面向天然氣分輸站的調節閥非線性特性檢測方法及系統與流程
2023-09-17 16:03:40 1
本發明涉及天然氣管道運輸技術領域，尤其涉及調節閥控制技術領域，具體是指一種面向天然氣分輸站的調節閥非線性特性檢測方法及系統。
背景技術：
天然氣是世界三大主力能源之一，擁有高效、無汙染等優點。我國擁有著極為豐富的天然氣資源，天然氣產業有著良好的發展前景。發展天然氣產業，提升其在能源市場的競爭力和消費率，可以極大地促進我國能源結構的優化，並且有效地推動我國低碳經濟的發展。
天然氣的運輸方式為管道運輸，經過高高壓和高中壓站後進入到城市管網，為下遊的用戶提供分壓後的天然氣。天然氣分輸站是輸氣管道為了分流天然氣至下遊用戶，沿線設置的站場。為了保證天然氣分輸的安全性和持續性，需要建立一個壓力調節系統來調節分輸站的壓力，來保證下遊的管道壓力沒有超標，並且當發現壓力調節設備發生故障時，系統能夠安全切斷控制迴路，防止事故的發生。
工作調節閥和監控調節閥由於長時間在高壓、高低溫、腐蝕等情況下工作，加上外部經常受到幹擾及內部結構參數不合理等情況，容易受到損耗，出現非線性特性。天然氣運輸過程中調節閥如果發生故障，控制迴路將發生振蕩，這將導致輸出壓力不穩定、設備加速報廢等不良後果，嚴重時可能發生安全事故。根據honeywell公司的調查顯示，過程工業中有近2/3的迴路存在著問題，處於理想狀態的控制迴路僅有1/3。近年來有不少能源運輸過程的事故發生，比如2014年11月的「11-22」特大事故，青島中石化東黃輸油管道洩露爆炸，共導致62人遇難，136人受傷，直接經濟損失高達7.5億元。
技術實現要素：
本發明的目的是克服了上述現有技術的缺點，提供了一種面向天然氣分輸站的調節閥非線性特性檢測方法及系統，能夠對調節閥的非線性特性進行實時監測，及時發現調節閥的故障，保證系統的安全，減少系統的維護費用並增加部件的使用壽命。
為了實現上述目的，本發明具有如下構成：
該面向天然氣分輸站的調節閥非線性特性檢測方法，所述調節閥包括工作調節閥和監控調節閥，所述的方法包括以下步驟：
基於opc接口從天然氣分輸站的控制器採集調節閥工作時控制迴路的參數，所述控制迴路的參數包括工作調節閥與監控調節閥各自的壓力設定值sp、控制器的輸出值op和壓力過程值pv；
將所述控制迴路的參數從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間，並採用相關熵方法檢驗調節閥是否存在非高斯特性和非線性特性；
於存在非高斯特性和非線性特性時根據所述控制迴路的參數分別判斷工作調節閥和監控調節閥是否存在粘滯特性。
可選地，將所述控制迴路的參數從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間，包括如下步驟：
當檢驗時間序列{xt,t∈t}時，將所述控制迴路的參數作為原始數據，並採用iaaft方法生成替代數據{xs,s∈t}，其中t表示字典集，xt表示t時刻的迴路參數；
分別將所述原始數據和替代數據從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間。
可選地，根據如下公式將所述原始數據從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間：
根據如下公式將所述替代數據從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間：
其中，σ表示核的寬度參數，||||表示求範數，τ表示延時時間，k(xt,xt+τ)表示原始數據映射到高維的線性空間的內積，k(xs，xs+τ)表示替代數據映射到高維的線性空間中的內積。
可選地，採用相關熵方法檢驗過程是否存在非高斯特性和非線性特性，包括如下步驟：
根據如下公式計算所述原始數據的相關熵：
v(s,t)＝e{κ(xt，xt+τ)}＝e{}
根據如下公式計算所述替代數據的相關熵：
v(s，t)＝e{κ(xs，xs+τ)}＝e{}
其中，v(s,t)表示相關熵，e{}表示求期望值，表示核映射，τ表示延時時間；
判斷所述原始數據和替代數據的相關熵數據的差值是否小於預設閾值，如果是，則判斷不存在非線性和非高斯特性，否則，判定存在非線性和非高斯特性。
可選地，判斷調節閥是否存在粘滯特性，包括如下步驟：
根據所述控制迴路的參數繪製pv-op曲線，所述pv-op曲線的橫坐標為壓力過程值pv，縱坐標為控制器的輸出op；
判斷pv-op曲線是否能逆合成橢圓形，如果是，則所述調節閥存在粘滯特性，否則，所述調節閥不存在粘滯特性。
可選地，所述方法還包括如下步驟：
當pv-op曲線能逆合成橢圓形時，計算橢圓形的長軸的長度值，如果所述橢圓形的長軸的長度值大於預設閾值，則進行故障報警。
