段塞流捕集器控制系統方案研究*

溫凱倫 路 宏 李鵬程 高小永 段夢蘭

(1.中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院 北京 102249； 2.中海油研究總院有限責任公司 北京 100028；3.中國石油大學(北京)自動化系 北京 102249)

隨著海洋石油的不斷開發，出于經濟和環保的考慮，多相混輸管線在油氣開采及輸送領域的應用越來越廣泛[1]。然而，混輸管線在立管段極易出現嚴重段塞流，造成管道運行條件惡化，導致管道及油氣水處理設備內部構件承受間歇性應力沖擊，影響設備性能[2]。段塞流捕集器是位于混輸管線終端的油氣初級分離設備，可有效分離和捕集液塞，確保下游設備正常工作；此外，在最大液塞到達時，可作為液體的臨時儲存器，起到緩沖作用，為下游氣液處理裝置提供穩定的氣液流量。設置在海上平臺的段塞流捕集器通常采用容器式，當液塞單元不斷產生并進入捕集器時，會導致捕集器內液位和壓力波動，通常在設計時可采用增大捕集器容積的方式來消除段塞的不利影響，但海上平臺由于空間受限，捕集器的容積不能做得很大。因此，建立和優化海上段塞流捕集器液位和壓力自動控制系統是十分必要的。

對于段塞流捕集器控制系統的設計問題，胡茂宏 等[3]結合項目實例，針對不同工況，設計了不同壓力和液位單回路控制方案；劉新野[4]提出了應用自整定模糊PID的控制算法對捕集器液位及壓力進行控制，可以對不同工況下的系統進行參數自整定，提高了控制效率；孫旭 等[5]提出了不僅要利用壓力、液位控制信號，還要采取分程控制和多信號聯合控制的觀點，擴大了控制閥的可調范圍，改善了控制系統品質；呂宇玲 等[6]探究了分離器排液閥的控制與分離器體積之間的聯系，找出閥門具體開度大小隨時間變化與液位波動的關系，通過對閥門的調節減小分離器的體積，并給出分離器液體出口閥門的選用及控制模型，降低了強烈段塞對集輸系統的影響。

上述研究采用的控制方案均為反饋控制，當系統面臨強烈段塞干擾時，控制作用存在滯后，極易造成捕集器內液位和壓力長時間波動。本文結合某氣田管線實際工況，利用自動控制理論設計了段塞流捕集器的控制系統方案，針對單回路反饋控制作用滯后以及無防超限功能的問題，經過對比和優化，最終確立了前饋-反饋的選擇性控制方案。

1 仿真模型建立

某氣田管道在混輸過程中極易產生嚴重段塞流，導致下游捕集器液位及壓力產生頻繁波動，故考慮利用OLGA軟件建立多相混輸過程模型，以此設計段塞流捕集器控制系統。管道輸送流量為509 000 sm3/d，氣液比為7 900，輸送介質溫度為50 ℃，壓力為2 MPa。海管長約81 km，立管高約150 m，內徑均為422 mm，段塞流捕集器為水平式氣液兩相捕集器，長8 m，直徑2 m。根據上述工況，利用OLGA軟件建立了該氣田混輸管線及段塞流捕集器幾何模型(圖1)，在主管線及分離后的氣液管線出口處各設一調節閥，調節閥均為氣關型。

2 段塞流捕集器控制系統設計

為對比不同控制系統對段塞流引起的捕集器內液位和壓力波動的抑制效果，分別設計了單回路控制、選擇性控制、前饋-反饋選擇性控制3種自動控制系統，對捕集器液位和壓力進行控制。

2.1 單回路控制系統

單回路反饋控制是過程工業中最常用的控制策略，簡單實用且應用廣泛[7]。段塞流捕集器控制系統的被控對象為段塞流捕集器，被控變量為捕集器的液位及壓力，操縱變量為兩支路的流量。其控制系統框圖及OLGA內控制系統模型如圖2所示。

圖2 單回路控制系統

根據被控變量液位和壓力分別組成2個單回路控制系統，形成液位控制系統和壓力控制系統。調節閥即兩支路出口的閥門?？刂破鬟x擇PID控制器，其在OLGA內有封裝好的控制器模塊。PID控制是工業中常用的控制律，理想的PID控制數學表達式為

(1)

