基于PID算法的天然氣管道閥門遠程自動控制方法

徐雪嬌

(中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

天然氣管道閥門具有截止、導流以及分流等功能，受到多種因素影響，很容易出現內漏現象，其主要原因歸結為以下三點： 密封面腐蝕，天然氣管道閥門多為金屬材質，由于長時間裸露在外，管道閥門密封面易被腐蝕，使管道的密封性下降；閥門安裝時未嚴格按照要求，安裝順序不合理，導致閥門內的球體造成損壞；焊接時焊渣或者管道內的異物對閥門密封面損壞。如果沒有有效控制內漏的閥門，將會造成一定的經濟損失，據相關統計數據顯示，內漏閥門數量占天然氣管道閥門總量的5%～8%，閥門內漏量約占天然氣泄漏總量的50%，因此對天然氣管道閥門遠程控制是非常有必要的。最早對天然氣管道閥門的控制方式主要為人工方式，控制效率較低，后來相關學者提出了天然氣管道閥門遠程自動控制方法，但是國內這方面的研究起步比較晚，相關技術和理論還不夠成熟和完善，現有的控制方法在實際應用中控制效果較差，控制后閥門內漏量仍舊比較大。

為了解決上述問題，提出基于PID算法的天然氣管道閥門遠程自動控制方法，以期提高天然氣管道輸送的安全性。

1 遠程自動控制方法設計

1.1 閥門發射聲信號獲取及變換

天然氣管道閥門內漏最明顯的特征為聲音異常，無內漏的管道閥門只有管道內天然氣體流動與管道壁摩擦的聲音，發射聲信號非常微弱，并且呈規律性變化。當管道閥門密封性下降，出現明顯的內漏現象時，天然氣流體從閥門縫隙流出，泄漏源處天然氣能量快速釋放，泄漏流體的渦流產生泄漏聲源，因此可以通過聲波傳感器獲取閥門在時域上連續變化的發射聲信號[1]，判斷天然氣管道閥門狀態，為后續閥門控制提供依據。根據天然氣管道閥門遠程自動控制實際需求，選用體積小、靈敏度較高的SFAWE/56945型聲波傳感器，將其安裝在管道閥門的兩側，靠近閥門密封面，根據實際情況設置聲波傳感器的采集頻率、增益、工作頻率等參數，利用讀卡器讀取聲波傳感器采集的發射聲信號，并將其上傳到計算機上。

為了方便后續提取到管道閥門的異常特征，對獲取的發射聲信號進行平移、放大等變換處理，調節發射聲信號在頻域和時域內的特征，實現對發射聲信號的增強，其變換公式[2]如式(1)所示：

(1)

式中：di(t)——變換后第i個天然氣管道閥門t時刻的發射聲信號；a——平移尺度因子；e——放大尺度因子；b——時窗的寬度。

1.2 內漏異常閥門識別

利用小波包分解法分析管道閥門發射聲信號，提取閥門內漏特征，識別出內漏異常的閥門，并將其作為控制特征向量[3]。將一組連續變換的發射聲信號定義為小波包K并通過離散化處理，實現對K的分解，假設分解層數為3層，分解尺度為k，小波包分解過程如圖1所示，其中，C,Cj，Cr表示分層級分解中的低通濾波；D,Dj,Dr表示分層級分解中的高通濾波。

圖1 小波包分解過程示意

根據上述分解法，計算信號的子空間信號能量，如式(2)所示：

Ej=∑|Sj(h)|

(2)

式中：Ej——發射聲信號第j層子空間信號能量值；Sj——發射聲信號第j層子空間信號數值；h——子空間信號長度[5]。

將發射聲信號各個空間段能量歸一化處理，如式(3)所示：

(3)

式中：P(Ej)——歸一化處理后的發射聲信號各個空間段能量，即分解后的子空間能量在重構信號能量中存在的概率；Aj——在第j層任意一個節點的重構信號[6]。

再利用傅里葉變換求出發射聲信號子空間功率譜密度值，如式(4)所示[7]：

(4)

式中：F——發射聲信號子空間功率譜密度值；T——發射聲信號采樣頻率；Q——發射聲信號采樣點數量；L——發射聲信號的離散傅里葉變換。

根據子空間功率譜密度求出發射聲信號聲功率，由于發射聲信號聲功率與管道閥門內漏率呈線性關系，進而可以求出天然氣管道閥門內漏率，如式(5) 所示：

Pt=logFW+c

(5)