可選地，基於python語言的科學計算包numpy和scipy採用相關熵方法將所述控制迴路的參數從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間，檢驗過程是否存在非高斯特性和非線性特性，以及判斷調節閥是否存在粘滯特性。
本發明還提供一種面向天然氣分輸站的調節閥非線性特性檢測系統，應用於所述的面向天然氣分輸站的調節閥非線性特性檢測方法，所述系統包括：
數據採集模塊，用於基於opc接口從天然氣分輸站的控制器實時採集調節閥工作時控制迴路的參數，所述控制迴路的參數包括壓力設定值sp、控制器的輸出值op和壓力過程值pv；
資料庫模塊，用於存儲實時採集得到的控制迴路的參數；
數據分析模塊，用於執行數據分析動作，所述數據分析動作包括採用相關熵方法將所述控制迴路的參數從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間，檢驗過程是否存在非高斯特性和非線性特性，以及判斷調節閥是否存在粘滯特性。
可選地，所述數據分析模塊使用django框架搭建診斷軟體，以採集到的控制迴路的參數為輸入，採用python語言下的科學計算包numpy和scipy執行數據分析動作。
可選地，所述系統還包括：
安全切斷閥性能監測模塊，檢查安全切斷閥的打開關閉行程時間是否發生非正常變化，從而對其性能進行監測。
人機互動模塊，用於使用django框架搭建的網絡發布工作調節閥非線性特性檢測報告、監控調節閥非線性特性檢測報告、安全切斷閥性能監測報告以及故障警報。
採用該發明的面向天然氣分輸站的調節閥非線性特性檢測方法及系統，通過opc工業標準協議採集傳輸數據，利用mysql和django等軟體工具構建數據處理系統，基於相關熵算法判斷調節閥的非線性特徵，能夠對調節閥的故障進行即時診斷，減少調節閥的維護費用，提升調節閥的維護效率，提高閥門精度與使用壽命，有效解決天然氣運輸的安全隱患。
附圖說明
圖1為本發明的天然氣分輸站調節迴路示意圖；
圖2為本發明的調節閥非線性特性檢測技術路線示意圖；
圖3為本發明的調節閥非線性特性檢測系統的結構示意圖。
具體實施方式
為了能夠更清楚地描述本發明的技術內容，下面結合具體實施例來進行進一步的描述。
如圖1所示為本發明的天然氣分輸站調節迴路示意圖。天然氣分輸站的壓力控制由工作調節閥、監控調壓閥、安全切斷閥組成的三級控制模式來完成，從上遊至下遊依次串聯組成壓力調控系統。工作調節閥選用電動調節閥(pv)，監控調節閥選用自力式調節閥(pcv)，安全切斷閥選用自力式安全切斷閥(ssv)。當工作調節閥發生故障，下遊壓力失控時，監控調壓閥開始工作，以保證下遊壓力處於安全範圍；若監控調壓閥同時出現故障，下遊壓力無法控制時，安全切斷閥工作，切斷氣源，並由控制器開啟備用迴路，以保障安全。
本發明針對天然氣分輸站的調節迴路，具體針對工作調節閥和監控調節閥，提供了一種面向天然氣分輸站的調節閥非線性特性檢測方法。所述方法具體包括如下步驟：
基於opc接口從天然氣分輸站的控制器採集調節閥工作時控制迴路的參數，所述控制迴路的參數包括工作調節閥與監控調節閥各自的壓力設定值sp、控制器的輸出值op和壓力過程值pv；
將所述控制迴路的參數從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間，並採用相關熵方法檢驗調節閥是否存在非高斯特性和非線性特性；
於存在非高斯特性和非線性特性時根據所述控制迴路的參數判斷調節閥是否存在粘滯特性。
優選地，該非線性檢測方法對於工作調節閥和監控調節閥是分別計算和判斷的。
如圖2所示，為本發明的調節閥非線性特性檢測技術路線示意圖。首先採集到op-pv-sp數據；然後計算誤差(sp-pv)時間序列的相關熵，用iaaft替代數據法對時間序列生成替代數據，並對原始數據和替代數據的相關熵進行比較，即可同時判斷是否有非高斯特性和非線性特性；如果調節閥存在非線性特性，則對pv-op圖採用橢圓擬合的方法判斷閥門的粘滯特性。
具體地，在一種優選的實施方式中，將所述控制迴路的參數從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間，包括如下步驟：
當檢驗時間序列{xt,t∈t}時，將所述控制迴路的參數作為原始數據，並採用iaaft方法生成替代數據{xs,s∈t}，其中t表示字典集，xt表示t時刻的迴路參數；
iaaft替代數據法是在假設原時間序列來自常係數的高斯線性隨機過程，經過靜態非線性變換這一零假設下提出的，所以只要通過對原始數據和替代數據的相關熵進行比較，即可判斷系統是否存在非高斯和非線性特性，並且當出現噪聲點時，相關熵將會更加注重類別中樣本點密度大的部分，從而有效減少噪聲點地幹擾，因此有很好的魯棒性能；
