论分程控制在海洋石油工程项目中的应用
2018-08-03李建军
李建军
(上海利策科技股份有限公司,上海 200233)
传统海洋工程采油工艺流程,通常由电潜泵或油井自喷采油,采出的原油经井口采油树进入生产/计量管汇后,全部汇入主生产流程统一进行油、气、水三相分离处理。工艺流程控制,多以单回路反馈控制为主。由于海上作业空间的限制,海洋工程采油工艺通常不在海上进行更为精确的裂化、分馏等工艺处理程序,故海上工艺流程控制方案中,很少涉及到其它诸如串级控制、分程控制等较为复杂的控制回路。本文以海洋石油113号浮式生产储油船新增燃气压缩机改造项目为实例,全面论述一下分程控制在海洋工程仪表控制领域的应用。
1 项目背景
海洋石油113号浮式生产储油船2台二级原油加热分离器分离出的天然气,按照原有流程统一汇入火炬放空系统排放燃烧,但随着二级分离器分离出的天然气含量逐年增大,单台二级原油加热分离器产气量可达8 500 m3/d(标准工况),2台二级原油加热分离器总产气可高达17 000 m3/d(标准工况),火炬放空系统已处于超负荷状态。2016年,中海油天津分公司秦皇岛32-6作业公司对二级原油加热分离器出口的燃气流程进行了相应改造,在原油加热分离器燃气出口主管线上新增支路管线,新增一套低压燃气增压机撬,将分离出的燃气经低压燃气增压机增压后汇入海洋石油113现有燃气处理系统进行后续处理,既减轻了火炬放空系统的负荷,又最大程度上实现了多余燃气的回收再利用。
2 改造流程
图1为此次改造的流程示意图,2台二级原油加热分离器FPSO-V-102A/B分离出的天然气,经燃气出口管线排至火炬放空系统,其中,二级原油加热分离器FPSO-V-102A产出的燃气放空,经压力变送器PT-7131A控制分离器的燃气出口管线调节阀PV-7131A来调节;二级原油加热分离器FPSO-V-102B产出的燃气放空,经压力变送器PT-7131B控制分离器燃气出口管线调节阀PV-7131B来调节。
本次改造,在二级原油加热分离器FPSO-V-102A的燃气出口管线引出一路支路管线接入低压燃气压缩机撬,通过压力变送器PT-7131A控制新增调节阀PV-7291来控制进入燃气压缩机撬的进气量;在二级原油加热分离器FPSO-V-102B的燃气出口管线引出一路支路管线接入低压燃气压缩机撬,通过压力变送器PT-7131B控制新增调节阀PV-7292来控制进入燃气压缩机撬的进气量。2台二级原油加热分离器产出的燃气并联接入燃气压缩机撬统一处理。本文以二级原油加热分离器FPSO-V-102A的改造流程为例,进行相应控制逻辑关系定性分析,FPSO-V-102B与FPSO-V-102A同理。
图1 新增燃气压缩机改造流程示意图
3 控制系统整定
二级原油加热分离器燃气出口管线压力变送器PT-7131A信号被采集入中控系统后,同时控制两个变量:一路控制分离器燃气进入火炬系统调节阀PV-7131A,设定值80 kPaG;另一路控制分离器燃气进入改造新增低压燃气压缩机入口调节阀PV-7291,设定值50 kPaG。现场设备主要参数如下:二级原油加热分离器操作压力50 kPaG,操作温度90 ℃;低压燃气压缩机撬,设计能力,20 000 m3/d(标准工况),操作压力,(20~40 )kPaG(入口)/(250~300 )kPaG(出口)。
基于以上基础,海上试机调试过程中,低压燃气压缩机撬经常出现压力低报并自动联锁停机。
针对以上问题,首先排查上游气量供给是否充足:经查看二级加热分离器燃气出口流量计,分离器本身分离出的燃气量是充足的,不会因为产气不足而导致低压燃气压缩机停机。随后对压缩机撬实际操作参数进行排查,经与压缩机厂家进一步沟通确认:整个压缩机撬的实际入口设计压力约为(20~35)kPaG(比设计要求工作范围略窄),并设有过压保护,当压缩机入口压力超过35 kPaG高报值或达到0 kPaG低报值时,整个压缩机撬自动停机。
本项目设计之初,低压燃气压缩机燃气入口管线调节阀PV-7291的设定值为50 kPaG,原油加热分离器去往火炬放空支路管线调节阀PV-7131A的设定值为80 kPaG,两个调节阀采用各自独立的PID算法分别控制,当二级原油加热分离器FPSO-V-102A内操作压力在50 kPaG上下波动时,调节阀PV-7131A不投入运行,仅通过调节阀PV-7291来调节稳定二级原油加热分离器FPSO-V-102A内操作压力,整个系统构成一个完整的反馈调节回路,在一定条件下,是能够维持系统稳定的。但当二级原油加热分离器FPSO-V-102A内操作压力出现超压(超过80 kPaG)扰动,火炬放空管线调节阀PV-7131A和燃气压缩机入口管线调节阀PV-7291同时动作,低压燃气压缩机入口进气压力波动剧烈,容易造成系统超调,导致压力低报联锁停机。
针对以上问题,经过实际理论分析找出原因如下:一方面火炬放空系统调节阀设定值80 kPaG比压缩机入口压力高报上限值50 kPaG高出好多,产生系统扰动时,当二级原油加热分离器FPSO-V-102A内压力值超过80 kPaG时,燃气火炬放空支路调节阀PV-7131A才开始调节动作,造成调节滞后,不利于提前消除系统扰动;另一方面,当扰动值超过80 kPaG时,去火炬放空管路调节阀PV-7131A及去新增燃气压缩机支路调节阀PV-7291两个调节阀同时对扰动差量进行PID反馈调节,造成系统补偿超调,给系统带来了新的扰动因素,不利于维持系统稳定。
为此,将去往火炬放空支路调节阀PV-7131A设定值由原定的80 kPaG调整至70 kPaG,将去往新增燃气压缩机支路调节阀PV-7291的设定值由原定的50kPaG也调整至70 kPaG,两个调节阀采用同一PID算法进行分程控制:当二级原油加热分离器FPSO-V-102A内压力在70 kPaG以内时,通过PID调节调节阀PV-7291开度控制新增燃气压缩机入口进气量来维持分离器内压力稳定;当二级原油加热分离器FPSO-V-102A内压力超过70 kPaG时,调节阀PV-7291维持100%开度不变并停止PID调节,同时,调节阀PV-7131A阀投入工作,继续通过PID算法调节调节阀PV-7131A阀门开度控制送往火炬放空系统的送气量来消除系统扰动。
通过以上整改后,整套低压燃气压缩机系统流程稳定,抗干扰性较强,先前出现的频繁停机的问题得到了解决。
4 结束语
本项目设计之初用于改变同一变量的两个调节阀虽然采用的是同一变送器输入信号,但输出的PID调节算法却是独立的,用于改变同一被控变量的两个阀门有时会同时动作,这点与传统的分程控制算法是明显不同的,这也是在调节过程中造成系统超调以及引新的系统扰动的根源(所在同一个控制器输出信号的不同信号段分别控制几个阀门,且使阀门在其控制信号段内能够完成从全开到全关动作的控制系统称为分程控制系统。分程控制过程中,任何时间段内仅有一个阀门参与PID调节,其它阀门要么处于全开状态,要么处于全关状态,并在某段调节信号段内保持既定状态不变)。本项目就是在后期试机调试过程中发现了这一关键点而及时正确引入分程控制理念,才使问题得以顺利解决。