合水油田變頻連續(xù)輸油PID控制效果與參數(shù)整定優(yōu)化研究

王晶 劉保錄 楊玉龍 呂海衛(wèi)

摘要：輸油泵是合水油田增壓站生產(chǎn)運(yùn)行過程中主要的能耗設(shè)備，變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)是實現(xiàn)輸油系統(tǒng)節(jié)能的有效技術(shù)途徑。將PID閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)輸油系統(tǒng)，實現(xiàn)變頻連續(xù)輸油，同時經(jīng)參數(shù)整定法得出最優(yōu)化條件下的各項PID參數(shù)值，控制效果明顯，大大提高了系統(tǒng)效率，降低了員工的勞動強(qiáng)度，延長了設(shè)備的使用壽命。

關(guān)鍵詞：變頻輸油；PID；參數(shù)整定

1 應(yīng)用背景與生產(chǎn)需求

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，合水油田固城采油作業(yè)區(qū)的增壓站和轉(zhuǎn)油站大多數(shù)采用的是固定頻率的輸油方式：不同的站根據(jù)本身的產(chǎn)量和輸油泵的排量設(shè)置一個最高液位和最低液位，當(dāng)液位達(dá)到最高限，變頻器啟動，輸油泵開始輸油，而當(dāng)液位達(dá)到最低位，變頻器停止工作，輸油泵停止輸油。

以一個典型的處理能力為240增壓站為例，主要配備8分離緩沖罐1臺，額定排量為11輸油螺桿泵2臺，其主要的工藝流程如圖1所示。每臺輸油泵配套變頻器1臺，可本地調(diào)節(jié)變頻器頻率和輸油泵排量。

此種調(diào)節(jié)方式一般將變頻器的工作頻率設(shè)置較高，部分站點(diǎn)由于來液量少，緩沖罐液位達(dá)到高限時，輸油泵啟動，但很快就達(dá)到低限，輸油泵停止。

定頻輸油時管線中的外輸量和壓力如圖2中的實線1所示，當(dāng)泵啟動時，外輸量與管線壓力很高，而停止時，外輸量與管線壓力迅速將為0。以這種不連續(xù)的方式進(jìn)行輸油導(dǎo)致排量波動大，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。

另一方面，如果在冬季氣溫低的特殊條件下，原油容易凝固結(jié)蠟，堵塞輸油管線，影響油田的正常生產(chǎn)，頻繁的掃線作業(yè)則又增加了成本。因此，采用不間斷的連續(xù)變頻輸油就成為了當(dāng)前一個迫切的任務(wù)。

1.2 主要研究內(nèi)容

由于定頻輸油存在外輸量和壓力波動的問題，連續(xù)變頻輸油的目標(biāo)是希望管線的外輸量和壓力如圖2中虛線2所示緩慢變化，這樣不管是對輸油管線、下游聯(lián)合站還是電網(wǎng)，所帶來的沖擊都很小。對于來液量較少的增壓站，也希望優(yōu)化其運(yùn)行方式，雖然不能進(jìn)行連續(xù)輸油，也要達(dá)到圖中虛線3所示的那樣，也可以減少沖擊。

變頻連續(xù)輸油的原理如圖3所示，PLC實時讀取緩沖罐液位，按照設(shè)定的液位值調(diào)節(jié)外輸泵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)實際液位高于設(shè)定值時，控制變頻器提高頻率值，提高輸油排量，PLC不斷將實際液位與設(shè)定液位進(jìn)行比較，保持緩沖罐的液位進(jìn)出平衡，將液位穩(wěn)定在設(shè)定值，從而達(dá)到連續(xù)輸油。通過相關(guān)的組態(tài)軟件對PLC進(jìn)行操作，包括數(shù)據(jù)的顯示、頻率改動、啟停泵等操作。

2 詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容

2.1 PID控制原理

PID控制，也叫作PID調(diào)節(jié)，它對被控對象進(jìn)行控制的被控量是將給定值與反饋值之間的偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合組成的。在實際的現(xiàn)場控制工程中，PID控制器的應(yīng)用是最為廣泛的控制器。常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)的控制框圖如圖4所示。

其中：

μ（t）是控制系統(tǒng)的輸出值，即控制量；

e（t）是控制系統(tǒng)反饋值與設(shè)定值之間的誤差值，也稱作偏差值；

Kp是控制器的比例系數(shù)；

Ti是控制器的積分時間，也被稱作積分系數(shù)；

Td是控制器的微分時間，也被稱作微分系數(shù)。

PID控制具有比例控制作用的及時性，同時引入了積分控制作用用以消除靜態(tài)誤差，微分控制作用的超前控制功能，能夠避免系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重超調(diào)，或者是系統(tǒng)受到外界干擾產(chǎn)生階躍響應(yīng)時，及時抑制躍變。只要選擇合適的控制參數(shù)，將三種控制方式的優(yōu)點(diǎn)得到充分利用，這樣，即使對一個系統(tǒng)或者被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不夠了解，或者無法知道其數(shù)學(xué)模型的時候，PID控制系統(tǒng)仍然能夠獲得一個比較理想的控制效果。

