基于PID算法的天然气管道阀门远程自动控制方法

徐雪娇

(中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

天然气管道阀门具有截止、导流以及分流等功能，受到多种因素影响，很容易出现内漏现象，其主要原因归结为以下三点： 密封面腐蚀，天然气管道阀门多为金属材质，由于长时间裸露在外，管道阀门密封面易被腐蚀，使管道的密封性下降；阀门安装时未严格按照要求，安装顺序不合理，导致阀门内的球体造成损坏；焊接时焊渣或者管道内的异物对阀门密封面损坏。如果没有有效控制内漏的阀门，将会造成一定的经济损失，据相关统计数据显示，内漏阀门数量占天然气管道阀门总量的5%～8%，阀门内漏量约占天然气泄漏总量的50%，因此对天然气管道阀门远程控制是非常有必要的。最早对天然气管道阀门的控制方式主要为人工方式，控制效率较低，后来相关学者提出了天然气管道阀门远程自动控制方法，但是国内这方面的研究起步比较晚，相关技术和理论还不够成熟和完善，现有的控制方法在实际应用中控制效果较差，控制后阀门内漏量仍旧比较大。

为了解决上述问题，提出基于PID算法的天然气管道阀门远程自动控制方法，以期提高天然气管道输送的安全性。

1 远程自动控制方法设计

1.1 阀门发射声信号获取及变换

天然气管道阀门内漏最明显的特征为声音异常，无内漏的管道阀门只有管道内天然气体流动与管道壁摩擦的声音，发射声信号非常微弱，并且呈规律性变化。当管道阀门密封性下降，出现明显的内漏现象时，天然气流体从阀门缝隙流出，泄漏源处天然气能量快速释放，泄漏流体的涡流产生泄漏声源，因此可以通过声波传感器获取阀门在时域上连续变化的发射声信号[1]，判断天然气管道阀门状态，为后续阀门控制提供依据。根据天然气管道阀门远程自动控制实际需求，选用体积小、灵敏度较高的SFAWE/56945型声波传感器，将其安装在管道阀门的两侧，靠近阀门密封面，根据实际情况设置声波传感器的采集频率、增益、工作频率等参数，利用读卡器读取声波传感器采集的发射声信号，并将其上传到计算机上。

为了方便后续提取到管道阀门的异常特征，对获取的发射声信号进行平移、放大等变换处理，调节发射声信号在频域和时域内的特征，实现对发射声信号的增强，其变换公式[2]如式(1)所示：

(1)

式中：di(t)——变换后第i个天然气管道阀门t时刻的发射声信号；a——平移尺度因子；e——放大尺度因子；b——时窗的宽度。

1.2 内漏异常阀门识别

利用小波包分解法分析管道阀门发射声信号，提取阀门内漏特征，识别出内漏异常的阀门，并将其作为控制特征向量[3]。将一组连续变换的发射声信号定义为小波包K并通过离散化处理，实现对K的分解，假设分解层数为3层，分解尺度为k，小波包分解过程如图1所示，其中，C,Cj，Cr表示分层级分解中的低通滤波；D,Dj,Dr表示分层级分解中的高通滤波。

图1 小波包分解过程示意

根据上述分解法，计算信号的子空间信号能量，如式(2)所示：

Ej=∑|Sj(h)|

(2)

式中：Ej——发射声信号第j层子空间信号能量值；Sj——发射声信号第j层子空间信号数值；h——子空间信号长度[5]。

将发射声信号各个空间段能量归一化处理，如式(3)所示：

(3)

式中：P(Ej)——归一化处理后的发射声信号各个空间段能量，即分解后的子空间能量在重构信号能量中存在的概率；Aj——在第j层任意一个节点的重构信号[6]。

再利用傅里叶变换求出发射声信号子空间功率谱密度值，如式(4)所示[7]：

(4)

式中：F——发射声信号子空间功率谱密度值；T——发射声信号采样频率；Q——发射声信号采样点数量；L——发射声信号的离散傅里叶变换。

根据子空间功率谱密度求出发射声信号声功率，由于发射声信号声功率与管道阀门内漏率呈线性关系，进而可以求出天然气管道阀门内漏率，如式(5) 所示：

Pt=logFW+c

(5)

