基于PID 控制的某頁(yè)巖氣集氣站產(chǎn)能調(diào)節(jié)

夏欽鋒 吳國(guó)超 高正憲 吳為 彭軍(.中石化重慶涪陵頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 40804； .重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 40；.重慶科技學(xué)院智能技術(shù)與工程學(xué)院，重慶 40)

0 引言

油氣田開(kāi)發(fā)是一個(gè)從興起，經(jīng)過(guò)成長(zhǎng)、成熟到衰亡的全過(guò)程，表現(xiàn)在油氣田產(chǎn)量的變化上必定要經(jīng)過(guò)產(chǎn)量上升-產(chǎn)量穩(wěn)定-產(chǎn)量下降的全過(guò)程[1]。氣井的合理產(chǎn)量，就是對(duì)一口氣井而言有相對(duì)較高的產(chǎn)量，在這個(gè)產(chǎn)量上有較長(zhǎng)的穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)間。確定合理的氣井產(chǎn)量是實(shí)現(xiàn)氣田長(zhǎng)期高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的前提條件，是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)和產(chǎn)能分析的一項(xiàng)重要內(nèi)容[2]。影響氣井合理產(chǎn)量確定的因素有很多，包括氣井產(chǎn)能、流體性質(zhì)、生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程、氣藏的開(kāi)發(fā)方式和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益等，不同區(qū)域、不同位置、不同類型的氣井，在不同生產(chǎn)方式下，有不同合理產(chǎn)量的選擇[3]。另外不可避免的是，當(dāng)油氣田開(kāi)發(fā)進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段以后，設(shè)備和管道運(yùn)行效能會(huì)下降，井場(chǎng)片區(qū)單井產(chǎn)量不均衡[4]。就集氣站而言，當(dāng)外輸任務(wù)量需要根據(jù)配產(chǎn)方案進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，就有可能需要對(duì)單井產(chǎn)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而使這些頁(yè)巖氣井能夠在一段穩(wěn)定的生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)維持較合理的氣井產(chǎn)量，從而獲得滿意的產(chǎn)氣量和較長(zhǎng)的穩(wěn)產(chǎn)期，使頁(yè)巖氣開(kāi)采有較高的采收率和最佳的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

考慮到該氣田有試采井和生產(chǎn)井兩種，為達(dá)到片區(qū)產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)可調(diào)控的目標(biāo)，可在確定調(diào)產(chǎn)目標(biāo)和氣田穩(wěn)定生產(chǎn)制度的基礎(chǔ)上，根據(jù)片區(qū)內(nèi)不同氣井不同的壓力和產(chǎn)量，按照外輸需求選擇通過(guò)定壓調(diào)產(chǎn)或定產(chǎn)調(diào)壓的方式控制片區(qū)外輸量，從而實(shí)現(xiàn)片區(qū)根據(jù)下游天然氣需求量對(duì)片區(qū)外輸任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)[6]。論文針對(duì)氣田生產(chǎn)需求，根據(jù)中石化某頁(yè)巖氣田運(yùn)行生產(chǎn)情況和外輸需求，進(jìn)行了流量控制系統(tǒng)分析，建立了該集氣站流量控制的數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)，將加入PID 控制器的流量控制情況，從而比較優(yōu)選出最優(yōu)控制器參數(shù)，用于指導(dǎo)該集氣站流量調(diào)節(jié)和產(chǎn)能調(diào)配。

1 集氣站流量控制設(shè)計(jì)

1.1 集氣站工藝

某頁(yè)巖氣集氣站于2014 年9 月開(kāi)始運(yùn)行使用，站內(nèi)有一套水套加熱爐，兩套分離器，設(shè)計(jì)處理能力為70 萬(wàn)立方米/天，單井最大量為35×104m3/d，最高關(guān)井壓力為35.0MPa，井口氣體溫度為20℃。根據(jù)該集氣站歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，目前氣田日產(chǎn)量約8 萬(wàn)方左右，遠(yuǎn)低于該站場(chǎng)的設(shè)計(jì)日處理量，有必要根據(jù)區(qū)塊總體需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)產(chǎn)。

