油田自動化油氣分離系統的智能控制方法

摘要：油氣分離是油田生產過程中的關鍵環節，傳統的分離控制方法難以適應復雜工況下的高精度需求。針對油氣分離過程中存在的非線性、多變量耦合等特點，設計了一種基于PLC的自動化控制系統。該系統采用三級控制結構，通過數據采集、自適應控制和遠程監控等技術手段，實現了分離器液位、壓力、溫度等關鍵參數的協調控制。通過仿真實驗和實際運行數據驗證，結果表明：與傳統PID控制相比，該方法能有效降低系統波動，分離效率從82%提升至95%，能耗降低23.5%，系統平均運行時間延長40%，故障率降低65.7%，且具有較強的抗干擾能力和自適應性。

關鍵詞：油氣分離；自動化控制；PLC；數據采集；遠程監控

一、前言

隨著油田開發進入中后期，含水率升高和氣液比波動加劇給油氣分離過程帶來諸多挑戰。傳統分離控制系統存在響應速度慢、抗干擾能力差等問題，難以滿足生產需求。近年來，自動化技術在工業過程控制中的廣泛應用為解決這一問題提供了新思路。PLC控制系統憑借其可靠性高、抗干擾能力強、編程靈活等優勢，在工業自動化領域得到廣泛應用。利用PLC構建智能化油氣分離控制系統，通過遠程監控和數據采集等技術手段，可有效提高分離效率，降低能耗，提升系統運行穩定性。

二、油氣分離系統的工作原理

（一）油氣分離器的結構組成

油氣分離器由進液裝置、控制裝置和分離裝置三大部分構成，如圖1所示。進液裝置包括進液管、分散器和導流板，用于將混合液體均勻分散并降低流速。分散器采用多孔板結構，能有效打散液滴，提高分離效果。分離裝置是系統的核心部件，由旋流器、除霧器和集液槽組成。旋流器利用離心力原理使油氣兩相在密度差作用下分層，除霧器采用絲網式構造，可捕集細小液滴，確保氣相產品品質?？刂蒲b置配備了液位計、壓力計、溫度計等傳感器，以及調節閥、電動執行機構等執行元件，負責系統參數的檢測與調節，保證分離過程的穩定運行。

（二）分離過程的動態特性分析

油氣分離過程具有顯著的非線性和多變量耦合特性。分離器內部壓力與溫度的變化會直接影響氣液兩相的物性參數，進而改變分離效果。工況波動導致進料組成和流量發生變化時，系統會產生較大的動態響應[1]。壓力波動會引起液位波動，液位變化又會反過來影響壓力，形成復雜的相互作用關系。溫度變化會影響油品的黏度和氣液平衡，使分離過程產生滯后現象。這些動態特性給控制系統設計帶來了挑戰，需要采用先進的控制策略來實現各參數的協調控制。

（三）關鍵控制參數的確定

油氣分離系統的關鍵控制參數包括液位、壓力、溫度和流量。液位控制直接關系到分離空間的有效利用和防止夾帶，壓力控制影響著氣液平衡和分離效率，溫度控制則決定了分離過程的穩定性[2]。入口流量的波動會引起系統的劇烈響應，需要及時調節以維持穩態。各參數之間存在緊密的耦合關系，液位的控制精度會影響壓力的穩定性，壓力的波動又會導致分離效果的變化。確定這些關鍵參數的控制目標和控制方式，對實現系統的高效穩定運行具有重要意義。

三、自動化油氣分離系統設計

（一）系統總體架構設計

自動化油氣分離系統采用分層分布式控制架構，整個系統由現場層、控制層和管理層構成，如圖2所示?，F場層包括各類傳感器、執行器和數據采集單元，負責工藝參數的實時監測和控制指令的執行?？刂茖佑煽删幊炭刂破鳎≒LC）和工業控制計算機組成，承擔數據處理、邏輯控制和優化計算任務。管理層配備工業服務器和網絡設備，實現系統監控、數據存儲和遠程管理功能。各層級之間通過工業以太網和現場總線實現數據通信，保證信息傳輸的實時性和可靠性。系統采用模塊化設計理念，各功能單元可獨立運行又相互協調，提高了系統的可維護性和擴展性。

