論分程控制在海洋石油工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

李建軍

(上海利策科技股份有限公司，上海 200233)

傳統(tǒng)海洋工程采油工藝流程，通常由電潛泵或油井自噴采油，采出的原油經(jīng)井口采油樹進(jìn)入生產(chǎn)/計(jì)量管匯后，全部匯入主生產(chǎn)流程統(tǒng)一進(jìn)行油、氣、水三相分離處理。工藝流程控制，多以單回路反饋控制為主。由于海上作業(yè)空間的限制，海洋工程采油工藝通常不在海上進(jìn)行更為精確的裂化、分餾等工藝處理程序，故海上工藝流程控制方案中，很少涉及到其它諸如串級(jí)控制、分程控制等較為復(fù)雜的控制回路。本文以海洋石油113號(hào)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船新增燃?xì)鈮嚎s機(jī)改造項(xiàng)目為實(shí)例，全面論述一下分程控制在海洋工程儀表控制領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目背景

海洋石油113號(hào)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船2臺(tái)二級(jí)原油加熱分離器分離出的天然氣，按照原有流程統(tǒng)一匯入火炬放空系統(tǒng)排放燃燒，但隨著二級(jí)分離器分離出的天然氣含量逐年增大，單臺(tái)二級(jí)原油加熱分離器產(chǎn)氣量可達(dá)8 500 m3/d(標(biāo)準(zhǔn)工況)，2臺(tái)二級(jí)原油加熱分離器總產(chǎn)氣可高達(dá)17 000 m3/d(標(biāo)準(zhǔn)工況)，火炬放空系統(tǒng)已處于超負(fù)荷狀態(tài)。2016年，中海油天津分公司秦皇島32-6作業(yè)公司對(duì)二級(jí)原油加熱分離器出口的燃?xì)饬鞒踢M(jìn)行了相應(yīng)改造，在原油加熱分離器燃?xì)獬隹谥鞴芫€上新增支路管線，新增一套低壓燃?xì)庠鰤簷C(jī)撬，將分離出的燃?xì)饨?jīng)低壓燃?xì)庠鰤簷C(jī)增壓后匯入海洋石油113現(xiàn)有燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理，既減輕了火炬放空系統(tǒng)的負(fù)荷，又最大程度上實(shí)現(xiàn)了多余燃?xì)獾幕厥赵倮谩?/p>

2 改造流程

圖1為此次改造的流程示意圖，2臺(tái)二級(jí)原油加熱分離器FPSO-V-102A/B分離出的天然氣，經(jīng)燃?xì)獬隹诠芫€排至火炬放空系統(tǒng)，其中，二級(jí)原油加熱分離器FPSO-V-102A產(chǎn)出的燃?xì)夥趴眨?jīng)壓力變送器PT-7131A控制分離器的燃?xì)獬隹诠芫€調(diào)節(jié)閥PV-7131A來調(diào)節(jié)；二級(jí)原油加熱分離器FPSO-V-102B產(chǎn)出的燃?xì)夥趴眨?jīng)壓力變送器PT-7131B控制分離器燃?xì)獬隹诠芫€調(diào)節(jié)閥PV-7131B來調(diào)節(jié)。

本次改造，在二級(jí)原油加熱分離器FPSO-V-102A的燃?xì)獬隹诠芫€引出一路支路管線接入低壓燃?xì)鈮嚎s機(jī)撬，通過壓力變送器PT-7131A控制新增調(diào)節(jié)閥PV-7291來控制進(jìn)入燃?xì)鈮嚎s機(jī)撬的進(jìn)氣量；在二級(jí)原油加熱分離器FPSO-V-102B的燃?xì)獬隹诠芫€引出一路支路管線接入低壓燃?xì)鈮嚎s機(jī)撬，通過壓力變送器PT-7131B控制新增調(diào)節(jié)閥PV-7292來控制進(jìn)入燃?xì)鈮嚎s機(jī)撬的進(jìn)氣量。2臺(tái)二級(jí)原油加熱分離器產(chǎn)出的燃?xì)獠⒙?lián)接入燃?xì)鈮嚎s機(jī)撬統(tǒng)一處理。本文以二級(jí)原油加熱分離器FPSO-V-102A的改造流程為例，進(jìn)行相應(yīng)控制邏輯關(guān)系定性分析，F(xiàn)PSO-V-102B與FPSO-V-102A同理。

