可變限分段式PID變頻連續(xù)輸油技術(shù)的研究與應(yīng)用

雒繼忠，令永剛，何建軍

（長慶油田公司超低滲油藏 第二項目部，甘肅 慶陽745100）

增壓站是最基本的地面集輸單元，主要承擔(dān)單井來液的氣液分離、加溫和外輸功能，標(biāo)準(zhǔn)的240m3／d增壓站配備8m3分離緩沖罐1臺，額定排量為11m3／h輸油螺桿泵2臺，其工藝流程如圖1所示，每臺輸油泵配套變頻器1臺，可本地調(diào)節(jié)輸油頻率和排量。

數(shù)字化增壓站采集外輸泵進(jìn)／出口壓力、外輸流量和溫度，緩沖罐液位采用磁翻板液位計，數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)傳至站控平臺，可遠(yuǎn)程監(jiān)控外輸泵的運(yùn)行狀態(tài)及緩沖罐液位，輸油通常設(shè)定緩沖罐高起、低停液位實現(xiàn)自動控制?，F(xiàn)有站控系統(tǒng)雖然設(shè)計了PID變頻調(diào)節(jié)功能，但受緩沖罐液位變化大、控制程序設(shè)計不合理等影響，不能實現(xiàn)變頻連續(xù)輸油。

圖1 增壓站原工藝流程示意

1 問題及需求分析

通過現(xiàn)場運(yùn)行，現(xiàn)有數(shù)字化增壓站外輸控制主要存在以下幾個方面的問題與不足：

1）緩沖罐截面為橢圓形，不同液位變化對應(yīng)的液量相差很大，采用相同控制策略、強(qiáng)度的PID調(diào)節(jié)無法實現(xiàn)對緩沖罐液位的閉環(huán)控制，現(xiàn)有PID調(diào)節(jié)輸油功能無法正常運(yùn)行。

2）上、下限液位設(shè)定臨近罐安全庫容，若液位低到安全控制線時，控制系統(tǒng)失靈，應(yīng)急時間很少，若不能及時處置，易造成安全事故；冬季運(yùn)行過程中磁翻板液位計容易凍堵，造成“假”液位，設(shè)定的液位控制點(diǎn)失效，容易造成安全事故。

3）管線輸油是以不連續(xù)的方式進(jìn)行的，輸油排量波動大，容易造成管線下游聯(lián)合站三相分離器進(jìn)液不平穩(wěn)，影響原油處理系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2 分段式PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

PID控制是工業(yè)上常用的閉環(huán)控制系統(tǒng)，由比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)構(gòu)成，能根據(jù)輸油的變化自動調(diào)節(jié)輸出，廣泛應(yīng)用于各種需要閉環(huán)控制的系統(tǒng)中［2］。

分段控制是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)，分段控制是指根據(jù)緩沖罐液位與設(shè)定液位的差值不同，將外輸頻率設(shè)定為幾個階段。分段控制原理如圖2所示。從圖2可看出當(dāng)緩沖罐液位減去設(shè)定液位的差值大于a時，使用頻率f1；當(dāng)液位差小于a值，大于b值時，使用頻率f2；當(dāng)液位差小于b值，但是大于c值時，使用頻率f3；當(dāng)差值小于c值，大于d值時，使用頻率f4；當(dāng)緩沖罐液位與設(shè)定液位差值小于d值，大于e值時，使用頻率f5；當(dāng)緩沖罐液位與設(shè)定液位差值小于e值時，停止外輸泵運(yùn)行。

圖2 分段控制原理示意

因為緩沖罐罐體為不規(guī)則容器，液位從下到上的變化過程中，在不同位置、d（t）時間內(nèi)的增量ΔqV是不斷變化的，所以單純的PID控制無法達(dá)到變頻輸油的目的［3］。所以，在設(shè)計上需要優(yōu)化以上兩種控制策略，大范圍內(nèi)采用分段控制，在特定的液位設(shè)定值內(nèi)，采用一定的頻率輸出，而在PID調(diào)節(jié)限內(nèi)再附加進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使變頻器不會由于不規(guī)則的罐體導(dǎo)致不斷進(jìn)行積分調(diào)節(jié)，實現(xiàn)較平穩(wěn)的控制要求，其控制原理如圖3所示。

