基于壓降速率法的恒壓控制器設計

沈善修

(湖北省天然氣發展有限公司,湖北 武漢 437000)

伴隨著天然氣行業的發展進步,越來越多的輸氣場站采用調度中心控制或者自動控制[1-3],各燃氣管道企業相繼實施全自動分輸控制改造,并逐步實現了全自動輸氣。全自動分輸控制邏輯主要是基于流量控制和壓力控制來實現的[4]。壓力控制,指在日常輸氣時通過PLC對壓力調節閥進行自動控制[5-7],使得調壓閥后端的壓力穩定。

壓力控制主要是應用PLC內部的PID控制。當下游天然氣管網壓力波動頻繁、下游用氣不穩定、工作調壓閥死區較大時,PID控制就會出現壓力調節不穩、壓力波動大、工作調節閥頻繁動作的問題[8-9]。目前,也有學者對該類問題進行研究,提出改進控制算法,主要思路包括優化PID算法、降低PID起調量、模糊算法控制、趨近控制法等方法[10-16],主要目的是避免調節幅度過大。近年來,天然氣行業高速發展,很多輸氣場站與上游、下游場站“背靠背”而建,它們進出站的管道水容積很小,下游稍小的流量波動就會導致上游出現較大的壓力波動,因此在實現恒壓控制時非常困難。

1 管容小時恒壓運行難的原因

1.1 假設條件

輸氣站調壓工藝流程及壓力曲線如圖1所示。在推導數學模型之前,假設管道內的氣體為理想氣體,氣體的組分和溫度不變,通過工作調壓閥的流量為qV1,出站管道后端下游側的用氣流量為qV2,出站管道的氣體壓力為p,密度為ρ。則取圖1b)中的A點,則A時刻氣體狀態方程如式(1)所示:

圖1 輸氣站調壓工藝流程及壓力曲線示意

(1)

式中:pA——A時刻管道的平均壓力;V——出站管道的水容積;mA——A時刻管道內氣體的質量;Mmol——管道內氣體的摩爾質量;R——普適氣體常量;T——氣體的溫度。

經過輸氣時間Δt后,取圖1b)中的B點,則B時刻氣體狀態方程如式(2)所示:

(2)

式中:pB——B時刻管道的平均壓力;mB——B時刻管道內氣體的質量。

從A時刻到B時刻,根據連續性方程得知:

mB=mA+ρ(qV1-qV2)·Δt

(3)

由式(1)～(3)得出式(4)如下:

(4)

由式(4)可知,B時刻的壓力主要跟qV1與qV2的差值、Δt及管道的水容積V有關。

1.2 小管容下恒壓難以控制的原因

若V很小,當下游突然大幅度降低輸氣流量時,pB在極短的時間迅速升高。如果閥門動作不及時,壓力迅速偏離設定壓力,甚至會導致切斷閥切斷而停止輸氣,從而造成調壓周期更長,這是在輸氣時出現壓力波動的主要原因。這種大幅度調流導致的壓力波動很難控制,響應時間短,壓力上升速度快。

2 步進控制原理

管存小時的恒壓輸氣需要解決的問題有兩個: 一是閥門的調節要快,當下游流量突然減小時,閥門能夠快速減小開度,降低輸氣流量;當下游流量突然增大時,閥門能夠快速加大開度,增大輸氣流量。二是壓力控制要穩,閥門快速動作后,實際壓力要盡可能地接近設定壓力,閥門盡量不要頻繁動作。通過PLC分析采集壓力的變化規律,結合控制器來周期性調節閥門的動作幅度,通過壓降速率來解決恒壓輸氣問題。

2.1 壓降速率

管道的壓力變化可以使用壓降速率表示,如圖1b)中,定義AB點的壓降速率為vΔp,結合式(4)可知:

(5)

根據式(5)可知,vΔp與流量有關,當qV1=qV2時,vΔp=0,pA=pB,此時壓力不變;當qV1>qV2時,vΔp>0,pApB,壓力降低。結合圖1b),根據零點定理可知,vΔp從負值到正值或從正值到負值時,一定會存在一個時刻,使得vΔp=0,簡稱壓力拐點,該時刻qV1=qV2。

