CN109827073A

CN109827073A - 一种天然气管道自动分输实现方法

Info

Publication number: CN109827073A
Application number: CN201910080825.1A
Authority: CN
Inventors: 聂中文; 王永吉; 喻斌; 于永志; 黄晶
Original assignee: China National Petroleum Corp; China Petroleum Pipeline Engineering Corp; China Petroleum Pipeline Engineering Corp Design Branch
Current assignee: China National Petroleum Corp; China Petroleum Pipeline Engineering Corp
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2019-05-31
Anticipated expiration: 2039-01-28
Also published as: CN109827073B

Abstract

本发明公开了一种天然气管道自动分输实现方法，包括：根据设计输量，将输气工况分为N类；根据调节阀及其配套的调节阀配套工艺管线，在工程师工作站内建立离线数学模型；在工程师工作站内离线训练PID控制器的控制参数；在工程师工作站内，离线训练优化后数学模型；将PID控制器对应的控制参数赋值到操作员工作站中，操作员工作站实时判断工况并给出预测控制器的控制量；当站场分输启动时，根据分输流量选择工况，操作员工作站对调节阀配套工艺管线内天然气压力稳态误差进行判断，并利用预测控制器的控制量进行分输切换调节。本发明的有益效果：通过预测控制算法和分段PID控制算法实现天然气管道自动分输系统启输/停输/切换控制。

Description

一种天然气管道自动分输实现方法

技术领域

本发明涉及天然气管道技术领域，具体而言，涉及一种天然气管道自动分输实现方法。

背景技术

在天然气长输管道调控过程中，控制系统分输压力、流量控制是站场自控过程中的重要环节。站场控制系统在接收调控中心日指定量设定值后，下发站场基本过程控制系统，用于实现向下游用户的自动分输控制。为满足上述功能需求，站场控制系统需要具备分输自动启输/停输/切换、控制模型鲁棒性和输出超调量小等特点。

目前，现有的天然气管道自动分输系统主要有以下问题：(1)备用路切换时，需要手动赋初值，否则调节阀阀芯波动过大；(2)当工况不变，但是站场改造或者设备更换时，导致控制模型变化，原有PID参数不能满足功能要求；(3)下游民用用户用气量存在峰-谷输量变化，同一组比例、微分、积分值无法满足不同工况的控制要求。在实现自动分输过程，这些环节都需要现场运行人员的参与，即增加人员工作量，同时也引入了因为误操作带来的潜在风险，使得操作量及风险都非常大。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种天然气管道自动分输实现方法，通过预测控制算法和分段PID控制算法实现天然气管道自动分输系统启输/停输/切换控制，并能根据需要随时进行手动操作。

本发明提供了一种天然气管道自动分输实现方法，包括：

步骤1，根据设计输量，将输气工况分为N类；

步骤2，根据调节阀及其配套的调节阀配套工艺管线，在工程师工作站内建立离线数学模型；

步骤3，以输气工况、设计压力、设计温度为数学模型的输入条件，以调节阀及其配套的调节阀配套工艺管线所建立的数学模型为被控对象，在工程师工作站内离线训练PID控制器的控制参数，包括比例参数、积分参数和微分参数，使得调节阀配套工艺管线内天然气压力稳态误差不大于1％；

步骤4，在所述工程师工作站内，以单输入、单输出及单点优化方法预测控制并滚动优化数学模型，以输气工况、设计压力、设计温度为优化后数学模型的输入条件，以调节阀及其配套的调节阀配套工艺管线的优化后数学模型为被控对象进行离线训练，使得所述调节阀配套工艺管线内天然气压力稳态误差不大于1％；

步骤5，在所述工程师工作站中完成数学模型的训练后，将PID控制器对应的控制参数赋值到操作员工作站中，所述操作员工作站进行实时工况判断并给出预测控制器的控制量；

步骤6，当站场分输启动时，根据分输流量选择工况N，所述操作员工作站对所述调节阀配套工艺管线内天然气压力稳态误差进行判断，并利用预测控制器的控制量进行分输切换调节。

作为本发明进一步的改进，步骤5具体为：

将训练好的工程师工作站内的PID控制器的比例参数、积分参数和微分参数赋值到操作员工作站内的PID控制器中；

将工程师工作站内调整好的采样时间和参考轨迹响应时间赋值到操作员工作站内的预测控制器中；

完成赋值后，将操作员工作站内PID控制器的控制量和预测控制器的控制量发送到工业控制可编程逻辑控制器中，用于控制调节阀，并将所述调节阀反馈的介质压力信号和阀位信号，作为预测控制器的输入反馈。

