均勻控制兩個并列二級分離器“搶液”問題分析

張 浩 崔常府 詹蕊菱

1. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司潿洲作業公司, 廣東 湛江 524057;2. 中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田公司川西北氣礦, 四川 江油 621700

0 前言

在現場原油處理過程中,原油經過一個一級分離器處理后會進入兩個并列二級分離器。在工程設計中由于通常只考慮到單個分離器的液位控制,沒有進行整體考慮，因此當油水混合物經一級分離器處理后分別進入兩個二級分離器時,會出現進液不均勻的問題,進而產生以下現象:一個分離器油相液位高高時,另一個分離器油相液位卻還較低;一個分離器油相出口調節閥開大,而另一個分離器油相出口調節閥關小。

若此時生產人員未及時手動調控,系統將因油相液位高高或低低報警引起裝置關停。對兩個分離器液位不均問題進行分析,得出以下原因:兩個二級分離器的位置不同,進口管線距離不一致,且出口泵距離分離器位置也不相同[1]；進出口管運行一定時間后,內壁有油垢附在上面,管道流阻不一致[2]；兩分離器壓力設點雖一致,但是壓力會波動,分離器壓力不一致導致進液出液速度也不一樣。

現場有兩個二級分離器A和B,分別使用調節閥 LV 2108 和LV 2112調節分離器A和B的油相液位;兩個分離器出口經過液控閥調節后匯合,匯合后由泵打入下一個罐。控制程序修改前,兩個調節閥各自獨立控制分離器的液位,程序修改完之后,兩個液控閥同時動作同開度控制兩個分離器的液位。

1 理論分析

1.1 二級分離器進口流量分析

針對一級分離器出口到兩個二級分離器進口這段過程,本次分析過程簡化為一段理想的二分支管路[3-4],見圖1。由于分支管路的總管流量等于各支管流量之和[5]，且對于任一支管,可分別建立總管截面和支管界面間的機械能衡算式,因此定出各支管的流量分配，流體在各支管流動終了時,總機械能與能量損失之和相等。

圖1 二分支管路示意圖Fig.1 Schematic diagram of two branch pipelines

二分支管段的流量特性有(假定管徑一致):

Va=Vb+Vc

(1)

Ua×d2=Ub×d2+Uc×d2

(2)

針對aob管段有:

(3)

(4)

針對aoc管段有:

(5)

(6)

針對bc管段截面有:

(7)

由式(3)、(5)可知,當總管a壓力、流量不變,且分管b與分管c壓力相同時,由于流體流經管路不一,損失水頭∑Hf,aob、∑Hf,aoc的不同,導致分管b與分管c的流速不同,從而各支管進入二級分離器的流量不同[6]。

由式(3)可知,在理想情況下,當主管a壓力、流量不變時,若只改變分管b壓力,當分管b壓力增加時,分管b流量減小;假定此時分管c壓力不變,由式(7)可知,分管c的流量增加。當分管b壓力減小時,分管b流量增加,分管c的流量減小[7-8]。由此可知,調節分管壓力對調節分管流量分配有積極的意義[9]。

1.2 二級分離器出口流量分析

程序修改對兩個二級分離器的油相出口工藝流程并沒有改變,油相液位還是通過油相出口調節閥控制。根據調節閥流量公式[10]可知:

(8)

已知分離器氣相壓力為320 kPa,調節閥后端液相壓力為20 kPa,油相液位實際工況在1.8 m,粗略算出閥門前后差壓為318 kPa。在理想條件下,當其它條件都不變時,根據式(8)可知,當差壓增加5%時,流量增加約2.3%。

2 控制策略修改

造成進液不均的原因很多,且影響不可量化,也無條件消除這些因素,但進液不均的問題最終可以體現為兩個分離器液位不一致的問題,所以實現兩個分離器液位基本一致是控制目標,問題可以轉化為通過何種方式實現兩者液位保持一致[11-12]。

在未改變控制策略之前,由于兩個分離器進液不均,當上游來液波動較大時,上游增加的來液會經常只進入到一個分離器,而較少進入另一個分離器,就會出現其中一個分離器液位高,而另一個分離器液位相對比較低,進而出現一個調節閥開度增大,一個調節閥開度卻反而減小的情況。通常工藝部門在實際操作中使用兩種方法調節液位:關小各自分離器進口的截止閥,通過截止閥節流控制進入分離器的液量;調整分離器壓力設點,當液位高的時候,提高分離器壓力,這樣背壓大,進液就會變少,同時出液會加快,液位下降。

