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    油氣處理多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)研究

    2021-09-18 08:36:10李兵元李國榮韓夢蝶馬衛(wèi)東
    中國管理信息化 2021年14期
    關(guān)鍵詞:標(biāo)準(zhǔn)偏差工藝流程燃氣

    李兵元,李國榮,韓夢蝶,馬衛(wèi)東

    (1.新疆油田公司數(shù)據(jù)公司,新疆 克拉瑪依 834000;2.新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū),新疆 克拉瑪依 834000)

    1 某油田油氣處理現(xiàn)狀

    某油田有1 座原油處理站、1 座聯(lián)合處理站、1 個天然氣處理站和3 個轉(zhuǎn)油站(某集中處理站、天然氣處理站、石南聯(lián)合站、莫北轉(zhuǎn)油站、莫109 轉(zhuǎn)油站、石南31 轉(zhuǎn)油站),涵蓋原油處理、原油外輸、轉(zhuǎn)輸、油田注水、采出水處理、天然氣處理等處理工藝。6 座站庫已經(jīng)建成獨立的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),生產(chǎn)監(jiān)控采用分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)、基礎(chǔ)測量儀表實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集,控制閥門配置齊全,可實現(xiàn)工藝流程的可靠控制,流量、液位、壓力等參數(shù)與控制對象采用比例-積分-微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)自動控制回路,實現(xiàn)基礎(chǔ)的回路控制自動化功能。

    2 某油田油氣處理存在的問題

    (1)各站的DCS 生產(chǎn)廠家各不相同,獨立運行,數(shù)據(jù)不能共享,DCS 生產(chǎn)廠家如表1 所示。

    表1 某油田作業(yè)區(qū)DCS 生產(chǎn)廠家

    實時數(shù)據(jù)都在各站庫DCS 系統(tǒng)進行本地存儲,數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用難度大,站庫之間不能實現(xiàn)工藝流程的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一監(jiān)控,無法有效指揮和調(diào)度。

    (2)4 座轉(zhuǎn)油站的采出水集中到該原油集中處理站處理,各自獨立處理,站站之間通過人工進行調(diào)度,工作人員無法實時了解各轉(zhuǎn)油站采出水情況,增加了控制和調(diào)度難度。

    采出水在4 座轉(zhuǎn)油站庫都有獨立的處理裝置,實現(xiàn)了本地油區(qū)采出水回注,多余或不足的采出水需要通過互聯(lián)互通的工藝管線到該原油集中處理站進行集中調(diào)度和分配,站庫之間在廠級層面采用人工指揮調(diào)度,無法實時了解各轉(zhuǎn)油站采出水情況,增加了控制和調(diào)度難度。

    (3)處理站和轉(zhuǎn)油站的部分工藝指標(biāo)如液位等受到上下游裝置平穩(wěn)運行的影響,需要同時滿足液位平穩(wěn)性和流量平穩(wěn)性等多目標(biāo)控制的要求?,F(xiàn)有單回路控制系統(tǒng)效果不理想,存在一定程度的波動,需要人工調(diào)控。

    (4)原油集中處理裝置緩沖罐液位需要控制在合理的區(qū)間,同時保證緩沖罐出料量穩(wěn)定,降低對相變爐穩(wěn)定操作的影響,增加了操作人員的工作強度。

    (5)該油田的DCS 以PID 反饋控制為主,將復(fù)雜對象簡化為若干個單變量來處理,無法處理實際生產(chǎn)過程中多個目標(biāo)存在的互相耦合問題。比如,某集中處理站相變爐出現(xiàn)特殊情況而啟停時,某天然氣處理站二級燃氣去集中處理站燃氣壓力的大幅波動,二級燃氣壓力波動與一級燃氣壓力存在強耦合關(guān)系,相互影響,增加了操作人員操作難度和工藝波動。

    (6)由于工藝復(fù)雜,一旦受到外界干擾(如裝置負荷),現(xiàn)有DCS 無法滿足變負荷控制的要求。比如,某天然氣處理站原料負荷變化頻繁,2 套裝置的6 臺原料氣壓縮機需要根據(jù)進料變化進行負荷調(diào)整和分配,無法達到最優(yōu)的負荷分配。

    由于存在以上問題,該油田急需研發(fā)一套集生產(chǎn)監(jiān)控、參數(shù)調(diào)節(jié)和自動調(diào)度工藝流程于一體的智能化生產(chǎn)調(diào)控管理系統(tǒng),增強多站庫及其裝置的同步協(xié)調(diào)控制能力,提高裝置運行平穩(wěn)性和響應(yīng)能力,確保生產(chǎn)安全。

    3 多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)研究

    (1)研發(fā)多站庫智能調(diào)控系統(tǒng),就是要建立一套統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控與優(yōu)化控制系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通,達到生產(chǎn)流程智能調(diào)度的目的,同時對集中處理站和天然氣站進行優(yōu)化控制,使裝置運行更加平穩(wěn)。

    結(jié)合用戶需求和現(xiàn)場裝置的特點,某油田設(shè)計了多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu),如圖1 所示。

    圖1 多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)

    多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)基于supOS 工業(yè)操作系統(tǒng),系統(tǒng)功能包括監(jiān)控系統(tǒng)、組態(tài)系統(tǒng)、趨勢圖、數(shù)據(jù)采集等幾個模塊。通過平臺App 設(shè)計器(程序設(shè)計器)上對油、氣、水及各個站庫流程圖的設(shè)計、日常報表的設(shè)計,最終生成6 套站庫油氣水監(jiān)控流程圖和日常報表,形成統(tǒng)一、集中監(jiān)控;先進控制模塊軟件對底層DCS,通過OPC2 TCP/IP 數(shù)據(jù)接口集成的方式,將6 座油氣處理站庫不同品牌的DCS 的全部控制參數(shù)集成到統(tǒng)一實時數(shù)據(jù)庫中,實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的集中存儲讀取和監(jiān)控,并對相關(guān)操作變量進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)多變量優(yōu)化控制,統(tǒng)一操作,提高操作效率。智能生產(chǎn)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