作为本发明进一步的改进，步骤5还包括，所述操作员工作站监视所述调节阀的阀位信号，第一普通电缆承载所述调节阀反馈的阀位信号，所述工业控制可编程逻辑控制器内的第一通信卡件将阀位信号通过第五五类双绞线、第一工业以太网交换机和第三五类双绞线反馈到所述操作员工作站，所述工业控制可编程逻辑控制器内的第二通信卡件将阀位信号通过第六五类双绞线、第二工业以太网交换机和第四五类双绞线反馈到所述操作员工作站，形成闭环控制。

作为本发明进一步的改进，步骤5还包括，所述操作员工作站监视所述调节阀配套工艺管线内介质压力，第二普通电缆承载所述压力变送器反馈的介质压力信号，所述工业控制可编程逻辑控制器内的第一通信卡件将介质压力信号通过第五五类双绞线、第一工业以太网交换机和第三五类双绞线反馈到所述操作员工作站，所述工业控制可编程逻辑控制器内的第二通信卡件将介质压力信号通过第六五类双绞线、第二工业以太网交换机和第四五类双绞线反馈到所述操作员工作站，形成闭环控制。

作为本发明进一步的改进，步骤6中，当所述调节阀配套工艺管线内天然气压力稳态误差小于1％时，操作员工作站切入PID控制器的控制量进行输出控制，否则采用预测控制器的控制量进行输出控制；当切入PID控制器的控制量后，所述调节阀配套工艺管线内天然气压力稳态误差大于2％时，操作员工作站再次切入预测控制器的控制量，并一直循环步骤6，直至退出自动分输程序。

作为本发明进一步的改进，步骤1中，根据不同的用户特征进行分类，将输气工况按照压力和流量进行多种分类，并将分类结果与比例、积分、微分参数进行结合。

作为本发明进一步的改进，工况要覆盖远期大流量和初期小流量。

作为本发明进一步的改进，步骤3中，所有工况下都要满足所述调节阀配套工艺管线内天然气压力稳态误差不大于1％。

作为本发明进一步的改进，步骤4中，所有工况下都要满足所述调节阀配套工艺管线内天然气压力稳态误差不大于1％。

本发明的有益效果为：

通过预测控制算法和分段PID控制算法实现天然气管道自动分输系统启输/停输/切换控制，并能根据需要随时进行手动操作，减少由于人工介入导致的误操作，减轻了中心人工调整的工作负荷，降低了人工成本的投入。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种天然气管道自动分输实现方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所述的一种天然气管道自动分输实现方法中分输切换调节的示意图；

图3为本发明实施例所述的一种天然气管道自动分输实现方法所采用的天然气管道自动分输实现装置的结构示意图。

图中，

1、工程师工作站；1.1、第一网卡；1.2、第二网卡；2、操作员工作站；2.1、第三网卡；2.2、第四网卡；3、第一工业以太网交换机；4、第二工业以太网交换机；5、工业控制可编程逻辑控制器；5.1、第一通信卡件；5.2、第二通信卡件；6、调节阀；7、第一五类双绞线；8、第二五类双绞线；9、第三五类双绞线；10、第四五类双绞线；11、第五五类双绞线；12、第六五类双绞线；13、第一普通电缆；14、调节阀配套工艺管线；15、压力变送器；16、第二普通电缆。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明实施例的一种天然气管道自动分输实现方法，包括：

步骤1，根据设计输量，将输气工况分为N类。可以根据不同的用户特征进行分类，将输气工况按照压力和流量进行多种分类，并将分类结果与比例、积分、微分参数进行结合，使得控制精度更好。工况要覆盖远期大流量和初期小流量。例如工况分为三类，工况一设置为远期大流量的120％～80％，工况二设置为远期大流量的80％～初期小流量50％，工况三设置为初期小流量50％～0％。

步骤2，根据调节阀6及其配套的调节阀配套工艺管线14，在工程师工作站1内建立离线数学模型。

该数学模型在工程师工作站1完成，数学模型的滞后因子充分考虑了阀组比S、可调比R、阻塞流和流量特性等因素，保证了数学模型的准确性。

步骤3，以输气工况、设计压力、设计温度为数学模型的输入条件，以调节阀6及其配套的调节阀配套工艺管线14所建立的数学模型为被控对象，在工程师工作站1内离线训练PID控制器的控制参数，包括比例参数、积分参数和微分参数，使得调节阀配套工艺管线14内天然气压力稳态误差不大于1％。

需要注意的是，所有工况下都要满足调节阀配套工艺管线14内天然气压力稳态误差不大于1％。

步骤4，在工程师工作站1内，以单输入、单输出及单点优化方法预测控制并滚动优化数学模型，以输气工况、设计压力、设计温度为优化后数学模型的输入条件，以调节阀6及其配套的调节阀配套工艺管线14的优化后数学模型为被控对象进行离线训练，使得调节阀配套工艺管线14内天然气压力稳态误差不大于1％。