2.2 三級安全方案

本研究在分段式基礎(chǔ)上，采用直接式PID控制來進(jìn)行參數(shù)整定，首先設(shè)定三級安全方案，最高級是人員手動控制，接下來是高低液位控制，也就是目前的方式，通過這樣的方式來防止出現(xiàn)意外情況，最低級是PID控制，這由計算機(jī)程序自動判斷運(yùn)行。

根據(jù)各站來液量情況，最終確定采用如圖5所示的流程來進(jìn)行液位控制。按照通常的方法設(shè)置液位的高限和低限，進(jìn)入PID調(diào)節(jié)流程，首先讀取液位高度，進(jìn)行防錯判斷，如果是超過高限，則變頻器全速以50Hz運(yùn)行，如果低于低限，則停泵，這主要是為了防止儀表數(shù)據(jù)出現(xiàn)意外導(dǎo)致嚴(yán)重后果，在正常的PID調(diào)節(jié)液位范圍內(nèi)，按照PID參數(shù)進(jìn)行計算，輸出相應(yīng)的變頻器調(diào)節(jié)參數(shù)。

2.3 PID參數(shù)整定步驟

PID參數(shù)分別為比例、積分、微分，它們對液位調(diào)節(jié)的意義如下：

比例（P）：該參數(shù)主要反應(yīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，系數(shù)越大，調(diào)節(jié)越快，表明系統(tǒng)的基本偏差，但應(yīng)注意該參數(shù)的設(shè)置應(yīng)結(jié)合實際情況，不能過大，可能會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；

積分（I）：該參數(shù)主要表明系統(tǒng)的累計偏差，積分調(diào)節(jié)意在消除誤差；

微分（D）：該參數(shù)主要反應(yīng)提前預(yù)見，做到提前控制，在偏差形成之前運(yùn)用微分調(diào)節(jié)作用消除偏差。

積分和微分都不能單獨(dú)起作用，必須與比例控制配合。整定的步驟如下：

第一步，將積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd置零，即為采用純比例控制作用。通過比例系數(shù)Kp由小到大的變化，掌握系統(tǒng)反應(yīng)速度，一直到所得反應(yīng)效果達(dá)到要求，速度較快，并且能夠控制系統(tǒng)靜差在一定范圍，則可用純比例調(diào)節(jié)。

第二步，當(dāng)比例控制中無法控制系統(tǒng)靜差在一定范圍，則需要積分作用。通過積分系數(shù)數(shù)由小到達(dá)的變化，觀察系統(tǒng)靜差的變化，反復(fù)試驗幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。

第三步，若使用比例積分（PI）控制器經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍達(dá)不到設(shè)計要求，或不穩(wěn)定，這時應(yīng)加入微分作用，整定時先將微分系數(shù)Kd從零逐漸增加，觀察超調(diào)量和穩(wěn)定性，同時相應(yīng)地微調(diào)比例系數(shù)KP、積分系數(shù)Ki，直到滿意為止。

上位機(jī)ADP參數(shù)調(diào)試界面如圖6所示，比例、積分、微分系數(shù)可以根據(jù)實際情況設(shè)定，輸入量為液位，設(shè)定值是指控制目標(biāo)，通道輸出值與輸出百分比方法是，PLC將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流轉(zhuǎn)化為10000～50000的整數(shù)，通道輸出值將用于調(diào)節(jié)變頻器，是經(jīng)過PID模塊計算得出，輸出百分比為（設(shè)輸出是x）：

3 整定結(jié)果及應(yīng)用效果

3.1 控制效果

選擇油區(qū)幾個典型站點(diǎn)作為研究對象，按照進(jìn)液量的不同來區(qū)分。對應(yīng)用站點(diǎn)實施PID調(diào)節(jié)方式后：設(shè)定一個恒定液位值，當(dāng)輸油泵啟動后并且達(dá)到PID調(diào)節(jié)范圍內(nèi)時，開始進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，根據(jù)液位的變化情況自動控制變頻器輸出不同頻率值，液位變化平穩(wěn)，實現(xiàn)了變頻連續(xù)輸油，控制效果明顯。

3.2 參數(shù)整定結(jié)果

針對連續(xù)變頻輸油這個目標(biāo)，對幾個典型站點(diǎn)進(jìn)行了PID參數(shù)整定，得到以下結(jié)論：

（1）對于緩沖罐液位調(diào)節(jié)，由于其變化相對來說較慢，因此，比例系數(shù)可以小一些，在1左右，[0.8，1.5]是一個比較好的取值區(qū)間，這個系數(shù)可以就保持液位的穩(wěn)定；為提高系統(tǒng)對液位偏差的響應(yīng)，如果來液量達(dá)到輸油泵的最大排量的80以上，可以在[1.5，5]這個范圍內(nèi)選用比例系數(shù)；

