油田自動化油氣分離系統(tǒng)的智能控制方法

摘要：油氣分離是油田生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的分離控制方法難以適應(yīng)復(fù)雜工況下的高精度需求。針對油氣分離過程中存在的非線性、多變量耦合等特點，設(shè)計了一種基于PLC的自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用三級控制結(jié)構(gòu)，通過數(shù)據(jù)采集、自適應(yīng)控制和遠程監(jiān)控等技術(shù)手段，實現(xiàn)了分離器液位、壓力、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的協(xié)調(diào)控制。通過仿真實驗和實際運行數(shù)據(jù)驗證，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)PID控制相比，該方法能有效降低系統(tǒng)波動，分離效率從82%提升至95%，能耗降低23.5%，系統(tǒng)平均運行時間延長40%，故障率降低65.7%，且具有較強的抗干擾能力和自適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：油氣分離；自動化控制；PLC；數(shù)據(jù)采集；遠程監(jiān)控

一、前言

隨著油田開發(fā)進入中后期，含水率升高和氣液比波動加劇給油氣分離過程帶來諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)分離控制系統(tǒng)存在響應(yīng)速度慢、抗干擾能力差等問題，難以滿足生產(chǎn)需求。近年來，自動化技術(shù)在工業(yè)過程控制中的廣泛應(yīng)用為解決這一問題提供了新思路。PLC控制系統(tǒng)憑借其可靠性高、抗干擾能力強、編程靈活等優(yōu)勢，在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。利用PLC構(gòu)建智能化油氣分離控制系統(tǒng)，通過遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等技術(shù)手段，可有效提高分離效率，降低能耗，提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

二、油氣分離系統(tǒng)的工作原理

（一）油氣分離器的結(jié)構(gòu)組成

油氣分離器由進液裝置、控制裝置和分離裝置三大部分構(gòu)成，如圖1所示。進液裝置包括進液管、分散器和導流板，用于將混合液體均勻分散并降低流速。分散器采用多孔板結(jié)構(gòu)，能有效打散液滴，提高分離效果。分離裝置是系統(tǒng)的核心部件，由旋流器、除霧器和集液槽組成。旋流器利用離心力原理使油氣兩相在密度差作用下分層，除霧器采用絲網(wǎng)式構(gòu)造，可捕集細小液滴，確保氣相產(chǎn)品品質(zhì)。控制裝置配備了液位計、壓力計、溫度計等傳感器，以及調(diào)節(jié)閥、電動執(zhí)行機構(gòu)等執(zhí)行元件，負責系統(tǒng)參數(shù)的檢測與調(diào)節(jié)，保證分離過程的穩(wěn)定運行。

（二）分離過程的動態(tài)特性分析

油氣分離過程具有顯著的非線性和多變量耦合特性。分離器內(nèi)部壓力與溫度的變化會直接影響氣液兩相的物性參數(shù)，進而改變分離效果。工況波動導致進料組成和流量發(fā)生變化時，系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的動態(tài)響應(yīng)[1]。壓力波動會引起液位波動，液位變化又會反過來影響壓力，形成復(fù)雜的相互作用關(guān)系。溫度變化會影響油品的黏度和氣液平衡，使分離過程產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。這些動態(tài)特性給控制系統(tǒng)設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)，需要采用先進的控制策略來實現(xiàn)各參數(shù)的協(xié)調(diào)控制。

（三）關(guān)鍵控制參數(shù)的確定

油氣分離系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)包括液位、壓力、溫度和流量。液位控制直接關(guān)系到分離空間的有效利用和防止夾帶，壓力控制影響著氣液平衡和分離效率，溫度控制則決定了分離過程的穩(wěn)定性[2]。入口流量的波動會引起系統(tǒng)的劇烈響應(yīng)，需要及時調(diào)節(jié)以維持穩(wěn)態(tài)。各參數(shù)之間存在緊密的耦合關(guān)系，液位的控制精度會影響壓力的穩(wěn)定性，壓力的波動又會導致分離效果的變化。確定這些關(guān)鍵參數(shù)的控制目標和控制方式，對實現(xiàn)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行具有重要意義。

三、自動化油氣分離系統(tǒng)設(shè)計

（一）系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

自動化油氣分離系統(tǒng)采用分層分布式控制架構(gòu)，整個系統(tǒng)由現(xiàn)場層、控制層和管理層構(gòu)成，如圖2所示?，F(xiàn)場層包括各類傳感器、執(zhí)行器和數(shù)據(jù)采集單元，負責工藝參數(shù)的實時監(jiān)測和控制指令的執(zhí)行?？刂茖佑煽删幊炭刂破鳎≒LC）和工業(yè)控制計算機組成，承擔數(shù)據(jù)處理、邏輯控制和優(yōu)化計算任務(wù)。管理層配備工業(yè)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和遠程管理功能。各層級之間通過工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，保證信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計理念，各功能單元可獨立運行又相互協(xié)調(diào)，提高了系統(tǒng)的可維護性和擴展性。

