CN114001803B - 旁通式天然气流量自动检定控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体流量检定技术领域，具体涉及旁通式天然气流量自动检定控制系统及其控制方法。包括第一级压力调节机构、第一级流量调节机构、第二级压力调节机构、第二级流量调节机构、第三级流量调节机构和背压调节机构；所述第一级压力调节机构与第一级流量调节机构连接；所述第一级压力调节机构、第二级压力调节机构连接、第二级流量调节机构依次连接；所述第二级流量调节机构与第三级流量调节机构连接；所述背压调节机构与第三级流量调节机构连接。本发明具有多支路、多参数的联动调节功能，且具有高效、稳定、自动的特点。

Description

旁通式天然气流量自动检定控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于气体流量检定技术领域，具体涉及旁通式天然气流量自动检定控制系统及其控制方法。

背景技术

流量计作为天然气输配贸易结算的重要设备，其准确度、稳定性有极高的要求，按照标准，要求流量计每2年进行一次检定。目前国内外计量检定机构对于流量计的检定，主要采用旁通式和环道式两种方式，其中，国内基本以旁通式为主。

现有技术上，限制于计量检定时的稳定工况需求，对于旁通式的计量检定方式，主要以采用手动调节的方法，通过检定人员的工程经验，慢慢将参数调节至一个相对稳定的状态，继而进行检定；但当切换检定点，或者更换不同的检定人员进行操作时，往往又需要进行全局的调节，存在周期时间长、效率慢的问题。

目前大部分旁通式流量计检定站的工艺结构相对简单，其支路设置和旁通结构支路较少，相应的在控制功能上，一般仅实现了对设备的远程控制，或者设置了自动调节功能，但是在实际运行过程中受限与工艺条件以及控制方法，无法真正使用。同时较为简单的工艺结构带来的是对流量和压力的控制能力有限，很难实现全自动化调节，所以基本采用手动控制的方式来进行调节控制。

而对于部分多级旁通式的检定工艺，虽然提高了参数的可调节性，但是对于调节设备的控制，仍采用传统的PID控制方式，因此在解决多级联动调节的干扰和耦合问题前，无法真正实现多支路联合调节和多参数联动调节，无法充分发挥工艺设备的效率。

因此，针对旁通式检定站，设计一种具有多支路、多参数的联动调节功能，且高效、稳定、自动的“一键检定”工艺控制系统，就显得十分必要。

例如，申请号为CN201611041216.8的中国发明专利所述的一种气体流量计自动检定装置及其检定方法，采用钟罩式气体流量标准装置检定浮子流量计，通过标定后的浮子流量计检定待检表，浮子流量计的进气管路连接钟罩式气体流量标准装置，浮子流量计的出气管路连接待检表管路。虽然在一定大小范围内，可以满足多层次的流量计入口压力和出口压力的需求，可以满足7种不同的检定程序，且安装待检表的可以旋转的伸缩接头及固定架，不仅可以上下和水平移动，还可以各自旋转，具有多方位的连接仪表进出口性能，从而可以快速准确定位仪表进出口的连接，但是其缺点在于，对于调节设备的控制，仍采用传统的PID控制方式，在控制方式上仍以手动或半自动方式开展实际操作，存在效率低，强度大的问题。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中，传统旁通式的气体计量检定方式，采用传统的PID控制方式，以手动或半自动方式开展实际操作，存在效率低下，强度大以及检定周期长的问题，提供了一种具有多支路、多参数的联动调节功能，且高效、稳定的旁通式天然气流量自动检定控制系统及其控制方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

旁通式天然气流量自动检定控制系统，包括第一级压力调节机构、第一级流量调节机构、第二级压力调节机构、第二级流量调节机构、第三级流量调节机构和背压调节机构；所述第一级压力调节机构与第一级流量调节机构连接；所述第一级压力调节机构、第二级压力调节机构连接、第二级流量调节机构依次连接；所述第二级流量调节机构与第三级流量调节机构连接；所述背压调节机构与第三级流量调节机构连接。

