可变限分段式PID变频连续输油技术的研究与应用

2014-08-31雒继忠令永刚何建军

石油化工自动化 2014年3期

雒继忠，令永刚，何建军

（长庆油田公司超低渗油藏第二项目部，甘肃庆阳745100）

增压站是最基本的地面集输单元，主要承担单井来液的气液分离、加温和外输功能，标准的240m3／d增压站配备8m3分离缓冲罐1台，额定排量为11m3／h输油螺杆泵2台，其工艺流程如图1所示，每台输油泵配套变频器1台，可本地调节输油频率和排量。

数字化增压站采集外输泵进／出口压力、外输流量和温度，缓冲罐液位采用磁翻板液位计，数据可远传至站控平台，可远程监控外输泵的运行状态及缓冲罐液位，输油通常设定缓冲罐高起、低停液位实现自动控制。现有站控系统虽然设计了PID变频调节功能，但受缓冲罐液位变化大、控制程序设计不合理等影响，不能实现变频连续输油。

图1 增压站原工艺流程示意

1 问题及需求分析

通过现场运行，现有数字化增压站外输控制主要存在以下几个方面的问题与不足：

1）缓冲罐截面为椭圆形，不同液位变化对应的液量相差很大，采用相同控制策略、强度的PID调节无法实现对缓冲罐液位的闭环控制，现有PID调节输油功能无法正常运行。

2）上、下限液位设定临近罐安全库容，若液位低到安全控制线时，控制系统失灵，应急时间很少，若不能及时处置，易造成安全事故；冬季运行过程中磁翻板液位计容易冻堵，造成“假”液位，设定的液位控制点失效，容易造成安全事故。

3）管线输油是以不连续的方式进行的，输油排量波动大，容易造成管线下游联合站三相分离器进液不平稳，影响原油处理系统正常运行。

2 分段式PID调节控制系统

PID控制是工业上常用的闭环控制系统，由比例、积分、微分三个环节构成，能根据输油的变化自动调节输出，广泛应用于各种需要闭环控制的系统中［2］。

分段控制是典型的开环控制系统，分段控制是指根据缓冲罐液位与设定液位的差值不同，将外输频率设定为几个阶段。分段控制原理如图2所示。从图2可看出当缓冲罐液位减去设定液位的差值大于a时，使用频率f1；当液位差小于a值，大于b值时，使用频率f2；当液位差小于b值，但是大于c值时，使用频率f3；当差值小于c值，大于d值时，使用频率f4；当缓冲罐液位与设定液位差值小于d值，大于e值时，使用频率f5；当缓冲罐液位与设定液位差值小于e值时，停止外输泵运行。

图2 分段控制原理示意

因为缓冲罐罐体为不规则容器，液位从下到上的变化过程中，在不同位置、d（t）时间内的增量ΔqV是不断变化的，所以单纯的PID控制无法达到变频输油的目的［3］。所以，在设计上需要优化以上两种控制策略，大范围内采用分段控制，在特定的液位设定值内，采用一定的频率输出，而在PID调节限内再附加进行PID调节，使变频器不会由于不规则的罐体导致不断进行积分调节，实现较平稳的控制要求，其控制原理如图3所示。

如图3所示，整个调节任务是由实际的分段区域来决定的，而实际的分段区域又由PID设定值SV决定，这样体现了一个分段区域可变，控制精度可变的思路。在设定位置越靠近罐底的时候，SV＝25%时（图3b））比SV＝50%时（图3a））控制区域小很多，控制中分段PID作用切换较快，控制强度较强。通过可变限分段式控制策略可很好地消除不规则罐在相同液位增量对同一组PID整定参数不能很好控制罐液位的问题。而整个分段区域的液位则是由增压站日进液量与泵的额定排量来决定的，可以更好地修正各段输油基础频率。