2.2 控制原理

步進控制原理: 在1個時間周期t內,將當前的工作調壓閥的閥位增大(或減小)1個動作步長Lss的開度,檢查vΔp是否滿足要求,如果不滿足要求,重復上述步驟,直到vΔp滿足要求,閥位停止調節。受制于工作調壓閥上電動執行機構的精度誤差[17-19],會出現電動執行機構(執行器)不動作的情況,此時動作步長會累加到下個周期予以執行,依次循環,直到閥門執行為止。步進控制原理如圖2所示,調壓閥壓力區間與調節對應關系如圖3所示。

圖2 步進控制原理示意

圖3 調壓閥壓力區間與調節對應關系示意

2.3 恒壓控制的工作邏輯

定義一個壓力偏差pdb為壓力死區和一個壓降速率死區vΔpdb,假設測量壓力值為pPV,恒壓控制的設定壓力值為pSV。控制步驟如下。

2.3.1執行壓力偏差控制

該步驟目的是使得閥門快速響應,使得壓力進入壓力偏差區內,如圖3所示。

1)當pPV>pSV+pdb,此時壓力大于目標值,閥門開度需減小,使用步進控制方法調節閥門開度,直到vΔp<0后停止調節,此時qV1與qV2兩者相差較小,壓力緩慢下降,等待pPV緩慢趨近pSV。當pSV-pdb≤pPV≤pSV+pdb,開始執行壓降速率控制。

2)當pPV0后停止調節,此時qV1與qV2兩者相差較小,壓力緩慢上升,等待pPV緩慢趨近pSV。當pSV-pdb≤pPV≤pSV+pdb,開始執行壓降速率控制。

2.3.2執行壓降速率控制

該步驟目的是降低vΔp,使壓力變化的速度更為緩慢,避免壓力波動太大。

1)當vΔp>+vΔpdb時,壓降速率過大,需要減小閥門開度,使用步進控制方法減小閥門開度,直到|vΔp|≤vΔpdb,閥門停止調節。

2)當vΔp<-vΔpdb時,壓降速率過小,需要增大閥門開度,使用步進控制方法增大閥門開度,直到|vΔp|≤vΔpdb,閥門停止調節。

3)當-vΔpdb≤vΔp≤vΔpdb時,壓降速率在允許的范圍內,閥門停止調節,同時能避免閥門頻繁動作。

上述過程即可實現任意pSV下的恒壓控制,最終閥門在壓力死區范圍內緩慢波動。由式(5)可知,當vΔp>0,pApB,因此vΔp的正負性可以理解為與時間無關,在執行壓力偏差控制時,響應速度可以非常快。

使用步進式控制方式,巧妙地結合了零點定理,使得閥門停止調節時的qV1和qV2的差值較小,pPV緩慢趨近于pSV。當管道水容積較小時,下游的流量調節會帶來較大的壓力波動,壓力變化會非常快,此時一定會進入壓力偏差控制,從而實現了閥門的快速響應。當閥門的工作死區較大時,閥門經過多次調節后,流量基本不變,也會導致壓力偏差越來越大,會迅速進入壓力偏差控制區,快速越過控制死區。實際生產過程中,輸氣時可能會需要調整恒壓運行時的pSV,當pSV變化較大時,會直接使得閥門進入壓力偏差控制,使得pPV會緩慢接近pSV,實際的供求流量差值較小,從根本上避免壓力陡漲陡降的問題,從而保障輸氣平穩。

3 關鍵控制參數優化

該算法目的是使閥門處于壓降速率控制區,降低閥門調節幅度,使qV1與qV2的值更為接近。現實中qV1與qV2存在一定的差值,隨著時間的積累,使得pPV緩慢偏離pSV,因此允許壓力在一個小范圍內波動。該控制算法主要與管道水容積、允許的單次流量差|qV1-qV2|、允許的壓力死區、壓降速率及閥門的控制死區等參數有關。結合設備和生產實際,相關參數的確定推薦使用如下公式。

