自動調(diào)節(jié)裝置在天然氣輸配系統(tǒng)的應(yīng)用

摘要為了緩解天然氣供需矛盾，減少放空，提高應(yīng)急處理能力，吐哈油田公司銷售事業(yè)部在輸配站內(nèi)成功應(yīng)用自動調(diào)節(jié)裝置，新建調(diào)氣工藝，到目前為止，利用該系統(tǒng)已創(chuàng)效數(shù)千萬元，確保了用戶的正常用氣，極大的減輕了工作強度，滿足了生產(chǎn)需要。本文將對該系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)、硬件、操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、操作方法等進行介紹。

關(guān)鍵詞天然氣 自動調(diào)節(jié)裝置 PID操作系統(tǒng)

中圖分類號:TE8文獻標(biāo)識碼:A

1 背景介紹

吐哈油田輸配站現(xiàn)有高、中、低壓三個閥組，主要接收油田丘陵、溫米、丘東(高、中)來氣，向甲醇、鄯烏線和中壓首站壓縮機、廣匯，以及低壓巴喀、甲醇、油庫工業(yè)用戶供氣，使用該系統(tǒng)前，年外輸能力約10億方，日均外輸天然氣275萬方左右。

工藝壓力調(diào)節(jié)利用丘東火炬進行超壓放空，依托高中壓調(diào)氣流程以及調(diào)整廣匯供氣量，平衡中壓匯管壓力。

本站具有儀表和系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測功能，主要監(jiān)測天然氣壓力、溫度、流量、色譜分析組分值，沒有根據(jù)壓力或流量自動調(diào)節(jié)閥門的自適應(yīng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

天然氣計量采用標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方式。控制系統(tǒng)由現(xiàn)場儀表、AB ControlLogix 5000系列PLC和上位機組成，上位機監(jiān)控軟件為AB公司的RSVIEW32。天然氣流量計算為AB公司的計量模塊，來至現(xiàn)場的壓力、差壓、溫度信號進入計量模塊，管徑、孔徑、相對密度等參數(shù)通過AB公司的軟件錄入并下裝到計量模塊，計量模塊經(jīng)過計算輸出天然氣流量值。

輸配站的下游用戶要求恒壓恒流量供氣，而目前的工藝流程和自控裝置無法滿足這個要求。目前輸配站的操作和管理存在以下問題。一是來氣量不穩(wěn)定，造成頻繁調(diào)節(jié)。主要是丘東二套裝置和丘陵裝置的來氣量忽多忽少，波動量在1萬方/小時以上，來量不足造成匯管壓力不穩(wěn)，影響廣匯和壓縮機運行。二是調(diào)節(jié)時效低。工藝閥門開關(guān)控制主要根據(jù)個人操作經(jīng)驗，動作的幅度直接影響調(diào)節(jié)效果，加上工藝狀態(tài)時刻動態(tài)變化，可能造成忽多忽少，達不到預(yù)期效果，有時會出現(xiàn)1小時內(nèi)來回跑調(diào)十幾次的情況。三是反應(yīng)速度慢。由于工作經(jīng)驗不同，對數(shù)據(jù)的敏感程度不同，生產(chǎn)事態(tài)的預(yù)判斷和現(xiàn)場處理的速度都有差異，多數(shù)都是事后處理，而且數(shù)據(jù)判斷、信息傳遞、到現(xiàn)場操作反應(yīng)過程很慢，如果在臨界運行工況，這樣的人工反應(yīng)速度早已導(dǎo)致裝置跳車。

2 改進措施及任務(wù)目標(biāo)

依據(jù)天然氣供輸特性及壓力變化趨勢，為了進一步控制中壓匯管壓力，提高調(diào)氣工藝的時效性和穩(wěn)定性，在高壓調(diào)中壓線安裝自動調(diào)節(jié)閥，通過增加自動壓力調(diào)節(jié)回路，編制并安裝PID操作系統(tǒng)，達到改善鄯烏管線供氣壓力不穩(wěn)的現(xiàn)狀。同時實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和手動控制調(diào)節(jié)功能，系統(tǒng)調(diào)節(jié)以手動為主，實現(xiàn)遠程操作。

3 自動調(diào)節(jié)裝置及其配套操作系統(tǒng)

3.1 自動調(diào)節(jié)裝置的操作

3.1.1 調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)的形狀

調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)的形狀如圖1所示

圖1調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)/ Fig.1 Control Valve

在現(xiàn)場，調(diào)節(jié)閥既可以通過手輪動作，也可以通過操作面板動作。

3.1.2 就地操作

如下圖所示，在操作面板上，將S1指向LOCAL，此時調(diào)節(jié)閥可就地操作，如圖2:

圖2操作面板/ Fig.2 Operation Panel

當(dāng)S1指向LOCAL位置時，調(diào)節(jié)閥位于就地操作狀態(tài)，此時在控制室不能對調(diào)節(jié)閥發(fā)出任何指令動作。

此時，將S2指向OPEN位置，調(diào)節(jié)閥將運行到全開位置。在位置指示器上，綠線與刻度線重合，表明閥全開。

將S2指向CLOSE位置時，調(diào)節(jié)閥將運行到全關(guān)位置。在位置指示器上，紅綠線與刻度線重合，表明閥全關(guān)。

將調(diào)節(jié)閥開度減小時(此時S2指向OPENOPEN或STOP位置)，可將S2指向CLOSE位置，同時觀察位置指示器上閥門開度的狀況紅線的位置，當(dāng)調(diào)節(jié)閥運行到合理位置時，將S2指向STOP位置，此時可用手輪做微調(diào)。