式(1)中：Δu(t)為控制器輸出，Kc為比例增益，e(t)為誤差，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，t為時間。通過對Kc、Ti、Td參數的整定，可以達到消除誤差、跟蹤設定值的目的[8]。但由于該被控過程含有高頻變化，測量值含有很大的噪聲，微分作用會對高頻噪聲起放大作用，故只采用PI控制，其數學表達式為

(2)

因調節閥是氣關型，為反作用環節，閥門開度增加，液位、壓力均減小，故被控對象為反作用環節；測量變送環節均為正作用環節；為保證整個閉環系統為負反饋，即所有環節乘積為反作用環節，故可確定兩個控制器均為反作用環節，即比例增益為正值。根據經驗法對液位系統、壓力系統分別進行參數整定，兩回路參數取值Kc=0.5，Ti=1 000 s，液位的設定值為1 m，壓力設定值為2.3 MPa。經過4天模擬，得到捕集器內液位、壓力及液相管線出口流量隨時間變化曲線(圖3)?？梢钥闯?，在沒有嚴重段塞時，液位和壓力值均可以很好地跟蹤到設定值，且沒有穩態誤差；但當嚴重段塞涌入捕集器時，會導致液位的大幅度波動，最高液位可達1.9 m，對設備本身及下游生產都會造成安全隱患[8]；同時液相管線出口峰值流量高達21 000 m3/d，因下游設備處理能力有限，大流量是不被允許的。

圖3 單回路控制系統各參數曲線

2.2 選擇性控制系統

基于上述單回路控制系統存在的問題，對單回路控制系統進行改進，在原有液位和壓力控制的基礎上，增加防止液位及出口流量超限的控制系統。一般來說，凡是在控制回路中引入選擇器的系統都可稱為選擇性控制系統。通過引入選擇器，對2個緊急關斷控制器(ESD1、ESD2)輸出的控制信號進行選擇來實現對控制閥的調節。其選擇性控制回路部分的系統框圖及OLGA內搭建的控制系統見圖4。

圖4 選擇性控制系統

液位緊急關斷控制器(ESD2)的輸入信號由液位變送器給定，同時，液位緊急關斷控制器的輸出信號最小值可不必僅置為0(0表示全關，1表示全開)，在此設為0.01，即當發生超限情況時，閥門并非全關狀態，而是呈1%的開度。該操作在OLGA軟件內可通過修改控制器的最小信號值實現，在現場則通過閥門定位器實現。在ESD2內設置高液位限定值，當段塞流捕集器內液位超過限定值時，ESD2立即動作，輸出控制信號值0.01，即通過迅速減小閥門開度至1%達到控制液位的目的。同時，通過設置復位值可實現當液位低于復位值時，緊急關斷器輸出控制信號重新置為1，即重新使閥門全部打開。出口流量緊急關斷控制器(ESD1)工作原理與ESD2相同。當液位和出口流量兩者之一或兩者都超過限定值時，其對應的緊急關斷器都會輸出0.01。因此為了達到控制目的，選擇器為低選器(LS)，其數學表述為

uo=min(ui1,ui2,ui3,…,uij)

(3)

式(3)中：uij為選擇器的第j個輸入信號；uo為選擇器輸出信號[9]。

正常工況下，由于液位及出口流量均低于限定值，兩個緊急關斷器均未動作，輸出信號為1，即此時低選器的輸入信號均為1，輸出信號亦為1，閥門處于全開的狀態，控制回路等同于單回路控制系統。當管線內發生嚴重段塞，導致捕集器入口流量發生驟變時，捕集器液位及出口流量同時超過限定值，或有一者超過限定值，緊急關斷器進入工作狀態，小于1的信號被低選器選中，輸出控制作用，使捕集器入口閥門開度減小，達到控制目的。針對不同工況，選擇器的輸出信號見表1。

表1 選擇器輸出信號表

模擬開始前，根據實際工況，將液位緊急關斷控制器的限定值設為1.5 m，出口流量緊急關斷器的限定值設為4 000 m3/d。同樣經過4天的模擬，得到捕集器內液位、壓力及液相管線出口流量隨時間變化曲線(圖5)。顯然，在正常工況下，液位和壓力值仍能很好地跟蹤設定值，而當嚴重段塞來臨時，液位則可以很好地穩定在1.5 m以下，液相出口流量峰值大幅度減小，但因該回路存在的純滯后時間較長，控制作用不及時，故會存在某些流量超過限定值的時刻，但大部分時刻流量都穩定在4 000 m3/d以下。

