管线长距离输送天然气的闭环控制模型研究

刘亚龙，殷若鹏，尤冬石

（1中国石油西气东输管道公司山西管理处，太原　030001；2中国石油西气东输管道公司郑州管理处，郑州　450008；3中国石油西气东输管道公司浙江管理处，杭州　310008）

管线长距离输送天然气的闭环控制模型研究

刘亚龙1，殷若鹏2，尤冬石3

（1中国石油西气东输管道公司山西管理处，太原030001；2中国石油西气东输管道公司郑州管理处，郑州450008；3中国石油西气东输管道公司浙江管理处，杭州310008）

采用管线进行天然气输送是天然气运输的主要方式，天然气管线输送控制是西气东输工程关键技术问题。传统的管线长距离输送天然气的控制模型采用模糊PID控制方法，当天然气管线传输节点出现自相关特征互扰时，对天然气输送的控制精度不高。提出一种基于自适应渐进约束加权闭环控制的管线长距离输送天然气控制模型。构建管线长距离输送天然气控制的控制对象模型，进行控制约束参量分析和控制目标函数构建，构建了多输入输出的天然气管线负荷的时间序列信号模型，在天然气流量的特征子空间中，采用闭环反馈校正方法实现管线长距离输送天然气的闭环控制算法改进。仿真结果表明，采用该控制模型进行天然气在管线中的长距离调度和传输，具有较好的控制精度，天然气输送的传递误差收敛到零，提高了天然气储运效率与安全性。

管线；天然气；储运；控制

0　引 言

天然气是优质高效、清洁环保的能源和重要的化工原料，广泛应用于工业、商业和民用各个领域，在经济社会发展和人民生活中具有十分重要的作用，因此，扶持开发天然气工业在国家经济发展中具有重要意义。“西气东输”是天然气工业引进实施的重要项目工程。“西气东输”工程是把我国西部地区富产天然气地方的气源通过管道输送方式传输到东部地区，“西气东输”天然气输送工程是我国距离最长、口径最大的输气道管工程，西起塔里木盆地的轮南，东至上海。全线采用自动化控制，供气范围覆盖中原、华东、长江三角洲地区。在“西气东输”工程中，天然气主要通过管道线路进行长距离的传输，采用管线进行天然气输送是天然气运输的主要方式，天然气管线输送控制是“西气东输”工程关键技术问题。研究天然气管线输送控制优化方法在“西气东输”工程中具有重要的里程碑意义，相关的控制模型研究受到人们的极大重视。

传统方法中，对长距离输送天然气管线系统的调度控制方法主要采用模糊PID神经网络控制的长距离输送天然气管线控制方法、基于经验模态分解的长距离输送天然气管线负荷预测及控制方法、基于粒子群进化的长距离输送天然气管线控制方法和基于QoS调度的天然气管线调度及控制方法等［1-3］，上述方法是采用非线性时间序列分析方法进行管线中天然气流量的信号模型构建和重构，结合控制模型实现优化调度，提高天然气在管线传输中的均衡性能，取得了一定的研究成果，其中，文献［4］提出一种基于定量递归分析和天然气流量的状态矢量特征空间重构的天然气管线负荷数据预测算法实现长距离输送天然气管线系统的优化控制，对天然气管线负荷数据进行相空间重构，在重构的相空间中进行递归图的特征提取，采用自相关匹配算法实现对流量预测，提高天然气管道的控制性能，但是该方法存在计算开销较大，维数较高等问题，导致控制精度不高。文献［5］提出一种采用子空间特征分解的多输入输出的长距离输送天然气管线系统调度控制方法，通过覆盖概率高阶累积量切片的均衡控制处理，提高天然气管线的调度控制性能，但是该算法对干扰强度大和信噪比较低情况下的天然气管线的流量预测和控制的效果不好。文献［6］给出的控制模型采用模糊PID控制方法，当天然气管线传输节点出现自相关特征互扰时，对天然气输送的控制精度不高。

针对上述问题，本文提出一种基于自适应渐进约束加权闭环控制的管线长距离输送天然气控制模型。构建管线长距离输送天然气控制的控制对象模型，进行控制约束参量分析和控制目标函数构建，构建了多输入输出的天然气管线负荷的时间序列信号模型，采用闭环反馈校正方法实现管线长距离输送天然气的闭环控制算法改进。最后通过仿真实验进行了性能测试，得出采用本文设计的控制模型进行天然气在管线中的长距离调度和传输，具有较好的控制精度，天然气输送的传递误差收敛到零，提高了天然气储运效率与安全性，展示了较好的应用价值。

1　长距离输送天然气管线系统的控制对象模型和控制约束参量分析

1.1长距离输送天然气管线系统的控制对象模型

为了实现对长距离输送天然气管线的可靠性控制，需要首先进行控制模型构建，首先构建MIMO多跳长距离输送天然气管线系统负荷数据时间序列分析模型［7-12］，实现长距离输送天然气管线的控制对象模型模拟，假设将整条管线分成小段，在管线起点采用一个离散二元方程描述距离输送天然气管线系统的输入输出模型为：