圖1 新增燃?xì)鈮嚎s機(jī)改造流程示意圖

3 控制系統(tǒng)整定

二級(jí)原油加熱分離器燃?xì)獬隹诠芫€壓力變送器PT-7131A信號(hào)被采集入中控系統(tǒng)后，同時(shí)控制兩個(gè)變量：一路控制分離器燃?xì)膺M(jìn)入火炬系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥PV-7131A，設(shè)定值80 kPaG；另一路控制分離器燃?xì)膺M(jìn)入改造新增低壓燃?xì)鈮嚎s機(jī)入口調(diào)節(jié)閥PV-7291，設(shè)定值50 kPaG?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要參數(shù)如下：二級(jí)原油加熱分離器操作壓力50 kPaG，操作溫度90 ℃；低壓燃?xì)鈮嚎s機(jī)撬，設(shè)計(jì)能力，20 000 m3/d(標(biāo)準(zhǔn)工況)，操作壓力，(20～40 )kPaG(入口)/(250～300 )kPaG(出口)。

基于以上基礎(chǔ)，海上試機(jī)調(diào)試過程中，低壓燃?xì)鈮嚎s機(jī)撬經(jīng)常出現(xiàn)壓力低報(bào)并自動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī)。

針對(duì)以上問題，首先排查上游氣量供給是否充足：經(jīng)查看二級(jí)加熱分離器燃?xì)獬隹诹髁坑?jì)，分離器本身分離出的燃?xì)饬渴浅渥愕模粫?huì)因?yàn)楫a(chǎn)氣不足而導(dǎo)致低壓燃?xì)鈮嚎s機(jī)停機(jī)。隨后對(duì)壓縮機(jī)撬實(shí)際操作參數(shù)進(jìn)行排查，經(jīng)與壓縮機(jī)廠家進(jìn)一步溝通確認(rèn)：整個(gè)壓縮機(jī)撬的實(shí)際入口設(shè)計(jì)壓力約為(20～35)kPaG(比設(shè)計(jì)要求工作范圍略窄)，并設(shè)有過壓保護(hù)，當(dāng)壓縮機(jī)入口壓力超過35 kPaG高報(bào)值或達(dá)到0 kPaG低報(bào)值時(shí)，整個(gè)壓縮機(jī)撬自動(dòng)停機(jī)。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初，低壓燃?xì)鈮嚎s機(jī)燃?xì)馊肟诠芫€調(diào)節(jié)閥PV-7291的設(shè)定值為50 kPaG，原油加熱分離器去往火炬放空支路管線調(diào)節(jié)閥PV-7131A的設(shè)定值為80 kPaG，兩個(gè)調(diào)節(jié)閥采用各自獨(dú)立的PID算法分別控制，當(dāng)二級(jí)原油加熱分離器FPSO-V-102A內(nèi)操作壓力在50 kPaG上下波動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)閥PV-7131A不投入運(yùn)行，僅通過調(diào)節(jié)閥PV-7291來調(diào)節(jié)穩(wěn)定二級(jí)原油加熱分離器FPSO-V-102A內(nèi)操作壓力，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)完整的反饋調(diào)節(jié)回路，在一定條件下，是能夠維持系統(tǒng)穩(wěn)定的。但當(dāng)二級(jí)原油加熱分離器FPSO-V-102A內(nèi)操作壓力出現(xiàn)超壓(超過80 kPaG)擾動(dòng)，火炬放空管線調(diào)節(jié)閥PV-7131A和燃?xì)鈮嚎s機(jī)入口管線調(diào)節(jié)閥PV-7291同時(shí)動(dòng)作，低壓燃?xì)鈮嚎s機(jī)入口進(jìn)氣壓力波動(dòng)劇烈，容易造成系統(tǒng)超調(diào)，導(dǎo)致壓力低報(bào)聯(lián)鎖停機(jī)。