式中：Pt——天然气管道阀门在t时刻的内漏率；W——天然气管道阀门发射声信号声功率；c——系数，通常情况下该系数取值0.1。

当式(5)计算结果大于零时，则表示天然气管道阀门内漏异常，为远程自动控制目标。

1.3 基于PID算法控制异常阀门开关

根据识别结果，利用PID算法对天然气管道阀门开关进行远程控制，其控制流程如下：

1)初始化。根据实际情况，设置天然气管道阀门初始误差，如阀门正常工作则初始误差为0[8]。

2)对天然气管道阀门数学模型的输入、输出初始化，同样将模型的输入和输出参数初始化设定为0，天然气管道阀门数学模型如式(6)所示：

V={u,p,z}

(6)

式中：V——天然气管道阀门数学模型；u——管道阀门开关状态；p——阀门压力参数；z——管道阀门惯性系数。

3)设定PID规则，“1”表示天然气管道阀门开关开启，“0” 表示天然气管道阀门开关关闭[9]。定义任何时刻天然气管道阀门状态误差不为零，将管道阀门状态由“1”修改为“0”。

4)输入式(5)计算结果，将其作为输入值，将其对应的管道阀门设定为控制对象[10]，计算出时刻的状态误差，如式(7) 所示：

αt=|Pt-γ|

(7)

式中：αt——天然气管道阀门t时刻状态误差；γ——理想化的天然气管道阀门状态。

5)根据PID规则，执行控制策略如式(8) 所示：

Vu=0, ifαt≠0

(8)

6)控制任务结束，返回步骤2)对下一组输入信号计算。按照以上步骤，控制内漏异常的管道阀门开关，及时关闭状态异常的阀门，从而实现基于PID算法的阀门远程自动控制。

2 实验论证分析

以某天然气管道为实验对象，该管道共装有8台DN1200的阀门，管道压力为15 MPa，阀门材质为碳钢。管道内径为25 mm。由于该管道阀门使用时间比较长，部分已经出现老化现象，从而经常出现内漏，采用PID计算方法对该阀门进行远程自动控制。

根据该管道阀门实际情况，准备了8个声波传感器，安装和功能校正后，将传感器的工作频率设定为180 kHz，增益参数设定为(30±1) dB，采样频率设定为200 kHz，传感器频率范围为4 kHZ～18 MHZ，设定完技术参数后，开始采集管道阀门声音信号，实验共采集到0.15 GiByte的天然气管道阀门声音信号数据。实验中通过氨气瓶向各台阀门上游的管道注入4.5 MPa氨气，利用氨气代替天然气，保证实验安全。以氨气泄漏时刻8：30开始，根据阀门内漏情况远程控制阀门，8台阀门全部关闭即为控制成功。天然气管道阀门远程自动控制状况见表1所列。

表1 天然气管道阀门远程自动控制状况

从表1中数据可以看出，在3 min内对该管道8台异常阀门均进行了关闭控制，具有良好的控制效果。

为了进一步验证该次设计方法的可行性，将控制后阀门内漏量作为实验指标，实验时间为24 h，使用测量仪器应用两种方法并进行对比，两种方法应用后阀门内漏量对比见表2所列。

表2 两种方法应用下阀门内漏量对比 L/d

通过分析表2数据，应用设计方法后，阀门最大内漏量仅为0.32 L/d，管道阀门内漏量最少仅为0.05 L/d，说明设计方法对阀门具有良好的控制效果，能够及时关闭异常的阀门；而应用传统方法，阀门最大内漏量为19.34 L/d，阀内漏量最少为14.15 L/d，远远高于设计方法。因此，实验结果证明，在控制精度方面，设计方法优于传统方法，更适用于天然气管道阀门的远程自动控制。

3 结束语

本文将PID算法应用到天然气管道阀门远程自动控制中，提出了一个新的控制方法，并通过实验验证了该思路的可行性和可靠性。该方法不仅有助于减少管道阀门内漏的经济损失，而且还能够提高阀门控制的自动化水平，同时该PID算法在天然气管道阀门自动控制中应用具有一定的推广意义。但是由于该方法尚未在实际中得到大量操作和应用，在某些方面可能存在一些不足之处，今后会进一步优化该PID算法，丰富天然气管道阀门远程控制理论，同时为天然气管道阀门远程自动控制提供有力的理论支撑。