合水油田变频连续输油PID控制效果与参数整定优化研究

王晶 刘保录 杨玉龙 吕海卫

摘要：输油泵是合水油田增压站生产运行过程中主要的能耗设备，变频调速节能技术是实现输油系统节能的有效技术途径。将PID闭环控制系统应用于现输油系统，实现变频连续输油，同时经参数整定法得出最优化条件下的各项PID参数值，控制效果明显，大大提高了系统效率，降低了员工的劳动强度，延长了设备的使用寿命。

關键词：变频输油；PID；参数整定

1 应用背景与生产需求

1.1 应用现状

目前，合水油田固城采油作业区的增压站和转油站大多数采用的是固定频率的输油方式：不同的站根据本身的产量和输油泵的排量设置一个最高液位和最低液位，当液位达到最高限，变频器启动，输油泵开始输油，而当液位达到最低位，变频器停止工作，输油泵停止输油。

以一个典型的处理能力为240增压站为例，主要配备8分离缓冲罐1台，额定排量为11输油螺杆泵2台，其主要的工艺流程如图1所示。每台输油泵配套变频器1台，可本地调节变频器频率和输油泵排量。

此种调节方式一般将变频器的工作频率设置较高，部分站点由于来液量少，缓冲罐液位达到高限时，输油泵启动，但很快就达到低限，输油泵停止。

定频输油时管线中的外输量和压力如图2中的实线1所示，当泵启动时，外输量与管线压力很高，而停止时，外输量与管线压力迅速将为0。以这种不连续的方式进行输油导致排量波动大，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。

另一方面，如果在冬季气温低的特殊条件下，原油容易凝固结蜡，堵塞输油管线，影响油田的正常生产，频繁的扫线作业则又增加了成本。因此，采用不间断的连续变频输油就成为了当前一个迫切的任务。

1.2 主要研究内容

由于定频输油存在外输量和压力波动的问题，连续变频输油的目标是希望管线的外输量和压力如图2中虚线2所示缓慢变化，这样不管是对输油管线、下游联合站还是电网，所带来的冲击都很小。对于来液量较少的增压站，也希望优化其运行方式，虽然不能进行连续输油，也要达到图中虚线3所示的那样，也可以减少冲击。

变频连续输油的原理如图3所示，PLC实时读取缓冲罐液位，按照设定的液位值调节外输泵的转速，当实际液位高于设定值时，控制变频器提高频率值，提高输油排量，PLC不断将实际液位与设定液位进行比较，保持缓冲罐的液位进出平衡，将液位稳定在设定值，从而达到连续输油。通过相关的组态软件对PLC进行操作，包括数据的显示、频率改动、启停泵等操作。

2 详细技术内容

2.1 PID控制原理

PID控制，也叫作PID调节，它对被控对象进行控制的被控量是将给定值与反馈值之间的偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合组成的。在实际的现场控制工程中，PID控制器的应用是最为广泛的控制器。常规的模拟PID控制系统的控制框图如图4所示。

其中：

μ（t）是控制系统的输出值，即控制量；

e（t）是控制系统反馈值与设定值之间的误差值，也称作偏差值；

Kp是控制器的比例系数；

Ti是控制器的积分时间，也被称作积分系数；

Td是控制器的微分时间，也被称作微分系数。

PID控制具有比例控制作用的及时性，同时引入了积分控制作用用以消除静态误差，微分控制作用的超前控制功能，能够避免系统出现严重超调，或者是系统受到外界干扰产生阶跃响应时，及时抑制跃变。只要选择合适的控制参数，将三种控制方式的优点得到充分利用，这样，即使对一个系统或者被控对象的结构和参数不够了解，或者无法知道其数学模型的时候，PID控制系统仍然能够获得一个比较理想的控制效果。

2.2 三级安全方案

本研究在分段式基础上，采用直接式PID控制来进行参数整定，首先设定三级安全方案，最高级是人员手动控制，接下来是高低液位控制，也就是目前的方式，通过这样的方式来防止出现意外情况，最低级是PID控制，这由计算机程序自动判断运行。

根据各站来液量情况，最终确定采用如图5所示的流程来进行液位控制。按照通常的方法设置液位的高限和低限，进入PID调节流程，首先读取液位高度，进行防错判断，如果是超过高限，则变频器全速以50Hz运行，如果低于低限，则停泵，这主要是为了防止仪表数据出现意外导致严重后果，在正常的PID调节液位范围内，按照PID参数进行计算，输出相应的变频器调节参数。

2.3 PID参数整定步骤

PID参数分别为比例、积分、微分，它们对液位调节的意义如下：

比例（P）：该参数主要反应系统调节速度，系数越大，调节越快，表明系统的基本偏差，但应注意该参数的设置应结合实际情况，不能过大，可能会造成系统不稳定；

积分（I）：该参数主要表明系统的累计偏差，积分调节意在消除误差；

微分（D）：该参数主要反应提前预见，做到提前控制，在偏差形成之前运用微分调节作用消除偏差。

积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。整定的步骤如下：

第一步，将积分系数Ki和微分系数Kd置零，即为采用纯比例控制作用。通过比例系数Kp由小到大的变化，掌握系统反应速度，一直到所得反应效果达到要求，速度较快，并且能够控制系统静差在一定范围，则可用纯比例调节。