采用滚动优化，由于其在每一时刻的优化性能指标只涉及从该时刻起到未来有限的时间内，而到下一时刻，这一优化时间同时向前推移，不断地进行在线优化。再加之采用单点优化，可以很大程度的减少算法的复杂程度，进而降低计算时间，能及时地校正控制过程中出现的各种复杂情况。

步骤5，在工程师工作站1中完成数学模型的训练后，将PID控制器对应的控制参数赋值到操作员工作站2中，操作员工作站2进行实时工况判断并给出预测控制器的控制量。

具体的：将训练好的工程师工作站1内的PID控制器的比例参数、积分参数和微分参数赋值到操作员工作站2内的PID控制器中，PID控制器采用PID算法；将工程师工作站1内调整好的采样时间和参考轨迹响应时间赋值到操作员工作站2内的预测控制器中，预测控制器采用预测控制算法；完成赋值后，将操作员工作站2内PID控制器的控制量和预测控制器的控制量发送到工业控制可编程逻辑控制器5中，用于控制调节阀6，并将调节阀6反馈的介质压力信号和阀位信号，作为预测控制器的输入反馈。

另外，操作员工作站2监视调节阀6的阀位信号，第一普通电缆13承载调节阀6反馈的阀位信号，工业控制可编程逻辑控制器5内的第一通信卡件5.1将阀位信号通过第五五类双绞线11、第一工业以太网交换机3和第三五类双绞线9反馈到操作员工作站2，工业控制可编程逻辑控制器5内的第二通信卡件5.2将阀位信号通过第六五类双绞线12、第二工业以太网交换机4和第四五类双绞线10反馈到操作员工作站2，形成闭环控制。操作员工作站2监视调节阀配套工艺管线14内介质压力，第二普通电缆16承载压力变送器15反馈的介质压力信号，工业控制可编程逻辑控制器5内的第一通信卡件5.1将介质压力信号通过第五五类双绞线11、第一工业以太网交换机3和第三五类双绞线9反馈到操作员工作站2，工业控制可编程逻辑控制器5内的第二通信卡件5.2将介质压力信号通过第六五类双绞线12、第二工业以太网交换机4和第四五类双绞线10反馈到操作员工作站2，形成闭环控制。

步骤6，当站场分输启动时，根据分输流量选择对应的工况，操作员工作站2对调节阀配套工艺管线14内天然气压力稳态误差进行判断，并利用预测控制器的控制量进行分输切换调节。

具体的，如图2所示，当调节阀配套工艺管线14内天然气压力稳态误差小于1％时，操作员工作站2切入PID控制器的控制量进行输出控制，否则采用预测控制器的控制量进行输出控制；当切入PID控制器的控制量后，调节阀配套工艺管线14内天然气压力稳态误差大于2％时，操作员工作站2再次切入预测控制器的控制量，并一直循环步骤6，直至退出自动分输程序。

需要注意的是，一直对调节阀配套工艺管线14内天然气压力稳态误差进行判断，是为了确保压力变送器15反馈的压力信号始终处于控制精度要求范围内。

本发明的天然气管道自动分输实现方法基于如图3所示的天然气管道自动分输实现装置，包括：工程师工作站1、操作员工作站2、第一工业以太网交换机3、第二工业以太网交换机4、工业控制可编程逻辑控制器5、调节阀6及调节阀配套工艺管线14。工程师工作站1、操作员工作站2和工业控制可编程逻辑控制器5均与第一工业以太网交换机3相连接。工程师工作站1、操作员工作站2和工业控制可编程逻辑控制器5均与第二工业以太网交换机4相连接。调节阀配套工艺管线14与调节阀6相连接，且调节阀配套工艺管线14上设有压力变送器15。压力变送器15和调节阀6均与工业控制可编程逻辑控制器5相连接。工程师工作站1内设置第一网卡1.1和第二网卡1.2，第一网卡1.1通过第一五类双绞线7接入第一工业以太网交换机3，第二网卡1.2通过第二五类双绞线8接入第二工业以太网交换机4。操作员工作站2内设置第三网卡2.1和第四网卡2.2，第三网卡2.1通过第三五类双绞线9接入第一工业以太网交换机3，第四网卡2.2通过第四五类双绞线10接入第二工业以太网交换机4。工业控制可编程逻辑控制器5内设置第一通信卡件5.1和第二通信卡件5.2，第一通信卡件5.1通过第五五类双绞线11接入第一工业以太网交换机3，第二通信卡件5.2通过第六五类双绞线12接入第二工业以太网交换机4。调节阀6通过第一普通电缆13接入工业控制可编程逻辑控制器5。压力变送器15通过第二普通电缆16接入工业控制可编程逻辑控制器5。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种天然气管道自动分输实现方法，其特征在于，包括：