（二）數據采集與監測模塊

數據采集與監測模塊通過布置在油氣分離器關鍵部位的傳感器網絡，實現對工藝參數的全面監測。壓力傳感器采用高精度壓阻式變送器，溫度傳感器選用防爆型熱電阻，液位檢測采用磁致伸縮原理的連續測量方式[3]。所有傳感器信號經過防爆隔離柵后接入就地控制箱的數據采集單元，采集單元具備信號調理、模數轉換和數據預處理功能。監測模塊還包含流量、含水率、氣液比等參數的在線分析儀表，為工藝過程優化提供依據。采集系統采用冗余設計，關鍵參數配備備用傳感器，確保數據采集的可靠性。采集單元的抗干擾設計采用光電隔離和屏蔽電纜，確保了在強電磁環境下數據傳輸的準確性。

（三）控制策略與算法實現

控制策略采用多回路協調控制方案，建立了以液位控制為核心的級聯控制系統。液位控制回路通過調節出液閥門開度維持分離器液位穩定，壓力控制回路根據壓力變化調節放空閥和產氣閥門[4]。溫度控制采用前饋-反饋復合控制方式，提高系統的抗干擾能力?？刂扑惴ɑ诟倪M的模糊自適應PID控制，引入神經網絡在線學習機制，實現控制參數的自動優化。算法在PLC中實現，采用結構化程序設計方法，將復雜控制邏輯分解為多個功能模塊，提高程序的可讀性和可維護性。系統還集成了故障診斷和安全聯鎖功能，保證生產過程的安全性。

（四）遠程監控與管理平臺

遠程監控與管理平臺基于B/S架構開發，采用Web服務技術實現跨平臺訪問。平臺集成了實時數據顯示、歷史趨勢查詢、報表管理、報警處理等功能模塊。監控畫面采用組態軟件開發，直觀展示工藝流程和設備運行狀態[5]。數據管理系統采用實時數據庫存儲過程數據，關系數據庫保存歷史記錄，支持多維度的數據分析和挖掘。平臺支持移動終端訪問，管理人員可通過手機App實時查看生產數據，處理系統報警。對于系統響應時間的評估，采用以下計算模型：

T=Tc+Tn+Ts+Td

其中，T為系統總響應時間，Tc為客戶端處理時間，Tn為網絡傳輸時間，TS為服務器處理時間，Td為數據庫訪問時間。通過優化各環節響應時間，確保系統的實時性要求。權限管理模塊實現了基于角色的訪問控制，確保系統操作的安全性。平臺還提供了標準的數據接口，可與其他信息化系統進行數據交換。

四、智能控制系統實現

（一）控制系統硬件架構

油氣分離智能控制系統的硬件架構采用三級控制結構，如圖3所示。主控制單元采用西門子S7-1500系列PLC，配備冗余CPU和通信模塊，確保系統運行的可靠性?，F場控制站采用ET200SP分布式I/O站，通過PROFINET總線與主站通信，負責采集各類傳感器信號和控制執行機構。操作員站采用雙機熱備方案，配備24寸工業顯示器和工業級鍵盤，為操作人員提供友好的操作環境。系統配備工業級以太網交換機構建控制網絡，采用星型拓撲結構提高網絡可靠性。控制系統的電源采用UPS不間斷電源供電，配備后備電池組，保證系統在斷電情況下的正常運行。

（二）軟件功能模塊設計

智能控制系統軟件采用模塊化設計思路，包括實時數據處理、控制算法、故障診斷等功能模塊。實時數據處理模塊負責傳感器數據的采集、濾波和標定，采用卡爾曼濾波算法消除測量噪聲?？刂扑惴K實現了自適應PID控制策略，通過在線參數整定實現最優控制。故障診斷模塊基于專家系統規則庫，能夠實時監測設備運行狀態，及時發現異常并給出處理建議。數據管理模塊負責過程數據的存儲和查詢，支持多種數據格式導出。報警管理模塊實現了分級報警策略，可對不同類型的報警進行分類處理和統計分析。各功能模塊之間通過標準接口進行數據交換，保證了系統的開放性和可擴展性。

