論分程控制在海洋石油工程項目中的應用

李建軍

(上海利策科技股份有限公司，上海 200233)

傳統海洋工程采油工藝流程，通常由電潛泵或油井自噴采油，采出的原油經井口采油樹進入生產/計量管匯后，全部匯入主生產流程統一進行油、氣、水三相分離處理。工藝流程控制，多以單回路反饋控制為主。由于海上作業空間的限制，海洋工程采油工藝通常不在海上進行更為精確的裂化、分餾等工藝處理程序，故海上工藝流程控制方案中，很少涉及到其它諸如串級控制、分程控制等較為復雜的控制回路。本文以海洋石油113號浮式生產儲油船新增燃氣壓縮機改造項目為實例，全面論述一下分程控制在海洋工程儀表控制領域的應用。

1 項目背景

海洋石油113號浮式生產儲油船2臺二級原油加熱分離器分離出的天然氣，按照原有流程統一匯入火炬放空系統排放燃燒，但隨著二級分離器分離出的天然氣含量逐年增大，單臺二級原油加熱分離器產氣量可達8 500 m3/d(標準工況)，2臺二級原油加熱分離器總產氣可高達17 000 m3/d(標準工況)，火炬放空系統已處于超負荷狀態。2016年，中海油天津分公司秦皇島32-6作業公司對二級原油加熱分離器出口的燃氣流程進行了相應改造，在原油加熱分離器燃氣出口主管線上新增支路管線，新增一套低壓燃氣增壓機撬，將分離出的燃氣經低壓燃氣增壓機增壓后匯入海洋石油113現有燃氣處理系統進行后續處理，既減輕了火炬放空系統的負荷，又最大程度上實現了多余燃氣的回收再利用。

2 改造流程

圖1為此次改造的流程示意圖，2臺二級原油加熱分離器FPSO-V-102A/B分離出的天然氣，經燃氣出口管線排至火炬放空系統，其中，二級原油加熱分離器FPSO-V-102A產出的燃氣放空，經壓力變送器PT-7131A控制分離器的燃氣出口管線調節閥PV-7131A來調節；二級原油加熱分離器FPSO-V-102B產出的燃氣放空，經壓力變送器PT-7131B控制分離器燃氣出口管線調節閥PV-7131B來調節。

本次改造，在二級原油加熱分離器FPSO-V-102A的燃氣出口管線引出一路支路管線接入低壓燃氣壓縮機撬，通過壓力變送器PT-7131A控制新增調節閥PV-7291來控制進入燃氣壓縮機撬的進氣量；在二級原油加熱分離器FPSO-V-102B的燃氣出口管線引出一路支路管線接入低壓燃氣壓縮機撬，通過壓力變送器PT-7131B控制新增調節閥PV-7292來控制進入燃氣壓縮機撬的進氣量。2臺二級原油加熱分離器產出的燃氣并聯接入燃氣壓縮機撬統一處理。本文以二級原油加熱分離器FPSO-V-102A的改造流程為例，進行相應控制邏輯關系定性分析，FPSO-V-102B與FPSO-V-102A同理。

圖1 新增燃氣壓縮機改造流程示意圖

3 控制系統整定

二級原油加熱分離器燃氣出口管線壓力變送器PT-7131A信號被采集入中控系統后，同時控制兩個變量：一路控制分離器燃氣進入火炬系統調節閥PV-7131A，設定值80 kPaG；另一路控制分離器燃氣進入改造新增低壓燃氣壓縮機入口調節閥PV-7291，設定值50 kPaG。現場設備主要參數如下：二級原油加熱分離器操作壓力50 kPaG，操作溫度90 ℃；低壓燃氣壓縮機撬，設計能力，20 000 m3/d(標準工況)，操作壓力，(20～40 )kPaG(入口)/(250～300 )kPaG(出口)。