作为优选，所述第一级压力调节机构包括压力调节阀PV1、压力调节阀PV2、压力调节阀PV3、压力变送器PT4、压力变送器PT5和压力变送器PT6；所述压力调节阀PV1、压力调节阀PV2和压力调节阀PV3相互并联；所述压力变送器PT4、压力变送器PT5和压力变送器PT6串联；所述压力调节阀PV1、压力调节阀PV2和压力调节阀PV3均与压力变送器PT4连接。

作为优选，所述第一级流量调节机构包括压力调节阀PV4、流量变送器FT1、流量变送器FT2和流量变送器FT3；所述流量变送器FT1、流量变送器FT2和流量变送器FT3相互并联；所述流量变送器FT1与所述压力调节阀PV1连接；所述流量变送器FT2与所述压力调节阀PV2连接；所述流量变送器FT3与所述压力调节阀PV3连接；所述压力调节阀PV4与压力变送器PT6连接。

作为优选，所述第二级压力调节机构包括压力调节阀PV5、压力调节阀PV6、压力变送器PT7、压力变送器PT8和压力变送器PT9；所述压力调节阀PV5和压力调节阀PV6并联；所述压力调节阀PV5和压力调节阀PV6均分别与压力变送器PT6和压力调节阀PV4连接；所述压力变送器PT7、压力变送器PT8和压力变送器PT9串联；所述压力变送器PT7分别与压力调节阀PV5和压力调节阀PV6连接。

作为优选，所述第二级流量调节机构包括流量变送器FT4、压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9；所述压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9相互并联；所述流量变送器FT4分别与压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9连接；所述流量变送器FT4与压力变送器PT9连接。

作为优选，所述第三级流量调节机构包括压力调节阀PV、流量变送器FT以及第二级流量调节机构中的压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9；所述压力调节阀PV与流量变送器FT连接；所述流量变送器FT4、压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9均与流量变送器FT连接。

作为优选，所述背压调节机构包括压力调节阀PV0；所述压力调节阀PV0与压力调节阀PV连接。

本发明还提供了旁通式天然气流量自动检定控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1，所述第一级压力调节机构和第一级流量调节机构开始同时工作，其余压力调节阀保持在关闭状态，使第一级压力调节机构的压力反馈和第一级流量调节机构的流量反馈保持稳定，且始终保证流量变送器之间的数值关系为FT1+FT2+FT3>FT4；

S2，完成步骤S1后，所述第二级压力调节机构和第二级流量调节机构也开始同时工作，使第二级压力调节机构的压力反馈和第二级流量调节机构的流量反馈均稳定在一个值,且始终保证流量变送器之间的数值关系为FT4>FT；

S3，设定动态参数X，并对X值适时动态化，确保第一级流量调节机构的流量反馈值稳定在±X以内；

S4，在第一级和第二级的压力和流量均处于自动调节的情况下，开启第三级流量调节机构进行控制，通过切换控制权，将第二级流量调节机构控制转由第三级流量调节机构控制，再通过逐渐关小压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9，使流量变送器FT的流量满足检定要求，并通过压力调节阀PV将流量精调至一个稳定的值。

作为优选，所述的旁通式天然气流量自动检定控制系统的控制方法，还包括以下步骤：

S5，若步骤S4中最终精调的流量值不稳定，则通过压力调节阀PV0对流量值进行背压调节改善，待所述流量值稳定后开启检定工作。

本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明取代传统的手动及半自动检定模式，实现全自动检定；(2)本发明系统自动调节、自动稳定、自动检定，无需人工干预，避免对工程人员的依赖性，且操作简单；(3)本发明高度流程全自动化，在检定点之间的转换过程中仅需局部再调节，极大提高检定效率。

附图说明

图1为传统旁通式流量计检定站的一种工艺示意图；

图2为模糊化之后的误差论域划分以及对应步长区间的一种示意图；

图3为本发明中旁通式天然气流量自动检定控制系统的一种工艺示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

