普光氣田酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建與優(yōu)化

王和琴 張分電 李延利 劉方儉 寧海春 韓燕君

1．中國石化中原油田普光分公司 2．中國石化中原油田勘探開發(fā)科學(xué)研究院

天然氣加熱爐作為油氣田一種重要的加熱設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于天然氣集輸系統(tǒng)中［1－4］。中國石化普光氣田屬高酸性氣田，開發(fā)中面臨劇毒、強腐蝕性等諸多高風(fēng)險因素，使安全成為關(guān)系工程建設(shè)成敗的決定性條件。但目前，普光氣田所使用的加熱爐自動控制系統(tǒng)一直未能正常發(fā)揮作用，無法實現(xiàn)酸氣定產(chǎn)、穩(wěn)壓以及流量的準(zhǔn)確計量，酸氣加熱效果差，嚴(yán)重時會造成加熱爐停爐、關(guān)井。筆者以酸氣加熱爐流量及壓力的自動控制為核心，對加熱爐智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建及優(yōu)化進行研究，實現(xiàn)了酸氣流量、壓力、溫度的自動控制，其成果對于氣井定產(chǎn)穩(wěn)壓、調(diào)產(chǎn)、調(diào)壓、溫控、燃燒自動控制等方面具有重要作用，為氣田的安全生產(chǎn)開發(fā)與數(shù)字化氣田建設(shè)提供了技術(shù)保障。

1 酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建

1．1 酸氣加熱爐工藝流程特點

圖1為酸氣加熱爐工藝流程圖，從左到右依次為井口一級節(jié)流閥后壓力（p1）和溫度（T1）變送器、二級節(jié)流閥（FVC）、二級節(jié)流閥后壓力（p2）和溫度（T2）變送器、加熱爐一級盤管、三級節(jié)流閥（PVC）、加熱爐二級盤管、三級節(jié)流后后壓力（p3）和溫度（T3）變送器 、流量計（Q3）等。根據(jù)生產(chǎn)要求，Q3、p2、T3是關(guān)鍵控制對象，而Q3、p2同時都與二級三級節(jié)流閥的開度有關(guān)，任何一個閥動作都會同時影響Q3和p2，調(diào)節(jié)流量會引起壓力變動，調(diào)節(jié)壓力同樣也會引起流量變化。流量變化也會影響溫度的控制，進而影響加熱爐的工作狀態(tài)。根據(jù)這一工藝流程特點，一般的PID控制已不能實現(xiàn)穩(wěn)定的控制，需要應(yīng)用智能控制解決多變量相互干擾的技術(shù)問題。

圖1 酸氣加熱爐工藝流程圖

1．2 智能控制系統(tǒng)基本模型

智能控制系統(tǒng)由知識庫、推理機及控制器組成，基本模型見圖2。圖2中u（t）為控制量，e（t）為偏差，ysp（t）為設(shè)定值，y（t）被控參數(shù)如流量、壓力、溫度等。控制量u（t）與多種變量或事實相關(guān)，構(gòu)成復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系或變化規(guī)則。

知識庫：把人的知識和經(jīng)驗表達成計算機可以識別、理解和執(zhí)行的語言，即事實和規(guī)則（IF—THEN），并把這些事實和規(guī)則送入計算機，建立一個軟件模塊，即知識庫。知識庫代表人對生產(chǎn)過程控制的最佳操作方案。

圖2 智能控制系統(tǒng)原理框圖

推理機：是知識控制軟件模塊根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運行狀態(tài)選擇一件事實，并在知識庫中搜索對應(yīng)規(guī)則。若事實與規(guī)則（IF）匹配，則對執(zhí)行器發(fā)出執(zhí)行操作的指令（THEN）。“事實”包括控制系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)、中間運行狀態(tài)、中間結(jié)果、性能指標(biāo)等，如設(shè)定值、被控量、控制量、偏差、偏差變化率、超調(diào)量、控制動態(tài)過程時間、震蕩次數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)以及其他相關(guān)變量等。

對加熱爐智能控制系統(tǒng)而言，Q3的控制量u2（t）（以節(jié)流閥的開度表示）就不只與Q3的偏差有關(guān)，還與當(dāng)前兩個節(jié)流閥開度、Q3及其偏差絕對值的均值、p2及其偏差、p1、p3、T3、Q2等事實有關(guān)。壓力與流量的情況相同，與諸多工藝參數(shù)或因素相關(guān)。

2 酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化

根據(jù)上述情況，用軟件對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化。

2．1 二級節(jié)流閥開度流量關(guān)系曲線線性的優(yōu)化方案

繪制擬合曲線和線性化補償反函數(shù)曲線（圖3）。二級節(jié)流閥開度（ST）與流量系數(shù)（CV）存在圖3－a藍色曲線所示關(guān)系，曲線表明兩者關(guān)系非線性比較嚴(yán)重，不利于流量均勻準(zhǔn)確控制，必須進行線性化，以達到智能線性解耦控制。

