输气站场无人化自动分输技术在西气东输工程的实现

梁 怿 彭太翀 李明耀

中国石油管道有限责任公司西气东输分公司

0 引言

随着国家大力推进清洁能源战略，天然气行业得到了迅速发展，天然气管网日趋庞大，输气量日益增多[1-5]。西气东输工程是“气化”中国能源大动脉，其输气效率直接影响整个中国的天然气能源行业。西气东输工程自2003年投产以来，其输气模式在不断地进行升级改造[6-10]，但仍未从根本上实现无人化的目标。目前，西气东输输气站的天然气分输全过程包括：中国石油北京油气调控中心下达分输日指定任务后，站场输气工远控开启分输支路，然后根据经验设置比例—积分—微分控制器（Proportion-Integral-Differential，PID）参数，最后待分输日指定量到达时远控关闭分输支路的阀门。在长期运行中，发现该模式存在以下问题：①分输日指定量已到达，但输气工未及时关阀导致超输；②分输工况发生变化后，难以及时重新整定PID参数，致使分输稳定性下降；③输气过程中分输支路阀门发生故障，输气工未及时介入，导致天然气分输中断；④分输流量过低时，输气工未能及时发现并停止分输，导致计量不准确，引发输差问题。另外，该运行模式还大量占用站场人力资源，导致输气工不得不花费大量时间执行机械性、重复性工作。为提高天然气分输的效率、精度和稳定性，提出了无人化分输方案，将全周期的分输工作交由数据采集与监视控制系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）控制，实现无人化的定时启输、智能分输和到量停输。

1 无人化分输改造

1.1 定时启输

在可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系统中设置定时启输逻辑（图1），逻辑内容包括：

1）设置“定时启输投用状态”。操作员可以在站控机上选择投用或禁用“定时启输”功能，投用“定时启输”逻辑后，分输支路的电动阀将切换至自动状态；

2）设置“定时启输准备状态”。该状态用于判断分输支路中的电动阀和电动调节阀是否处于远控、自动、无故障状态。

3）增加时间判断逻辑。逻辑用于定义执行自动启动的时间。

图1 定时启输逻辑图

当逻辑满足条件：北京油气调控中心已发布分输日指定任务，逻辑处于投用状态和准备完成状态，PLC系统时间到达定时启输时间时，定时启输逻辑触发。

在PLC系统中设置顺序控制逻辑，当定时启输逻辑触发后，顺序控制逻辑将依次启动相关阀门（图 2）。

为了保证启输过程中分输参数的稳定性，在PLC系统中还设置了梯级开阀逻辑，逻辑内容如下：

1）对于压力需求型用户，PLC系统以ΔP为梯级，执行PID控制。初始的PID设定值PSP1=PV＋ΔP（PSP1表示首次压力设定值，PV表示压力反馈值，单位均为MPa），待PID控制开阀直至PV-PSP1≤25%ΔP时，逻辑控制执行第二次赋值PSP2=PV＋ΔP，然后依次循环，直到PSP=PSPn。

2）对于流量需求型用户，PLC系统以ΔF为梯级，执行PID控制。初始的PID设定值FSP1=FV＋ΔF（FSP1表示首次流量设定值，FV表示流量反馈值，单位均为m3），待PID控制开阀直至FVFSP1≤25%ΔF时，逻辑控制执行第二次赋值FSP2=PV＋ΔP，然后依次循环，直到FSP=FSPn。

1.2 智能分输

梯级开阀完毕后，无人化分输逻辑将由定时启输阶段切换至智能分输阶段。智能分输使用自适应广义预测控制方法[11-16]。自适应广义预测控制方法对于工艺参数周期性变化的站场具有较好的适应性，可以避免调节阀的动作频繁、响应滞后、开度变化剧烈等问题。西气东输的自适应广义预测控逻辑的预设参数如表1所示。

图2 用户启输逻辑执行顺序图

表1 西气东输自适应广义预测控制参数表

逻辑工作原理如下：

1）基于当前周期采样的多个压力反馈值，剔除最大值和最小值，计算获取当前周期的压力反馈值y。

2）计算获取当前周期的辨识参数：

式中k表示当前采样周期；k-1表示上一个采样周期；θ(k)表示当前周期的辨识参数；K(k)表示计算辨识参数的中间变量，y(k)表示当前采样周期压力反馈值，h(k)表示数据向量，Δu(k-1)表示上一周期的控制变量增量；P(k-1)表示上一周期的P矩阵；I表示单位矩阵。

