孔祥敏 時 強(qiáng) 李 勇 廖沖春 石明江

(1. 中石化西北油田分公司，烏魯木齊 830011；2. 西南石油大學(xué)，成都 610500)

油田采油聯(lián)合站是油氣集輸系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，擔(dān)負(fù)油氣處理與集輸?shù)娜蝿?wù)。主要包含原油穩(wěn)定、油水分離、污水處理及外輸計量等工藝環(huán)節(jié)[1]。隨著數(shù)字化油田的廣泛應(yīng)用，聯(lián)合站的整個控制系統(tǒng)基本都采用PLC作為控制核心[2]。塔河油田一號聯(lián)合站加熱爐采用溫度調(diào)節(jié)器實現(xiàn)位式控制，控制精度低、能耗大。

1 加熱爐工藝流程及要求①

在管道輸送原油的過程中，為了便于輸送，常通過加熱爐將管道內(nèi)原油加熱到一定溫度(一般為80℃左右)，并在輸油管道外加套管，套管內(nèi)通入熱水作為輸油管道的伴熱[3]。介質(zhì)從進(jìn)口進(jìn)入盤繞在爐膛內(nèi)的爐管內(nèi)加熱，加熱后從出口送出。加熱爐工藝流程如圖1所示。燃料在火筒中燃燒后，產(chǎn)生的熱能以輻射、對流等傳熱形式傳給水套中的水，使水的溫度升高并部分汽化，水及其蒸汽再將熱量傳遞給油盤管中的原油，使原油獲得熱量，溫度升高。現(xiàn)有的大多數(shù)加熱爐控制系統(tǒng)主要監(jiān)測的參數(shù)為進(jìn)、出口原油和加熱水套內(nèi)水的溫度、壓力；控制參數(shù)為溫度；控制方式為自力式調(diào)節(jié)閥控制加熱干氣；控制規(guī)律為開關(guān)控制。

圖1 加熱爐工藝流程

2 加熱爐控制系統(tǒng)特點

加熱爐出口溫度波動幅度大、難控制?？刂撇痪_的原因主要是被控對象比較復(fù)雜，如：加熱干氣壓力波動經(jīng)常引起爐膛溫度和出口溫度的波動；加熱干氣成分的變化造成溫度波動較大；加熱原油流量的變化也造成出口溫度的波動；加熱爐的溫度存在較大的時滯[4]?？梢钥闯觯訜釥t的燃燒是典型的多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)，具有傳熱過程復(fù)雜、滯后時間長、時變慢及擾量變化頻繁等特點；且加熱爐系統(tǒng)是一個時變、大時滯、多干擾的復(fù)雜系統(tǒng)[5]。針對以上情況，設(shè)計一種以可編程控制器(PLC)為核心，采用溫度串級控制系統(tǒng)實現(xiàn)精確、節(jié)能的控制。

PLC在現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用非常廣泛，同時PLC還具有抗干擾性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、體積小、編程方便及修改容易等優(yōu)點，它可以與人機(jī)交互設(shè)備一起組成功能完備的控制系統(tǒng)[6]。PID(比例、積分、微分)控制不需要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型，而且結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，使用方便、應(yīng)用廣泛。PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN提供了PID指令向?qū)?，只需要在向?qū)У闹笇?dǎo)下填寫相應(yīng)的參數(shù)，就可以方便、快捷地完成PID運(yùn)算的子程序(內(nèi)含中斷程序)，在主程序中調(diào)用向?qū)傻淖映绦颍涂梢酝瓿煽刂迫蝿?wù)。

3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

溫度控制系統(tǒng)主要由加熱爐、觸摸屏、控制器PLC、溫度變送器和閥門5部分組成(圖2)，加熱爐出口原油溫度作為主被控變量，水套中的水溫作為副變量，PLC控制器接收溫度變送器測量的主、副變量的值實現(xiàn)串級控制。

圖2 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制器采用西門子的CPU224XP CN，它自帶兩路模擬量輸入端口和1路模擬量輸出端口，14路數(shù)字量輸入和10路數(shù)字量輸出。其中，兩路模擬量輸入為兩路溫度變送器輸出信號，1路模擬量輸出用于控制調(diào)節(jié)閥開度。且該控制器具備計算機(jī)控制系統(tǒng)的功能，在現(xiàn)代工業(yè)控制中具有非常廣泛的應(yīng)用，它可以與觸摸屏一起組成功能完備的控制系統(tǒng)。