    圖2 功能結(jié)構(gòu)圖

    (2)對6 座處理站和轉(zhuǎn)油站進行全面的工藝流程分析,找出關(guān)鍵工藝監(jiān)控點。采出水主要關(guān)聯(lián)工藝監(jiān)控點與工藝流程如圖3 所示,原油關(guān)聯(lián)工藝監(jiān)控與工藝流程如圖4 所示,天然氣主要關(guān)聯(lián)工藝監(jiān)控點與工藝流程如圖5 所示。利用多站庫智能調(diào)控系統(tǒng),該油田完成了原油、天然氣、采出水等互聯(lián)互通的工藝的集中監(jiān)控,利用相關(guān)數(shù)據(jù)協(xié)助生產(chǎn)調(diào)度,起到了輔助決策的作用。

    圖3 采出水主要關(guān)聯(lián)工藝監(jiān)控點與工藝流程

    圖4 原油關(guān)聯(lián)工藝監(jiān)控與工藝流程

    圖5 天然氣主要關(guān)聯(lián)工藝監(jiān)控點與工藝流程

    (3)該油田利用先進控制技術(shù)、專家控制技術(shù)液位非線性均勻控制、壓縮機自動升降負荷及燃氣降壓解耦控制等優(yōu)化控制系統(tǒng),實現(xiàn)了工藝裝置設(shè)備的整體優(yōu)化控制,具體如下。

    第一,應(yīng)用液位非線性均勻先進控制器。保持集中處理站緩沖罐液位控制在合理的區(qū)間,同時保持緩沖罐出口流量穩(wěn)定,降低對相變爐操作的影響;保證處理系統(tǒng)整體平穩(wěn),提高工作人員工作效率。研究發(fā)現(xiàn),在緩沖罐液位正常區(qū)間范圍內(nèi),通過脫水泵變頻、柱塞泵變頻調(diào)節(jié)可保證出料流量穩(wěn)定。因此,在保證柱塞泵出口壓力合理的情況下,要通過及時調(diào)節(jié)脫水泵變頻、柱塞泵變頻,以保證緩沖罐液位。

    第二,應(yīng)用壓縮機變負荷先進控制器。根據(jù)原料氣的進料量調(diào)整某天然氣處理站原料氣壓縮機回流閥,自動調(diào)整壓縮機負荷,使原料氣進氣壓力達到要求目標(biāo),實現(xiàn)原料氣壓縮機的負荷優(yōu)化控制。研究發(fā)現(xiàn),要保證原料氣進氣壓力穩(wěn)定,可通過調(diào)節(jié)原料氣壓縮機回流閥實現(xiàn)。

    第三,應(yīng)用燃氣降壓解耦先進控制器。要通過先進控制器克服集中處理站相變爐出現(xiàn)特殊情況啟停操作等的影響,實現(xiàn)天然氣處理站一級燃氣降壓閥和二級燃氣降壓閥的解耦控制,避免天然氣處理站二級燃氣去集中處理站燃氣壓力波動;減少生活區(qū)燃氣壓力、集中處理站燃氣壓力和燃氣補氣壓力的波動,平穩(wěn)氣壓,降低對裝置后工段影響,實現(xiàn)平穩(wěn)生產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn),相變爐出現(xiàn)特殊情況啟停時,通過去集中處理站燃氣壓力閥、去生活區(qū)燃氣壓力閥以及一級燃氣降壓量閥控制,可減少燃氣壓力波動對變相爐的影響。

    第四,應(yīng)用干氣換熱分配控制器。根據(jù)氣分塔當(dāng)前狀況,要合理分配產(chǎn)品氣,使1#和2#氣分塔能達到最優(yōu)分配。實現(xiàn)干氣塔的優(yōu)化控制,可有效降低塔內(nèi)能耗,達到塔的高效利用。研究發(fā)現(xiàn),通過1# E-4250 至產(chǎn)品氣與2# E-4250A 至產(chǎn)品氣,1#、2#制冷劑,1#、2#氣分塔壓力的合理分配,多變量協(xié)調(diào)控制,可以達到塔的最優(yōu)利用。

    4 多站庫智能調(diào)控系統(tǒng)實際運行效果

    ①某油田實現(xiàn)了油氣6 套處理站庫生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和集中管理,繪制流程圖20 張,實現(xiàn)了油、氣、水的統(tǒng)一管理,方便了相關(guān)數(shù)據(jù)實時查看,實現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度。②根據(jù)各站庫日常生產(chǎn)報表,繪制6 張日報表,并智能存儲數(shù)據(jù),工作人員可隨時查看任意時間點的報表數(shù)據(jù),避免了在定點時間段人力集中分配,提高了調(diào)度統(tǒng)計人員的工作效率。③設(shè)計4 個控制器,在同樣工況下對比,7#緩沖罐液位標(biāo)準(zhǔn)偏差降低37.6%,生活區(qū)燃氣壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差降低83.36%,聯(lián)合站調(diào)氣壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差降低38.9%,燃氣一級調(diào)氣壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差降低69.86%,壓縮機入口壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差降低40.65%,氣分塔塔頂溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差降低36.05%,主要關(guān)鍵被控變量標(biāo)準(zhǔn)偏差均已降低30%以上,達到技術(shù)要求。

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