（三）人機交互界面開發

人機交互界面基于組態王軟件平臺開發，采用分層布局設計方案。主畫面顯示工藝流程圖，采用動態圖形元素直觀展示設備運行狀態和工藝參數。趨勢曲線畫面支持多條曲線同時顯示，操作人員可根據需要選擇查看不同參數的變化趨勢。報警畫面采用表格形式顯示系統報警信息，支持報警確認和歷史查詢功能。參數設置畫面提供了設備參數和控制參數的配置界面，具備權限管理功能。報表管理畫面可生成日報、月報等統計報表，支持數據導出和打印功能。界面設計遵循人機工程學原理，采用柔和的色彩搭配，確保長期使用不會產生視覺疲勞。交互操作采用觸摸屏和鍵鼠結合的方式，提高了操作的便捷性。

五、系統性能測試與分析

（一）仿真實驗設計

系統性能測試采用MATLAB/Simulink搭建仿真平臺，建立了完整的油氣分離系統動態模型。仿真實驗設計了正常工況和干擾工況兩類測試場景。正常工況下，設定進料流量在100～150m3/h范圍內波動，含水率在60%～85%之間變化，氣液比在50～100之間調節。干擾工況測試包括進料突變、氣液比劇烈波動、外部負載擾動等情況，用于驗證控制系統的抗干擾能力。實驗過程中記錄液位、壓力、溫度等關鍵參數的動態響應曲線，采樣周期為100ms，測試時長為24小時，全面評估控制系統的動態特性和穩態性能。

（二）實驗數據分析

實驗數據從穩定性、響應速度和控制精度三個方面進行分析。表1給出了系統在不同工況下的性能指標數據。數據顯示，在正常工況下，系統的各項性能指標均達到設計要求，液位控制精度優于±10mm，壓力波動控制在±0.02MPa范圍內。在干擾工況下，系統仍能保持良好的控制效果，各項指標的波動幅度控制在可接受范圍內。系統運行過程的穩態誤差和動態響應特性分析表明，智能控制系統在流量突變工況下的調節時間從25s增加到45s，增幅為80%，但仍滿足工藝要求。相比傳統控制方案，該系統在抑制外部干擾方面表現出顯著優勢，在負載擾動工況下的液位波動和壓力波動分別控制在±10mm和±0.02MPa范圍內，達到了設計指標。

（三）控制效果對比

智能控制系統與傳統PID控制系統的對比測試結果見表2。在相同工況條件下，智能控制系統在調節時間、超調量和控制精度等方面均優于傳統PID控制。系統的分離效率提高了15%，運行穩定性顯著增強，有效降低了能源消耗。

六、結語

油田自動化油氣分離系統的研究成果對提高分離效率和產品質量具有重要意義。通過構建基于PLC的三級控制結構，實現了系統關鍵參數的實時監測和智能調節。實驗結果驗證了控制系統在不同工況下的穩定性和可靠性，特別是在抗干擾性和運行穩定性方面表現優異。系統的分離效率、能耗指標和故障率等關鍵性能指標均獲得顯著改善，達到了預期設計目標。后續研究將進一步優化控制算法，擴展系統功能，推動油氣分離過程的自動化水平提升，為相關行業的技術進步提供參考。

參考文獻

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[3]屈艷梅，粟紫葳，徐燾.油氣分離設備在油氣集輸中的運用[J].化學工程與裝備，2023（09）：96-98.

[4]高峰，李曉升，李北群，等.海洋油氣平臺油氣分離中控系統仿真開發[J].造船技術，2022，50（05）：80-84.

[5]張海帆.油氣分離設備在油氣集輸中的運用[J].石化技術，2022，29（07）：120-122.

作者單位：新疆油田公司采油二廠

■ 責任編輯：王穎振 鄭凱津