摘 要：天然氣加熱爐廣泛應(yīng)用于天然氣集輸系統(tǒng)中，中國石化開發(fā)的四川盆地普光氣田現(xiàn)有的加熱爐系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)流量和壓力的自動(dòng)控制，嚴(yán)重影響了該氣田的生產(chǎn)運(yùn)行效率。為此，分析了酸氣加熱爐的工藝流程及其特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了酸氣加熱爐的智能控制系統(tǒng)，并針對(duì)其不足進(jìn)行了一系列優(yōu)化：①二級(jí)節(jié)流閥開度流量關(guān)系曲線的線性優(yōu)化；②偏差—控制量關(guān)系的優(yōu)化；⑧偏差積分一控制量關(guān)系的優(yōu)化；④流量壓力延時(shí)控制優(yōu)化；⑤采用多參數(shù)綜合控制算法，使被控流量壓力更快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，達(dá)到新的設(shè)定值；⑥增加了智能識(shí)別和處理模塊。優(yōu)化后的酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)克服了原來PID控制系統(tǒng)的功能缺陷，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)出酸氣流量、壓力的穩(wěn)定控制，為該氣田的安全生產(chǎn)開發(fā)提供了技術(shù)保障。同時(shí)，該系統(tǒng)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)、PLC等智能化、數(shù)字化設(shè)備的優(yōu)勢，可以方便地通過計(jì)算機(jī)操作完成對(duì)全氣田各井酸氣自動(dòng)調(diào)產(chǎn)、調(diào)壓工作，為數(shù)字化氣田建設(shè)提供了技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：四川盆地 普光氣田 酸氣 加熱爐 智能控制 構(gòu)建 優(yōu)化 中國石油化工股份有限公司
Building and optimizing an intelligent control system of a sour gas heating furnace in the Puguang Gas Field,Sichuan Basin
Abstract：A natural gas heating furnace has been widely applied in natural gas gathering and transportati。n system in fields．However，the exlstlng heating furnace system failed to achieve the automatic control of flow rate and pressure in the Sinopec Puguang Gas Field，Sichuan Basin，severely influencing the operation efficiency．In view of this，through the analysis of the flow process and char acterlstles of a sour gas heating furnace in this field，an intelligent control system was built and was further optimized in many ways：the linear optlmlzatlon of the valve opening vs flow rate of FVC(flow control valve)，the optimization of deviation vs controlled variable，the optimization of deviation integral vs controlled variable，the optimization of delay time controlling of flow rate and pressure,the optimization of multivariable proportional integral derivative(PID)controllers(as a result，the controlled flow rate and pressure will rapidly come to the steady state of reaching up to a newly set value)，and the addition of an intelligent recognition and processing module．The optimized intelligent control system for the sour gas heating furnace remedies ttle defect of the former PID controller to achleve the steady control of sour gas flow rate and pressure，providing robust technological support for the safe development and production of the gas field．Besides，with such intelligent and digitalized equipments as computers，programmable logic controller(PLC)，etc．brought into full use，this optimized intelligent control system can help automatically control and adjust the well production and pressure of each sour gas well all over the field，providing technological support for the construction of a digitalized gas field．
