均勻控制兩個并列二級分離器“搶液”問題分析

張 浩 崔常府 詹蕊菱

1. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司潿洲作業(yè)公司, 廣東 湛江 524057;2. 中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田公司川西北氣礦, 四川 江油 621700

0 前言

在現(xiàn)場原油處理過程中,原油經(jīng)過一個一級分離器處理后會進(jìn)入兩個并列二級分離器。在工程設(shè)計中由于通常只考慮到單個分離器的液位控制,沒有進(jìn)行整體考慮，因此當(dāng)油水混合物經(jīng)一級分離器處理后分別進(jìn)入兩個二級分離器時,會出現(xiàn)進(jìn)液不均勻的問題,進(jìn)而產(chǎn)生以下現(xiàn)象:一個分離器油相液位高高時,另一個分離器油相液位卻還較低;一個分離器油相出口調(diào)節(jié)閥開大,而另一個分離器油相出口調(diào)節(jié)閥關(guān)小。

若此時生產(chǎn)人員未及時手動調(diào)控,系統(tǒng)將因油相液位高高或低低報警引起裝置關(guān)停。對兩個分離器液位不均問題進(jìn)行分析,得出以下原因:兩個二級分離器的位置不同,進(jìn)口管線距離不一致,且出口泵距離分離器位置也不相同[1]；進(jìn)出口管運(yùn)行一定時間后,內(nèi)壁有油垢附在上面,管道流阻不一致[2]；兩分離器壓力設(shè)點雖一致,但是壓力會波動,分離器壓力不一致導(dǎo)致進(jìn)液出液速度也不一樣。

現(xiàn)場有兩個二級分離器A和B,分別使用調(diào)節(jié)閥 LV 2108 和LV 2112調(diào)節(jié)分離器A和B的油相液位;兩個分離器出口經(jīng)過液控閥調(diào)節(jié)后匯合,匯合后由泵打入下一個罐?？刂瞥绦蛐薷那?兩個調(diào)節(jié)閥各自獨立控制分離器的液位,程序修改完之后,兩個液控閥同時動作同開度控制兩個分離器的液位。

1 理論分析

1.1 二級分離器進(jìn)口流量分析

針對一級分離器出口到兩個二級分離器進(jìn)口這段過程,本次分析過程簡化為一段理想的二分支管路[3-4],見圖1。由于分支管路的總管流量等于各支管流量之和[5]，且對于任一支管,可分別建立總管截面和支管界面間的機(jī)械能衡算式,因此定出各支管的流量分配，流體在各支管流動終了時,總機(jī)械能與能量損失之和相等。

圖1 二分支管路示意圖Fig.1 Schematic diagram of two branch pipelines

二分支管段的流量特性有(假定管徑一致):

Va=Vb+Vc

(1)

Ua×d2=Ub×d2+Uc×d2

(2)

針對aob管段有:

(3)

(4)

針對aoc管段有:

(5)

(6)

針對bc管段截面有:

(7)

由式(3)、(5)可知,當(dāng)總管a壓力、流量不變,且分管b與分管c壓力相同時,由于流體流經(jīng)管路不一,損失水頭∑Hf,aob、∑Hf,aoc的不同,導(dǎo)致分管b與分管c的流速不同,從而各支管進(jìn)入二級分離器的流量不同[6]。

由式(3)可知,在理想情況下,當(dāng)主管a壓力、流量不變時,若只改變分管b壓力,當(dāng)分管b壓力增加時,分管b流量減小;假定此時分管c壓力不變,由式(7)可知,分管c的流量增加。當(dāng)分管b壓力減小時,分管b流量增加,分管c的流量減小[7-8]。由此可知,調(diào)節(jié)分管壓力對調(diào)節(jié)分管流量分配有積極的意義[9]。

1.2 二級分離器出口流量分析

程序修改對兩個二級分離器的油相出口工藝流程并沒有改變,油相液位還是通過油相出口調(diào)節(jié)閥控制。根據(jù)調(diào)節(jié)閥流量公式[10]可知:

(8)

已知分離器氣相壓力為320 kPa,調(diào)節(jié)閥后端液相壓力為20 kPa,油相液位實際工況在1.8 m,粗略算出閥門前后差壓為318 kPa。在理想條件下,當(dāng)其它條件都不變時,根據(jù)式(8)可知,當(dāng)差壓增加5%時,流量增加約2.3%。

2 控制策略修改

造成進(jìn)液不均的原因很多,且影響不可量化,也無條件消除這些因素,但進(jìn)液不均的問題最終可以體現(xiàn)為兩個分離器液位不一致的問題,所以實現(xiàn)兩個分離器液位基本一致是控制目標(biāo),問題可以轉(zhuǎn)化為通過何種方式實現(xiàn)兩者液位保持一致[11-12]。

在未改變控制策略之前,由于兩個分離器進(jìn)液不均,當(dāng)上游來液波動較大時,上游增加的來液會經(jīng)常只進(jìn)入到一個分離器,而較少進(jìn)入另一個分離器,就會出現(xiàn)其中一個分離器液位高,而另一個分離器液位相對比較低,進(jìn)而出現(xiàn)一個調(diào)節(jié)閥開度增大,一個調(diào)節(jié)閥開度卻反而減小的情況。通常工藝部門在實際操作中使用兩種方法調(diào)節(jié)液位:關(guān)小各自分離器進(jìn)口的截止閥,通過截止閥節(jié)流控制進(jìn)入分離器的液量;調(diào)整分離器壓力設(shè)點,當(dāng)液位高的時候,提高分離器壓力,這樣背壓大,進(jìn)液就會變少,同時出液會加快,液位下降。