如圖3所示，整個調(diào)節(jié)任務(wù)是由實際的分段區(qū)域來決定的，而實際的分段區(qū)域又由PID設(shè)定值SV決定，這樣體現(xiàn)了一個分段區(qū)域可變，控制精度可變的思路。在設(shè)定位置越靠近罐底的時候，SV＝25%時（圖3b））比SV＝50%時（圖3a））控制區(qū)域小很多，控制中分段PID作用切換較快，控制強(qiáng)度較強(qiáng)。通過可變限分段式控制策略可很好地消除不規(guī)則罐在相同液位增量對同一組PID整定參數(shù)不能很好控制罐液位的問題。而整個分段區(qū)域的液位則是由增壓站日進(jìn)液量與泵的額定排量來決定的，可以更好地修正各段輸油基礎(chǔ)頻率。

圖3 分段控制原理示意

3 系統(tǒng)設(shè)計

在現(xiàn)有控制的基礎(chǔ)上，對輸油泵的控制策略做進(jìn)一步優(yōu)化：

1）增加緩沖罐信號采集，實現(xiàn)低限緊急停泵、高限自動輸油并報警功能；在緩沖罐高低限范圍內(nèi)通過磁翻板液位計采集實際液位，用來控制輸油泵頻率，超高限緊急處理并報警提示人工處理。

2）改進(jìn)變頻輸油控制方式。以緩沖罐液位為目標(biāo)控制參數(shù)，實際液位偏離設(shè)定液位，則調(diào)節(jié)輸油泵變頻器頻率，形成閉環(huán)控制，使緩沖罐液位始終保持在一定范圍內(nèi)；輸入?yún)?shù)為該站日進(jìn)液量、外輸泵額定排量，自動設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，實現(xiàn)緩沖罐進(jìn)、出液量的平衡。

3）優(yōu)先順序。人工操作—高低液位控制—連續(xù)液位控制。

4）油泵運(yùn)行保護(hù)。當(dāng)外輸泵進(jìn)口壓力超下限或出口壓力超上限時，聯(lián)鎖停泵并報警。

5）站控顯示外輸泵運(yùn)行頻率和啟停工作狀態(tài)。

6）輸油方式設(shè)人工本地控制和自動運(yùn)行兩種，人工控制用于管線掃線及單量，正常運(yùn)行時自動輸油。

分段式PID調(diào)節(jié)控制流程如圖4所示。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

通過在5個場站現(xiàn)場應(yīng)用，分段式PID調(diào)節(jié)變頻輸油控制技術(shù)完全實現(xiàn)了外輸泵的連續(xù)自動運(yùn)行，輸油排量根據(jù)緩沖罐液位自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)24h連續(xù)自動運(yùn)行。外輸原油無需人工干預(yù)，極大地減輕了崗位員工勞動強(qiáng)度，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖4 分段式PID調(diào)節(jié)控制流程示意

5 結(jié)束語

1）分段式PID調(diào)節(jié)控制充分發(fā)揮了分段式開環(huán)控制、閉環(huán)控制兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，可很好地消除不規(guī)則罐在相同液位增量時一組PID整定參數(shù)不能很好控制罐液位的問題，適用于目前增壓站和轉(zhuǎn)油站在用8m3，20m3緩沖罐的液位平衡控制。

2）輸油泵的輸油方式是由進(jìn)液量與泵的額定排量決定的，由于輸油泵變頻受最低頻率限制，常規(guī)增壓站分段式PID調(diào)節(jié)連續(xù)輸油的適用范圍是日進(jìn)液量在90～200m3／d。

3）連續(xù)輸油可大幅降低崗位員工勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)安全平穩(wěn)輸油，同時，為下游三相分離器、沉降罐的平穩(wěn)運(yùn)行創(chuàng)造了條件，可在具備條件的站點(diǎn)規(guī)模推廣應(yīng)用。

［1］王甜，劉健，劉開周.自適應(yīng)模糊PID控制在AUV控制中的應(yīng)用［J］.微計算機(jī)信息，2008，24（03）：4－6，81.

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