Key words：Sichuan Basin，Puguang Gas Field，sour gas，natural gas heating furnace，intelligent control system，building，optimization，Sinopec
天然氣加熱爐作為油氣田一種重要的加熱設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于天然氣集輸系統(tǒng)中[1-4]。中國石化普光氣田屬高酸性氣田，開發(fā)中面臨劇毒、強(qiáng)腐蝕性等諸多高風(fēng)險(xiǎn)因素，使安全成為關(guān)系工程建設(shè)成敗的決定性條件。但目前，普光氣田所使用的加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)一直未能正常發(fā)揮作用，無法實(shí)現(xiàn)酸氣定產(chǎn)、穩(wěn)壓以及流量的準(zhǔn)確計(jì)量，酸氣加熱效果差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成加熱爐停爐、關(guān)井。筆者以酸氣加熱爐流量及壓力的自動(dòng)控制為核心，對(duì)加熱爐智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建及優(yōu)化進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了酸氣流量、壓力、溫度的自動(dòng)控制，其成果對(duì)于氣井定產(chǎn)穩(wěn)壓、調(diào)產(chǎn)、調(diào)壓、溫控、燃燒自動(dòng)控制等方面具有重要作用，為氣田的安全生產(chǎn)開發(fā)與數(shù)字化氣田建設(shè)提供了技術(shù)保障。
1 酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建
1．1 酸氣加熱爐工藝流程特點(diǎn)
圖l為酸氣加熱爐工藝流程圖，從左到右依次為井口一級(jí)節(jié)流閥后壓力(P1)和溫度(T1)變送器、二級(jí)節(jié)流閥(FVC)、二級(jí)節(jié)流閥后壓力(P2)和溫度(T2)變送器、加熱爐一級(jí)盤管、三級(jí)節(jié)流閥(PVC)、加熱爐二級(jí)盤管、三級(jí)節(jié)流后后壓力(P3)和溫度(T3)變送器、流量計(jì)(Q3)等。根據(jù)生產(chǎn)要求，Q3、P2、T3是關(guān)鍵控制對(duì)象，而Q3、P2同時(shí)都與二級(jí)三級(jí)節(jié)流閥的開度有關(guān)，任何一個(gè)閥動(dòng)作都會(huì)同時(shí)影響Q3和P2，調(diào)節(jié)流量會(huì)引起壓力變動(dòng)，調(diào)節(jié)壓力同樣也會(huì)引起流量變化。流量變化也會(huì)影響溫度的控制，進(jìn)而影響加熱爐的工作狀態(tài)。根據(jù)這一工藝流程特點(diǎn)，一般的PID控制已不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，需要應(yīng)用智能控制解決多變量相互干擾的技術(shù)問題。
1．2 智能控制系統(tǒng)基本模型
智能控制系統(tǒng)由知識(shí)庫、推理機(jī)及控制器組成，基本模型見圖2。圖2中u(t)為控制量，e(t)為偏差，ysp(t)為設(shè)定值，y(t)被控參數(shù)如流量、壓力、溫度等?？刂屏?span lang="EN-US">u(t)與多種變量或事實(shí)相關(guān)，構(gòu)成復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系或變化規(guī)則。
知識(shí)庫：把人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)表達(dá)成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別、理解和執(zhí)行的語言，即事實(shí)和規(guī)則(IF-THEN)，并把這些事實(shí)和規(guī)則送入計(jì)算機(jī)，建立一個(gè)軟件模塊，即知識(shí)庫。知識(shí)庫代表人對(duì)生產(chǎn)過程控制的最佳操作方案。
推理機(jī)：是知識(shí)控制軟件模塊根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)選擇一件事實(shí)，并在知識(shí)庫中搜索對(duì)應(yīng)規(guī)則。若事實(shí)與規(guī)則(IF)匹配，則對(duì)執(zhí)行器發(fā)出執(zhí)行操作的指令(THEN)。“事實(shí)”包括控制系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)、中間運(yùn)行狀態(tài)、中間結(jié)果、性能指標(biāo)等，如設(shè)定值、被控量、控制量、偏差、偏差變化率、超調(diào)量、控制動(dòng)態(tài)過程時(shí)間、震蕩次數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)以及其他相關(guān)變量等。
對(duì)加熱爐智能控制系統(tǒng)而言，Q3的控制量u2(t)(以節(jié)流閥的開度表示)就不只與Q3的偏差有關(guān)，還與當(dāng)前兩個(gè)節(jié)流閥開度、Q3及其偏差絕對(duì)值的均值、P2及其偏差、P1、P3、T3、Q2等事實(shí)有關(guān)。壓力與流量的情況相同，與諸多工藝參數(shù)或因素相關(guān)。
2 酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化
根據(jù)上述情況，用軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
2．1 二級(jí)節(jié)流閥開度流量關(guān)系曲線線性的優(yōu)化方案
繪制擬合曲線和線性化補(bǔ)償反函數(shù)曲線(圖3)。二級(jí)節(jié)流閥開度(ST)與流量系數(shù)(CV)存在圖3-a藍(lán)色曲線所示關(guān)系，曲線表明兩者關(guān)系非線性比較嚴(yán)重，不利于流量均勻準(zhǔn)確控制，必須進(jìn)行線性化，以達(dá)到智能線性解耦控制。