3）计算获取阶跃响应系数：

式中g表示阶跃响应系数；G表示系数矩阵；a1、a2、b0、b1、b2表示θ(k)中的元素。

4）计算获取期望压力轨迹（Yr）：

5）计算获取开环预测输出（Ym）：

式中yk0表示计算开环预测输出的中间变量。

6）计算获取当前周期的控制变量增量（Δu）：

7）基于上一周期电动调节阀的控制量和当前周期的控制变量增量，计算获取当前周期的电动调节阀的控制量，然后输出控制电动调节阀动作。

1.3 状态监控

1.3.1 低流量分输监控

用户每日各个时刻的用气量不均衡，存在波峰和波谷现象。用气量的波峰通常不会超过流量计正常计量的上限，但波谷却经常低于流量计正常计量的下限。在分输过程中，若用气量长时间低于计量下限，将造成计量不准确。为解决该问题，在PLC系统中设置了低流量状态监控逻辑（图3）。在智能分输阶段，逻辑实时监控分输的瞬时流量，若瞬时流量在2 min内持续低于流量计正常计量的下限，PLC系统将执行用户停输逻辑，停止分输。

图3 低流量停输判断逻辑图

低流量停输完成后，PLC系统还将持续监测分输用户出口压力。若分输用户出口压力持续10 min低于工艺允许的出口压力时，PLC系统将再次执行启输逻辑和智能分输，以保障分输参数的稳定性（图4）。

图4 低流量停输后自动启输判断逻辑图

1.3.2 计量橇状态监控

PLC系统实时监控计量橇的状态，当PLC系统检测到分输在用路计量橇发生了电动阀事故关断或者流量计死机，并且备用路计量橇状态正常时，PLC系统将执行计量橇故障切换逻辑：自动开启备用路计量橇，备用路计量橇启动完毕后再自动关停故障路计量橇，保障分输不间断和计量的准确性。

1.3.3 调压橇状态监控

PLC系统实时监控调压橇的状态，当PLC系统检测到分输在用路调压橇的工作调节阀发生了故障或电动阀发生了事故关断，并且备用路调压橇状态正常时，PLC系统将执行调压橇故障切换逻辑：开启备用路调压橇的同时，关闭在用路调压橇，保障分输不间断和分输的稳定性。

1.4 到量停输

无人化自动分输逻辑采用到量停输功能来停止分输。该逻辑在PLC系统中设置了两个参数“已输百分比”和“停输百分比”。“已输百分比”是当日已输气量与日指定输气量的商。“停输百分比”可在操作员工站上设置，当“已输百分比”大于或等于“停输百分比”时，无人化自动分输逻辑将自动由智能分输阶段切换至到量停输阶段。

用户停输逻辑的执行顺序如下：

1）工作调节阀切换至软件手动控制状态。

2）切换成功后，工作调节阀的阀位值被自动设置为0%，执行关阀操作。

3）工作调节阀的开度小于10%或者工作调节阀持续关阀超过2 min开度仍大于10%时，逻辑将自动关工作调节阀前的电动阀。

4）电动阀关到位视为逻辑执行成功，若用户停输逻辑在10 min内未成功关闭电动阀将视为逻辑执行失败。逻辑执行失败时将产生警铃报警，以提示需要进行人工干预。

当日分输完毕后，待第二天PLC系统的时钟到达设定的启输时间时，控制系统将继续按照之前设置的参数自动进行定时启输、自动分输和到量停输，完成新一天的天然气分输任务。

2 应用测试

无人化分输逻辑在西气东输一线中的31座输气站场的55家用户进行了为期半年的试运行，期间每日使用无人化分输逻辑进行天然气分输，累计输送天然气22.48×108m3。试运行期间对逻辑进行了各种测试，测试内容如表2所示。

表2 逻辑测试表

试运行结果显示无人化分输逻辑具有更为稳定、精准和高效的输气效果，试运行期间未出现任何分输中断、输差和计量不准确问题，天然气分输被控参数的超调量低于5%，降低的阀门开度变化率超过10%。

3 结束语

无人化分输功能将需要大量人工操作的分输工作简化为只需要一次人工参数设定，后续的所有每日分输工作由SCADA系统自动完成。无人化分输改造将站场从繁重的输气工作中解放了出来，优化了人力资源配置，实现了无人化的自动分输，提高了站场的自动化、智能化管理水平。但是从另一方面来看，目前无人分输控制逻辑仍存在一定的局限性，表现在其状态监控功能仍是基于固定模式的故障响应，在一般情况下无需人工干预，但是一旦出现预设模式以外的状况，SCADA系统可能无法进行有效应对。未来，以自适应和自学习为基本要素的智能化分析将作为新的发展方向，智能化后的分析系统将能够不断积累经验，对各类异常状况自行决策，最终实现故障响应智能化的目标。