一種新的油田液烴回收覆蓋氣控制方法

李名強(qiáng)（中海石油有限公司天津分公司）

渤海A 油田主力油層為明下段，原油性質(zhì)為中質(zhì)油，地面原油相對密度為0.902～0.905，伴生氣相對密度為0.832，伴生氣組分中含有甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷和正丁烷等，其中重組分伴生氣含量占約29%。依據(jù)該油田地質(zhì)油藏特征，在常見的低分子烷烴回收工藝流程基礎(chǔ)上，采用淺冷工藝和壓縮冷卻法設(shè)計(jì)了重組分伴生氣回收工藝流程。對于重組分伴生氣回收工藝，陸地油田比較成熟的方法主要有吸附法、油吸收法和低溫冷凝法，海上油田主要應(yīng)用簡化的淺冷工藝和壓縮冷卻法。渤海A 油田采用淺冷工藝和壓縮冷卻法回收液烴，工藝流程需要覆蓋氣維持液烴緩沖罐壓力的穩(wěn)定，精準(zhǔn)的覆蓋氣復(fù)雜控制方案對于防止油氣資源浪費(fèi)和減少海洋大氣環(huán)境污染至關(guān)重要[1-3]。

1 液烴回收工藝流程

1.1 油田伴生氣流程概述

A 油田伴生氣來源于平臺生產(chǎn)流程的原油段塞流捕集器A-V-1501 和生產(chǎn)分離器A-V-2001。伴生氣經(jīng)海水冷卻器A-WC-2501 淺冷后，在伴生氣洗滌罐A-V-2501 初步分離出一部分重組分液烴，形成低壓力液烴，伴生氣再經(jīng)壓縮機(jī)三級洗滌、壓縮、冷卻分離出重組分液烴，沉降在洗滌罐底部形成高壓力的液烴[4-5]。

1.2 液烴回收工藝流程

低壓力液烴經(jīng)增壓泵增壓后和高壓力液烴一起進(jìn)入液烴緩沖罐，再經(jīng)液烴外輸泵進(jìn)行外輸。液烴緩沖罐A-V-2201 的罐體尺寸為800 mm （ID）x3000 mm（T/T），設(shè)計(jì)壓力為950 kPa/75 ℃，操作壓力為500～600 kPa/45 ℃[6]。液烴外輸泵A-P-2202A/B的平均排量為1.8 m3/h。為滿足液烴外輸泵入口壓力要求，伴生氣洗滌罐的高壓力伴生氣經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后形成覆蓋氣，維持液烴緩沖罐壓力，滿足外輸泵入口壓力要求，確保外輸泵穩(wěn)定外輸。在覆蓋氣壓力低時(shí)，打開補(bǔ)壓調(diào)節(jié)閥PV2252A 補(bǔ)充覆蓋氣，在壓力高時(shí)，打開降壓調(diào)節(jié)閥PV2252B 排放覆蓋氣，排放的覆蓋氣經(jīng)火炬放空系統(tǒng)燃燒排放。液烴回收流程及覆蓋氣控制見圖1。

圖1 液烴回收流程及覆蓋氣控制

2 覆蓋氣控制方案

2.1 PID 控制方案

一個(gè)閉環(huán)的自動控制系統(tǒng)主要由控制部分和被控部分組成?？刂撇糠值墓δ苁墙邮苤噶钚盘柡捅豢夭糠值姆答佇盘?，并對被控部分發(fā)出控制信號。被控部分的功能則是接受控制信號，發(fā)出反饋信號，并在控制信號的作用下實(shí)現(xiàn)被控運(yùn)動。液烴緩沖罐液位隨淺冷和壓縮冷卻后分離出的液烴流量而變化，液烴液位變化則造成緩沖罐覆蓋氣體積的變化，根據(jù)普適氣體定律，氣體體積的變化引起其壓力的變化，從而得知該自動控制系統(tǒng)的干擾因素主要為液烴流量[7]。 方案設(shè)計(jì)兩個(gè)PID 控制器PIC2252A 和PIC2252B，利用覆蓋氣壓力同期望壓力的偏差對系統(tǒng)進(jìn)行自動閉環(huán)控制，獲得比較穩(wěn)定的覆蓋氣壓力。PID 控制技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便，其實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果用以輸出進(jìn)行控制。PID 控制是一種線性控制，它將給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合形成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，PID 控制方框見圖2。