補(bǔ)償后，控制量與流量摹本早現(xiàn)直線關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了二級(jí)節(jié)流閥在0～100％開度范圍內(nèi)對(duì)流量的均勻線性控制。
2．2 偏差[e(t)]—控制量[u(t)]關(guān)系的優(yōu)化
引用智能控制系數(shù)Kint和相對(duì)偏差絕對(duì)值的均值E(f)，使比例隨偏差而變。起始部分大，控制較快，隨著偏差變小，控制比例變小，收斂效果更好，殘差和波動(dòng)幅度更小，控制效果更好(圖4、5)，圖中縱坐標(biāo)y(f)／Y表示被控參數(shù)與量程的百分比。
可見，采用智能控制，可使偏差快速穩(wěn)定收斂，當(dāng)[å|e(t)|／n]／Yset≥5％時(shí)，采用固定比例控制，當(dāng)[å|e(t)|／n]／Yset≤5％時(shí)，采用一定時(shí)間(大約0.5個(gè)波動(dòng)周期)相對(duì)偏差絕對(duì)值的均值(10／Yset)[ å|e(t)|／n]作為改變控制量的隨機(jī)變動(dòng)系數(shù)，智能系數(shù)Kint，與E(t)在5％以下時(shí)呈線性遞增關(guān)系，控制量u(t)與E(t)呈非線性遞增關(guān)系。
從上述分析可知，采用智能控制系統(tǒng)，可以快速穩(wěn)定收斂，偏差較小，超調(diào)量較小，不易震蕩。因此，在酸氣流量、壓力難于控制的復(fù)雜工況環(huán)境中可以應(yīng)用。
2．3 偏差積分[i(t)]一控制量[u(t)]關(guān)系的優(yōu)化
引用智能積分控制系數(shù)，隨機(jī)改變積分強(qiáng)度，偏差越大、積分作用越強(qiáng)，偏差越小、積分作用越弱。效果見圖6、7，圖中縱坐標(biāo)y(t)／Y表示被控參數(shù)與量程的百分比。
2．4 流量壓力延時(shí)控制優(yōu)化方案
采用智能解耦控制，將延時(shí)后的測量偏差作為下一步控制依據(jù)，若延時(shí)T，則控制量u(t)對(duì)應(yīng)e(t+T)(圖8)。
2．5 其他控制優(yōu)化方案
針對(duì)二三級(jí)調(diào)節(jié)閥均與流量壓力同時(shí)相關(guān)，另外采用多參數(shù)綜合控制算法，使被控流量壓力更快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，達(dá)到新的設(shè)定值；針對(duì)高含硫及雜質(zhì)對(duì)現(xiàn)場儀表的影響進(jìn)行了控制功能優(yōu)化，軟件中增加了智能識(shí)別和處理模塊，如節(jié)流閥卡堵識(shí)別及處理、流量計(jì)及壓力變送器引壓管堵塞識(shí)別及處理等。
3 酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)技術(shù)試驗(yàn)
3．1 加熱爐及控制系統(tǒng)工藝設(shè)備參數(shù)
氣田在運(yùn)的加熱爐型號(hào)為ENERFLEX800W／1000W，爐體額定耐壓壓力為0.1MPa，最高工作溫度為l15℃，一級(jí)盤管額定耐壓壓力為20MPa，二級(jí)盤管額定耐壓壓力為10.7MPa。孔板流量計(jì)的引用誤差為±l.5％F·S，F·S為流量計(jì)量程(100×104m3／d)。流量、壓力、溫度等參數(shù)必須控制在設(shè)備額定工作范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)流量、壓力、溫度控制精度在設(shè)定值±3％F·S范圍以內(nèi)。
3．2 智能控制系統(tǒng)試驗(yàn)檢測線路設(shè)計(jì)
以計(jì)算機(jī)和PLC為核心組成智能控制系統(tǒng)[5-6]，完成流量、壓力等的自動(dòng)控制(圖9)。
3．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3．3．1酸氣調(diào)產(chǎn)動(dòng)態(tài)／穩(wěn)態(tài)特性
酸氣調(diào)產(chǎn)時(shí)的流量壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控如圖l0所示。
3．3．2酸氣調(diào)壓動(dòng)態(tài)／穩(wěn)態(tài)特性
酸氣調(diào)壓時(shí)的流量壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控如圖ll所示。
由圖l0、11可知，酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量、壓力自動(dòng)控制功能，消除了流量、壓力的波動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)酸氣自動(dòng)定產(chǎn)、定壓控制。
3．4 系統(tǒng)功能參數(shù)
酸氣加熱爐智能控制系統(tǒng)流量、壓力控制指標(biāo)如表1所示。
4 結(jié)論
1)由智能控制系統(tǒng)構(gòu)建的普光氣出酸氣加熱爐控制系統(tǒng)，克服了原來PID控制系統(tǒng)不穩(wěn)定造成的關(guān)井停爐現(xiàn)象和其他集輸設(shè)備的生產(chǎn)故障，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)出酸氣流量、壓力的穩(wěn)定控制，為氣田的安全生產(chǎn)開發(fā)提供了技術(shù)保障。
2)該系統(tǒng)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)、PLC等智能化、數(shù)字化設(shè)備的優(yōu)勢，可以方便地通過計(jì)算機(jī)操作完成對(duì)全氣田各井酸氣自動(dòng)調(diào)產(chǎn)、調(diào)壓工作，為數(shù)字化氣田建設(shè)提供了技術(shù)支持。
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本文作者：王和琴 張分電 李延利 劉方儉 寧海春 韓燕君
作者單位：中國石化中原油田普光分公司
中國石化中原油田勘探開發(fā)科學(xué)研究院
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