油气储运自动控制系统几个问题研究

2022-02-15盛宪伦

经济技术协作信息 2022年6期

◎盛宪伦

自动化技术具有监督、控制和管理等特点，在现代石油工业生产中的应用日趋广泛。油气储运包括油气处理净化、储存、加热和输送等环节。比如，在采输工艺管线和各类站库上装有各种自动化仅表，对原油及天燃气的压力、温度。流量。液位等参数进行自动测量和控制。本文主要研究了油气储运自动化的自动检测系统、开环控制系统、自动切断系统、自动控制系统、火灾消防系统。自动控制系统的构成及其方块图及自动控制又分为三个系统即定值控制系统“定值”；随动控制系统；程序控制系统。生产过程的大型化。复杂化自动控制系统已成为现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的条件和保证。

国家十四·五规划与2035年远景目标刚要提出：“加快深层和非常规油气资源利用，推动油气增储上产。”“提升清洁能源消纳和存储能力”这对油气储运工作指明了方向。油气储运自动化是运用不同设备和仪表代替人的复杂性，重复性的劳动，根据人的预期，自动进行生产和操作，这种作业的方式，是工业生产自动化。应用于油气储运就是油气储运自动化。自动化技术具有监督、控制和管理等特点，在现代石油工业生产中的应用日趋广泛。与其他工业生产一样，在油气储运工艺过程中。广泛采用自动化技术。油气储运包括油气处理净化、储存、加热和输送等环节。比如，在采输工艺管线和各类站库上装有各种自动化仅表，对原油及天燃气的压力、温度。流量。液位等参数进行自动测量和控制。也可采用遥控装置：对远距离泵站的单井的油气压力和温度进行遥测：对井口电动球阀进行遥控。

一、油气储运自动化的基本内容

根据功能不同，油气储运自动化系统可分为诸多类型。主要包括自动检测、开环控制，逻辑控制。自动切断，自动控制、火灾消防等内容。以下对其中的几种主要类型进行分析。在实际应用中一般组合使用。

1.自动检测系统。

用于对生产过程运行参数如压力、温度、液位等和工艺设备状态参数，如阀的开关，泵的启停，可燃气体的浓度等进行检测，并集中在控制室显示。显示有两种方式：首先是选择式。即按需要显示某一参数；其次是轮询式，即根据规定的时间间隔自动轮流显示不同参数。数据可储存和打印。在超高、低限时可通过声光屏幕报警，一些水电厂供电网监测自动化使用的就是这种系统。

2.开环控制系统。

开环控制系统强调这种控制没有自动形成信息的检测、分析判断、反馈控制的闭合环路。目前石油企业机泵变频调速用的就是这种开环控制系统。

3.自动切断系统。

这是用在生产安全保护的系统，通过仪表传感器不断检测到与安全生产相关的运行参数，如温度、液位，流量，利用编制好的故障和事故诊断分析生产系统的安全状况，在系统有危险状况时，发出警报提醒值班人员采取措施：在系统出现事故苗头时，利用紧急停车程序使设备有序停止运行，用于生产安全保护的，自动化设备的可靠性比用于过程控制的要高，尽管它的功能可通过生产过程控制系统实现，而对于生产安全保护有较高要求之处，它是单独设置并独立于生产过程控制系统以外的，在大庆天然气公司一个下属单位应用的自动化系统中就是这种系统。

4.自动控制系统。

这种系统用于按仪表传感器检测的数据，利用控制程序对阀门的开度及电机的转速进行控制，使被控制量保持在预定值上。这是闭环控制，为保证产品质量使用的控制系统，它使生产中的不同工艺参数保持在即定值上。大庆天然气公司一个下属单位原油系统和轻油回收自动化系统中采用这种系统。

5.火灾消防系统。

这种系统是专用灭火的系统，它按测温、测烟等设备检测到数据，在分析判断到火灾出现时。通过泵、管道、喷嘴实施喷淋和喷泡沫。喷淋是用于降低已燃的设备和相邻未燃设备温度：喷泡沫是用于扑灭已燃设备的火。它可单独设置，自成系统。

开环控制系统根据设定的步骤进行周期性操纵自动切断系统，在工艺条件进入某种极限状态时，采取的安全措施。以防范生产事故的出现；火灾消防系统在火灾出现后实施灭火，以发挥保护作用，自动控制系统方能自动排除不同干扰因素对工艺参数的影响。保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。自动控制系统是油气储运自动化的核心技术。

二、实现油气储运自动化的生成和应用

随着生产过程的大型化。复杂化，不同类型的自动控制系统已成为现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证。

一些石油企业应用自动化技术，并在此基础上逐渐建成了一系列的自动化控制体系。就该自动化技术控制体系来说，它主要包括原油的分水器自动控制、污水处理自动控制等，而且能有效利用现代计算机网络技术的优势。对数据信显自动化采集，建成信息发布系统，逐渐实现相关数据报表的自动化生成。

提高加热站出站温度，能使油气在较高温度下储运，这种做法尽管能有效降低原油的温度。成小摩擦阻力损失，而散热损失会增大。在油气管输过程中，存在着能耗最小及储运方式选择的问题。

在油气储运过程中加强自动化技术的运用，能有效防止泵口过这器的摩阻损失。增加出口阀组节流。传统生产过程中使用的加热炉是炼油厂自己研发的高效三回程水套炉，再配上燃烧器，其运行效率并不高。而通过自动化改造后，改变了原有的加热炉必需的人工控制火力的运行方式，同时增加了安全检测联锁保护系统及能耗参数的测量。通过自动控制系统把集到的全部数据实施累积计算，能够分析出该系统的实时能耗量。在自动化控制系统中，可设定出口介质的加热温度，按实际油温的变化情况改变系统中的燃烧器大小火，并进行有效的切换；通过对供风系统进行有效的调整。能提高燃烧器设备的燃烧效率，实现提高水套炉运行效率的目的。

