油氣處理多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)研究

李兵元，李國榮，韓夢蝶，馬衛(wèi)東

（1.新疆油田公司數(shù)據(jù)公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000）

1 某油田油氣處理現(xiàn)狀

某油田有1 座原油處理站、1 座聯(lián)合處理站、1 個天然氣處理站和3 個轉(zhuǎn)油站（某集中處理站、天然氣處理站、石南聯(lián)合站、莫北轉(zhuǎn)油站、莫109 轉(zhuǎn)油站、石南31 轉(zhuǎn)油站），涵蓋原油處理、原油外輸、轉(zhuǎn)輸、油田注水、采出水處理、天然氣處理等處理工藝。6 座站庫已經(jīng)建成獨立的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，生產(chǎn)監(jiān)控采用分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）、基礎(chǔ)測量儀表實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，控制閥門配置齊全，可實現(xiàn)工藝流程的可靠控制，流量、液位、壓力等參數(shù)與控制對象采用比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）自動控制回路，實現(xiàn)基礎(chǔ)的回路控制自動化功能。

2 某油田油氣處理存在的問題

（1）各站的DCS 生產(chǎn)廠家各不相同，獨立運行，數(shù)據(jù)不能共享，DCS 生產(chǎn)廠家如表1 所示。

表1 某油田作業(yè)區(qū)DCS 生產(chǎn)廠家

實時數(shù)據(jù)都在各站庫DCS 系統(tǒng)進行本地存儲，數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用難度大，站庫之間不能實現(xiàn)工藝流程的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一監(jiān)控，無法有效指揮和調(diào)度。

（2）4 座轉(zhuǎn)油站的采出水集中到該原油集中處理站處理，各自獨立處理，站站之間通過人工進行調(diào)度，工作人員無法實時了解各轉(zhuǎn)油站采出水情況，增加了控制和調(diào)度難度。

采出水在4 座轉(zhuǎn)油站庫都有獨立的處理裝置，實現(xiàn)了本地油區(qū)采出水回注，多余或不足的采出水需要通過互聯(lián)互通的工藝管線到該原油集中處理站進行集中調(diào)度和分配，站庫之間在廠級層面采用人工指揮調(diào)度，無法實時了解各轉(zhuǎn)油站采出水情況，增加了控制和調(diào)度難度。

（3）處理站和轉(zhuǎn)油站的部分工藝指標(biāo)如液位等受到上下游裝置平穩(wěn)運行的影響，需要同時滿足液位平穩(wěn)性和流量平穩(wěn)性等多目標(biāo)控制的要求?，F(xiàn)有單回路控制系統(tǒng)效果不理想，存在一定程度的波動，需要人工調(diào)控。

（4）原油集中處理裝置緩沖罐液位需要控制在合理的區(qū)間，同時保證緩沖罐出料量穩(wěn)定，降低對相變爐穩(wěn)定操作的影響，增加了操作人員的工作強度。

（5）該油田的DCS 以PID 反饋控制為主，將復(fù)雜對象簡化為若干個單變量來處理，無法處理實際生產(chǎn)過程中多個目標(biāo)存在的互相耦合問題。比如，某集中處理站相變爐出現(xiàn)特殊情況而啟停時，某天然氣處理站二級燃氣去集中處理站燃氣壓力的大幅波動，二級燃氣壓力波動與一級燃氣壓力存在強耦合關(guān)系，相互影響，增加了操作人員操作難度和工藝波動。

（6）由于工藝復(fù)雜，一旦受到外界干擾（如裝置負荷），現(xiàn)有DCS 無法滿足變負荷控制的要求。比如，某天然氣處理站原料負荷變化頻繁，2 套裝置的6 臺原料氣壓縮機需要根據(jù)進料變化進行負荷調(diào)整和分配，無法達到最優(yōu)的負荷分配。

由于存在以上問題，該油田急需研發(fā)一套集生產(chǎn)監(jiān)控、參數(shù)調(diào)節(jié)和自動調(diào)度工藝流程于一體的智能化生產(chǎn)調(diào)控管理系統(tǒng)，增強多站庫及其裝置的同步協(xié)調(diào)控制能力，提高裝置運行平穩(wěn)性和響應(yīng)能力，確保生產(chǎn)安全。

3 多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)研究

（1）研發(fā)多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)，就是要建立一套統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控與優(yōu)化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，達到生產(chǎn)流程智能調(diào)度的目的，同時對集中處理站和天然氣站進行優(yōu)化控制，使裝置運行更加平穩(wěn)。

結(jié)合用戶需求和現(xiàn)場裝置的特點，某油田設(shè)計了多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)

多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)基于supOS 工業(yè)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)功能包括監(jiān)控系統(tǒng)、組態(tài)系統(tǒng)、趨勢圖、數(shù)據(jù)采集等幾個模塊。通過平臺App 設(shè)計器（程序設(shè)計器）上對油、氣、水及各個站庫流程圖的設(shè)計、日常報表的設(shè)計，最終生成6 套站庫油氣水監(jiān)控流程圖和日常報表，形成統(tǒng)一、集中監(jiān)控；先進控制模塊軟件對底層DCS，通過OPC2 TCP/IP 數(shù)據(jù)接口集成的方式，將6 座油氣處理站庫不同品牌的DCS 的全部控制參數(shù)集成到統(tǒng)一實時數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的集中存儲讀取和監(jiān)控，并對相關(guān)操作變量進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)多變量優(yōu)化控制，統(tǒng)一操作，提高操作效率。智能生產(chǎn)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 功能結(jié)構(gòu)圖