在實際操作過程中,通過壓力設點的調節來調節閥液位,效果比較明顯。綜合分析可以通過以下控制策略的修改來解決分液不均的問題。

2.1 液位控制策略修改

原有的控制方式:分離器A的液位變送器LT 2108控制分離器A調節閥LV 2108;分離器B的液位變送器LT 2112控制分離器B調節閥LV 2112。根據將兩個分離器看成一個分離器,兩個分離器出口調節閥LV 2108和LV 2112看成一個調節閥的控制思路[13-15],修改控制策略,采用兩個分離器的液位平均值經過LIC 2108 PID運算,同時控制兩個調節閥,達到兩個閥門開度一致的目的。分離器工藝流程見圖2。

圖2 分離器工藝流程圖Fig.2 Separator process flow chart

若選擇兩個分離器的平均液位作為液位控制的PV值,同時去控制兩個調節閥同步動作。當其中一個液位變送器檢修時,就會產生較大誤差。所以這里的液位控制的PV值,需要對分離器A液位值、分離器B液位值、平均液位值進行選擇控制[16],在一些特定情況時,也需要在手動情況下能夠單獨對各自調節閥進行調節,見圖3。閥LV 2112與閥LV 2108控制邏輯同理。

圖3 液位控制策略圖Fig.3 Liquid level control strategy

2.2 壓力控制策略修改

工藝實際操作中發現通過調節分離器壓力可以改善分離器液位調節效果。通過調整分離器壓力設點,當液位計高的時候,提高分離器壓力,背壓大,進液變少,同時出液加快,液位計下降。將兩個分離器的油腔液位的差值作為PV值,將液位相差為零時作為設定點進行LIC 2112(PID)運算(LIC 2112是原有液位控制PID,改為壓力控制PID,LIC 2108繼續控制兩個分離器的調節閥開度),得出一個壓力需要的增益值(CVEU)[17-18]。用分離器A的壓力設點加上CVEU賦值給分離器B的壓力設點。此時分離器B的壓力設點就是變化的,是一個隨動控制[8]。當兩分離器液位一樣時,LIC 2112的CVEU為0,兩個分離器的壓力設點一樣,氣相閥門開度各自調節,使兩分離器氣相壓力一樣,見圖4。

圖4 分離器B液位串級控制圖Fig.4 Level cascade control of separator B

當兩分離器液位不一致時,LIC 2112的CVEU是一個不為零的值,分離器A壓力設點不變,分離器B壓力設點在分離器A的壓力設點上隨CVEU變化,造成兩分離器壓力不一致,調整分離器A和分離器B的進液量、出液量,促使分離器A和分離器B的液位保持平衡[19-20]。液位改變的同時,兩個二級分離器液位差值也在變小,壓力的CVEU趨近于0,氣相壓力趨于平衡。

根據液位調解效果,通過改變LIC 2112(PID)運算的設點來增大壓力CVEU變化,加強對二級分離器進出口流量的影響,這里實驗調得-15～15 kPa的CVEU變化量程范圍。當LIC 2112退出PID控制,變為手動控制時，分離器B就成為了壓力的單回路控制,此時兩個分離器為壓力的單回路控制,退出了壓力控制策略,只保留了液位控制策略。

修改前后二級分離器A的油相液位效果對比見圖5。

a)修改前a)Before adjustment

b)修改后b)After adjustment

3 結論

1)針對兩個分離器“搶液”問題,提出對控制方式進行修改,將兩個分離器從控制邏輯上處理成一個分離器的思路。通過對兩個分離器壓力的調整、三種液位控制模式的選擇切換(初始條件下單回路液位控制、液位的選擇控制、壓力液位的串級隨動控制)、PID參數調整等措施,使得整個二級分離器油相液位控制均勻,出口調節閥根據液位控制狀態良好。避免了生產人員手動調控不及時,造成系統因油相液位高高或低低報警引起裝置關停。

2)兩個二級分離器油相出口液位控制閥方式的修改完成后,解決了正常工況下進液不均的問題,充分利用兩個二級分離容器減小來液波動造成的生產波動。兩個二級分離器進液平穩,油水處理效果改善明顯,水相出口含油由250 mg/L下降至120 mg/L,油相出口含水率由20%下降至12%。系統穩定性得到提高,上游來液波動影響明顯降低。均衡進液后總處理能力提高約1 000 m3/d。減少了二級分離器破乳劑注入量。優化前,為改善油水分離效果,需要注入30 mL/min的破乳劑,年注入量15 552 L,破乳劑1.833萬元/m3,優化后每年可降本28.5萬元。

3)修改后的控制方法在油氣水三相分離的油相液位均衡控制上,取得了良好的效果,但在油水混合腔油水處理量上并不均衡,分離器處理效率還存在提高的空間。下一步需要研究如何利用兩個分離器的控制閥開度差,來調節進液量,從而調節處理量,達到均勻進液和穩定油水分離界面的目的。