將調(diào)節(jié)閥開度增大減小時(此時S2指向CLOSE或STOP位置)，可將S2指向OPEN位置，同時觀察位置指示器上閥門開度的狀況紅線的位置，當(dāng)調(diào)節(jié)閥運行到合理位置時，將S2指向STOP位置，此時可用手輪做微調(diào)。

3.1.3 遠程操作

將S1指向REMOTE，此時調(diào)節(jié)閥將位于控制室遠程操作，就地操作不再起作用。此時可在控制室對閥進行遠程操作。

3.2PID系統(tǒng)的操作

通過安裝模擬量輸出卡件1756-OF4，對原有ControlNet網(wǎng)絡(luò)的重新規(guī)劃，修改PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并進行PID編程，調(diào)試完成PID操作系統(tǒng)。系統(tǒng)通信圖如圖3:

圖3系統(tǒng)通信圖/ Fig.3 Communication System

在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)(見圖4)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

圖4 PID操作界面/ Fig.4 PID Interface

3.2.1 手自動切換

點擊手動和自動按鈕可完成PID調(diào)解的手自動切換功能，當(dāng)處于自動時，自動按鈕顯示綠色，當(dāng)處于手動狀態(tài)時，手動按鈕顯示紅色，如上圖所示。

3.2.2 手動狀態(tài)下的PID操作

當(dāng)PID調(diào)節(jié)位于手動狀態(tài)下時，在閥位輸出框內(nèi)直接輸入閥門開度信號，調(diào)節(jié)閥將自動運行到相應(yīng)的開度位置，并將位置反饋信號返回到系統(tǒng)，顯示在閥位反饋框內(nèi)，并且在OUT光柱中顯示。

3.2.3 自動狀態(tài)下的PID操作

按下自動按鈕，在自動狀態(tài)下，PID將自動調(diào)節(jié)閥門開度，這時手動輸入閥位輸出不起作用，在閥后壓力設(shè)定值輸入框內(nèi)輸入需要的閥后壓力值，系統(tǒng)將自動調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，使閥后壓力穩(wěn)定在閥后壓力設(shè)定值左右，從而起到穩(wěn)壓的作用。此時，在面板上的閥位反饋不一定等于閥位輸出值。

3.2.4 PID控制的整定

當(dāng)系統(tǒng)處于PID自動調(diào)節(jié)下時，需要對PID參數(shù)做整定，PID各參數(shù)對系統(tǒng)影響如下:

比例調(diào)節(jié)作用(P):是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

積分調(diào)節(jié)作用(I):是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)I，I越小，積分作用就越強。反之I大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。

微分調(diào)節(jié)作用(D):微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時，微分作用輸出為微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。

調(diào)節(jié)時依據(jù)以下原則:

(1)在輸出不振蕩時，增大比例增益P。

(2)在輸出不振蕩時，減小積分時間常數(shù)I。

(3)在輸出不振蕩時，增大微分時間常數(shù)D。

一般情況下，不做微分調(diào)節(jié)，即設(shè)定D=0。

一般步驟:

(1)確定比例增益P。確定比例增益P 時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti= 0、Td= 0(具體見PID的參數(shù)設(shè)定說明)，使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩;再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%~70%。比例增益P調(diào)試完成。

(2)確定積分時間常數(shù)Ti。比例增益P確定后，設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減(下轉(zhuǎn)第110頁)(上接第81頁)小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后再反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti，設(shè)定PID的積分時間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%~180%。積分時間常數(shù)Ti調(diào)試完成。

(3)確定積分時間常數(shù)Td。積分時間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。

(4)系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對PID參數(shù)進行微調(diào)，直至滿足要求。

4 系統(tǒng)效果及效益分析

4.1 使用效果

時效性:通過調(diào)氣工藝的優(yōu)化，極大地提高了調(diào)氣操作的實效性，使其更加靈敏精確，實際用時控制到了10秒以內(nèi)。

穩(wěn)定性:壓力流量特性曲線波動減小。

4.2 效益分析

經(jīng)濟效益:投入使用后，減少了油田放空，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。

社會效益:(1)用戶用氣量大幅增加;(2)減輕了員工的勞動強度，提高了工作效率;(3)自動調(diào)氣工藝可以及時適應(yīng)壓力、流量變化的應(yīng)急補氣要求;(4)提高供氣靈活性、安全性，減少了放空，保證了下游用戶平穩(wěn)用氣，支持了地方企業(yè)發(fā)展，油田天然氣實現(xiàn)銷量最大化和效益最大化。

5 結(jié)束語

自動調(diào)節(jié)裝置的應(yīng)用，有效提高了天然氣調(diào)配的時效性和精確性。在臨界工況下避免因人為調(diào)節(jié)造成的突發(fā)事故，減少了員工勞動強度，天然氣供輸系統(tǒng)的手自動自由調(diào)節(jié)使吐哈油田數(shù)字化、智能化、自動化發(fā)展主題充分體現(xiàn)。

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