海上平臺(tái)生產(chǎn)分離器液位控制方式優(yōu)化

陳 昶

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司）

在南海西部某海上石油平臺(tái)的原油處理工藝流程中，油氣水三相分離是一種最初期、最簡(jiǎn)單的分離方式。由于海上作業(yè)環(huán)境惡劣，空間狹小，使得現(xiàn)場(chǎng)控制儀表在選型、安裝及維護(hù)等方面都存在很大的特殊性。平臺(tái)在設(shè)計(jì)初期各個(gè)原油處理罐上的液位控制回路均采用的是標(biāo)準(zhǔn)氣信號(hào)傳輸、控制，只能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)本地控制。

生產(chǎn)分離器主要是對(duì)平臺(tái)各油井產(chǎn)液進(jìn)行簡(jiǎn)單的油氣水三相分離，日處理約5 000m3井液。隨著產(chǎn)液量的不斷增加，油田設(shè)備自動(dòng)化程度的不斷提升，氣信號(hào)在傳輸、PID控制等方面的缺點(diǎn)逐漸凸顯出來(lái)［1］。

1 液位控制方式結(jié)構(gòu)改造

1.1 液位控制回路現(xiàn)狀分析

生產(chǎn)分離器舊液位控制回路（圖1）是一套簡(jiǎn)單的氣動(dòng)控制回路，主要設(shè)備為氣動(dòng)浮筒液位變送器、I/P轉(zhuǎn)換器、Fisher43AP系列氣動(dòng)控制器及氣開(kāi)式調(diào)節(jié)閥等。由于氣信號(hào)傳輸有滯后，很容易造成分離器液位控制不穩(wěn)，波動(dòng)大。

1.2 液位控制回路改造與設(shè)計(jì)

圖1 生產(chǎn)分離器舊液位控制回路（1psi=6.895kPa）

根據(jù)工藝控制要求，為提高控制精度，在舊控制回路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。改造的控制回路核心為Rockwell公司生產(chǎn)的Logix5562控制器，另外還包含模擬量輸入輸出通道、電浮筒液位變送器、I/P轉(zhuǎn)換器及氣開(kāi)式調(diào)節(jié)閥等。該設(shè)計(jì)保留原有氣動(dòng)控制回路，增加一路以PLC為控制中心的負(fù)反饋單閉環(huán)控制回路［2］。通過(guò)控制參數(shù)的整定，來(lái)極大地消除來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)外的擾動(dòng)。調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)控制信號(hào)在接入時(shí)采用兩位三通閥。當(dāng)平臺(tái)中控生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以隨時(shí)切換到本地控制模式，保證平臺(tái)生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行［3］。新控制回路如圖2所示。

2 控制系統(tǒng)儀表選擇

2.1 控制環(huán)節(jié)

圖2 生產(chǎn)分離器新液位控制回路

控制器采用Rockwell公司的Logix5562，它具有高度模塊化、更好的拓展性及良好的兼容性等特點(diǎn)?？刂破髟谙到y(tǒng)程序的控制下，順序掃描到模擬量輸入通道，按照系統(tǒng)程序PID運(yùn)算然后順序向模擬量輸出通道發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)［4，5］。

本系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)電浮筒液位變送器的液位信號(hào)和上位機(jī)中液位設(shè)定值，經(jīng)控制器程序PID模塊運(yùn)算后，輸出相應(yīng)的模擬量信號(hào)，控制對(duì)應(yīng)的液位調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。

2.2 PLC控制主程序

Logix5562控制程序中一條PID指令即對(duì)應(yīng)一個(gè)控制環(huán)節(jié)，當(dāng)執(zhí)行復(fù)雜控制時(shí)，使用多條PID指令（設(shè)置主從）即可。由于本回路為簡(jiǎn)單的單閉環(huán)控制回路，使用一條PID指令即能滿足設(shè)計(jì)要求。

首先程序判斷液位控制閥的工作方式（手/自動(dòng)控制），其次在調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制的情況下將液位模擬量引入到PID控制模塊Process Variable中。經(jīng)過(guò)PID相關(guān)參數(shù)整定，模塊中Control Variable輸出到模擬量輸出通道。

2.3 PID調(diào)試

系統(tǒng)投用前需要將調(diào)節(jié)閥選擇手動(dòng)控制，根據(jù)控制器參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能之間的關(guān)系確定PID模塊的各個(gè)參數(shù)。由各個(gè)參數(shù)的控制規(guī)律可知，比例使反應(yīng)變快，微分使反應(yīng)提前，積分使反應(yīng)滯后。在一定范圍內(nèi)，比例、微分值越大，調(diào)節(jié)的效果越好。依據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，選用工程整定法與臨界比例法相結(jié)合的方式對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。

首先在足夠短的采樣周期內(nèi)緩慢增加比例系數(shù)，直到系統(tǒng)反應(yīng)迅速。其次在系統(tǒng)SP值與PV值滿足不了系統(tǒng)要求時(shí)，加入積分控制。將兩個(gè)參數(shù)反復(fù)調(diào)試，直到得出相應(yīng)輸出結(jié)果。最后在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程無(wú)法滿足工藝控制需要時(shí)，在微分時(shí)間為0的基礎(chǔ)上，逐漸增加微分時(shí)間，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)與積分時(shí)間，反復(fù)試湊得出理想的控制參數(shù)。PID參數(shù)界面如圖3所示。

圖3 PID參數(shù)界面

3 改造后的效果分析

本次改造將液位控制閥的現(xiàn)場(chǎng)本地控制改造為中控遠(yuǎn)程控制。現(xiàn)場(chǎng)控制氣路的改造，提升了控制閥的控制效率，減少了由于氣路信號(hào)傳遞滯后等原因造成的調(diào)節(jié)閥控制不穩(wěn)定的問(wèn)題。另外在控制回路中，優(yōu)化了現(xiàn)場(chǎng)的控制流程，可直接將現(xiàn)場(chǎng)的氣動(dòng)控制器旁通，通過(guò)中控室內(nèi)上位機(jī)調(diào)節(jié)PID參數(shù)控制容器的液位，操作人員操作更加便捷，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)和設(shè)備的自動(dòng)化程度。

該液位控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造后性能穩(wěn)定、調(diào)校方便，能夠?qū)崿F(xiàn)中控系統(tǒng)的直接控制，日常維護(hù)工作量幾乎為零，減少了調(diào)?？刂破鞯却罅抗ぷ鳌?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后的控制系統(tǒng)可以提供較高的定位精度，在系統(tǒng)有過(guò)程干擾時(shí)能夠更加迅速地響應(yīng)。此次改造從根本上解決了液位控制系統(tǒng)控制器控制不穩(wěn)、故障率高以及現(xiàn)場(chǎng)控制器采購(gòu)費(fèi)用高等問(wèn)題。把現(xiàn)場(chǎng)控制器移植到中控PLC控制器中，延長(zhǎng)了控制器的使用壽命，節(jié)省了訂購(gòu)控制器的費(fèi)用，而且控制更加穩(wěn)定。