(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司北京分公司，北京 100085)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)對(duì)油氣資源的需求日益增加，中國公司參與開發(fā)和建設(shè)的海外大型整裝油田越來越多。大型油田的規(guī)模遠(yuǎn)超過國內(nèi)常見零散的小區(qū)塊低產(chǎn)油田。大型整裝油田的生產(chǎn)技術(shù)工藝與傳統(tǒng)的單列油氣處理工藝有著根本性的差別，傳統(tǒng)的單列油氣處理工藝已經(jīng)無法滿足現(xiàn)實(shí)需求。為了適應(yīng)大型油田的生產(chǎn)特點(diǎn)，提升石油生產(chǎn)的集約化水平，采用多列油氣處理裝置并列運(yùn)行的工藝技術(shù)得以大規(guī)模應(yīng)用。

多列油氣處理裝置并列運(yùn)行時(shí)，由于工藝設(shè)備、配管安裝、工況變化等因素的影響，出現(xiàn)了許多新的問題，典型的如每列裝置處理負(fù)荷的不平衡。當(dāng)出現(xiàn)負(fù)荷不平衡時(shí)，部分列裝置由于負(fù)荷過大超出了處理能力，導(dǎo)致產(chǎn)品指標(biāo)不合格；部分列裝置由于負(fù)荷過小達(dá)不到設(shè)備正常運(yùn)行的負(fù)荷下限，導(dǎo)致裝置不能正常運(yùn)行。為了保證平行運(yùn)行的多列裝置始終能夠處于最佳狀態(tài)，并主動(dòng)適應(yīng)工藝系統(tǒng)的工況變化，需要通過自動(dòng)控制的手段及時(shí)調(diào)整每列裝置的負(fù)荷平衡。

1 工藝原理

在石油開采過程中，井口流出物通常包含原油、伴生氣、水以及其他雜質(zhì)。為了生產(chǎn)出合格的原油，需要采用油氣水分離、脫水、脫鹽、穩(wěn)定等一系列措施進(jìn)行處理。在大型油田中，由于單臺(tái)設(shè)備處理能力的限制，需要采用多臺(tái)裝置并列運(yùn)行來滿足擴(kuò)大油氣處理能力的要求[1]。

在井口的流出物進(jìn)入油氣處理裝置正式處理之前，需根據(jù)工況的需要綜合考慮預(yù)處理措施。采用段塞流捕集器實(shí)現(xiàn)氣液的初步分離是一種常見的預(yù)處理措施。氣液兩相流進(jìn)入段塞流捕集器初步分離后，氣體進(jìn)入氣體處理系統(tǒng)，以液體為主的流體進(jìn)入后續(xù)的平行多列油氣裝置進(jìn)行處理，各列的負(fù)荷分配通過控制每列進(jìn)液量實(shí)現(xiàn)。實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，原因分析如下。

① 每列的油氣處理設(shè)施雖然按照相同的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)，但是由于制造上的誤差，不可能完全一致，在具體單臺(tái)設(shè)備的技術(shù)性能上有些差別；

② 每列裝置的管線長度、管閥件等的差異造成管路摩阻存在差異，使得流體容易向摩阻小的裝置流動(dòng)；

③ 裝置運(yùn)行一段時(shí)間后，在管線、設(shè)備中沉積的泥沙等雜物會(huì)導(dǎo)致流體進(jìn)入每列裝置后的流動(dòng)狀況發(fā)生變化。

典型的生產(chǎn)工藝原理如圖1所示。

圖1 典型的多列油氣工藝原理圖

2 負(fù)荷分配控制方案

負(fù)荷分配自動(dòng)控制的目的就是通過自動(dòng)化的手段，克服多列裝置平行運(yùn)行時(shí)的偏流現(xiàn)象，對(duì)各列油氣進(jìn)行平均負(fù)荷分配控制，使每列油氣裝置的生產(chǎn)最優(yōu)化。其手段是在不限制總的處理量的前提下，通過合理平均調(diào)配每列進(jìn)口的流量，并使每列的流量變化同步[2]。