三、自动控制系统的构成及其方块图

自动化系统由自动检测系统。逻判控制系统，自动切断系统、自动控制系统、火灾消防系统等组成。自动控制系统在油气储运中应用最多，也是最主要的系统。

1.自动控制系统的组成。

不同工艺过程的工艺参数（比如压力、温度、流量、物位等）有确定的控制要求，这些工艺参数对产品的数量和质量影响很大有决定性作用。例如，精馏塔在运行中会受到不同干扰因素的影响，使工艺参数经常偏离希望的数值，为保证生产安全、优质平稳运行，必须对生产过程实施有效的控制。尽管，人工操作也能控制生产，而受生理上的限制，人工控制满足不了大型、现代化生产的需要，因此，可以借助自动化装置，自动克服不同干扰因素对工艺生产过程的影响，使生产正常运行。

如图1所示是工业生产中常见的锅炉汽包示意见图1（a）（b），在锅炉运行中，汽包水位的高低直接影响着蒸汽的锅炉的安全。水位过低，在负荷较大时。汽化速率很快，代包内的液体会全部汽化。造成锅炉烧干甚至引起爆炸，水位过高会使汽包水的分离，出现蒸汽带液观象。降低蒸汽的质量、产量，损坏设备。所以，对汽包水位必须严加控制。

图1 锅炉汽包水位控制示意

如果必备条件（包括蒸汽量、给水流量等）都近乎恒定不变，只要把进水阀门置于某一适当开度，汽包水位能保持一定高度，而实际生产过程中这些条件都在变化的，例如蒸汽流量的变化，进水阀前的压力变化等。此时若果不进行控制，水位则会偏离规定高度。所以，为保持汽包水位恒定，操作人员必须按水位高度的变化情况，改变进水阀的开度，控制进水量。

分析人工操作控制汽包水位，为保持水位为定值，必须进行人工操作控制。

眼—观察汽包水位的高低，随时掌握水位的变化，并通过神经系统告诉大脑。

脑—大脑按照眼睛看到的水位高度，加以思考后与规定值相比较，得出偏差，再按操作经验发出命令。

手—按大脑发出的命令，改变阀门的开度，以调节进水量，使水位回到规定值。

眼，脑，手三个器官完成测量，求偏差、操纵阀门纠正偏差的全过程，由于人工控制受人的生理上的限制，在控制精度和速度上都满足不了大型现代化生产的需要。用一套自动化装置代替人工操作，人工控制就变成了自动化控制，锅炉和自动化装置构成了一个自动控制系统。

液位变送器、控制器和执行器分别代替人的眼、脑和手的功能。自动化装置的三个部分如下。

（1）侧量元件与变送器。作用是测量汽包水位信号，并将其转快为特定的输出信号（气压信号或电压，电流信号等）。

（2）控制器。作用是接受变送器送来的信号，把此结果以气压信号或电信号的方式发送出去。

（3）执行器。一般指控制阀，使进入锅炉的水量出现变化，实现控制锅炉汽包水位目的。

汽包水位的人工控制和自动控制的工作原理相似，自动化装置能代替人的眼睛、大脑和手完成自动控制锅炉汽包水位高低的任务。除了必须具有的自动化装置外，还要有控制装置所控制的生产设备即被控对象。

2.自动控制系统的方块图。

研究自动控制系统，为便于对系统进行分析，一般用方块图表示控制系统的组成。图1的水位自动控制系统用如图2所示的方块图表示。

图2 锅炉汽包水位控制系统方框图

在方框图中每个环节表示组成系统的部分。称为“环节”。系统中的每个环节用方框表示，四个方框分别表示锅炉汽包、测量变送装置、控制器和控制阀。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入。箭头离开方块表示这个环节的输出。每个方框分别标出各自的输入量，输出变量，线旁的字母表示相互间的作用信号。如被控对象环节，给水流量变化会导致汽包水位的变化，给水流量即操纵变量作为输入信号作用于被控对象，而汽包水位被控变量即则作为被控对象的输出信号；引起被控变量汽包水位偏离设定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给水管压力的变化等扰动量，它们也作为输入信号作用于被控对象。

四、自动控制系统又分为三个系统

自动控制系统的分类方法较多，每种方法仅反映自动控系统的特点。比如，根据被控变量的名称分类，有压力控制系统、温度控制系统、流量控制系统及液位控制系统等。根据被控变量的数量分类，有单变量和多变量二个控制系统。根据控制器具有的控制规律分类，有比例控制系统、比例积分控制系统及比例积分微分控制系统等。在分析自动控系统的特性时，经常把控制系统按被控变量的给定值的不同分类，可以分成以下三个系统。

1.定值控制系统“定值”，即恒定给定值。

在工艺生产中，如果要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。图1分析的锅炉汽包水位控制是一个定值控制系统。在工业生产过程中，多数工艺参数（温度、压力、流量、液位、成分等）都要求保持恒定。所以，定值控制系统是工业生产过程中应用不少的一种控制系统。

2.随动控制系统（自动跟踪系统）。

这个系统是被控变量的给定值随时间的变化的控制系统，而这种变化不是预先设定的，而是一个未知的时间函数。该系统的目的是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。例如：在锅炉的燃烧控制系统中，为了保证燃料充分燃绕，要求空气量与燃料量保持一定比例。由此可以采用燃料量与空气量的比值控制系统（空气量跟随燃料量变化），由于燃料量的负荷是随机变化的，即空气量的给定值也随机变化，该系统是一个随动控制系统。