式中：Pt——天然氣管道閥門在t時刻的內漏率；W——天然氣管道閥門發射聲信號聲功率；c——系數，通常情況下該系數取值0.1。

當式(5)計算結果大于零時，則表示天然氣管道閥門內漏異常，為遠程自動控制目標。

1.3 基于PID算法控制異常閥門開關

根據識別結果，利用PID算法對天然氣管道閥門開關進行遠程控制，其控制流程如下：

1)初始化。根據實際情況，設置天然氣管道閥門初始誤差，如閥門正常工作則初始誤差為0[8]。

2)對天然氣管道閥門數學模型的輸入、輸出初始化，同樣將模型的輸入和輸出參數初始化設定為0，天然氣管道閥門數學模型如式(6)所示：

V={u,p,z}

(6)

式中：V——天然氣管道閥門數學模型；u——管道閥門開關狀態；p——閥門壓力參數；z——管道閥門慣性系數。

3)設定PID規則，“1”表示天然氣管道閥門開關開啟，“0” 表示天然氣管道閥門開關關閉[9]。定義任何時刻天然氣管道閥門狀態誤差不為零，將管道閥門狀態由“1”修改為“0”。

4)輸入式(5)計算結果，將其作為輸入值，將其對應的管道閥門設定為控制對象[10]，計算出時刻的狀態誤差，如式(7) 所示：

αt=|Pt-γ|

(7)

式中：αt——天然氣管道閥門t時刻狀態誤差；γ——理想化的天然氣管道閥門狀態。

5)根據PID規則，執行控制策略如式(8) 所示：

Vu=0, ifαt≠0

(8)

6)控制任務結束，返回步驟2)對下一組輸入信號計算。按照以上步驟，控制內漏異常的管道閥門開關，及時關閉狀態異常的閥門，從而實現基于PID算法的閥門遠程自動控制。

2 實驗論證分析

以某天然氣管道為實驗對象，該管道共裝有8臺DN1200的閥門，管道壓力為15 MPa，閥門材質為碳鋼。管道內徑為25 mm。由于該管道閥門使用時間比較長，部分已經出現老化現象，從而經常出現內漏，采用PID計算方法對該閥門進行遠程自動控制。

根據該管道閥門實際情況，準備了8個聲波傳感器，安裝和功能校正后，將傳感器的工作頻率設定為180 kHz，增益參數設定為(30±1) dB，采樣頻率設定為200 kHz，傳感器頻率范圍為4 kHZ～18 MHZ，設定完技術參數后，開始采集管道閥門聲音信號，實驗共采集到0.15 GiByte的天然氣管道閥門聲音信號數據。實驗中通過氨氣瓶向各臺閥門上游的管道注入4.5 MPa氨氣，利用氨氣代替天然氣，保證實驗安全。以氨氣泄漏時刻8：30開始，根據閥門內漏情況遠程控制閥門，8臺閥門全部關閉即為控制成功。天然氣管道閥門遠程自動控制狀況見表1所列。

表1 天然氣管道閥門遠程自動控制狀況

從表1中數據可以看出，在3 min內對該管道8臺異常閥門均進行了關閉控制，具有良好的控制效果。

為了進一步驗證該次設計方法的可行性，將控制后閥門內漏量作為實驗指標，實驗時間為24 h，使用測量儀器應用兩種方法并進行對比，兩種方法應用后閥門內漏量對比見表2所列。

表2 兩種方法應用下閥門內漏量對比 L/d

通過分析表2數據，應用設計方法后，閥門最大內漏量僅為0.32 L/d，管道閥門內漏量最少僅為0.05 L/d，說明設計方法對閥門具有良好的控制效果，能夠及時關閉異常的閥門；而應用傳統方法，閥門最大內漏量為19.34 L/d，閥內漏量最少為14.15 L/d，遠遠高于設計方法。因此，實驗結果證明，在控制精度方面，設計方法優于傳統方法，更適用于天然氣管道閥門的遠程自動控制。

3 結束語

本文將PID算法應用到天然氣管道閥門遠程自動控制中，提出了一個新的控制方法，并通過實驗驗證了該思路的可行性和可靠性。該方法不僅有助于減少管道閥門內漏的經濟損失，而且還能夠提高閥門控制的自動化水平，同時該PID算法在天然氣管道閥門自動控制中應用具有一定的推廣意義。但是由于該方法尚未在實際中得到大量操作和應用，在某些方面可能存在一些不足之處，今后會進一步優化該PID算法，豐富天然氣管道閥門遠程控制理論，同時為天然氣管道閥門遠程自動控制提供有力的理論支撐。