对于旁通式的检定方式，如图1所示，一般都通过在主旁通线上设置调节阀，通过控制调节阀前后的差压来保证检定站进出口的差压，同时在检定支路上设置压力和流量调节阀，通过压力和流量的共同调节来稳定检定工况，直至满足当前检定点的检定要求，再开启标准装置进行检定；当进入下一检定点时，则需要整体重新进行调节，直至所有检定点检定完成。

上述控制方式上以手动或半自动方式开展实际操作，效率低，强度大。

实施例1：

如图3所示的旁通式天然气流量自动检定控制系统，包括第一级压力调节机构、第一级流量调节机构、第二级压力调节机构、第二级流量调节机构、第三级流量调节机构和背压调节机构；所述第一级压力调节机构与第一级流量调节机构连接；所述第一级压力调节机构、第二级压力调节机构连接、第二级流量调节机构依次连接；所述第二级流量调节机构与第三级流量调节机构连接；所述背压调节机构与第三级流量调节机构连接。

进一步的，所述第一级压力调节机构包括压力调节阀PV1、压力调节阀PV2、压力调节阀PV3、压力变送器PT4、压力变送器PT5和压力变送器PT6；所述压力调节阀PV1、压力调节阀PV2和压力调节阀PV3相互并联；所述压力变送器PT4、压力变送器PT5和压力变送器PT6串联；所述压力调节阀PV1、压力调节阀PV2和压力调节阀PV3均与压力变送器PT4连接。

进一步的，所述第一级流量调节机构包括压力调节阀PV4、流量变送器FT1、流量变送器FT2和流量变送器FT3；所述流量变送器FT1、流量变送器FT2和流量变送器FT3相互并联；所述流量变送器FT1与所述压力调节阀PV1连接；所述流量变送器FT2与所述压力调节阀PV2连接；所述流量变送器FT3与所述压力调节阀PV3连接；所述压力调节阀PV4与压力变送器PT6连接。

本发明中的一二三级调节分别采用粗、细、精三种控制方式，其中第一级的压力调节采用模糊控制算法，通过设置合适的“ZO”区，将压力始终稳定在一个范围，同时减少压力调节阀的动作频率；第一级的流量调节采用传统的增量型PI控制，同时限制阀位增量，以减少其积分饱和值，同时将流量反馈值进行以X为单位的取整化处理，并通过参数整定，使流量调节误差稳定在±X以内。所述X为动态参数，例如X可设定为某时刻为1000方/时。

进一步的，所述第二级压力调节机构包括压力调节阀PV5、压力调节阀PV6、压力变送器PT7、压力变送器PT8和压力变送器PT9；所述压力调节阀PV5和压力调节阀PV6并联；所述压力调节阀PV5和压力调节阀PV6均分别与压力变送器PT6和压力调节阀PV4连接；所述压力变送器PT7、压力变送器PT8和压力变送器PT9串联；所述压力变送器PT7分别与压力调节阀PV5和压力调节阀PV6连接。

进一步的，所述第二级流量调节机构包括流量变送器FT4、压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9；所述压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9相互并联；所述流量变送器FT4分别与压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9连接；所述流量变送器FT4与压力变送器PT9连接。

本发明中的第二级的压力控制采用模糊算法结合步进-阻尼控制，首先根据实际的调节误差，通过模糊算法来计算阻尼系数，同时根据模糊化之后的误差论域划分来确定步长区间，即图2所示，再结合实际经验设定具体的步长值；第二级的流量控制采用区间划分法结合步进-阻尼进行控制，首先需要设定一个由压力和流量区间，以及对应阀门口径组成的矩阵，根据不同的工况选择不同口径的阀门参与调节，其次对每个阀门设定有一组参数，用于其自身进行调节，消除误差。

进一步的，所述第三级流量调节机构包括压力调节阀PV、流量变送器FT以及第二级流量调节机构中的压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9；所述压力调节阀PV与流量变送器FT连接；所述流量变送器FT4、压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9均与流量变送器FT连接。