圖2 PID 控制方框

n(t)為給定值，y(t)為系統(tǒng)的輸出，e(t)為控制的輸入，即偏差：e(t)=n(t)-y(t)被控量與給定值的偏差，u(t)為控制的輸出。

PID 控制的微分方程為：

式中：Kd為比例系數(shù)；τi為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

2.2 控制方案實(shí)驗(yàn)及效果

該設(shè)計(jì)方案在Honeywell 的PSK 系統(tǒng)軟件進(jìn)行組態(tài)模擬其控制效果。系統(tǒng)投入運(yùn)行前，覆蓋氣壓力為零，兩個(gè)PID 均設(shè)置為手動控制狀態(tài)，輸出為0%，保持PV2252A 和PV2252B 狀態(tài)為關(guān)閉。在初始化建立覆蓋氣壓力過程中，PIC2252B 控制器首先投入自動運(yùn)行狀態(tài)，但因覆蓋氣壓力為零，其PV2252 的開度仍然保持0%，然后逐漸手動打開PV2252A 從0%到10%的開度，覆蓋氣壓力逐漸增加，當(dāng)增加到400 kPa 時(shí)，PIC2252A 控制器投入自動運(yùn)行模式，PV2252A 開始隨著壓力的變化而自動調(diào)節(jié)開度，覆蓋氣控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)建立。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后對覆蓋氣壓力和兩個(gè)調(diào)節(jié)閥的開度每隔10 s 采樣一次，采樣結(jié)果見表1。

表1 采樣結(jié)果

兩個(gè)PID 控制器出現(xiàn)了相互干擾，有超調(diào)的情況，也出現(xiàn)兩個(gè)調(diào)節(jié)閥同時(shí)有不小的開度，這雖然實(shí)現(xiàn)了液烴的充分回收，但是調(diào)節(jié)閥頻繁動作，設(shè)備損耗增加，覆蓋氣壓力波動較大，也會出現(xiàn)較多的覆蓋氣排放、燃燒和浪費(fèi)，甚至污染海洋大氣環(huán)境。

2.3 控制方案優(yōu)化及效果

為解決以上問題，對控制方案進(jìn)行優(yōu)化，PIC2252A 的 設(shè) 定 調(diào) 整 為500 kPa，PIC2252B 的 設(shè) 定值調(diào)整為600 kPa，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)覆蓋氣壓力變化范圍約在490～630 kPa，壓力波動范圍太大。當(dāng)油田投用初期，液烴產(chǎn)量較低時(shí)，覆蓋氣壓力維持在較高壓力范圍，隨著油井不斷的投產(chǎn)，液烴產(chǎn)量逐漸增加，處理量較大時(shí)，覆蓋氣壓力維持在較低范圍，均偏離550 kPa，不利于液烴外輸泵P-2252A/B 的穩(wěn)定外輸，而且覆蓋氣壓力變化范圍也超出了液烴緩沖罐的操作壓力范圍[8]。

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，工藝的更新，多變量作用下進(jìn)行生產(chǎn)的情況日益增多，簡單控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足工藝要求。分程控制是復(fù)雜控制系統(tǒng)之一，廣泛的應(yīng)用在石油化工行業(yè)。分程控制是將控制器的輸出信號分別去控制兩個(gè)或者兩個(gè)以上物料的控制閥[9-10]。液烴回收覆蓋氣控制系統(tǒng)則由簡單的兩個(gè)PID 控制器優(yōu)化為一個(gè)復(fù)雜分程控制見圖3。

圖3 分程控制

由一個(gè)PID 控制器PIC2252B 同時(shí)控制兩個(gè)調(diào)節(jié)閥，閥門開度與PID 調(diào)節(jié)器輸出之間的關(guān)系為V 型折線，分程點(diǎn)設(shè)置為50%。閥門動作V 型曲線見圖4。

圖4 閥門動作V 型曲線

根據(jù)液烴外輸泵的工況要求， 控制器PIC2252B 的設(shè)定值調(diào)整為550 kPa，優(yōu)化后的控制方案在PKS 系統(tǒng)軟件組態(tài)模擬其控制效果，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后對覆蓋氣壓力和兩個(gè)調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行采樣，優(yōu)化后采樣結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化后采樣結(jié)果

由閥門開度曲線可以看出，放氣調(diào)節(jié)閥打開時(shí)，補(bǔ)氣調(diào)節(jié)閥關(guān)閉；補(bǔ)氣調(diào)節(jié)閥打開時(shí)，放氣調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，部分時(shí)間段兩個(gè)閥門幾乎都沒有開度。閥門的最大開度均減小，閥門動作的速率也降低。模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)覆蓋氣壓力變化較為平穩(wěn)，能達(dá)到覆蓋氣壓力穩(wěn)定，保證外輸泵穩(wěn)定運(yùn)行，而且覆蓋氣排放量也大幅度降低。

3 結(jié)論

1）油田液烴回收覆蓋氣控制方案優(yōu)化為復(fù)雜自動控制系統(tǒng)，即分程控制，軟件組態(tài)模擬效果表明對于罐體壓力通過補(bǔ)壓和泄壓維持穩(wěn)定的系統(tǒng)，簡單的PID 控制具有局限性，分程控制實(shí)現(xiàn)了一個(gè)控制器的輸出信號分別控制兩個(gè)或兩個(gè)以上工藝流程的控制閥，控制閥門動作幅度減小、動作速率降低，自動控制更加精準(zhǔn)，排放的覆蓋氣大幅度減少。

2）分程、串級和比值等復(fù)雜自動控制系統(tǒng)在生產(chǎn)工藝流程的應(yīng)用，有利于增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，防止天然氣資源浪費(fèi)，保護(hù)大氣環(huán)境，促進(jìn)企業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展。