其中，x（k）∈Rp表示输送管线的总传热系数，u（k）∈Rq表示系统的控制输入，z（k）∈Rm表示长距离输送天然气管线的输送天然气的目标属性控制输出，A，B，C为适当维数矩阵，采用四元素变量p，q，m表示长距离输送天然气管线的输送流量。

考虑系统在初始条件一定的情况下长距离输送天然气的流量负荷过渡过程表示为u（k）=Kx（k），在管线起始段，返回时延τk小于一个采样周期时，此时输送天然气的流量在失衡时的校正的反馈跟踪控制目标函数可描述为：

采用四元素方法求管线流量为150 m3/h的摩擦生热，考虑存在不确定时延和控制输入直接作用下的管线控制的小扰动性，得到长距离输送天然气管线的被控对象可以描述为：

图1　天然气管线的粘度与温度的关系曲线Fig.1 Relationship between viscosity and temperature of natural gas pipeline

由上面对长距离输送天然气管线的动态特性分析，考虑长距离输送天然气管线的不确定时延、未知扰动误差、输送起点油温等干扰问题，得到天然气管线的粘度与温度的关系曲线如图1所示。对图1表示的天然气管线的粘度与温度的关系进行自适应特征分析，在控制状态方程引入干扰向量，得到引入干扰后加热输送时，流量越大，此时天然气管线中进行流量调度和控制系统状态方程描述为：

其中，w（k）∈Rn，表示管线采用大流量输送的未知扰动，即w（k）∈L2（0，∞），A、B、C、D、F1、F2为适当维数矩阵，变量n为正整数，ΔA1，ΔB1为流动摩擦热和良好的管道保温的原始数据的建模误差，在全线不加热下，得到一组不确定变量输入，根据上述分析，构建长距离输送天然气管线系统的控制对象模型，作为控制模型的输入数据。

1.2控制目标函数构建和控制约束参量模型分析

在上述构建的长距离输送天然气管线系统的控制对象模型的基础上，将多输入输出的长距离输送天然气管线路由节点引入到分簇模型中，定义在t域的天然气管线负荷时间序列函数x（t）的p阶高阶累积量特征，在状态空间中确定控制目标函数Xp（u）和高阶累积量信息Fpx（u），并且在M层子节点中分析天然气管线系统信道阻抗的频谱特征为：

多输入输出的长距离输送天然气管线系统传输节点接收到的负载信息的功率为：

多时段信道均衡下管线输出的负荷时间序列在相空间中的相位角为α=pπ/2。Fα［·］为功率谱密度的算子符号，多输入输出多跳长距离输送天然气管线系统闭环控制的选择权值sw（u），得到Kp（t，u）控制约束下管线的摩阻损失变换核：

其中，n为多输入输出多跳长距离输送天然气管线系统中压气站的节点的个数，即n∈Z。将核函数代入上式，长距离输送天然气管线系统时延扩展Xp（u）可以表示为：

采用MIMO多跳长距离输送天然气管线系统负荷数据时间序列分析方法，得到天然气管线的排出压力和管道的工作压力负荷测量均衡后的控制目标函数为：

通过上述分析，实现了控制目标函数构建和控制约束参量模型分析，在此基础上进行闭环控制模型优化。

2　管线长距离输送天然气的闭环控制模型改进设计与实现

在上述进行了控制约束参量分析和控制目标函数构建的基础上，进行管线长距离输送天然气的闭环控制模型改进设计，传统的管线长距离输送天然气的控制模型采用模糊PID控制方法，当天然气管线传输节点出现自相关特征互扰时，对天然气输送的控制精度不高。为了克服传统方法的弊端，本文提出一种基于自适应渐进约束加权闭环控制的管线长距离输送天然气控制模型。构建管线长距离输送天然气控制的控制对象模型，构建了多输入输出的天然气管线负荷的时间序列信号模型，在天然气流量的特征子空间中，采用闭环反馈校正方法实现管线长距离输送天然气的闭环控制算法改进，改进模型算法设计描述如下，构建自适应渐进约束加权闭环控制算法，令qw、va、fwk分别表示多输入输出多跳长距离输送天然气管线系统通信系统的吞吐量Qw、Va、Fwk的均值，得到天然气管线的传输流量的约束控制的建模误差的表达式具体描述为：

其中，G∈Rr×l，A1∈Rl×p，B1∈Rl×q为长距离输送天然气管线系统负荷预测的确定成分参量矩阵，F∈Rl×l为未知扰动成分参量的矩阵，但满足条件FTF≤I，特征函数r，l为正整数。记特征约束遍历误差为：