其中，压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9的口径各不相同。

进一步的，所述背压调节机构包括压力调节阀PV0；所述压力调节阀PV0与压力调节阀PV连接。

本发明中的第三级的流量调节采用传统的PID控制，而背压调节则根据调后压力波动情况进行缓慢的固定增量的调节控制，主要用于减少一二级调节后(旁通流量)对检定参数的影响。

另外，图3中还包括压力变送器PT1、压力变送器PT2、压力变送器PT3和压力变送器PT0，具体连接关系如图3所示。

基于实施例1，本发明还提供了旁通式天然气流量自动检定控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1，所述第一级压力调节机构和第一级流量调节机构开始同时工作，其余压力调节阀保持在关闭状态，使第一级压力调节机构的压力反馈和第一级流量调节机构的流量反馈保持稳定，且始终保证流量变送器之间的数值关系为FT1+FT2+FT3>FT4；

其中，第一级压力调节机构的压力反馈采用取压力变送器PT4、压力变送器PT5和压力变送器PT6的压力值的中间值计算；第一级流量调节机构的流量反馈则取流量变送器FT1、流量变送器FT2和流量变送器FT3的流量值总和。

S2，完成步骤S1后，所述第二级压力调节机构和第二级流量调节机构也开始同时工作，使第二级压力调节机构的压力反馈和第二级流量调节机构的流量反馈均稳定在一个值,且始终保证流量变送器之间的数值关系为FT4>FT；

其中，第二级压力调节机构的压力反馈采用取压力变送器PT7、压力变送器PT8和压力变送器PT9的压力值的中间值计算；第二级流量调节机构的流量反馈则取流量变送器FT4的流量值。

S3，设定动态参数X，并对X值适时动态化，确保第一级流量调节机构的流量反馈值稳定在±X以内；

由于第一级压力和流量调节仍处于自动调节状态，为避免互扰，需要将X值适时动态化(例如增加滞后环节或者设置边界死区等)，避免由于第二三级调节引起第一级调节在±X的两个边界点来回调节，引起震荡。

S4，在第一级和第二级的压力和流量均处于自动调节的情况下，开启第三级流量调节机构进行控制，通过切换控制权，将第二级流量调节机构控制转由第三级流量调节机构控制，再通过逐渐关小压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9，使流量变送器FT的流量满足检定要求，并通过压力调节阀PV将流量精调至一个稳定的值。

进一步的，所述的旁通式天然气流量自动检定控制系统的控制方法，还包括以下步骤：

S5，若步骤S4中最终精调的流量值不稳定，则通过压力调节阀PV0对流量值进行背压调节改善，待所述流量值稳定后开启检定工作。

本发明主要针对管径相同的两条或者三条支路进行联动控制，在阀门控制上，主要通过控制阀位增量的大小来控制阀门的开关速度；为避免支路间的耦合性，正常情况下采用一条支路动作其余支路保持、支路间逐条轮换的方式进行控制，但当调节误差较大(例如超过如图2中所示模糊论域中的PB/NB)时，会根据实际需求采用两条或多条支路共同动作的方式进行调节，以加快系统响应特性，此时，首先需要将阀门的特性曲线进行归一化处理，以降低阀门的非线性特性带来的误差阶跃(或者快速突变)影响，再在引入阀位增量以计算当前调节阀的开度时，通过反归一化变换来计算实际的阀位控制输出值。

本发明通过采用多种方法相结合的先进控制算法和一种多支路、多参数的联动调节功能，建立一个高效、稳定、自动的旁通式天然气流量自动检定控制系统，实现流量计检定的一键式全自动运行。

