平行多列油氣裝置的自動負荷分配及控制

(中國石油集團工程設計有限公司北京分公司，北京 100085)

0 引言

隨著中國經濟對油氣資源的需求日益增加，中國公司參與開發和建設的海外大型整裝油田越來越多。大型油田的規模遠超過國內常見零散的小區塊低產油田。大型整裝油田的生產技術工藝與傳統的單列油氣處理工藝有著根本性的差別，傳統的單列油氣處理工藝已經無法滿足現實需求。為了適應大型油田的生產特點，提升石油生產的集約化水平，采用多列油氣處理裝置并列運行的工藝技術得以大規模應用。

多列油氣處理裝置并列運行時，由于工藝設備、配管安裝、工況變化等因素的影響，出現了許多新的問題，典型的如每列裝置處理負荷的不平衡。當出現負荷不平衡時，部分列裝置由于負荷過大超出了處理能力，導致產品指標不合格；部分列裝置由于負荷過小達不到設備正常運行的負荷下限，導致裝置不能正常運行。為了保證平行運行的多列裝置始終能夠處于最佳狀態，并主動適應工藝系統的工況變化，需要通過自動控制的手段及時調整每列裝置的負荷平衡。

1 工藝原理

在石油開采過程中，井口流出物通常包含原油、伴生氣、水以及其他雜質。為了生產出合格的原油，需要采用油氣水分離、脫水、脫鹽、穩定等一系列措施進行處理。在大型油田中，由于單臺設備處理能力的限制，需要采用多臺裝置并列運行來滿足擴大油氣處理能力的要求[1]。

在井口的流出物進入油氣處理裝置正式處理之前，需根據工況的需要綜合考慮預處理措施。采用段塞流捕集器實現氣液的初步分離是一種常見的預處理措施。氣液兩相流進入段塞流捕集器初步分離后，氣體進入氣體處理系統，以液體為主的流體進入后續的平行多列油氣裝置進行處理，各列的負荷分配通過控制每列進液量實現。實際生產運行時，常會出現偏流現象，原因分析如下。

① 每列的油氣處理設施雖然按照相同的技術指標設計，但是由于制造上的誤差，不可能完全一致，在具體單臺設備的技術性能上有些差別；

② 每列裝置的管線長度、管閥件等的差異造成管路摩阻存在差異，使得流體容易向摩阻小的裝置流動；

③ 裝置運行一段時間后，在管線、設備中沉積的泥沙等雜物會導致流體進入每列裝置后的流動狀況發生變化。

典型的生產工藝原理如圖1所示。

圖1 典型的多列油氣工藝原理圖

2 負荷分配控制方案

負荷分配自動控制的目的就是通過自動化的手段，克服多列裝置平行運行時的偏流現象，對各列油氣進行平均負荷分配控制，使每列油氣裝置的生產最優化。其手段是在不限制總的處理量的前提下，通過合理平均調配每列進口的流量，并使每列的流量變化同步[2]。

負荷分配控制原理如圖2所示。圖2中，各物理量含義如表1所示。

圖2 多列負荷分配控制原理圖

負荷自動分配的一個基本要素是需要首先明確工藝系統中影響每列處理量的共性參數。該參數作為主要指標,用于控制所有列的總的處理量。選擇共性參數時，要從工藝系統的角度考慮裝置總體處理能力與油田生產能力之間的關系。當裝置總體處理能力超過油田生產能力時，要以油田生產能力確定規模；當油氣處理裝置完全有能力適應、接收和處理來自油井的各種不同工況的流體時,需要選取工藝介質進入裝置時的共性參數進行控制，如段塞流捕集器的液位或者進站總匯管的壓力等；當油田生產能力超過裝置總體處理能力時，要根據裝置處理能力確定規模，以確保油氣處理裝置在安全負荷內安全運行，此時需要選取裝置對工藝介質處理后的共同關鍵參數進行控制，如儲油罐的液位等。

表1 各物理量含義

確定主要控制參數后，需要研究如何保證每列裝置進口流量變化的同步，找出能反映每列偏流狀況的參數作為擾動因素。由于多列裝置平行運行時的偏流現象直接反映為各列進口流量的不均衡，因此負荷平衡就要減少流量大的列的流量，同時加大流量小的列的流量，最終達到每列的量基本相同。每列進口的流量變化是典型的擾動因素。基于單列裝置考慮，在其入口設置流量調節，通過流量檢測控制調節閥的開度來調整流量。同時基于多列裝置并行考慮，每列的流量控制目標不是固定的，應隨著總處理量的變化而變化，并且此流量控制目標對每列裝置來說應是相同的。