負(fù)荷分配控制原理如圖2所示。圖2中，各物理量含義如表1所示。

圖2 多列負(fù)荷分配控制原理圖

負(fù)荷自動(dòng)分配的一個(gè)基本要素是需要首先明確工藝系統(tǒng)中影響每列處理量的共性參數(shù)。該參數(shù)作為主要指標(biāo),用于控制所有列的總的處理量。選擇共性參數(shù)時(shí)，要從工藝系統(tǒng)的角度考慮裝置總體處理能力與油田生產(chǎn)能力之間的關(guān)系。當(dāng)裝置總體處理能力超過油田生產(chǎn)能力時(shí)，要以油田生產(chǎn)能力確定規(guī)模；當(dāng)油氣處理裝置完全有能力適應(yīng)、接收和處理來自油井的各種不同工況的流體時(shí),需要選取工藝介質(zhì)進(jìn)入裝置時(shí)的共性參數(shù)進(jìn)行控制，如段塞流捕集器的液位或者進(jìn)站總匯管的壓力等；當(dāng)油田生產(chǎn)能力超過裝置總體處理能力時(shí)，要根據(jù)裝置處理能力確定規(guī)模，以確保油氣處理裝置在安全負(fù)荷內(nèi)安全運(yùn)行，此時(shí)需要選取裝置對(duì)工藝介質(zhì)處理后的共同關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制，如儲(chǔ)油罐的液位等。

表1 各物理量含義

確定主要控制參數(shù)后，需要研究如何保證每列裝置進(jìn)口流量變化的同步，找出能反映每列偏流狀況的參數(shù)作為擾動(dòng)因素。由于多列裝置平行運(yùn)行時(shí)的偏流現(xiàn)象直接反映為各列進(jìn)口流量的不均衡，因此負(fù)荷平衡就要減少流量大的列的流量，同時(shí)加大流量小的列的流量，最終達(dá)到每列的量基本相同。每列進(jìn)口的流量變化是典型的擾動(dòng)因素?；趩瘟醒b置考慮，在其入口設(shè)置流量調(diào)節(jié)，通過流量檢測(cè)控制調(diào)節(jié)閥的開度來調(diào)整流量。同時(shí)基于多列裝置并行考慮，每列的流量控制目標(biāo)不是固定的，應(yīng)隨著總處理量的變化而變化，并且此流量控制目標(biāo)對(duì)每列裝置來說應(yīng)是相同的。

綜合以上分析，在控制方法上采用串級(jí)控制方案。主回路采用的是與每列裝置密切相關(guān)的全局控制參數(shù)，副回路采用每列的進(jìn)口流量。主回路的輸出作為副回路的設(shè)定值輸入，對(duì)于每個(gè)副回路來說，其設(shè)定值均跟隨主回路的輸出同步變化，保證了副回路控制目標(biāo)的統(tǒng)一[3-5]。

3 需要考慮的因素

本文的控制方案是一個(gè)包含了多個(gè)副回路的復(fù)雜的串級(jí)控制。主回路與每個(gè)副回路各有一個(gè)控制調(diào)節(jié)器，主回路控制調(diào)節(jié)器的輸出作為副回路控制調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，副回路控制調(diào)節(jié)器的輸出作為調(diào)節(jié)閥的輸入。由于控制方案相對(duì)復(fù)雜，需在短時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)變量變化做出反應(yīng)，控制系統(tǒng)工作頻率較高、計(jì)算量大，因此建議使用控制功能較強(qiáng)大的集散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)。主控制器和副控制器采用基于PID的控制算法，但是由于檢測(cè)與控制涉及到整個(gè)工藝生產(chǎn)鏈，存在較大的滯后，應(yīng)用中需要根據(jù)工況考慮合適的超前校正[6-7]。