圖5 選擇性控制系統各參數曲線

觀察低選器的輸出作用曲線(圖6)，由于嚴重段塞導致的捕集器液位和液相出口流量發生波動，導致低選器輸出信號不斷變化，閥門在0.01及1之間頻繁動作，對閥門長期安全服役極其不利。

圖6 低選器控制狀態

同時，由于反饋控制只有當擾動引起被控變量偏離設定值之后，控制器才開始實施對擾動的補償，因此其控制作用必然是滯后的，由液位及壓力模擬結果曲線(圖5)可以看出，該控制系統過渡過程時間較長，往往當干擾來臨時，控制系統還未達到穩態值或剛達到穩態值，下一次干擾又開始作用，從而導致液位及壓力發生頻繁振蕩。

2.3 前饋-反饋選擇性控制系統

針對選擇性控制系統的缺陷，對控制系統進行優化，提出了前饋-反饋選擇性控制方案。前饋控制的基本原理是測量進入被控對象或過程的干擾量，并根據干擾的測量值產生合適的控制作用來改變控制量，使被控變量維持在設定值上。前饋控制的框圖中，F(s)為干擾，Y(s)為系統的輸出，Gf(s)為擾動通道的傳遞函數，G0(s)為控制通道的傳遞函數，Gd(s)為前饋補償單元的傳遞函數(圖7)，s為復域內表達傳遞函數模型的復變量。

圖7 前饋控制系統框圖

系統對擾動F(s)實現全補償的條件為：當F(s)≠0時，要求Y(s)=0。系統的輸出Y(s)=(Gd(s)G0(s)+Gf(s))F(s)，由此可推出前饋控制器的傳遞函數為

(4)

該前饋控制器考慮了兩個通道的動態特性，追求的目標是被控變量的絕對不變性，即在整個過渡過程中，被控變量Y(s)始終保持不變。而在實際生產過程中，并不需要如此高的要求，只需在穩態下實現對擾動的補償，即

(5)

其中Δy(t)表示穩態誤差，令式(4)中的s=0，就可以得到基于穩態不變性原理的靜態前饋控制器為

(6)

式(6)中：Kf、K0分別為干擾通道和控制通道的靜態增益，可以用實驗的方法測得。這里將被控對象視為一階慣性加純滯后模型，應用階躍響應曲線的方法測得其傳遞函數為

(7)

同理，測得干擾通道的傳遞函數為

(8)

由此可得，Gd=0.1時，此時前饋控制器為一個純比例控制器。

根據前饋控制器的設計公式可以看出，其控制效果好壞與控制通道和擾動通道的模型精度密切相關，而通過實驗方法獲得的模型跟理論模型一定是存在誤差的。因此，在大多數實際應用中，往往都是將反饋控制與前饋控制結合起來，設計成前饋-反饋控制系統。這樣，可以利用前饋控制來克服可以預見和測量的主要擾動，而對于前饋控制補償不完全的部分，由反饋控制來消除。這樣的控制系統即使在大而頻繁的擾動下，仍然可以獲得優良的控制品質。

考慮到該被控過程的主要擾動為嚴重段塞流，因此需在段塞流捕集器入口處添加一前饋控制器進行擾動補償。在主管線立管底部添加一壓力變送器，作為前饋控制器(PC)的輸入信號，控制器輸出同樣連接至低選器，作為低選器的一個輸入信號。在OLGA內搭建前饋-反饋選擇性控制系統模型(圖8)，該控制系統的工作邏輯為：當液位和出口流量未超限定值時，兩緊急關斷器的輸出信號均為1，前饋控制器通過跟蹤立管底部壓力的設定值產生控制作用，輸出信號小于1，故被低選器選中，調節閥門開度達到抑制段塞、補償干擾的效果；當液位和出口流量某一項超限時，緊急關斷控制器的輸出信號0.01被低選器選中，此時前饋控制器呈開環狀態，進而達到防超限的效果。選擇器輸出信號見表2。

表2 帶有前饋補償的選擇器輸出信號

圖8 前饋-反饋選擇性控制系統OLGA模型

同樣經過4天的模擬，觀察該控制系統下的各被控變量輸出結果(圖9)，顯然，段塞流捕集器的液位和壓力不但能很好地跟蹤到設定值，其波動也大幅度減小，液位僅開始階段有一次超過1.5 m限定值，同時，液相管線的出口流量也最終穩定在1 000 m3/d左右，且在穩態時未超出限定值。因此，選擇前饋-反饋選擇性控制方案對段塞流捕集器的各被控指標進行有效控制。

