高肇凌，郭雪，張少雷，劉凱輝，蘇尚文，許宏奇

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)

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基于模糊PID控制的煤層氣智能排采系統(tǒng)應(yīng)用

高肇凌，郭雪，張少雷，劉凱輝，蘇尚文，許宏奇

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)

摘要：煤層氣排采通常依靠人工進(jìn)行排采制度調(diào)整，針對(duì)這種簡(jiǎn)單、低效、落后的工作方式，設(shè)計(jì)了能夠滿足煤層氣排采實(shí)際工況需求的智能化排采系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)煤層氣井的井況和采油工程人員制訂的排采制度自動(dòng)、智能化地進(jìn)行煤層氣排采。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，采用了基于模糊控制的PID控制算法，通過(guò)在某煤層氣排采現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，整個(gè)系統(tǒng)有效、穩(wěn)定、安全可靠。

關(guān)鍵詞：模糊控制煤層氣排采

Application of CBM Automatic Pumping System Based on Fuzzy PID Control

Gao Zhaoling, Guo Xue, Zhang Shaolei, Liu Kaihui, Su Shangwen, Xu Hongqi

(Rongsheng Machinery Manufacture Ltd., Huabei Oilfield, Renqiu, 062552, China)

Abstracts: Drainage process adjustment of CBM has been depending on manual operation. Contrapose to such a simple, inefficient and backward working mode, one intelligent pumping system to adapt to actual working condition of CBM drainage is designed. This system can drain automatically and intelligently based on CBM well condition and drainage schedule formulated by oil production engineering staff. Fuzzy control based PID control algorithm is applied to guarantee systems’ stabilization and anti-jamming ability. According to practical test result from one CBM drainage site, it is concluded the whole system is effective, steady, safe and reliable.

Key words:fuzzy control; coal bed methane; draining

煤層氣又稱煤層甲烷氣，煤炭工業(yè)稱之為煤層瓦斯，是在成煤過(guò)程中形成并儲(chǔ)存于煤層中的一種非常規(guī)的天然氣[1]。這種天然氣大部分以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存在煤巖基質(zhì)中，少量溶解在煤層水中。煤的吸附性導(dǎo)致煤層氣成藏機(jī)制和開(kāi)發(fā)技術(shù)與常規(guī)天然氣截然不同。

1煤層氣排采工藝介紹

目前，在全球的煤層氣工業(yè)界，已大量采用的成熟開(kāi)發(fā)方式是壓力衰竭法，即利用不同方法使煤層氣由吸附態(tài)經(jīng)過(guò)解吸變?yōu)橛坞x態(tài)，游離態(tài)煤層氣通過(guò)各種裂縫流入煤層氣井，直至煤層中氣體壓力很低[2]。

通過(guò)多年的發(fā)展，排采工藝、排采設(shè)備出現(xiàn)了多種形式，但是有桿設(shè)備仍是眾多排采設(shè)備中的主力。然而各煤層氣井所選用的排采設(shè)備型號(hào)都普遍大于實(shí)際所需型號(hào)，存在嚴(yán)重的投資大、設(shè)備不配套、抽空、檢泵周期短等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重影響了煤層氣井的正常排采，直接降低了煤層氣的投資效益，成為了煤層氣商業(yè)化、規(guī)?；_(kāi)發(fā)的瓶頸[3-8]。

針對(duì)該情況，筆者在深入研究煤層氣排采工藝的基礎(chǔ)上研發(fā)了1套智能化自動(dòng)排采控制系統(tǒng)，針對(duì)每口煤層氣井制訂不同的排采制度，控制臨界解析壓力、液面高度，形成1套符合煤層氣排采工藝的精確控制系統(tǒng)，使煤層氣井按照排采規(guī)律長(zhǎng)期高效的開(kāi)采。

2煤層氣智能排采控制系統(tǒng)

2.1基本組成與原理

煤層氣智能排采系統(tǒng)是一套建立在煤層氣井場(chǎng)的閉環(huán)排采系統(tǒng)，系統(tǒng)由抽油機(jī)、電動(dòng)機(jī)、控制柜以及井下壓力傳感器組成。為了使控制系統(tǒng)便于管理和適應(yīng)排采工況，需要對(duì)排采系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜藶楦深A(yù)，因而同時(shí)設(shè)計(jì)了1套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

智能排采系統(tǒng)根據(jù)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中上位機(jī)站控系統(tǒng)下發(fā)的下降目標(biāo)值、降液速率以及當(dāng)前的井底流壓值，做出智能判斷，自動(dòng)調(diào)整變頻器運(yùn)行頻率，從而改變抽油機(jī)運(yùn)行沖次，使得井底流壓按照排采工藝制度變化，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)排采過(guò)程自動(dòng)控制，控制流程如圖1所示。