圖1 某頁(yè)巖氣集氣站流程圖

該集氣站工藝流程如圖1 所示。氣體從采氣樹(shù)采出，單井采出氣體通過(guò)水套加熱爐加熱到47℃之后一次節(jié)流到16MPa，再進(jìn)入加熱爐加熱到50℃后二次節(jié)流至5.5MPa，此時(shí)溫度降低約為20℃。經(jīng)二次節(jié)流后的單井氣體進(jìn)行周期性輪換計(jì)量，計(jì)量周期定為2～6d。氣液分離器分離出的液體通過(guò)流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入污水罐儲(chǔ)存，定期裝車外運(yùn)。不需計(jì)量的單井天然氣通過(guò)生產(chǎn)匯管進(jìn)入生產(chǎn)分離器進(jìn)行氣液分離，分離后的天然氣計(jì)量后與單獨(dú)計(jì)量的天然氣一起進(jìn)外輸集氣管網(wǎng)。生產(chǎn)分離器分離出來(lái)的污水排入站內(nèi)污水罐。加熱爐燃料來(lái)自本站的生產(chǎn)分離器后的濕氣，先進(jìn)加熱爐進(jìn)行預(yù)熱，再經(jīng)燃料氣調(diào)壓撬調(diào)壓至0.4MPa 后輸送至各加熱爐爐口。加熱爐采用4 盤(pán)管，每座加熱爐管轄2 口氣井。

1.2 PID控制回路設(shè)計(jì)

集氣站流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示其主要裝置是主線路上的電動(dòng)閥(二級(jí)節(jié)流閥)，該電動(dòng)閥由帶遠(yuǎn)程功能的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一個(gè)針形閥組成。給定信號(hào)a 就是該集氣站的設(shè)定調(diào)產(chǎn)流量值(或流量范圍)，流量信號(hào)b 來(lái)自流量計(jì)(或流量傳感器)經(jīng)轉(zhuǎn)換后的模擬量信號(hào)，二者的差異形成誤差e，作為PID 控制器的輸入，經(jīng)PID 算法計(jì)算后控制器輸出信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而改變二級(jí)節(jié)流閥的閥門(mén)開(kāi)度，達(dá)到控制流量的目的。這是一個(gè)比較典型且較簡(jiǎn)單的單回路PID 控制，流量傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)管道內(nèi)輸送的流量，不斷地與流量設(shè)定值比較，從而控制管道內(nèi)天然氣的流量，達(dá)到集氣站外輸流量調(diào)節(jié)的目的。

圖2 集氣站流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

1.3 流量控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在流量控制系統(tǒng)中，將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門(mén)看作一個(gè)整體，將其等效為一個(gè)單位負(fù)反饋環(huán)節(jié)，則其傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為：

式中：K1是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門(mén)的增益，T1是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門(mén)的時(shí)間常數(shù)。

流量控制系統(tǒng)除了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門(mén)外的其他部分，也就是水套加熱爐后至二級(jí)節(jié)流閥前的管路及設(shè)備系統(tǒng)，我們統(tǒng)稱為生成對(duì)象，并將該被控對(duì)象等效為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

式中：K2是增益系數(shù)，T2是慣性時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)我們?cè)谡n題研究中進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程仿真模擬分析，以及實(shí)際流量控制的情況，可將該集氣站流量系統(tǒng)簡(jiǎn)化帶純滯后的閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此加入純滯后環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù)為：

式中：K 為控制系統(tǒng)的總增益，K=K1×K2，L 是系統(tǒng)純滯后的延遲時(shí)間常數(shù)。

課題在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集分析的基礎(chǔ)上，利用Hysys 和AMESim 工具分別就生成對(duì)象和控制閥門(mén)的各種特性開(kāi)展了仿真模擬分析研究。結(jié)果表明該集氣站電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門(mén)的時(shí)間常數(shù)T1=0.02s，慣性時(shí)間常數(shù)T2=2s，系統(tǒng)純滯后時(shí)間常數(shù)L=1s，系統(tǒng)總增益K=2。將上述數(shù)據(jù)帶入到式(3)中，可知該集氣站流量控制系統(tǒng)近似模型為：

1.4 集氣站流量控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

對(duì)傳遞函數(shù)為(4)式的一階線性PID 控制回路，可采用勞斯穩(wěn)定判據(jù)來(lái)判斷傳遞函數(shù)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。按照勞斯穩(wěn)定判據(jù)，由特征方程所表現(xiàn)的線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分且必要條件是：勞斯表中第一列各值為正。如果勞斯表第一列中出現(xiàn)小于零的數(shù)值，系統(tǒng)就不穩(wěn)定。