（2）積分常數(shù)的可用范圍比較廣，在不同的站點(diǎn)進(jìn)行實驗，從0.1到20都可以使用，原因是液位變化緩慢，參數(shù)的變化對靜態(tài)誤差影響不大；

（3）微分環(huán)節(jié)，根據(jù)液位調(diào)節(jié)的理論與實踐，設(shè)為0即可，也就是將PID控制轉(zhuǎn)化成通常意義上的比例積分控制。

3.3 應(yīng)用效果

根據(jù)研究結(jié)果，選取兩個站作為應(yīng)用站點(diǎn)，對該站點(diǎn)緩沖罐液位進(jìn)行PID控制。下面從輸油方式、控制效果、勞動強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)效益等方面作以對比分析。

3.3.1 輸油方式對比

各增壓站原控制方式為：設(shè)置液位高限和低限，當(dāng)液位值到達(dá)高限時，變頻器開始定頻工作，輸油泵開始輸油；當(dāng)液位值到達(dá)低限時，變頻器頻率歸零，輸油泵停止工作。

該輸油方式缺點(diǎn)：

（1）變頻器的頻率設(shè)定較高，造成輸油泵頻繁啟停，輸油排量波動較大，容易造成管線下游站內(nèi)三相分離器進(jìn)液不平穩(wěn)，嚴(yán)重影響原油處理系統(tǒng)正常運(yùn)行；

（2）由于輸油泵的頻繁啟停，瞬間沖擊過大，導(dǎo)致輸油泵故障率較高；

（3）在冬季氣溫低的特殊條件下，原油容易凝固結(jié)蠟，造成輸油管線堵塞，影響原油生產(chǎn)工作，增加了生產(chǎn)成本及員工勞動強(qiáng)度。

實施PID調(diào)節(jié)方式后：設(shè)定一個恒定液位值，當(dāng)輸油泵啟動后并且達(dá)到PID調(diào)節(jié)范圍內(nèi)時，開始進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，根據(jù)液位的變化情況自動控制變頻器輸出不同頻率值，液位變化平穩(wěn)，實現(xiàn)了變頻連續(xù)輸油。

對于液量較足的站點(diǎn)，使用PID調(diào)節(jié)進(jìn)行連續(xù)變頻輸油具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）輸油變得平穩(wěn)，輸油泵頻率是根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，輸油管線壓力減小，對下游站點(diǎn)的壓力沖擊減??；

（2）輸油時間變長，預(yù)防結(jié)蠟，減少冬季掃線次數(shù)，降低成本；

（3）在PID調(diào)節(jié)下，輸油泵不是工作在最大排量，運(yùn)行平穩(wěn)，降低了故障概率。

（4）對于液量非常少的站點(diǎn)，使用PID控制雖然不能達(dá)到連續(xù)輸油的目的，但是仍然可以控制液位下降速度，延長輸油時間，減少輸油泵啟停次數(shù)。

3.3.2 員工勞動強(qiáng)度對比

在原有的定頻輸油方式下，由于各增壓站來液量不穩(wěn)，造成輸油泵啟停次數(shù)頻繁，大大增加了員工的勞動強(qiáng)度。實現(xiàn)PID變頻連續(xù)輸油控制后，基本實現(xiàn)24小時不間斷連續(xù)輸油，大大減少了盤泵及維修巡檢次數(shù)。

3.3.3 成本收益

實施PID調(diào)節(jié)方式后：液位變化平穩(wěn)，實現(xiàn)了變頻連續(xù)輸油，大大減少了輸油泵啟停次數(shù)，延長了設(shè)備的使用壽命，輸油泵維修次數(shù)明顯降低。同未使用PID控制方式的莊/增相比較，2016年莊※增開始實施PID變頻連續(xù)輸油，故障次數(shù)大幅度減少。同時平穩(wěn)的輸油方式杜絕了管線堵塞的情況發(fā)生，為冬季安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來了極大的作用。減小了對本站電網(wǎng)及電路系統(tǒng)和設(shè)備的沖擊次數(shù)，延長了電能設(shè)備的使用壽命。針對集輸流程所涉及到的費(fèi)用消耗，同前期設(shè)備費(fèi)、修理費(fèi)、車輛費(fèi)等相比較，年平均下降29.66%，大大節(jié)約了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 存在問題

針對預(yù)將變頻連續(xù)輸油技術(shù)應(yīng)用于合水油田各增壓站點(diǎn)，現(xiàn)主要存在的問題有：

（1）部分站點(diǎn)變頻器存在問題，無法接收控制信號，需更換主板或設(shè)置相關(guān)參數(shù)；

（2）各站點(diǎn)PLC程序不統(tǒng)一，無法直接采用上位機(jī)程序控制方式進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用，需先將各站點(diǎn)PLC程序采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試成功，再加入PID調(diào)節(jié)控制（同時利用上位機(jī)控制及PLC程序控制兩種方式）；

（3）部分站點(diǎn)PLC設(shè)備老舊，若調(diào)試過程中存在卡死次數(shù)過多，需升級相關(guān)PLC模塊。