基于以上基礎，海上試機調試過程中，低壓燃氣壓縮機撬經常出現壓力低報并自動聯鎖停機。

針對以上問題，首先排查上游氣量供給是否充足：經查看二級加熱分離器燃氣出口流量計，分離器本身分離出的燃氣量是充足的，不會因為產氣不足而導致低壓燃氣壓縮機停機。隨后對壓縮機撬實際操作參數進行排查，經與壓縮機廠家進一步溝通確認：整個壓縮機撬的實際入口設計壓力約為(20～35)kPaG(比設計要求工作范圍略窄)，并設有過壓保護，當壓縮機入口壓力超過35 kPaG高報值或達到0 kPaG低報值時，整個壓縮機撬自動停機。

本項目設計之初，低壓燃氣壓縮機燃氣入口管線調節閥PV-7291的設定值為50 kPaG，原油加熱分離器去往火炬放空支路管線調節閥PV-7131A的設定值為80 kPaG，兩個調節閥采用各自獨立的PID算法分別控制，當二級原油加熱分離器FPSO-V-102A內操作壓力在50 kPaG上下波動時，調節閥PV-7131A不投入運行，僅通過調節閥PV-7291來調節穩定二級原油加熱分離器FPSO-V-102A內操作壓力，整個系統構成一個完整的反饋調節回路，在一定條件下，是能夠維持系統穩定的。但當二級原油加熱分離器FPSO-V-102A內操作壓力出現超壓(超過80 kPaG)擾動，火炬放空管線調節閥PV-7131A和燃氣壓縮機入口管線調節閥PV-7291同時動作，低壓燃氣壓縮機入口進氣壓力波動劇烈，容易造成系統超調，導致壓力低報聯鎖停機。

針對以上問題，經過實際理論分析找出原因如下：一方面火炬放空系統調節閥設定值80 kPaG比壓縮機入口壓力高報上限值50 kPaG高出好多，產生系統擾動時，當二級原油加熱分離器FPSO-V-102A內壓力值超過80 kPaG時，燃氣火炬放空支路調節閥PV-7131A才開始調節動作，造成調節滯后，不利于提前消除系統擾動；另一方面，當擾動值超過80 kPaG時，去火炬放空管路調節閥PV-7131A及去新增燃氣壓縮機支路調節閥PV-7291兩個調節閥同時對擾動差量進行PID反饋調節，造成系統補償超調，給系統帶來了新的擾動因素，不利于維持系統穩定。

為此，將去往火炬放空支路調節閥PV-7131A設定值由原定的80 kPaG調整至70 kPaG，將去往新增燃氣壓縮機支路調節閥PV-7291的設定值由原定的50kPaG也調整至70 kPaG，兩個調節閥采用同一PID算法進行分程控制：當二級原油加熱分離器FPSO-V-102A內壓力在70 kPaG以內時，通過PID調節調節閥PV-7291開度控制新增燃氣壓縮機入口進氣量來維持分離器內壓力穩定；當二級原油加熱分離器FPSO-V-102A內壓力超過70 kPaG時，調節閥PV-7291維持100%開度不變并停止PID調節，同時，調節閥PV-7131A閥投入工作，繼續通過PID算法調節調節閥PV-7131A閥門開度控制送往火炬放空系統的送氣量來消除系統擾動。

通過以上整改后，整套低壓燃氣壓縮機系統流程穩定，抗干擾性較強，先前出現的頻繁停機的問題得到了解決。

4 結束語

本項目設計之初用于改變同一變量的兩個調節閥雖然采用的是同一變送器輸入信號，但輸出的PID調節算法卻是獨立的，用于改變同一被控變量的兩個閥門有時會同時動作，這點與傳統的分程控制算法是明顯不同的，這也是在調節過程中造成系統超調以及引新的系統擾動的根源(所在同一個控制器輸出信號的不同信號段分別控制幾個閥門,且使閥門在其控制信號段內能夠完成從全開到全關動作的控制系統稱為分程控制系統。分程控制過程中，任何時間段內僅有一個閥門參與PID調節，其它閥門要么處于全開狀態，要么處于全關狀態，并在某段調節信號段內保持既定狀態不變)。本項目就是在后期試機調試過程中發現了這一關鍵點而及時正確引入分程控制理念，才使問題得以順利解決。