步骤1，根据设计输量，将输气工况分为N类；

步骤2，根据调节阀(6)及其配套的调节阀配套工艺管线(14)，在工程师工作站(1)内建立离线数学模型；

步骤3，以输气工况、设计压力、设计温度为数学模型的输入条件，以调节阀(6)及其配套的调节阀配套工艺管线(14)所建立的数学模型为被控对象，在工程师工作站(1)内离线训练PID控制器的控制参数，包括比例参数、积分参数和微分参数，使得调节阀配套工艺管线(14)内天然气压力稳态误差不大于1％；

步骤4，在所述工程师工作站(1)内，以单输入、单输出及单点优化方法预测控制并滚动优化数学模型，以输气工况、设计压力、设计温度为优化后数学模型的输入条件，以调节阀(6)及其配套的调节阀配套工艺管线(14)的优化后数学模型为被控对象进行离线训练，使得所述调节阀配套工艺管线(14)内天然气压力稳态误差不大于1％；

步骤5，在所述工程师工作站(1)中完成数学模型的训练后，将PID控制器对应的控制参数赋值到操作员工作站(2)中，所述操作员工作站(2)进行实时工况判断并给出预测控制器的控制量；

步骤6，当站场分输启动时，根据分输流量选择工况N，所述操作员工作站(2)对所述调节阀配套工艺管线(14)内天然气压力稳态误差进行判断，并利用预测控制器的控制量进行分输切换调节。

2.根据权利要求1所述的天然气管道自动分输实现方法，其特征在于，步骤5具体为：

将训练好的工程师工作站(1)内的PID控制器的比例参数、积分参数和微分参数赋值到操作员工作站(2)内的PID控制器中；

将工程师工作站(1)内调整好的采样时间和参考轨迹响应时间赋值到操作员工作站(2)内的预测控制器中；

完成赋值后，将操作员工作站(2)内PID控制器的控制量和预测控制器的控制量发送到工业控制可编程逻辑控制器(5)中，用于控制调节阀(6)，并将所述调节阀(6)反馈的介质压力信号和阀位信号，作为预测控制器的输入反馈。

3.根据权利要求2所述的天然气管道自动分输实现方法，其特征在于，步骤5还包括，所述操作员工作站(2)监视所述调节阀(6)的阀位信号，第一普通电缆(13)承载所述调节阀(6)反馈的阀位信号，所述工业控制可编程逻辑控制器(5)内的第一通信卡件(5.1)将阀位信号通过第五五类双绞线(11)、第一工业以太网交换机(3)和第三五类双绞线(9)反馈到所述操作员工作站(2)，所述工业控制可编程逻辑控制器(5)内的第二通信卡件(5.2)将阀位信号通过第六五类双绞线(12)、第二工业以太网交换机(4)和第四五类双绞线(10)反馈到所述操作员工作站(2)，形成闭环控制。

4.根据权利要求2所述的天然气管道自动分输实现方法，其特征在于，步骤5还包括，所述操作员工作站(2)监视所述调节阀配套工艺管线(14)内介质压力，第二普通电缆(16)承载所述压力变送器(15)反馈的介质压力信号，所述工业控制可编程逻辑控制器(5)内的第一通信卡件(5.1)将介质压力信号通过第五五类双绞线(11)、第一工业以太网交换机(3)和第三五类双绞线(9)反馈到所述操作员工作站(2)，所述工业控制可编程逻辑控制器(5)内的第二通信卡件(5.2)将介质压力信号通过第六五类双绞线(12)、第二工业以太网交换机(4)和第四五类双绞线(10)反馈到所述操作员工作站(2)，形成闭环控制。

5.根据权利要求1所述的天然气管道自动分输实现方法，其特征在于，步骤6中，当所述调节阀配套工艺管线(14)内天然气压力稳态误差小于1％时，操作员工作站(2)切入PID控制器的控制量进行输出控制，否则采用预测控制器的控制量进行输出控制；当切入PID控制器的控制量后，所述调节阀配套工艺管线(14)内天然气压力稳态误差大于2％时，操作员工作站(2)再次切入预测控制器的控制量，并一直循环步骤6，直至退出自动分输程序。

6.根据权利要求1所述的天然气管道自动分输实现方法，其特征在于，步骤1中，根据不同的用户特征进行分类，将输气工况按照压力和流量进行多种分类，并将分类结果与比例、积分、微分参数进行结合。

7.根据权利要求6所述的天然气管道自动分输实现方法，其特征在于，工况要覆盖远期大流量和初期小流量。

8.根据权利要求1所述的天然气管道自动分输实现方法，其特征在于，步骤3中，所有工况下都要满足所述调节阀配套工艺管线(14)内天然气压力稳态误差不大于1％。

9.根据权利要求1所述的天然气管道自动分输实现方法，其特征在于，步骤4中，所有工况下都要满足所述调节阀配套工艺管线(14)内天然气压力稳态误差不大于1％。