长输液体管道出站调压装置压力自动低选控制原理探讨

王树祺 姜念琛 戚菁菁 郭永华

(1.中国石油北京油气调控中心,北京 100007；2.西南石油大学,成都 610500)

长输液体管道加压站和分输站的出站位置一般都装有调压装置，如压力调节阀(简称出站调节阀)、变频泵或两者结合。调压装置根据控制算法输出信号自动控制阀门的开度或变频泵的转速，从而达到调节管道内介质流量和压力的目的[1,2]。实际工程中，常用单PID或非耦合双PID回路对变频泵的入口和出站压力进行控制，但是这两种方式极易在控制模式切换时引起压力波动，影响管道的使用寿命和生产的平稳运行。因此，笔者将从长输液体管道的调控需求与调度员的操作特点出发，以工况分析的形式对低选控制原理进行介绍[3]，推导和阐述低选控制在两个PID回路间的自动切换流程。最后对低选控制逻辑进行总结分析，以便利用自动化手段消除控制模式切换时的扰动风险，保障管道的安全平稳运行。

1.1 调压装置的作用

调压装置的主要作用：对变频泵进行保护，控制变频泵入口压力始终保持微正压，防止变频泵入口压力过低造成变频泵吸空现象；对出站管线进行保护，控制出站压力，防止出站压力超过管线可承受的最大压力；与下一站进站压力相互配合，通过改变出站压力，达到调整输出量的目的。

变频泵与出站调节阀具有极为相似的调节功能，使用出站调节阀做调压装置时，节流过程使管道内介质的机械能被损耗；使用变频泵控制时，其产生的机械能是按需传递给管道介质的，每一个量级的机械能都对应一种控制需求。

1.2 进/出站调节的作用方式

自动控制的核心思想是反馈，正反馈寻求输出的放大作用，而负反馈则寻求一种输出对输入的跟随作用。负反馈理论包括测量、比较和执行，测量值与期望值比较得出误差，用误差纠正控制系统的输出。

PID控制算法具有控制响应速度快和无静差跟踪的特点[4]。图1为PID控制原理框图。其中，Sv(t)为PID系统的输入期望值，Pv(t)为系统的输出测量值，Dv(t)为Sv(t)与Pv(t)之差；Mv(t)为PID输出的调节阀开度，经数模转换后以4～20mA工业信号控制调节阀。

图1 PID控制原理框图

PID控制的数学模型如下[5]：

(1)

Dv(t)=Sv(t)-Pv(t)

(2)

其中，Kp、Ti、Td分别为PID控制的比例度、积分时间和微分时间。

当进站压力设定值不变，而进站压力下降时，为使进站压力达到设定值，出站调节阀要进行节流，开度减小；对于变频泵，要降低转速。反之则开度增加，转速增加。因此，进站调节的作用方式是正作用方式。

当出站压力设定值不变，而出站压力下降时，为使出站压力达到设定值，调节阀开度增加，变频泵转速上升。反之则开度减小，转速下降。因此，出站调节的作用方式是反作用方式。

2 低选控制

PID低选控制是一种双PID回路耦合的选择性切换控制方法。在液体管道调压时，分别建立进站压力控制和出站压力控制两个独立的PID回路，并将两个PID控制回路的结果进行比较，最后低选输出。低选控制相比于传统的单PID和双PID非耦合控制方法，既可以达到快速平稳的控制目标，又能满足长输液体管道对“严控出站超压，防范进站低压”的调控需求。

2.1 控制原理

PID低选检测流程如图2所示。

图2 PID低选检测流程

PID低选的控制理念在于：约束出站压力过高，限制进站压力过低，使进、出站压力调节之间自动进行切换。PID低选控制框图如图3所示。

图3 PID低选控制框图

2.2 逻辑分析

2.2.1工况1

进站压力测量值Pv1(t)等于进站压力设定值Sv1(t)，出站压力测量值Pv2(t)等于出站压力设定值Sv2(t)。则有：

Pv1(t)=Sv1(t)，Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]=0

Mv1(t)=Mv(t)

Pv2(t)=Sv2(t)，Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)=0

Mv2(t)=Mv(t)

Mv1(t)=Mv2(t)=Mv(t)

理论上系统达到平衡点，调节阀保持原位不进行任何动作。

2.2.2工况2

进站压力测量值Pv1(t)等于进站压力设定值Sv1(t)，出站压力测量值Pv2(t)低于出站压力设定值Sv2(t)。则有：

Pv1(t)=Sv1(t)，

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]=0，Mv1(t)=Mv(t)