在實際操作過程中,通過壓力設(shè)點的調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)閥液位,效果比較明顯。綜合分析可以通過以下控制策略的修改來解決分液不均的問題。

2.1 液位控制策略修改

原有的控制方式:分離器A的液位變送器LT 2108控制分離器A調(diào)節(jié)閥LV 2108;分離器B的液位變送器LT 2112控制分離器B調(diào)節(jié)閥LV 2112。根據(jù)將兩個分離器看成一個分離器,兩個分離器出口調(diào)節(jié)閥LV 2108和LV 2112看成一個調(diào)節(jié)閥的控制思路[13-15],修改控制策略,采用兩個分離器的液位平均值經(jīng)過LIC 2108 PID運(yùn)算,同時控制兩個調(diào)節(jié)閥,達(dá)到兩個閥門開度一致的目的。分離器工藝流程見圖2。

圖2 分離器工藝流程圖Fig.2 Separator process flow chart

若選擇兩個分離器的平均液位作為液位控制的PV值,同時去控制兩個調(diào)節(jié)閥同步動作。當(dāng)其中一個液位變送器檢修時,就會產(chǎn)生較大誤差。所以這里的液位控制的PV值,需要對分離器A液位值、分離器B液位值、平均液位值進(jìn)行選擇控制[16],在一些特定情況時,也需要在手動情況下能夠單獨對各自調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié),見圖3。閥LV 2112與閥LV 2108控制邏輯同理。

圖3 液位控制策略圖Fig.3 Liquid level control strategy

2.2 壓力控制策略修改

工藝實際操作中發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)分離器壓力可以改善分離器液位調(diào)節(jié)效果。通過調(diào)整分離器壓力設(shè)點,當(dāng)液位計高的時候,提高分離器壓力,背壓大,進(jìn)液變少,同時出液加快,液位計下降。將兩個分離器的油腔液位的差值作為PV值,將液位相差為零時作為設(shè)定點進(jìn)行LIC 2112(PID)運(yùn)算(LIC 2112是原有液位控制PID,改為壓力控制PID,LIC 2108繼續(xù)控制兩個分離器的調(diào)節(jié)閥開度),得出一個壓力需要的增益值(CVEU)[17-18]。用分離器A的壓力設(shè)點加上CVEU賦值給分離器B的壓力設(shè)點。此時分離器B的壓力設(shè)點就是變化的,是一個隨動控制[8]。當(dāng)兩分離器液位一樣時,LIC 2112的CVEU為0,兩個分離器的壓力設(shè)點一樣,氣相閥門開度各自調(diào)節(jié),使兩分離器氣相壓力一樣,見圖4。

圖4 分離器B液位串級控制圖Fig.4 Level cascade control of separator B

當(dāng)兩分離器液位不一致時,LIC 2112的CVEU是一個不為零的值,分離器A壓力設(shè)點不變,分離器B壓力設(shè)點在分離器A的壓力設(shè)點上隨CVEU變化,造成兩分離器壓力不一致,調(diào)整分離器A和分離器B的進(jìn)液量、出液量,促使分離器A和分離器B的液位保持平衡[19-20]。液位改變的同時,兩個二級分離器液位差值也在變小,壓力的CVEU趨近于0,氣相壓力趨于平衡。

根據(jù)液位調(diào)解效果,通過改變LIC 2112(PID)運(yùn)算的設(shè)點來增大壓力CVEU變化,加強(qiáng)對二級分離器進(jìn)出口流量的影響,這里實驗調(diào)得-15～15 kPa的CVEU變化量程范圍。當(dāng)LIC 2112退出PID控制,變?yōu)槭謩涌刂茣r，分離器B就成為了壓力的單回路控制,此時兩個分離器為壓力的單回路控制,退出了壓力控制策略,只保留了液位控制策略。

修改前后二級分離器A的油相液位效果對比見圖5。

a)修改前a)Before adjustment

b)修改后b)After adjustment

3 結(jié)論

1)針對兩個分離器“搶液”問題,提出對控制方式進(jìn)行修改,將兩個分離器從控制邏輯上處理成一個分離器的思路。通過對兩個分離器壓力的調(diào)整、三種液位控制模式的選擇切換(初始條件下單回路液位控制、液位的選擇控制、壓力液位的串級隨動控制)、PID參數(shù)調(diào)整等措施,使得整個二級分離器油相液位控制均勻,出口調(diào)節(jié)閥根據(jù)液位控制狀態(tài)良好。避免了生產(chǎn)人員手動調(diào)控不及時,造成系統(tǒng)因油相液位高高或低低報警引起裝置關(guān)停。

2)兩個二級分離器油相出口液位控制閥方式的修改完成后,解決了正常工況下進(jìn)液不均的問題,充分利用兩個二級分離容器減小來液波動造成的生產(chǎn)波動。兩個二級分離器進(jìn)液平穩(wěn),油水處理效果改善明顯,水相出口含油由250 mg/L下降至120 mg/L,油相出口含水率由20%下降至12%。系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高,上游來液波動影響明顯降低。均衡進(jìn)液后總處理能力提高約1 000 m3/d。減少了二級分離器破乳劑注入量。優(yōu)化前,為改善油水分離效果,需要注入30 mL/min的破乳劑,年注入量15 552 L,破乳劑1.833萬元/m3,優(yōu)化后每年可降本28.5萬元。

3)修改后的控制方法在油氣水三相分離的油相液位均衡控制上,取得了良好的效果,但在油水混合腔油水處理量上并不均衡,分離器處理效率還存在提高的空間。下一步需要研究如何利用兩個分離器的控制閥開度差,來調(diào)節(jié)進(jìn)液量,從而調(diào)節(jié)處理量,達(dá)到均勻進(jìn)液和穩(wěn)定油水分離界面的目的。