根據(jù)勞斯判據(jù)，流量控制系統(tǒng)的系統(tǒng)特征方程為：

根據(jù)系統(tǒng)特征方程列出勞斯表如下：

表1 系統(tǒng)特征方程勞斯表

結(jié)合系統(tǒng)特征方程勞斯表和勞斯判據(jù)可知，勞斯表第一列各值為正，即控制系統(tǒng)能趨于穩(wěn)定。

2 集氣站流量調(diào)節(jié)仿真模擬分析

Matlab/Simulink 可用于交互式動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析圖形特性等[7]。本文根據(jù)Simulink 仿真結(jié)果來(lái)分析集氣站流量控制系統(tǒng)特性，比較仿真結(jié)果，并據(jù)此提出一套優(yōu)化的流量控制系統(tǒng)方案。

2.1 未采用PID控制器的流量控制系統(tǒng)仿真

根據(jù)上節(jié)中得到的集氣站流量控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在Simulink 界面中建立其控制系統(tǒng)模型，如圖3 所示。

圖3 未加入PID控制器的流量控制系統(tǒng)模型框圖

在仿真界面中，設(shè)置好系統(tǒng)階躍信號(hào)、延時(shí)環(huán)節(jié)、仿真時(shí)間等參數(shù)，加入未優(yōu)化前的集氣站流量控制系統(tǒng)模型，階躍響應(yīng)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 未加入優(yōu)化的流量控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)

由圖4 可知，在未采用PID 控制算法前提下，當(dāng)輸入的階躍信號(hào)為4 時(shí)，集氣站流量控制系統(tǒng)的輸出在20s 內(nèi)明顯震蕩，在20s 后系統(tǒng)雖然趨于穩(wěn)定狀態(tài)但是輸出信號(hào)僅在2.7 左右，與輸入信號(hào)相差較大，即誤差較大，控制效果不好，對(duì)控制系統(tǒng)有一定的影響。因此，該系統(tǒng)需要加入適當(dāng)?shù)目刂扑惴ǎ瑢?duì)其控制效果進(jìn)行優(yōu)化，以增加流量控制系統(tǒng)的性能。

2.2 采用PID控制器的流量控制系統(tǒng)仿真

為了提高集氣站流量控制系統(tǒng)的控制效果，加強(qiáng)系統(tǒng)的控制性能，在控制系統(tǒng)中加入PID 控制器，并在Simulink 中建立其控制系統(tǒng)模型，如圖5 所示。

圖5 加入PID控制器的流量控制系統(tǒng)模型框圖

加入PID 控制器后，設(shè)置階躍信號(hào)為4，根據(jù)PID 控制器中比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)規(guī)律，整定PID 控制器參數(shù)，最終得出PID 控制器參數(shù)分別為P=0.40，I=0.20，D=0.01。經(jīng)Simulink 仿真后，得到加入PID 控制器的集氣站流量控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如上圖6 所示。

由圖6 可知，加入PID 控制后，流量控制系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，消除了穩(wěn)態(tài)誤差，并且加入一定量的微分作用，加強(qiáng)了流量控制系統(tǒng)的抗干擾能力，使得調(diào)節(jié)過(guò)程中無(wú)明顯震蕩，圖中顯示控制系統(tǒng)在7s 左右基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，且輸出信號(hào)與給定的信號(hào)值一致，無(wú)任何偏差，可達(dá)到預(yù)期效果。

圖6 加入PID控制器的流量控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)

3 調(diào)節(jié)效果與優(yōu)化方案

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)前面所得結(jié)果，對(duì)未加入流量系統(tǒng)的集氣站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)該集氣站產(chǎn)量報(bào)表得出每日產(chǎn)量上限，對(duì)主線路上的控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，記錄開(kāi)度值與瞬時(shí)產(chǎn)量估計(jì)值(瞬時(shí)流量)一一對(duì)應(yīng)，再對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行初步篩選后，得出數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 閥門(mén)開(kāi)度與瞬時(shí)流量對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，對(duì)閥門(mén)開(kāi)度與流量的關(guān)系進(jìn)行擬合，采用curvefitting tool 擬合出的流量特性見(jiàn)圖7 所示。

