級入口壓力，L1 表示入口壓力低報警值，H1 表示入口壓力高報警值，P2 表示一級出口壓力，L2 表示出口壓力低報警值，H2 表示出口壓力高報警值；P3 表示二級入口壓力，L3 表示二級入口壓力低報警值，H3 表示二級入口壓力高報警值，P4 表示二級出口壓力，L4 表示二級出口壓力低報警值，H4 表示二級出口壓力高報警值；PV1 表示一級回流閥開度值，PV2 表示二級回流閥開度值。

對于有兩級壓縮機的機型需要考慮一級加載與二級加載不均衡出現偏載，造成排氣溫度差異較大，排氣溫度大的一側容易溫度高高關停，也對機械本身不利。

根據上面，應對溫度不平衡的經驗列表如表5所示。

表5 經驗列表二

T1 表示一級排氣溫度，T2 表示二級排氣溫度，溫度允許有上下10 ℃的偏差；PV1 表示一級回流閥開度值，PV2表示二級回流閥開度值。

以上這些表格存儲于數據庫中，當現場的壓力或閥門的開度與預先設定有較大偏差時，機器可以從數據庫查表，并作出類似于人類判斷，并對機器進行干預。

2.3 使用效果

在工控軟件中制作成帶背景數據的功能塊如圖1所示。

圖1 功能塊

3 結 論

在實際使用時，回流調節閥回關動作速度與壓力上漲速度協調，很好地控制了壓力過快上漲造成的沖擊、和載荷的不平衡，減輕了天然氣壓縮機對上游設備的沖擊，降低了操作人員的工作量，降低了操作錯誤帶來的風險。實現了控制系統擁有豐富的經驗和像人一樣能夠思考的能力。提高了控制系統的智能化水平。