1)根據實際生產,選擇pdb和|qV2-qV1|的值,通過相關參數確定壓降速率控制值時的vΔpdb,然后確定壓降速率控制的時間周期T2。壓降速率控制值vΔpdb計算如式(6)所示:

(6)

壓降速率控制時的時間周期T2計算如式(7)所示:

(7)

式中:n2≥2,一般選擇2～8即可;pa——大氣壓力;T2——壓降速率控制時的時間周期。

確定壓力偏差控制時的時間周期T1,T1可以非常小,但T1越小,閥門開度變化越快。根據上述邏輯可知,當流量過大,立即進入壓力偏差控制,因此選擇一個|qV1-qV2|max的上限值,一般T1中的n1可以選擇1～5。T1的計算如式(8)所示:

(8)

2)動作步長Lss的確定。動作步長主要與閥門自身特性有關,壓降速率控制時的動作步長Lss2一般推薦為控制精度的50%左右,壓力偏差控制時的動作步長Lss1約為控制精度的66.7%。

閥門在執行壓降速率控制時,Lss2較小,動作周期較長;閥門在執行壓力偏差控制時,Lss1略大,動作周期較短。當下游輸氣流量變化時,上游側的壓降速率先快速增大,后緩慢減小,最后趨于平穩,時間越長,壓降速率越精準越平穩[20-21],所以壓降速率控制周期不能太小,周期太小壓降速率的計算值不穩定,閥門調節的次數越多,壓力波動次數越多。

4 案例應用

某分輸站出站管道到下游城市燃氣門站撬裝入口距離約100 m,出站管道管徑DN250,該分輸站工作調壓閥前壓力3.0～4.2 MPa,閥后運行壓力1.5～2.1 MPa,日均輸氣為標準6.0×104m3,下游流量需求在1.7×103～7.5×103m3/h,出站管道水容積約為9 m3,管存非常小,工作調壓閥控制精度為1%,壓力上限為2.1 MPa,壓力下限為1.55 MPa。早期該站只能上下游聯動恒流輸氣,加裝上述恒壓算法后,實現了恒壓1.75 MPa全自動分輸。

參數選取: 根據生產實際,選擇pdb=0.03 MPa, |qV2-qV1|=300 m3/h, |qV2-qV1|max=1×103m3/h,n2=3,n1=3,計算得出:vΔpdb=0.001 MPa/s,T2=10 s,T1=3 s,Lss2=0.5%,Lss1=0.8%。某分輸站恒壓控制曲線如圖4所示。

圖4 某分輸站恒壓控制曲線示意

通過圖4可知: 輸氣流量范圍為2.2×103～3.2×103m3/h,壓力波動的最小值為1.70 MPa,壓力最大值為1.80 MPa。6 min開始,系統恒壓1.75 MPa運行。7～14 min,執行壓力偏差控制,出現拐點后閥門不再動作,壓力緩慢上升。15～125 min,系統處于壓降速率控制,流量約為2.2×103m3/h,壓力緩慢波動。126 min時,下游突然調流到2.6×103m3/h,處于壓力偏差控制,閥門迅速增大,壓力緩慢上升后,由于壓降速率過大,再次調節閥門開度,最終控制流量為2.6×103m3/h。270 min,下游突然將流量從3.2×103m3/h降低到2.4×103m3/h,執行壓力偏差控制,閥位迅速降低,然后執行壓降速率控制,壓力緩慢波動。

通過圖4可以看出,該算法響應時間短,閥門快速響應,能夠有效控制輸氣時的壓力,從而將出站壓力波動穩定在一個較小的范圍內,并且從閥門的開度變化也能看出閥門沒有頻繁動作。

5 結束語

本文提出了以壓降速率為核心的恒壓控制算法,以下游實際輸氣流量為目標進行控制,可始終將輸氣流量控制到下游的實際用氣流量附近,能夠很好地解決出站管容小而難以穩定恒壓輸氣的問題。算法的快速響應能避免較大的壓力波動,能夠有效解決閥門切斷問題,該算法原理簡單,可在常規 PLC上實現,結合自動分輸邏輯,非常適用于集中調度和無人值守的場景,具有較高的應用價值。