系統(tǒng)中的流量檢測(cè)裝置所測(cè)介質(zhì)為油、氣、水同時(shí)存在的多相流體，多相流的相界面形狀和分布隨時(shí)間和空間變化，且相間存在相對(duì)速度，管道內(nèi)的分相流量比和分相管截面比等參數(shù)不相等。與單相流相比，多相流流動(dòng)特性更復(fù)雜，多數(shù)流量檢測(cè)儀表難以適應(yīng)多相流的流量檢測(cè)。一般情況下，在油氣處理前期，對(duì)多相流的測(cè)量準(zhǔn)確度要求不高，且不需測(cè)出每相的流量。因此，可采用適應(yīng)性較強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性較好的差壓式流量測(cè)量?jī)x表作為多相流總體流量的檢測(cè)裝置[8-10]。

4 技術(shù)應(yīng)用

自動(dòng)負(fù)荷分配控制有效地調(diào)節(jié)了平行多列油氣裝置的生產(chǎn)負(fù)荷，能夠快速平穩(wěn)地響應(yīng)油品運(yùn)輸變化與石油生產(chǎn)產(chǎn)量的變化等多種復(fù)雜的情況，效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低。

在油田生產(chǎn)中，已經(jīng)應(yīng)用的有以下兩種方案。

① 采用多列裝置上游的公共變量作為主控參數(shù)，如段塞流捕集器的液位，實(shí)現(xiàn)每列裝置的負(fù)荷分配。段塞流捕集器液位控制與各列流量控制形成了串級(jí)控制。段塞流捕集器的液位控制作為主控制器，其輸出作為各列流量副控制器的設(shè)定值輸入。每列裝置正常運(yùn)行時(shí)，若流量檢測(cè)值高于由主控制器輸出信號(hào)產(chǎn)生的設(shè)定值，則流量副控制器關(guān)小該列入口調(diào)節(jié)閥，減少流量；若流量檢測(cè)值低于由主控制器輸出信號(hào)產(chǎn)生的設(shè)定值，則流量副控制器開大該列入口調(diào)節(jié)閥，增加流量。

段塞流捕集器液位控制與各列流量控制體現(xiàn)了串級(jí)控制的思想，段塞流捕集器液位作為主控制變量，單列流量作為副控制變量。單列流量出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，可以直接調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量迅速克服擾動(dòng)，減少對(duì)于段塞流捕集器液位的影響。段塞流捕集器液位與各列流量的串級(jí)控制有助于控制段塞流捕集器液位的穩(wěn)定，有效地抑制了單列流量異常變化對(duì)油氣處理系統(tǒng)工作效率的影響，改善了過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了控制系統(tǒng)的工作頻率與控制質(zhì)量。

② 根據(jù)站場(chǎng)的處理能力，采用多列裝置下游的公共變量作為主控參數(shù)，如處理后凈化油儲(chǔ)罐的液位，實(shí)現(xiàn)每列裝置的負(fù)荷分配。儲(chǔ)油罐液位控制與各列流量控制組成了串級(jí)控制系統(tǒng)。當(dāng)流量控制作為副回路，單列流量出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，可以通過流量控制器調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥迅速平復(fù)；當(dāng)儲(chǔ)油罐液位作為主控制變量，儲(chǔ)油罐液位發(fā)生變化時(shí)，液位控制器給予各列流量控制器的設(shè)定值會(huì)改變，影響副回路，控制調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)中，副回路出現(xiàn)的擾動(dòng)能夠迅速平復(fù)，有效地減少“二次擾動(dòng)”的影響。主控制參數(shù)的控制精度更高，能

夠有效地控制儲(chǔ)油罐液位的穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

平行多列油氣裝置負(fù)荷分配控制方案是針對(duì)大型油田生產(chǎn)特點(diǎn)而提出的一種實(shí)用的控制策略，能夠達(dá)到平均負(fù)荷分配穩(wěn)定生產(chǎn)的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)最優(yōu)化和生產(chǎn)效率最大化。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)時(shí)，主控制參數(shù)與副控制變量的選取應(yīng)綜合考慮可用性與設(shè)計(jì)原則，選取最優(yōu)控制方案。

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