溫度變送器以PT100溫度傳感器為核心，將溫度信號轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號，方便PLC進(jìn)行信號處理，溫度變送器主要用于檢測加熱爐中的溫度和水套中的水溫。

觸摸屏采用Smart 700IE，Smart 700IE程序下載采用以太網(wǎng)方式傳送，與CPU224XP的通信波特率為187 500bit/s，程序下載方便，數(shù)據(jù)傳輸速度快。觸摸屏組態(tài)利用SIMATIC WinCC flexible 2008，組態(tài)方法簡單。

系統(tǒng)通過溫度變送器檢測加熱爐出口原油溫度與水套溫度，輸出4～20mA的電流信號送至PLC，PLC通過A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行處理，PLC通過內(nèi)部設(shè)定的PID算法進(jìn)行運(yùn)算，之后通過觸發(fā)電路控制雙向晶閘管的通斷時間以控制調(diào)節(jié)閥的開度。PLC通過與觸摸屏通信，實時顯示所檢測的出口溫度、水套水溫和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

4 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

軟件設(shè)計包括PLC控制程序設(shè)計和觸摸屏組態(tài)。PLC控制程序主要包括溫度檢測、標(biāo)度變換和PID控制。

PLC采集兩路溫度值，由于溫度變送器輸出的電流信號與被測溫度之間呈線性關(guān)系，在PLC程序中利用標(biāo)度變換將采集的模擬電流信號轉(zhuǎn)化為溫度值并送觸摸屏顯示。實現(xiàn)串級控制是軟件的核心，根據(jù)串級控制的特點，將主回路設(shè)置為PI控制規(guī)律，副回路設(shè)置為P規(guī)律；PLC首先將采集的加熱爐原油出口溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較得出其偏差，利用PI控制規(guī)律輸出的控制結(jié)果與管線中的水溫進(jìn)行比較，得出偏差，采用P控制規(guī)律得出控制作用以控制調(diào)節(jié)閥。

觸摸屏方便地實現(xiàn)人機(jī)交互功能，實現(xiàn)與PLC的通信，能實時監(jiān)控加熱爐溫度控制系統(tǒng)多個參數(shù)，并且能實時修正系統(tǒng)的一些參數(shù)，提高系統(tǒng)的工作效率。觸摸屏組態(tài)采用SIMATIC WinCC flexible 2008組態(tài)軟件，其組態(tài)過程分為項目創(chuàng)建、設(shè)備選擇、與PLC建立連接、組態(tài)變量和組態(tài)人機(jī)界面。實現(xiàn)實時顯示加熱爐工作狀態(tài)及其運(yùn)行參數(shù)(包括設(shè)定溫度、積分時間、比例增益、原油出口溫度)。

5 實驗結(jié)果

根據(jù)采油聯(lián)合站加熱爐的特性，建立加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)主環(huán)傳遞函數(shù)為：

(1)

副回路傳遞函數(shù)為：

(2)

根據(jù)實驗仿真可以得出主回路PID參數(shù)為：K=10，TI=0.5s，TD=0s；副回路PID參數(shù)為：K=20，TI=0s，TD=0s；。通過傳遞函數(shù)，在MATLAB/Simulink環(huán)境下構(gòu)建仿真模型(圖3)，得出的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)仿真模型

圖4 仿真結(jié)果

由圖4可知，設(shè)定溫度為80℃，經(jīng)過20s左右后溫度值達(dá)到設(shè)定溫度，雖然系統(tǒng)具有一定的超調(diào)量，但是維持時間比較短，溫度值能滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)原油加熱到80℃輸配要求。

6 結(jié)束語

以往原油加熱爐采用調(diào)節(jié)器單獨控制，控制精度低、能耗大、不能有效地與廠區(qū)其他控制系統(tǒng)組態(tài)。改用PLC控制后，可以精確控制，有效地降低能耗，操作更加簡單、靈活。在油田聯(lián)合站中，PLC自動控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，可以將加熱爐控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，順利實現(xiàn)了原油溫度安全穩(wěn)定自動化控制。