補償后，控制量與流量基本呈現(xiàn)直線關(guān)系，實現(xiàn)了二級節(jié)流閥在0～100%開度范圍內(nèi)對流量的均勻線性控制。

2．2 偏差［e（t）］－控制量［u（t）］關(guān)系的優(yōu)化

圖3 二、三級節(jié)流閥特性擬合曲線圖

圖4 智能控制系統(tǒng)偏差—控制系數(shù)關(guān)系圖

圖5 PID控制與智能控制效果圖

可見，采用智能控制，可使偏差快速穩(wěn)定收斂，當(dāng)［∑｜e（t）｜／n］／Yset≥5%時，采用固定比例控制，當(dāng)［∑｜e（t）｜／n］／Yset≤5%時，采用一定時間（大約0．5個波動周期）相對偏差絕對值的均值（10／Yset）［∑｜e（t）｜／n］作為改變控制量的隨機變動系數(shù)，智能系數(shù)Kint與E（t）在5%以下時呈線性遞增關(guān)系，控制量u（t）與E（t）呈非線性遞增關(guān)系。

從上述分析可知，采用智能控制系統(tǒng)，可以快速穩(wěn)定收斂，偏差較小，超調(diào)量較小，不易震蕩。因此，在酸氣流量、壓力難于控制的復(fù)雜工況環(huán)境中可以應(yīng)用。

2．3 偏差積分［i（t）］－控制量［u（t）］關(guān)系的優(yōu)化

引用智能積分控制系數(shù)，隨機改變積分強度，偏差越大、積分作用越強，偏差越小、積分作用越弱。效果見圖6、7，圖中縱坐標(biāo)y（t）／Y表示被控參數(shù)與量程的百分比。

圖6 智能積分系數(shù)特性曲線圖

圖7 PID及智能積分控制系統(tǒng)控制效果圖

2．4 流量壓力延時控制優(yōu)化方案

采用智能解耦控制，將延時后的測量偏差作為下一步控制依據(jù)，若延時T，則控制量u（t）對應(yīng)e（t＋T）（圖8）。

2．5 其他控制優(yōu)化方案

針對二三級調(diào)節(jié)閥均與流量壓力同時相關(guān)，另外采用多參數(shù)綜合控制算法，使被控流量壓力更快速進入穩(wěn)態(tài)，達到新的設(shè)定值；針對高含硫及雜質(zhì)對現(xiàn)場儀表的影響進行了控制功能優(yōu)化，軟件中增加了智能識別和處理模塊，如節(jié)流閥卡堵識別及處理、流量計及壓力變送器引壓管堵塞識別及處理等。

圖8 智能控制系統(tǒng)流量延時控制響應(yīng)圖

3 酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)技術(shù)試驗

3．1 加熱爐及控制系統(tǒng)工藝設(shè)備參數(shù)

氣田在運的加熱爐型號為ENERFLEX800W／1 000W，爐體額定耐壓壓力為0．1MPa，最高工作溫度為115℃，一級盤管額定耐壓壓力為20MPa，二級盤管額定耐壓壓力為10．7MPa。孔板流量計的引用誤差為±1．5%F·S，F(xiàn)·S為流量計量程（100×104m3／d）。流量、壓力、溫度等參數(shù)必須控制在設(shè)備額定工作范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)流量、壓力、溫度控制精度在設(shè)定值±3%F·S范圍以內(nèi)。

3．2 智能控制系統(tǒng)試驗檢測線路設(shè)計

以計算機和PLC為核心組成智能控制系統(tǒng)［5－6］，完成流量、壓力等的自動控制（圖9）。

3．3 實驗結(jié)果

3．3．1 酸氣調(diào)產(chǎn)動態(tài)／穩(wěn)態(tài)特性

酸氣調(diào)產(chǎn)時的流量壓力實時監(jiān)控如圖10所示。

3．3．2 酸氣調(diào)壓動態(tài)／穩(wěn)態(tài)特性

酸氣調(diào)壓時的流量壓力實時監(jiān)控如圖11所示。

由圖10、11可知，酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對流量、壓力自動控制功能，消除了流量、壓力的波動，可以實現(xiàn)酸氣自動定產(chǎn)、定壓控制。

圖9 智能控制系統(tǒng)控制工藝流程及原理圖

圖10 酸氣調(diào)產(chǎn)時的流量壓力實時監(jiān)控曲線圖

圖11 酸氣調(diào)壓時的流量壓力實時監(jiān)控曲線圖

3．4 系統(tǒng)功能參數(shù)

酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)流量、壓力控制指標(biāo)如表1所示。

表1 酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)流量、壓力控制指標(biāo)表

4 結(jié)論

1）由智能控制系統(tǒng)構(gòu)建的普光氣田酸氣加熱爐控制系統(tǒng)，克服了原來PID控制系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的關(guān)井停爐現(xiàn)象和其他集輸設(shè)備的生產(chǎn)故障，實現(xiàn)了產(chǎn)出酸氣流量、壓力的穩(wěn)定控制，為氣田的安全生產(chǎn)開發(fā)提供了技術(shù)保障。

2）該系統(tǒng)充分發(fā)揮計算機、PLC等智能化、數(shù)字化設(shè)備的優(yōu)勢，可以方便地通過計算機操作完成對全氣田各井酸氣自動調(diào)產(chǎn)、調(diào)壓工作，為數(shù)字化氣田建設(shè)提供了技術(shù)支持。

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