Pv2(t)

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)>0，Mv2(t)>Mv(t)

由于Mv1(t)

2.2.3工况3

进站压力测量值Pv1(t)高于进站压力设定值Sv1(t)，出站压力测量值Pv2(t)等于出站压力设定值Sv2(t)。则有：

Pv1(t)>Sv1(t)，

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]>0，Mv1(t)>Mv(t)

Pv2(t)=Sv2(t)，

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)=0，Mv2(t)=Mv(t)

由于Mv2(t)

2.2.4工况4

进站压力测量值Pv1(t)低于进站压力设定值Sv1(t)，出站压力测量值Pv2(t)不大于出站压力设定值Sv2(t)。则有：

Pv1(t)

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]<0，Mv1(t)

Pv2(t)≤Sv2(t)，

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)≥0，Mv2(t)≥Mv(t)

由于Mv1(t)

2.2.5工况5

出站压力测量值Pv2(t)高于出站压力设定值Sv2(t)，进站压力测量值Pv1(t)不小于进站压力设定值Sv1(t)。则有：

Pv1(t)≥Sv1(t)，

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]≥0，Mv1(t)≥Mv(t)

Pv2(t)>Sv2(t)，

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)<0，Mv2(t)

由于Mv2(t)

2.2.6工况6

进站压力测量值Pv1(t)高于进站压力设定值Sv1(t)，出站压力测量值Pv2(t)低于出站压力设定值Sv2(t)。则有：

Pv1(t)>Sv1(t)，

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]>0，Mv1(t)>Mv(t)

Pv2(t)

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)>0，Mv2(t)>Mv(t)

由于Mv1(t)和Mv2(t)均大于Mv(t)，经低选后选择Mv1(t)和Mv2(t)中数值较小的一个做为输出来增加调节阀的开度。相对而言，由于使用数值较小的值来控制阀开度，因此需采用缓慢、保守的方式开阀。

2.2.7工况7

进站压力测量值Pv1(t)低于进站压力设定值Sv1(t)，出站压力测量值Pv2(t)高于出站压力设定值Sv2(t)。则有：

Pv1(t)

Dv1(t)=-[Sv1(t)-Pv1(t)]<0，Mv1(t)

Pv2(t)>Sv2(t)，

Dv2(t)=Sv2(t)-Pv2(t)<0，Mv2(t)

由于Mv1(t)和Mv2(t)均小于Mv(t)，经低选后选择Mv1(t)和Mv2(t)中数值较小的一个做为输出来减小调节阀的开度。相对而言，由于使用数值较小的值来控制关闭阀门，因此关阀应当机立断。

2.3 逻辑总结

当出站压力高于出站设定值和进站压力低于进站设定值两种情况并存时，根据两路PID的低选结果，选择能使PID输出结果更低的较小者，即关阀急，谁急调谁。

当出站压力高于出站设定值和进站压力低于进站设定值两种情况单独出现时，根据两路PID的低选结果，优先保证出站不超压或泵入口压力不过低。

当压力在正常范围内运行时，根据两路PID的低选结果，开阀幅度会相对缓慢。

3 结束语

低选控制的特点是根据设定值，围绕某一个控制量进行调节时，可以同时兼顾另一控制量，即可在设定值允许范围内同时约束两个控制量的变化。例如出站压力控制时，可以兼顾调节进站压力不低于进站设定值；进站压力控制时，可以兼顾调节出站压力不高于出站设定值。

低选控制的适用性在于它是从液体管道的控制需求与调度员的操作特点出发，实现一种自动切换辅助功能，消除进站压力控制和出站压力控制之间切换带来的压力扰动，从而确保进、出站压力的自动切换和系统的平稳运行，利用自动化手段降低了因人工切换不及时等复杂因素所带来的管道运行风险。

[1] 王志.电动调节阀动态特性与控制研究[D].济南:山东大学,2013.

[2] 王书惠.天然气长输管道分输压力控制系统技术研究[J].石油规划设计,2012,23(1):23～26.

[3] 吉建娇,张姣姣,刘丹丹.选择性控制系统[J].科技创新导报,2009,(24):174.

[4] Richard C D,Robert H B.Modern Control Systems[M].London: Prentice Hall,2010.

[5] 黄德先,王京春,金以慧.过程控制系统[M].北京:清华大学出版社,2011.