第二步，当比例控制中无法控制系统静差在一定范围，则需要积分作用。通过积分系数数由小到达的变化，观察系统静差的变化，反复试验几次，直到消除静差的速度满意为止。

第三步，若使用比例积分（PI）控制器经反复调整仍达不到设计要求，或不稳定，这时应加入微分作用，整定时先将微分系数Kd从零逐渐增加，观察超调量和稳定性，同时相应地微调比例系数KP、积分系数Ki，直到满意为止。

上位机ADP参数调试界面如图6所示，比例、积分、微分系数可以根据实际情况设定，输入量为液位，设定值是指控制目标，通道输出值与输出百分比方法是，PLC将工业标准的4～20mA电流转化为10000～50000的整数，通道输出值将用于调节变频器，是经过PID模块计算得出，輸出百分比为（设输出是x）：

3 整定结果及应用效果

3.1 控制效果

选择油区几个典型站点作为研究对象，按照进液量的不同来区分。对应用站点实施PID调节方式后：设定一个恒定液位值，当输油泵启动后并且达到PID调节范围内时，开始进行PID调节，根据液位的变化情况自动控制变频器输出不同频率值，液位变化平稳，实现了变频连续输油，控制效果明显。

3.2 参数整定结果

针对连续变频输油这个目标，对几个典型站点进行了PID参数整定，得到以下结论：

（1）对于缓冲罐液位调节，由于其变化相对来说较慢，因此，比例系数可以小一些，在1左右，[0.8，1.5]是一个比较好的取值区间，这个系数可以就保持液位的稳定；为提高系统对液位偏差的响应，如果来液量达到输油泵的最大排量的80以上，可以在[1.5，5]这个范围内选用比例系数；

（2）积分常数的可用范围比较广，在不同的站点进行实验，从0.1到20都可以使用，原因是液位变化缓慢，参数的变化对静态误差影响不大；

（3）微分环节，根据液位调节的理论与实践，设为0即可，也就是将PID控制转化成通常意义上的比例积分控制。

3.3 应用效果

根据研究结果，选取两个站作为应用站点，对该站点缓冲罐液位进行PID控制。下面从输油方式、控制效果、劳动强度及经济效益等方面作以对比分析。

3.3.1 输油方式对比

各增压站原控制方式为：设置液位高限和低限，当液位值到达高限时，变频器开始定频工作，输油泵开始输油；当液位值到达低限时，变频器频率归零，输油泵停止工作。

该输油方式缺点：

（1）变频器的频率设定较高，造成输油泵频繁启停，输油排量波动较大，容易造成管线下游站内三相分离器进液不平稳，严重影响原油处理系统正常运行；

（2）由于输油泵的频繁启停，瞬间冲击过大，导致输油泵故障率较高；

（3）在冬季气温低的特殊条件下，原油容易凝固结蜡，造成输油管线堵塞，影响原油生产工作，增加了生产成本及员工劳动强度。

实施PID调节方式后：设定一个恒定液位值，当输油泵启动后并且达到PID调节范围内时，开始进行PID调节，根据液位的变化情况自动控制变频器输出不同频率值，液位变化平稳，实现了变频连续输油。

对于液量较足的站点，使用PID调节进行连续变频输油具有以下优点：

（1）输油变得平稳，输油泵频率是根据实际情况进行调整，输油管线压力减小，对下游站点的压力冲击减小；

（2）输油时间变长，预防结蜡，减少冬季扫线次数，降低成本；

（3）在PID调节下，输油泵不是工作在最大排量，运行平稳，降低了故障概率。

（4）对于液量非常少的站点，使用PID控制虽然不能达到连续输油的目的，但是仍然可以控制液位下降速度，延长输油时间，减少输油泵启停次数。

3.3.2 员工劳动强度对比

在原有的定频输油方式下，由于各增压站来液量不稳，造成输油泵启停次数频繁，大大增加了员工的劳动强度。实现PID变频连续输油控制后，基本实现24小时不间断连续输油，大大减少了盘泵及维修巡检次数。

3.3.3 成本收益

实施PID调节方式后：液位变化平稳，实现了变频连续输油，大大减少了输油泵启停次数，延长了设备的使用寿命，输油泵维修次数明显降低。同未使用PID控制方式的庄/增相比较，2016年庄※增开始实施PID变频连续输油，故障次数大幅度减少。同时平稳的输油方式杜绝了管线堵塞的情况发生，为冬季安全平稳运行带来了极大的作用。减小了对本站电网及电路系统和设备的冲击次数，延长了电能设备的使用寿命。针对集输流程所涉及到的费用消耗，同前期设备费、修理费、车辆费等相比较，年平均下降29.66%，大大节约了成本，提高了经济效益。

3.4 存在问题

针对预将变频连续输油技术应用于合水油田各增压站点，现主要存在的问题有：

（1）部分站点变频器存在问题，无法接收控制信号，需更换主板或设置相关参数；

（2）各站点PLC程序不统一，无法直接采用上位机程序控制方式进行大面积推广应用，需先将各站点PLC程序采用统一标准调试成功，再加入PID调节控制（同时利用上位机控制及PLC程序控制两种方式）；

（3）部分站点PLC设备老旧，若调试过程中存在卡死次数过多，需升级相关PLC模块。