圖9 前饋-反饋選擇性控制系統各參數曲線

3 前饋-反饋選擇性控制系統在不同工況下的控制效果分析

從2.3節的分析結果可以看出，在正常運行工況下，前饋-反饋選擇性控制方案可以對段塞流捕集器的各被控指標進行有效控制。因段塞流在許多工況下都會出現，故還需考慮在其他工況下控制系統的表現。因此，針對該段塞流捕集器控制系統，采用OLGA模擬驗證系統輸量變化、啟停、工作點變化等3種工況下，前饋-反饋選擇性控制方案的控制效果。

3.1 輸量變化

為分析輸量變化工況下，前饋-反饋選擇性控制方案的控制效果，在OLGA內設定源流量在模擬運行1天后，由一開始的509 000 m3/d變為800 000 m3/d，直至4天后結束。該變化對控制系統來說，可視為一個比較嚴峻的階躍干擾信號，觀察系統的輸出曲線(圖10)，可以看出，雖然系統在1天結束時受到一個階躍信號的干擾，但由于前饋回路的存在，可以很好地對該干擾進行補償，3個被控變量的曲線與正常運行工況相比變化不大，表明控制效果理想，滿足生產需求。

圖10 輸量變化工況下前饋-反饋選擇性控制系統各參數隨時間變化曲線

3.2 啟停

為模擬分析啟停工況下，前饋-反饋選擇性控制方案的控制效果，在OLGA設定正常運行至3天時，經過停產6 h后重新啟動生產，繼續運行至5天后結束。觀察系統各被控變量的輸出曲線(圖11)，可以看出，在0～3 d內，系統處于正常運行工況，各變量變化趨勢與之前相同，3天后系統經歷啟停工況，管道內會產生強烈段塞流，同時由于系統重啟需要重新跟蹤設定值，導致過渡過程時間較長，但當過渡過程結束，約運行至4天時，系統重新進入穩態，捕集器的液位及壓力仍能保持在小范圍內波動，即相對穩定的狀態，控制系統品質仍能得到保證，表明控制效果理想，滿足生產需求。

圖11 啟停工況下前饋-反饋選擇性控制系統各參數曲線

3.3 工作點做階躍變化

為模擬分析工作點做階躍變化工況下，前饋-反饋選擇性控制方案的控制效果，以捕集器的液位為例，在系統運行1天后，在OLGA將捕集器的液位設定值由1 m變為0.9 m，觀察系統運行4天后的(圖12)?？梢钥闯?，在設定值做階躍變化后，系統可以很迅速地跟蹤到新的設定值，并在新的工作點下保持穩定，表明系統控制效果良好，滿足要求。

圖12 設定值做階躍變化時控制系統液位曲線

以上分析結果表明，所選定的前饋-反饋選擇性控制方案控制效果較好，系統設計可靠，滿足生產需求。但實際應用中，由于前饋控制器是專用控制器，針對不同被控對象，其形式會有所不同。若采用的前饋補償器包含積分作用，當其長時間處于開環狀態時，會產生積分飽和現象，需要采取積分抗飽和措施。OLGA軟件內封裝好的PID控制器已經具有抗飽和措施，在實際應用時，則需注意要采取一定的防積分飽和措施。常用的防積分飽和的方法是當發現控制器輸出飽和時，就停止控制器的積分作用，當控制器輸出不再飽和時，恢復積分作用。實際工程中，積分作用是一個正反饋過程。因此，可以在正反饋回路中增加一個限幅環節，當控制器輸出達到幅值后就無法繼續累加上去，即積分作用被切斷[10]。另外可以考慮將前饋控制器設計成壓力-流量串級控制器，以此獲得更好的控制品質[11]。

4 結論

利用OLGA多相流瞬態模擬軟件設計的段塞流捕集器前饋-反饋選擇性控制系統可以很好地將捕集器的液位、壓力穩定在設定值，同時由于前饋控制器的存在，可以很好地對段塞干擾進行補償，減小了捕集器各參數的頻繁波動，系統的動態性能和穩態性能都具有良好的表現，同時具有防超限功能，可以滿足安全生產需求。建議在實際工程應用中，將前饋控制引入段塞流捕集器控制回路，因其各環節靜態增益較易獲得，且前饋控制器形式為比例控制器，在工程中較易實施，成本小，收益大，推薦使用前饋-反饋選擇性控制方案。