通过上述描述，构建了长距离输送天然气管线失衡条件下的控制对象模型，对于每一个重构的广域子空间模型，空间矢量表示为：

对于裸露管线，只需增加厚度不大的保温层，提高调度控制传输过程中的特征匹配度，此时裸露管线的温降特征相关函数为：

通过上述处理，实现对多输入输出多跳长距离输送天然气管线系统负荷的信号特征重构，从L+1到2L维进行长距离输送天然气的负荷预测，得到管线有保温层时的温降和压降特征分解过程为：

式中，多跳长距离输送天然气管线系统负荷传输距离、天然气传递的功率向量V=［V1，V2，…，Vm］∈Rm×m且正交，从而得到传热系数控制约束特征表示为：

求得含有天然气管线负荷走势的所有状态信息，能有效表征研究的长距离输送天然气管线系统负荷数据的状态参量，进行多输入输出多跳长距离输送天然气管线系统的调度控制的线性时间预测，可得：

其中，xt表示多输入输出多跳长距离输送天然气管线系统数据包预测分析样本数据；wt表示于自适应渐进约束加权闭环控制的权值向量。

通过上述算法设计实现控制模型改进，改进算法实现流量如图2所示。

3　仿真实验与性能分析测试

为了验证本文设计的控制模型在实现天然气在管线中长距离传输中有效控制的应用性能，进行仿真实验。仿真采用Matlab 7作为仿真工具进行算法设计，选择了ADI公司的ADSP-BF537作为天然气管线的流量采集芯片，天然气管线运输的流量采样频率为13.63 kHz，测试数据集分布的频率范围：22～28 kHz天然气管线运输的脉宽34 ms，闭环控制的解调频率为20 Hz，干扰SNR=10 dB。在上述仿真环境和参数设定的基础上，进行管线长距离输送天然气的闭环控制仿真测试，为了定量分析性能，采用本文方法和传统方法，以不同温度和不同流量下的天然气传输的吞吐量为测试指标，得到仿真结果如图3和图4所示。从图可见，采用该控制模型进行天然气在管线中的长距离调度和传输，具有较好的控制精度，天然气输送的传递误差收敛到零，吞吐量较高，提高了天然气储运效率与安全性。

图2　天然气管线运输的闭环控制模型改进实现流程Fig.2 Improved implementation of closed loop control model for natural gas pipeline transportation

图3　不同环境温度下管线对天然气传输的吞吐量Fig.3 Throughput of pipeline for natural gas transmission under different ambient temperature

图4　不同流量下天然气传输的吞吐量Fig.4 Throughput of natural gas transmission under different traffic conditions

4　结束语

本文提出了一种基于自适应渐进约束加权闭环控制的管线长距离输送天然气控制模型。构建管线长距离输送天然气控制的控制对象模型，进行控制约束参量分析和控制目标函数构建，构建了多输入输出的天然气管线负荷的时间序列信号模型，在天然气流量的特征子空间中，采用闭环反馈校正方法实现管线长距离输送天然气的闭环控制算法改进。仿真结果表明，采用该控制模型进行天然气在管线中的长距离调度和传输，具有较好的控制精度，天然气输送的传递误差收敛到零，提高了天然气储运效率与安全性，应用价值较高。

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Research on closed loop control model for long distance pipeline transportation of natural gas

LIU Yalong1，YIN Ruopeng2，YOU Dongshi3
（1 China Petroleum West East Gas Pipeline Company Shanxi Management Office，Taiyuan 030001，China；2 China Petroleum West East Gas Pipeline Company Zhengzhou Management Office，Zhengzhou 450008，China；3 China Petroleum West East Gas Pipeline Company Zhejiang Management Office，Hangzhou 310008，China）

The natural gas transportation is the main way of natural gas transportation，and the control of natural gas pipeline transportation is the key technical problem of the west to east gas transmission project.The traditional control model of long distance transportation natural gas using fuzzy PID control method，the control accuracy of natural gas transmission is not high when the natural gas pipeline transmission node appears auto correlation characteristic mutual interference.A natural gas control model based on Adaptive Incremental constrained weighted closed loop control for long distance transportation is proposed.Construction of long distance pipeline conveying natural gas control model of the controlled object，to control constraint parameters analysis and control objective function to build，build the time series signal model of MIMO（multiple input multiple output）of natural gas pipeline load，in natural gas flow in the feature subspace by closed loop feedback correction method for realization of natural gas pipeline.Simulation results show that using this control method for natural gas in the pipeline in the long distance scheduling and transmission，has good control precision，transporting natural gas transmission error converges to zero and improve the natural gas storage and transportation efficiency and safety.

pipeline；natural gas；storage and transportation；control

TP273

A

2095-2163（2016）03-0025-04

2016-04-12

刘亚龙（1989-），男，学士，助理工程师，主要研究方向：天然气储运工程；殷若鹏（1989-），男，学士，助理工程师，主要研究方向：电气自动化；尤冬石（1990-），男，学士，助理工程师，主要研究方向：天然气储运工程。