（2）對6 座處理站和轉(zhuǎn)油站進行全面的工藝流程分析，找出關(guān)鍵工藝監(jiān)控點。采出水主要關(guān)聯(lián)工藝監(jiān)控點與工藝流程如圖3 所示，原油關(guān)聯(lián)工藝監(jiān)控與工藝流程如圖4 所示，天然氣主要關(guān)聯(lián)工藝監(jiān)控點與工藝流程如圖5 所示。利用多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)，該油田完成了原油、天然氣、采出水等互聯(lián)互通的工藝的集中監(jiān)控，利用相關(guān)數(shù)據(jù)協(xié)助生產(chǎn)調(diào)度，起到了輔助決策的作用。

圖3 采出水主要關(guān)聯(lián)工藝監(jiān)控點與工藝流程

圖4 原油關(guān)聯(lián)工藝監(jiān)控與工藝流程

圖5 天然氣主要關(guān)聯(lián)工藝監(jiān)控點與工藝流程

（3）該油田利用先進控制技術(shù)、專家控制技術(shù)液位非線性均勻控制、壓縮機自動升降負荷及燃氣降壓解耦控制等優(yōu)化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了工藝裝置設(shè)備的整體優(yōu)化控制，具體如下。

第一，應(yīng)用液位非線性均勻先進控制器。保持集中處理站緩沖罐液位控制在合理的區(qū)間，同時保持緩沖罐出口流量穩(wěn)定，降低對相變爐操作的影響；保證處理系統(tǒng)整體平穩(wěn)，提高工作人員工作效率。研究發(fā)現(xiàn)，在緩沖罐液位正常區(qū)間范圍內(nèi)，通過脫水泵變頻、柱塞泵變頻調(diào)節(jié)可保證出料流量穩(wěn)定。因此，在保證柱塞泵出口壓力合理的情況下，要通過及時調(diào)節(jié)脫水泵變頻、柱塞泵變頻，以保證緩沖罐液位。

第二，應(yīng)用壓縮機變負荷先進控制器。根據(jù)原料氣的進料量調(diào)整某天然氣處理站原料氣壓縮機回流閥，自動調(diào)整壓縮機負荷，使原料氣進氣壓力達到要求目標(biāo)，實現(xiàn)原料氣壓縮機的負荷優(yōu)化控制。研究發(fā)現(xiàn)，要保證原料氣進氣壓力穩(wěn)定，可通過調(diào)節(jié)原料氣壓縮機回流閥實現(xiàn)。

第三，應(yīng)用燃氣降壓解耦先進控制器。要通過先進控制器克服集中處理站相變爐出現(xiàn)特殊情況啟停操作等的影響，實現(xiàn)天然氣處理站一級燃氣降壓閥和二級燃氣降壓閥的解耦控制，避免天然氣處理站二級燃氣去集中處理站燃氣壓力波動；減少生活區(qū)燃氣壓力、集中處理站燃氣壓力和燃氣補氣壓力的波動，平穩(wěn)氣壓，降低對裝置后工段影響，實現(xiàn)平穩(wěn)生產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，相變爐出現(xiàn)特殊情況啟停時，通過去集中處理站燃氣壓力閥、去生活區(qū)燃氣壓力閥以及一級燃氣降壓量閥控制，可減少燃氣壓力波動對變相爐的影響。

第四，應(yīng)用干氣換熱分配控制器。根據(jù)氣分塔當(dāng)前狀況，要合理分配產(chǎn)品氣，使1#和2#氣分塔能達到最優(yōu)分配。實現(xiàn)干氣塔的優(yōu)化控制，可有效降低塔內(nèi)能耗，達到塔的高效利用。研究發(fā)現(xiàn)，通過1# E-4250 至產(chǎn)品氣與2# E-4250A 至產(chǎn)品氣，1#、2#制冷劑，1#、2#氣分塔壓力的合理分配，多變量協(xié)調(diào)控制，可以達到塔的最優(yōu)利用。

4 多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)實際運行效果

①某油田實現(xiàn)了油氣6 套處理站庫生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和集中管理，繪制流程圖20 張，實現(xiàn)了油、氣、水的統(tǒng)一管理，方便了相關(guān)數(shù)據(jù)實時查看，實現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度。②根據(jù)各站庫日常生產(chǎn)報表，繪制6 張日報表，并智能存儲數(shù)據(jù)，工作人員可隨時查看任意時間點的報表數(shù)據(jù)，避免了在定點時間段人力集中分配，提高了調(diào)度統(tǒng)計人員的工作效率。③設(shè)計4 個控制器，在同樣工況下對比，7#緩沖罐液位標(biāo)準(zhǔn)偏差降低37.6%，生活區(qū)燃氣壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差降低83.36%，聯(lián)合站調(diào)氣壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差降低38.9%，燃氣一級調(diào)氣壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差降低69.86%，壓縮機入口壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差降低40.65%，氣分塔塔頂溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差降低36.05%，主要關(guān)鍵被控變量標(biāo)準(zhǔn)偏差均已降低30%以上，達到技術(shù)要求。