圖7 正反行程流量特性對(duì)比

其流量特性方程為：

試驗(yàn)過(guò)程表明，瞬時(shí)流量值振蕩明顯，從轉(zhuǎn)動(dòng)閥門(mén)到瞬時(shí)流量值趨于穩(wěn)定大約需要25s 左右。加入PID 控制器后，根據(jù)前面得到的PID 控制器參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做部分調(diào)整，觀測(cè)其結(jié)果可知，調(diào)節(jié)過(guò)程平滑，無(wú)明顯震蕩，從設(shè)置給定值到流量控制系統(tǒng)趨于穩(wěn)定大約需要10s 左右，控制效果有明顯的改善。按照現(xiàn)場(chǎng)人員提供的閥門(mén)可調(diào)節(jié)范圍，可得到該站場(chǎng)日產(chǎn)量可調(diào)節(jié)范圍為2.5 萬(wàn)方至7.1 萬(wàn)方，基本滿足調(diào)控要求。

3.2 調(diào)節(jié)方案優(yōu)化

以上單回路PID 調(diào)節(jié)方案是在20#站原有的設(shè)備基礎(chǔ)上，將手動(dòng)針型節(jié)流閥作為遠(yuǎn)程調(diào)控的調(diào)節(jié)閥，該節(jié)流閥的可調(diào)比小且存在較大的調(diào)節(jié)死區(qū)，總體調(diào)節(jié)效果還有待提高。由于該集氣站二級(jí)節(jié)流裝置主要由針型節(jié)流閥和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，從調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)改善角度，可通過(guò)優(yōu)選節(jié)流閥閥套孔徑和閥針角度，來(lái)增加節(jié)流閥調(diào)節(jié)精度，或改變電動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而減小電動(dòng)執(zhí)行器的步進(jìn)值。根據(jù)裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，在保證井口壓力等條件與現(xiàn)場(chǎng)基本一致的情況下，從結(jié)構(gòu)改善上對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行優(yōu)化，主要從以下兩個(gè)方面著手：

(1)優(yōu)化針閥的閥體，即減小閥針角度，提高控制精度。

(2)優(yōu)化電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大力矩，調(diào)節(jié)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而減小電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步進(jìn)值，提高控制精度。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中不改變電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大力矩，但將該節(jié)流閥閥針針尖角度設(shè)為20°，采取定壓調(diào)產(chǎn)方式，井口壓力設(shè)為22.5MPa，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表3 所示。

表3 優(yōu)化后試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)對(duì)比表明，通過(guò)優(yōu)化針閥閥針針尖的角度，可以提高針閥的調(diào)節(jié)精度，效果有較為明顯的改善，最小調(diào)節(jié)精度達(dá)到了0.1×104m3/d，可更好地實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣井產(chǎn)量的調(diào)控，達(dá)到遠(yuǎn)程無(wú)人值守集氣站生產(chǎn)調(diào)度和調(diào)產(chǎn)目標(biāo)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

為了研究產(chǎn)量調(diào)控回路數(shù)學(xué)模型的可行性，我們對(duì)站場(chǎng)的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，并記錄得到穩(wěn)定后的瞬時(shí)產(chǎn)量數(shù)據(jù)，分別從閥門(mén)全開(kāi)緩慢調(diào)節(jié)到小開(kāi)度和反向調(diào)節(jié)回全開(kāi)狀態(tài)的兩組試驗(yàn)來(lái)采集該站場(chǎng)日產(chǎn)量數(shù)據(jù)，并據(jù)此模擬擬合出了該集氣站PID 控制回路的流量特性。根據(jù)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性以及流量特性帶入到產(chǎn)量調(diào)控的控制回路中，使用控制效果較好的PID控制器參數(shù)，借助仿真模擬運(yùn)行分析結(jié)果，得到控制回路的傳遞函數(shù)和數(shù)學(xué)模型，最后仿真模擬該站場(chǎng)的調(diào)節(jié)能力和可控范圍，通過(guò)測(cè)試分析，結(jié)果表明滿足站場(chǎng)調(diào)控需求。

在集氣站流量控制系統(tǒng)中加入PID 控制后，系統(tǒng)的流量調(diào)控能力有明顯的改善，控制能力提高，消除了原有的穩(wěn)態(tài)誤差，且調(diào)節(jié)過(guò)程基本無(wú)震蕩，對(duì)于集氣站動(dòng)態(tài)調(diào)產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用。最后根據(jù)結(jié)果，對(duì)現(xiàn)有的流量控制系統(tǒng)提出優(yōu)化方案，通過(guò)調(diào)節(jié)合適的節(jié)流閥閥針針尖角度，進(jìn)一步提高了調(diào)節(jié)精度，測(cè)試數(shù)據(jù)表明效果有較為明顯的改善，從而更好地實(shí)現(xiàn)了該集氣站產(chǎn)量調(diào)控目的。