分別將所述原始數據和替代數據從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間。
在一種優選的實施方式中，根據如下公式將所述原始數據從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間：
根據如下公式將所述替代數據從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間：
其中，σ表示核的寬度參數，||||表示求範數，τ表示延時時間，k(xt，xt+τ)表示原始數據映射到高維的線性空間的內積，k(xs，xs+τ)表示替代數據映射到高維的線性空間中的內積。
在一種優選的實施方式中，採用相關熵方法檢驗過程是否存在非高斯特性和非線性特性，包括如下步驟：
根據如下公式計算所述原始數據的相關熵：
v(s，t)＝e{κ(xt，xt+τ)}＝e{}
根據如下公式計算所述替代數據的相關熵：
v(s，t)＝e{κ(xs，xs+τ)}＝e{}
其中，v(s,t)表示相關熵，e{}表示求期望值，表示核映射，τ表示延時時間；
根據所述原始數據和替代數據的相關熵的比較結果判斷過程是否存在非高斯特性和非線性特性，如果兩者的相關熵數據無顯著差異，則認為過程不存在非線性和非高斯特性。即，判斷所述原始數據和替代數據的相關熵數據的差值是否小於預設閾值，如果是，則判斷不存在非線性和非高斯特性，否則，判定存在非線性和非高斯特性。
在一種優選的實施方式中，判斷調節閥是否存在粘滯特性，包括如下步驟：
根據所述控制迴路的參數繪製pv-op曲線，所述pv-op曲線的橫坐標為壓力過程值pv，縱坐標為控制器的輸出op；
判斷pv-op曲線是否能逆合成橢圓形，如果是，則所述調節閥存在粘滯特性，否則，所述調節閥不存在粘滯特性。
在一種優選的實施方式中，所述方法還包括如下步驟：
當pv-op曲線能逆合成橢圓形時，計算橢圓形的長軸的長度值，如果所述橢圓形的長軸的長度值大於預設閾值，則進行故障報警。
在一種優選的實施方式中，基於python語言的科學計算包numpy和scipy採用相關熵方法將所述控制迴路的參數從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間，檢驗過程是否存在非高斯特性和非線性特性，以及判斷調節閥是否存在粘滯特性。
本發明還提供一種面向天然氣分輸站的調節閥非線性特性檢測系統，應用於所述的面向天然氣分輸站的調節閥非線性特性檢測方法，所述系統包括：
數據採集模塊，用於基於opc接口從天然氣分輸站的控制器實時採集調節閥工作時控制迴路的參數，所述控制迴路的參數包括壓力設定值sp、控制器的輸出值op和壓力過程值pv；
資料庫模塊，用於存儲實時採集得到的控制迴路的參數；
數據分析模塊，用於執行數據分析動作，所述數據分析動作包括採用相關熵方法將所述控制迴路的參數從原始的非線性空間基於核函數投影到高維的線性空間，檢驗過程是否存在非高斯特性和非線性特性，以及判斷調節閥是否存在粘滯特性。
在一種優選的實施方式中，所述數據分析模塊使用django框架搭建診斷軟體，以採集到的控制迴路的參數為輸入，採用python語言下的科學計算包numpy和scipy執行數據分析動作。
在一種優選的實施方式中，所述系統還包括：
安全切斷閥性能監測模塊，根據安全切斷閥的打開和關閉行程時間的歷史數據確定閥門打開關閉行程時間是否發生非正常變化，從而對安全切斷閥的性能進行監測。
在一種優選的實施方式中，所述系統還包括：
人機互動模塊，用於使用django框架搭建的網絡形成人機互動界面，通過人機互動界面可以發布工作調節閥非線性特性檢測報告、監控調節閥非線性特性檢測報告、安全切斷閥性能監測報告以及故障警報，方便用戶查看。
採用該發明的面向天然氣分輸站的調節閥非線性特性檢測方法及系統，通過opc工業標準協議採集傳輸數據，利用mysql和django等軟體工具構建數據處理系統，基於相關熵算法判斷調節閥的非線性特徵，能夠對調節閥的故障進行即時診斷，減少調節閥的維護費用，提升調節閥的維護效率，提高閥門精度與使用壽命，有效解決天然氣運輸的安全隱患。
採用該發明的面向天然氣分輸站的調節閥非線性特性檢測方法及系統，通過opc工業標準協議採集傳輸數據，利用mysql和django等軟體工具構建數據處理系統，基於相關熵算法判斷調節閥的非線性特徵，能夠對調節閥的故障進行即時診斷，減少調節閥的維護費用，提升調節閥的維護效率，提高閥門精度與使用壽命，有效解決天然氣運輸的安全隱患。
在此說明書中，本發明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發明的精神和範圍。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的而非限制性的。