天然气输气站场智能分输控制过程分析

梁晓龙，牛生辉

(陕西省天然气股份有限公司，陕西 西安 710016)

针对目前某公司天然气分输站场工人操作频繁，尤其夜间容易造成误操作等不安全因素，通过分析供气支路工艺流程及下游用户用气结构，研究智能分输的算法特点，利用站控系统自动控制用户气量，达到降本增效、安全高效运行、提高能源利用率的目的。本文通过试点站场的自动化分输功能，为今后该公司推行无人值守站场积累技术和管理经验。

1 输气站场站控系统及支路现状

1.1 站控系统

数据采集与监视控制系统(SCADA)的控制模式分为三级： 第一级为中心控制，该级具有对全线及各站场进行监控、调度管理和优化运行等功能；第二级为站场控制，设置在站场的自动化监控系统，可实现对站内工艺变量及设备运行状态的数据采集、监视控制及联锁保护，可与调控中心实时交换数据；第三级为就地控制，在站场控制系统由于通信、电力故障等意外情况下，不能完成对现场设备执行远程控制而由人工就地进行的操作控制方式。站控系统的具体功能如下。

1)控制功能。阀门状态控制、开度控制，火气系统报警联锁，紧急切断及安全联锁保护等。

2)站场数据监控及显示功能。温度、压力、差压、流量监测；关键设备、阀门状态及相关参数监测；包括可燃气体泄漏监测和报警、火焰监测、火灾监测与报警的火气系统监测；其他配套设备设施参数监测。

3)通信功能。光纤及数字链路主备通信网络。

4)其他功能。数据管理，通信管理，系统冗余功能，主备传输网络自动切换，时钟同步，经通信接口与第三方系统或智能设备交换信息。

1.2 计量调压支路

站场计量调压支路工艺流程如图1所示，计量支路及调压控流支路前后均有电动控制阀门，KFCV01，KFCV02为电动流量控制阀，通过远程控制开度，达到控制下游流量的目的。

图1 计量调压支路工艺流程示意

2 下游用户用气状况分析

2.1 用户用气结构

根据下游用户用气特点和供气规律，可将用户分为以下6种类型：

1)民用用户。用气波峰、波谷较为明显，用气随季节和每天时间波动较大，通常夜间为用气低谷，需要保证最低供气压力。

2)一般工业用户。持续性用气，气量均衡平稳，峰谷差不明显。

3)综合性用户。包括居民和工业用户，有一定的基础用气量，在此基础上有明显峰谷差。

4)不可中断工业用户。对供气压力要求较高，要求供气量及压力稳定；某些用户还对气质要求较高，例如生产玻璃制品的企业，要求窑温稳定，燃料组分含量稳定。

5)CNG加气站等间歇性用户。不定时用气，没有可利用的管存，用气期间要求压力稳定。

6)有其他气源点补充的用户。以间断方式供气。

以上6种用户类型中居民用户、一般工业用户及综合性用户有一定的用气规律，用户用气随时间变化；不可中断工业用户要求供气压力稳定；CNG等间歇性用户及有其他气源点补充的用户用气随机性较大。

针对不同的用户供气需求，可采用到量停输法、不均匀系数法、剩余平均流量法、恒压控制法4种不同的自动分输控制算法，并结合相应的辅助控制逻辑，将其整合为一套自动分输控制程序以适应各种不同用户自动化控制的需求，实现日指定的自动精准控制。不同用户供气需求可采用不同的自动分输方式，见表1所列。

表1 不同用户类型的供气要求及自动分输方式

2.2 试点站场下游用户用气分析

试点站场下游用户用气结构见表2所列。

表2 试点站场下游用户用气结构

2.3 供气状况

分输站12月连续3 d向城燃供气小时量见表3所列。

表3 瞬时供气量数据参数

由表3可看出，给城燃供气属于连续性供气，配压稳定在0.3 MPa,白天民用及公服加气、工业全部用气，小时气量较大，晚上主要为工业用气，民用及公服用气较少，用气量降低。

3 无人值守站场自动分输功能实现

无人值守自动分输控制逻辑如图2所示。

图2 无人值守自动分输逻辑示意

由分输站小时供气数据可看出，每日给城燃门站供气早、中、晚高峰用气量略高，晚上供气压力及用气量持续稳定，波动较小，可采用不均匀系数法供气。

不均匀系数法控制逻辑针对连续供气用户使用，将用户24 h用气分为m个时段，每天早上8：00， 程序根据过去n天各时段累计流量与日累计流量，通过加权平均计算出当日权重系数，每个时段按日指定气量与相应的权重系数乘积结果控制气量，从而反向拟合用户用气规律，最终达到在一定压力范围内控制日指定气量的目的。

每个时段分输完毕后，预计时段分输量与实际时段分输量比较得到ΔV。ΔV补偿在下一时段中，则下一时段接受流量补偿后根据时段权重值重新调整该阶段的流量设定值，以纠正调压设备执行误差或日指定变更误差，最终达到日指定气量控制的目的。

为保证供气的平稳性，每小时分输量应确定一个波动范围。分输权重系数控制逻辑广泛适用于各类用户，用户小时不均匀系数不宜高于0.5。

不均匀系数控制模式首先将每天划分成若干个时段，根据过去n天用气规律，计算当天各时段所占的不均匀系数。在每个时段输气开始前，根据当日日指定量和该时段的不均匀系数计算当前时段输气量分配值并调节流量，如图3所示。完成当日分输后，系统保持当前输气状况不变，等待下发新的日指定量，然后重新计算预估偏差率、不均匀系数等参数，第二天开始自动分输。每个时段的不均匀系数计算如式(1)所示。若输气过程中需要更改当日指定气量，则根据更改后的瞬时均量与之前的瞬时气量累加，即为调整后的瞬时供气量。

图3 不均匀系数法计算的时段供气量及与总量的对比示意

(1)

式中：Xwt——每个时段的不均匀系数；Vh——过去M天某时段的实际输气量， m3；Vd——过去M天每天的总输气量，m3。

24 h内随着时间变化下游用户瞬时气量变化曲线如图4所示，根据实际情况可将曲线划分为4段，则日累积气量V如式(2)所示：

图4 瞬时气量与时间关系示意

V=V1+V2+V3+V4

(2)

瞬时流量的函数连续可导的，则日累积气量V计算如式(3)所示：

(3)

假设某一天供气量见表4所列。由表4可看出所有瞬时量调整周期为2 h，各时段累积气量总和为一天结算气量。如果对应时段调整有误差，则该时段实际不均匀系数与理论计算的不均匀系数有差值，则将该差值累积到下时段调整中，确保及时纠正瞬时气量，或者日指定气量有调整，则实际不均匀系数有变化，同样将差值累计到下时段及时调整，达到按日指定气量供气的目的。

表4 小时供气量及不均匀系数

4 结束语

试点站场实施无人值守模式后，根据自动分输逻辑，对下游用户进行智能调峰，避免了人工频繁操作，降低安全事故发生频率，提升了站场自动化水平，优化劳动用工，降低了人工成本，提高了公司的管理水平和生产效率。但是无人值守站场对通信、自控系统运行稳定要求更高，对设备的配置及优化尤为重要，因此今后站场工作重点将转变为设备维护及检修。在实施过程中发现电动球阀偶尔有卡死现象，分析原因为电动球阀关阀后，前后压差过大导致无法打开，该公司下一步计划准备改造试点站场工艺支路关键远控阀门，增加旁通阀及差压监测，在差压过大时优先自动开启旁通阀进行平压。