綜合以上分析，在控制方法上采用串級控制方案。主回路采用的是與每列裝置密切相關的全局控制參數，副回路采用每列的進口流量。主回路的輸出作為副回路的設定值輸入，對于每個副回路來說，其設定值均跟隨主回路的輸出同步變化，保證了副回路控制目標的統一[3-5]。

3 需要考慮的因素

本文的控制方案是一個包含了多個副回路的復雜的串級控制。主回路與每個副回路各有一個控制調節器，主回路控制調節器的輸出作為副回路控制調節器的設定值，副回路控制調節器的輸出作為調節閥的輸入。由于控制方案相對復雜，需在短時間內對被測變量變化做出反應，控制系統工作頻率較高、計算量大，因此建議使用控制功能較強大的集散控制系統(distributed control system，DCS)。主控制器和副控制器采用基于PID的控制算法，但是由于檢測與控制涉及到整個工藝生產鏈，存在較大的滯后，應用中需要根據工況考慮合適的超前校正[6-7]。

系統中的流量檢測裝置所測介質為油、氣、水同時存在的多相流體，多相流的相界面形狀和分布隨時間和空間變化，且相間存在相對速度，管道內的分相流量比和分相管截面比等參數不相等。與單相流相比，多相流流動特性更復雜，多數流量檢測儀表難以適應多相流的流量檢測。一般情況下，在油氣處理前期，對多相流的測量準確度要求不高，且不需測出每相的流量。因此，可采用適應性較強、經濟性較好的差壓式流量測量儀表作為多相流總體流量的檢測裝置[8-10]。

4 技術應用

自動負荷分配控制有效地調節了平行多列油氣裝置的生產負荷，能夠快速平穩地響應油品運輸變化與石油生產產量的變化等多種復雜的情況，效率高、勞動強度低。

在油田生產中，已經應用的有以下兩種方案。

① 采用多列裝置上游的公共變量作為主控參數，如段塞流捕集器的液位，實現每列裝置的負荷分配。段塞流捕集器液位控制與各列流量控制形成了串級控制。段塞流捕集器的液位控制作為主控制器，其輸出作為各列流量副控制器的設定值輸入。每列裝置正常運行時，若流量檢測值高于由主控制器輸出信號產生的設定值，則流量副控制器關小該列入口調節閥，減少流量；若流量檢測值低于由主控制器輸出信號產生的設定值，則流量副控制器開大該列入口調節閥，增加流量。

段塞流捕集器液位控制與各列流量控制體現了串級控制的思想，段塞流捕集器液位作為主控制變量，單列流量作為副控制變量。單列流量出現擾動時，可以直接調節執行機構，通過調節閥調節流量迅速克服擾動，減少對于段塞流捕集器液位的影響。段塞流捕集器液位與各列流量的串級控制有助于控制段塞流捕集器液位的穩定，有效地抑制了單列流量異常變化對油氣處理系統工作效率的影響，改善了過程的動態特性，提高了控制系統的工作頻率與控制質量。

② 根據站場的處理能力，采用多列裝置下游的公共變量作為主控參數，如處理后凈化油儲罐的液位，實現每列裝置的負荷分配。儲油罐液位控制與各列流量控制組成了串級控制系統。當流量控制作為副回路，單列流量出現擾動時，可以通過流量控制器調節調節閥迅速平復；當儲油罐液位作為主控制變量，儲油罐液位發生變化時，液位控制器給予各列流量控制器的設定值會改變，影響副回路，控制調節閥進行調節。控制系統中，副回路出現的擾動能夠迅速平復，有效地減少“二次擾動”的影響。主控制參數的控制精度更高，能

夠有效地控制儲油罐液位的穩定。

5 結束語

平行多列油氣裝置負荷分配控制方案是針對大型油田生產特點而提出的一種實用的控制策略，能夠達到平均負荷分配穩定生產的目標，實現生產最優化和生產效率最大化。在實際的工程設計時，主控制參數與副控制變量的選取應綜合考慮可用性與設計原則，選取最優控制方案。

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