圖1　控制流程示意

2.2模糊PID算法

除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)之外，控制算法是保證整個(gè)系統(tǒng)能夠有效運(yùn)行的關(guān)鍵，目前針對(duì)這種閉環(huán)

控制系統(tǒng)，工業(yè)控制中應(yīng)用比較廣泛的是PID算法。

傳統(tǒng)PID控制原理簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域[9]。但是本文PID控制對(duì)象井底壓力具有非線性、大時(shí)滯等特點(diǎn)，并且不同煤層氣井參數(shù)差別變化非常大，系統(tǒng)環(huán)節(jié)干擾因素多，控制效果不理想。同時(shí)，控制器不具備自適應(yīng)工況能力，不能滿足在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)PID參數(shù)隨之發(fā)生相應(yīng)改變的要求，嚴(yán)重地影響控制效果。

針對(duì)以上問(wèn)題筆者采用了模糊控制PID方法，以保證系統(tǒng)的自適應(yīng)性，符合煤層氣排采實(shí)際工況的需要。PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2　PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

壓力PID控制公式：

(1)

式中：KP——比例系數(shù)；PI——積分時(shí)間常數(shù)；PD——微分時(shí)間常數(shù)；p(t)——調(diào)節(jié)器輸出；e(t)——偏差值。

模糊PID是在PID控制的基礎(chǔ)上，總結(jié)設(shè)計(jì)人員知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，找出PID參數(shù)與誤差及誤差變化率之間的模糊關(guān)系，建立合適的模糊規(guī)則，進(jìn)行模糊推理，并查詢建立的模糊矩陣進(jìn)行在線PID參數(shù)的自整定，來(lái)滿足不同的控制需求。模糊PID控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　模糊PID控制結(jié)構(gòu)示意注： e——給定值與反饋值的差值；ec——偏差變化率；u——輸出值

2.3模糊PID控制器設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用“雙入三出”的模糊控制器。輸入量為e，ec，KP，PI，PD。由圖3可知，控制過(guò)程為控制器定時(shí)采樣壓力值和壓力值變化后與給定值進(jìn)行比較，得到e以及ec，并以此作為PLC控制器的輸入變量，經(jīng)模糊控制器輸出KP，PI，PD給PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)[10]。

模糊控制器設(shè)計(jì)包括三部分內(nèi)容，如圖4所示。

圖4　模糊控制器設(shè)計(jì)

2.3.1輸入模糊化

控制對(duì)象為井底壓力。設(shè)定：“當(dāng)前井底壓力值”的論域區(qū)間為[500，2 000]；“井底壓力目標(biāo)值”的論域區(qū)間為[500，2 000]；e=當(dāng)前值-目標(biāo)值；則e的論域區(qū)間為[-1 500，1 500]；ec根據(jù)變頻器的頻率和該煤層氣現(xiàn)場(chǎng)工況可得其論域?yàn)閇-5，5]；量化級(jí)數(shù)公式選定為

(2)

式中：Y——量化級(jí)數(shù)；D——量化等級(jí)；a——論域區(qū)間左端點(diǎn)；b——論域區(qū)間右端點(diǎn)；n——絕對(duì)量化間隔，n=3。

根據(jù)量化公式可得：e和ec的論域等級(jí)為[-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3]；e和ec的模糊化子集為[NL，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PL]；PID的KP的論域?yàn)閇0，10]，PI論域?yàn)閇0，10]，PD的論域?yàn)閇0，5]。因此,根據(jù)煤層氣現(xiàn)場(chǎng)控制經(jīng)驗(yàn)，采用專家經(jīng)驗(yàn)法得出e，ec，KP，PI，PD的隸屬度賦值見(jiàn)表1所列。

表1　隸屬度賦值

2.3.2模糊推理

在PID控制中，KP控制變化速度，PI控制超調(diào)量，PD控制靜態(tài)誤差。根據(jù)多年的煤層氣排采工況經(jīng)驗(yàn)，制訂了KP，PI，PD的模糊控制規(guī)則：KP為增益系數(shù)，過(guò)大的增益會(huì)造成曲線的震蕩；PI為積分時(shí)間常數(shù)，積分時(shí)間越短，偏差得到修正就會(huì)越快，但是過(guò)短的時(shí)間常數(shù)會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；PD為微分時(shí)間常數(shù)，微分時(shí)間越長(zhǎng)，輸出的變化越快，微分使控制系統(tǒng)對(duì)干擾的敏感度增加，即誤差的變化率越大，微分控制作用越強(qiáng)。以KP為例可以得到模糊規(guī)則，見(jiàn)表2所列。

表2　KP模糊規(guī)則表

由模糊規(guī)則可寫(xiě)成條件語(yǔ)句：Ife=Aiandec=Bi，thenKPorPIor PD=Ci；其中Ai，Bi、Ci是定義在e，ec和KD，PI，PD論域上的模糊集，每條規(guī)則Rij=(Ai×Bi)T×Cij，共有64條規(guī)則；根據(jù)e，ec模糊量化后的X，Y，可以計(jì)算出KP，PI，PD所對(duì)應(yīng)的模糊控制表。以KP為例計(jì)算后的模糊控制見(jiàn)表3所列。