針對(duì)以上問題，經(jīng)過實(shí)際理論分析找出原因如下：一方面火炬放空系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥設(shè)定值80 kPaG比壓縮機(jī)入口壓力高報(bào)上限值50 kPaG高出好多，產(chǎn)生系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)，當(dāng)二級(jí)原油加熱分離器FPSO-V-102A內(nèi)壓力值超過80 kPaG時(shí)，燃?xì)饣鹁娣趴罩氛{(diào)節(jié)閥PV-7131A才開始調(diào)節(jié)動(dòng)作，造成調(diào)節(jié)滯后，不利于提前消除系統(tǒng)擾動(dòng)；另一方面，當(dāng)擾動(dòng)值超過80 kPaG時(shí)，去火炬放空管路調(diào)節(jié)閥PV-7131A及去新增燃?xì)鈮嚎s機(jī)支路調(diào)節(jié)閥PV-7291兩個(gè)調(diào)節(jié)閥同時(shí)對(duì)擾動(dòng)差量進(jìn)行PID反饋調(diào)節(jié)，造成系統(tǒng)補(bǔ)償超調(diào)，給系統(tǒng)帶來了新的擾動(dòng)因素，不利于維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

為此，將去往火炬放空支路調(diào)節(jié)閥PV-7131A設(shè)定值由原定的80 kPaG調(diào)整至70 kPaG，將去往新增燃?xì)鈮嚎s機(jī)支路調(diào)節(jié)閥PV-7291的設(shè)定值由原定的50kPaG也調(diào)整至70 kPaG，兩個(gè)調(diào)節(jié)閥采用同一PID算法進(jìn)行分程控制：當(dāng)二級(jí)原油加熱分離器FPSO-V-102A內(nèi)壓力在70 kPaG以內(nèi)時(shí)，通過PID調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥PV-7291開度控制新增燃?xì)鈮嚎s機(jī)入口進(jìn)氣量來維持分離器內(nèi)壓力穩(wěn)定；當(dāng)二級(jí)原油加熱分離器FPSO-V-102A內(nèi)壓力超過70 kPaG時(shí)，調(diào)節(jié)閥PV-7291維持100%開度不變并停止PID調(diào)節(jié)，同時(shí)，調(diào)節(jié)閥PV-7131A閥投入工作，繼續(xù)通過PID算法調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥PV-7131A閥門開度控制送往火炬放空系統(tǒng)的送氣量來消除系統(tǒng)擾動(dòng)。

通過以上整改后，整套低壓燃?xì)鈮嚎s機(jī)系統(tǒng)流程穩(wěn)定，抗干擾性較強(qiáng)，先前出現(xiàn)的頻繁停機(jī)的問題得到了解決。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初用于改變同一變量的兩個(gè)調(diào)節(jié)閥雖然采用的是同一變送器輸入信號(hào)，但輸出的PID調(diào)節(jié)算法卻是獨(dú)立的，用于改變同一被控變量的兩個(gè)閥門有時(shí)會(huì)同時(shí)動(dòng)作，這點(diǎn)與傳統(tǒng)的分程控制算法是明顯不同的，這也是在調(diào)節(jié)過程中造成系統(tǒng)超調(diào)以及引新的系統(tǒng)擾動(dòng)的根源(所在同一個(gè)控制器輸出信號(hào)的不同信號(hào)段分別控制幾個(gè)閥門,且使閥門在其控制信號(hào)段內(nèi)能夠完成從全開到全關(guān)動(dòng)作的控制系統(tǒng)稱為分程控制系統(tǒng)。分程控制過程中，任何時(shí)間段內(nèi)僅有一個(gè)閥門參與PID調(diào)節(jié)，其它閥門要么處于全開狀態(tài)，要么處于全關(guān)狀態(tài)，并在某段調(diào)節(jié)信號(hào)段內(nèi)保持既定狀態(tài)不變)。本項(xiàng)目就是在后期試機(jī)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)了這一關(guān)鍵點(diǎn)而及時(shí)正確引入分程控制理念，才使問題得以順利解決。