（二）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測模塊

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測模塊通過布置在油氣分離器關(guān)鍵部位的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對工藝參數(shù)的全面監(jiān)測。壓力傳感器采用高精度壓阻式變送器，溫度傳感器選用防爆型熱電阻，液位檢測采用磁致伸縮原理的連續(xù)測量方式[3]。所有傳感器信號經(jīng)過防爆隔離柵后接入就地控制箱的數(shù)據(jù)采集單元，采集單元具備信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。監(jiān)測模塊還包含流量、含水率、氣液比等參數(shù)的在線分析儀表，為工藝過程優(yōu)化提供依據(jù)。采集系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，關(guān)鍵參數(shù)配備備用傳感器，確保數(shù)據(jù)采集的可靠性。采集單元的抗干擾設(shè)計采用光電隔離和屏蔽電纜，確保了在強電磁環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。

（三）控制策略與算法實現(xiàn)

控制策略采用多回路協(xié)調(diào)控制方案，建立了以液位控制為核心的級聯(lián)控制系統(tǒng)。液位控制回路通過調(diào)節(jié)出液閥門開度維持分離器液位穩(wěn)定，壓力控制回路根據(jù)壓力變化調(diào)節(jié)放空閥和產(chǎn)氣閥門[4]。溫度控制采用前饋-反饋復(fù)合控制方式，提高系統(tǒng)的抗干擾能力?？刂扑惴ɑ诟倪M的模糊自適應(yīng)PID控制，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學習機制，實現(xiàn)控制參數(shù)的自動優(yōu)化。算法在PLC中實現(xiàn)，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，將復(fù)雜控制邏輯分解為多個功能模塊，提高程序的可讀性和可維護性。系統(tǒng)還集成了故障診斷和安全聯(lián)鎖功能，保證生產(chǎn)過程的安全性。

（四）遠程監(jiān)控與管理平臺

遠程監(jiān)控與管理平臺基于B/S架構(gòu)開發(fā)，采用Web服務(wù)技術(shù)實現(xiàn)跨平臺訪問。平臺集成了實時數(shù)據(jù)顯示、歷史趨勢查詢、報表管理、報警處理等功能模塊。監(jiān)控畫面采用組態(tài)軟件開發(fā)，直觀展示工藝流程和設(shè)備運行狀態(tài)[5]。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用實時數(shù)據(jù)庫存儲過程數(shù)據(jù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫保存歷史記錄，支持多維度的數(shù)據(jù)分析和挖掘。平臺支持移動終端訪問，管理人員可通過手機App實時查看生產(chǎn)數(shù)據(jù)，處理系統(tǒng)報警。對于系統(tǒng)響應(yīng)時間的評估，采用以下計算模型：

T=Tc+Tn+Ts+Td

其中，T為系統(tǒng)總響應(yīng)時間，Tc為客戶端處理時間，Tn為網(wǎng)絡(luò)傳輸時間，TS為服務(wù)器處理時間，Td為數(shù)據(jù)庫訪問時間。通過優(yōu)化各環(huán)節(jié)響應(yīng)時間，確保系統(tǒng)的實時性要求。權(quán)限管理模塊實現(xiàn)了基于角色的訪問控制，確保系統(tǒng)操作的安全性。平臺還提供了標準的數(shù)據(jù)接口，可與其他信息化系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。

四、智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)

（一）控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

油氣分離智能控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)采用三級控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示。主控制單元采用西門子S7-1500系列PLC，配備冗余CPU和通信模塊，確保系統(tǒng)運行的可靠性?，F(xiàn)場控制站采用ET200SP分布式I/O站，通過PROFINET總線與主站通信，負責采集各類傳感器信號和控制執(zhí)行機構(gòu)。操作員站采用雙機熱備方案，配備24寸工業(yè)顯示器和工業(yè)級鍵盤，為操作人員提供友好的操作環(huán)境。系統(tǒng)配備工業(yè)級以太網(wǎng)交換機構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)提高網(wǎng)絡(luò)可靠性?？刂葡到y(tǒng)的電源采用UPS不間斷電源供電，配備后備電池組，保證系統(tǒng)在斷電情況下的正常運行。