表3　KP模糊控制表

按照模糊控制規(guī)則和級(jí)化函數(shù)進(jìn)行反模糊化計(jì)算后可得到實(shí)際的參數(shù)值。

2.3.3輸出反模糊化

反模糊化的實(shí)現(xiàn)取決于輸入量等級(jí)量化程序和模糊控制量查表程序的編制。

3模糊PID的程序?qū)崿F(xiàn)

選擇S7-200 PLC作為排采控制系統(tǒng)的控制器。把查詢表元素存儲(chǔ)在PLC相應(yīng)的變址寄存器中。調(diào)用模糊控制算法，進(jìn)行PID運(yùn)算，得到模糊輸出量控制輸出值。PLC控制系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5　PLC控制系統(tǒng)流程示意

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在該煤層氣選擇2口井驗(yàn)證基于PID模糊控制的煤層氣自動(dòng)排采系統(tǒng)，并且選擇不同的液面下降速度驗(yàn)證整個(gè)排采控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，在上位機(jī)站控系統(tǒng)軟件設(shè)定降液目標(biāo)值和降液速率，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

1) 井位HG46-3，降液時(shí)間24 h，設(shè)定目標(biāo)值為2.685 MPa，速率為0.02 MPa/d(2 m/d)，如圖6所示。

圖6　降液速度為2m/d時(shí)井底流壓變化值

2) 井位HG46-1，降液時(shí)間24h，設(shè)定目標(biāo)值為2.623 MPa，速率為0(即保持當(dāng)前液面)，如圖7所示。

圖7　降液速度為0時(shí)井底流壓變化值

從圖6，圖7看出： 設(shè)定降幅在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成，且穩(wěn)定于設(shè)定壓力。下降速率穩(wěn)定，基本成線性。系統(tǒng)控制精度小于0.001 MPa，完全符合油田用戶排采工藝要求。

5結(jié)束語(yǔ)

為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況和外部擾動(dòng)，筆者設(shè)計(jì)的智能排采系統(tǒng)采用了基于模糊PID的智能控制算法，并且在控制系統(tǒng)核心控制器上將算法

進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。在上位機(jī)站控系統(tǒng)上記錄數(shù)據(jù)驗(yàn)證，選取了2口試驗(yàn)井，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1) 基于模糊PID的智能控制算法能夠減少外部擾動(dòng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性。

2) 整個(gè)系統(tǒng)的控制精度小于0.001 MPa，完全滿足油田用戶的使用要求。

3) 煤層氣智能排采控制系統(tǒng)的成功研發(fā)，為煤層氣實(shí)現(xiàn)智能化和數(shù)字化油氣田管理、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)能降耗提供了有力的保障，并且為未來(lái)油氣田排采裝備的發(fā)展提供了新的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙慶波.煤層氣地質(zhì)與勘探技術(shù)[M].北京： 石油工業(yè)出版社，1999.

[2]石惠寧,馬成宇,梅永貴，等.樊莊高煤階煤層氣井智能排采技術(shù)研究及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2010,32(04) ： 107-108.

[3]來(lái)軍，程發(fā)興，范櫻花.抽油機(jī)變頻控制器的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展[J].石油機(jī)械，2003，31(10)： 65-67.

[4]張建國(guó)，苗耀，李夢(mèng)溪.沁水盆煤層氣水平井產(chǎn)能因素分析[J].中國(guó)石油勘探，2010，15(02)： 49-54.

[5]楊焦生，王一兵，王憲花.煤層氣井井底流壓分析及計(jì)算[J].天然氣工業(yè)，2010，30(02)： 66-69.

[6]童敏，齊明明，馬培新，等.高氣液比氣井井底流壓計(jì)算方法研究[J].石油鉆采工業(yè)，2006，28(04)： 71-73.

[7]婁劍青.影響煤層氣井產(chǎn)量的因素分析[J].天然氣工業(yè)，2004，24(04)： 62-64.

[8]倪小明，王延斌，接銘訓(xùn)，等.煤層氣排采初期合理排采強(qiáng)度的確定方法[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(06)： 101-104.

[9]曾光奇.模糊控制理論與工程應(yīng)用[M].武漢： 華中科技大學(xué)出版社，2006.

[10]汪小澄，方強(qiáng).基于PLC的模糊控制研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，35(03)： 79-80 .

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2016)01-0046-04

作者簡(jiǎn)介：高肇凌(1981—)，2008年畢業(yè)于燕山大學(xué)模式識(shí)別與智能系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事石油裝備自動(dòng)化、控制產(chǎn)品的研制工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-09-24，修改稿收到日期： 2015-11-28。