本发明取代传统的手动及半自动检定模式，实现全自动检定；本发明系统自动调节、自动稳定、自动检定，无需人工干预，避免对工程人员的依赖性，且操作简单；本发明高度流程全自动化，在检定点之间的转换过程中仅需局部再调节，极大提高检定效率。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.旁通式天然气流量自动检定控制系统，其特征在于，包括第一级压力调节机构、第一级流量调节机构、第二级压力调节机构、第二级流量调节机构、第三级流量调节机构和背压调节机构；所述第一级压力调节机构与第一级流量调节机构连接；所述第一级压力调节机构、第二级压力调节机构、第二级流量调节机构依次连接；所述第二级流量调节机构与第三级流量调节机构连接；所述背压调节机构与第三级流量调节机构连接；

所述第一级压力调节机构包括压力调节阀PV1、压力调节阀PV2、压力调节阀PV3、压力变送器PT4、压力变送器PT5和压力变送器PT6；所述压力调节阀PV1、压力调节阀PV2和压力调节阀PV3相互并联；所述压力变送器PT4、压力变送器PT5和压力变送器PT6串联；所述压力调节阀PV1、压力调节阀PV2和压力调节阀PV3均与压力变送器PT4连接；

所述第一级流量调节机构包括压力调节阀PV4、流量变送器FT1、流量变送器FT2和流量变送器FT3；所述流量变送器FT1、流量变送器FT2和流量变送器FT3相互并联；所述流量变送器FT1与所述压力调节阀PV1连接；所述流量变送器FT2与所述压力调节阀PV2连接；所述流量变送器FT3与所述压力调节阀PV3连接；所述压力调节阀PV4与压力变送器PT6连接；

所述第二级压力调节机构包括压力调节阀PV5、压力调节阀PV6、压力变送器PT7、压力变送器PT8和压力变送器PT9；所述压力调节阀PV5和压力调节阀PV6并联；所述压力调节阀PV5和压力调节阀PV6均分别与压力变送器PT6和压力调节阀PV4连接；所述压力变送器PT7、压力变送器PT8和压力变送器PT9串联；所述压力变送器PT7分别与压力调节阀PV5和压力调节阀PV6连接；

所述第二级流量调节机构包括流量变送器FT4、压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9；所述压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9相互并联；所述流量变送器FT4分别与压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9连接；所述流量变送器FT4与压力变送器PT9连接；

所述第三级流量调节机构包括压力调节阀PV、流量变送器FT以及第二级流量调节机构中的压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9；所述压力调节阀PV与流量变送器FT连接；所述流量变送器FT4、压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9均与流量变送器FT连接。

2.根据权利要求1所述的旁通式天然气流量自动检定控制系统，其特征在于，所述背压调节机构包括压力调节阀PV0；所述压力调节阀PV0与压力调节阀PV连接。

3.基于权利要求2所述的旁通式天然气流量自动检定控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，所述第一级压力调节机构和第一级流量调节机构开始同时工作，其余压力调节阀保持在关闭状态，使第一级压力调节机构的压力反馈和第一级流量调节机构的流量反馈保持稳定，且始终保证流量变送器之间的数值关系为FT1+FT2+FT3>FT4；

S2，完成步骤S1后，所述第二级压力调节机构和第二级流量调节机构也开始同时工作，使第二级压力调节机构的压力反馈和第二级流量调节机构的流量反馈均稳定在一个值,且始终保证流量变送器之间的数值关系为FT4>FT；

S3，设定动态参数X，并对X值适时动态化，确保第一级流量调节机构的流量反馈值稳定在±X以内；

S4，在第一级和第二级的压力和流量均处于自动调节的情况下，开启第三级流量调节机构进行控制，通过切换控制权，将第二级流量调节机构控制转由第三级流量调节机构控制，再通过逐渐关小压力调节阀PV7、压力调节阀PV8和压力调节阀PV9，使流量变送器FT的流量满足检定要求，并通过压力调节阀PV将流量精调至一个稳定的值。

4.基于权利要求3所述的旁通式天然气流量自动检定控制系统的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S5，若步骤S4中最终精调的流量值不稳定，则通过压力调节阀PV0对流量值进行背压调节改善，待所述流量值稳定后开启检定工作。