（二）軟件功能模塊設(shè)計

智能控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計思路，包括實時數(shù)據(jù)處理、控制算法、故障診斷等功能模塊。實時數(shù)據(jù)處理模塊負責傳感器數(shù)據(jù)的采集、濾波和標定，采用卡爾曼濾波算法消除測量噪聲?？刂扑惴K實現(xiàn)了自適應(yīng)PID控制策略，通過在線參數(shù)整定實現(xiàn)最優(yōu)控制。故障診斷模塊基于專家系統(tǒng)規(guī)則庫，能夠?qū)崟r監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常并給出處理建議。數(shù)據(jù)管理模塊負責過程數(shù)據(jù)的存儲和查詢，支持多種數(shù)據(jù)格式導出。報警管理模塊實現(xiàn)了分級報警策略，可對不同類型的報警進行分類處理和統(tǒng)計分析。各功能模塊之間通過標準接口進行數(shù)據(jù)交換，保證了系統(tǒng)的開放性和可擴展性。

（三）人機交互界面開發(fā)

人機交互界面基于組態(tài)王軟件平臺開發(fā)，采用分層布局設(shè)計方案。主畫面顯示工藝流程圖，采用動態(tài)圖形元素直觀展示設(shè)備運行狀態(tài)和工藝參數(shù)。趨勢曲線畫面支持多條曲線同時顯示，操作人員可根據(jù)需要選擇查看不同參數(shù)的變化趨勢。報警畫面采用表格形式顯示系統(tǒng)報警信息，支持報警確認和歷史查詢功能。參數(shù)設(shè)置畫面提供了設(shè)備參數(shù)和控制參數(shù)的配置界面，具備權(quán)限管理功能。報表管理畫面可生成日報、月報等統(tǒng)計報表，支持數(shù)據(jù)導出和打印功能。界面設(shè)計遵循人機工程學原理，采用柔和的色彩搭配，確保長期使用不會產(chǎn)生視覺疲勞。交互操作采用觸摸屏和鍵鼠結(jié)合的方式，提高了操作的便捷性。

五、系統(tǒng)性能測試與分析

（一）仿真實驗設(shè)計

系統(tǒng)性能測試采用MATLAB/Simulink搭建仿真平臺，建立了完整的油氣分離系統(tǒng)動態(tài)模型。仿真實驗設(shè)計了正常工況和干擾工況兩類測試場景。正常工況下，設(shè)定進料流量在100～150m3/h范圍內(nèi)波動，含水率在60%～85%之間變化，氣液比在50～100之間調(diào)節(jié)。干擾工況測試包括進料突變、氣液比劇烈波動、外部負載擾動等情況，用于驗證控制系統(tǒng)的抗干擾能力。實驗過程中記錄液位、壓力、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)曲線，采樣周期為100ms，測試時長為24小時，全面評估控制系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能。

（二）實驗數(shù)據(jù)分析

實驗數(shù)據(jù)從穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和控制精度三個方面進行分析。表1給出了系統(tǒng)在不同工況下的性能指標數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，在正常工況下，系統(tǒng)的各項性能指標均達到設(shè)計要求，液位控制精度優(yōu)于±10mm，壓力波動控制在±0.02MPa范圍內(nèi)。在干擾工況下，系統(tǒng)仍能保持良好的控制效果，各項指標的波動幅度控制在可接受范圍內(nèi)。系統(tǒng)運行過程的穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)響應(yīng)特性分析表明，智能控制系統(tǒng)在流量突變工況下的調(diào)節(jié)時間從25s增加到45s，增幅為80%，但仍滿足工藝要求。相比傳統(tǒng)控制方案，該系統(tǒng)在抑制外部干擾方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，在負載擾動工況下的液位波動和壓力波動分別控制在±10mm和±0.02MPa范圍內(nèi)，達到了設(shè)計指標。

（三）控制效果對比

智能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的對比測試結(jié)果見表2。在相同工況條件下，智能控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量和控制精度等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。系統(tǒng)的分離效率提高了15%，運行穩(wěn)定性顯著增強，有效降低了能源消耗。

六、結(jié)語

油田自動化油氣分離系統(tǒng)的研究成果對提高分離效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。通過構(gòu)建基于PLC的三級控制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測和智能調(diào)節(jié)。實驗結(jié)果驗證了控制系統(tǒng)在不同工況下的穩(wěn)定性和可靠性，特別是在抗干擾性和運行穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)異。系統(tǒng)的分離效率、能耗指標和故障率等關(guān)鍵性能指標均獲得顯著改善，達到了預(yù)期設(shè)計目標。后續(xù)研究將進一步優(yōu)化控制算法，擴展系統(tǒng)功能，推動油氣分離過程的自動化水平提升，為相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進步提供參考。

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作者單位：新疆油田公司采油二廠

■ 責任編輯：王穎振 鄭凱津