平行多列油气装置的自动负荷分配及控制

(中国石油集团工程设计有限公司北京分公司，北京 100085)

0 引言

随着中国经济对油气资源的需求日益增加，中国公司参与开发和建设的海外大型整装油田越来越多。大型油田的规模远超过国内常见零散的小区块低产油田。大型整装油田的生产技术工艺与传统的单列油气处理工艺有着根本性的差别，传统的单列油气处理工艺已经无法满足现实需求。为了适应大型油田的生产特点，提升石油生产的集约化水平，采用多列油气处理装置并列运行的工艺技术得以大规模应用。

多列油气处理装置并列运行时，由于工艺设备、配管安装、工况变化等因素的影响，出现了许多新的问题，典型的如每列装置处理负荷的不平衡。当出现负荷不平衡时，部分列装置由于负荷过大超出了处理能力，导致产品指标不合格；部分列装置由于负荷过小达不到设备正常运行的负荷下限，导致装置不能正常运行。为了保证平行运行的多列装置始终能够处于最佳状态，并主动适应工艺系统的工况变化，需要通过自动控制的手段及时调整每列装置的负荷平衡。

1 工艺原理

在石油开采过程中，井口流出物通常包含原油、伴生气、水以及其他杂质。为了生产出合格的原油，需要采用油气水分离、脱水、脱盐、稳定等一系列措施进行处理。在大型油田中，由于单台设备处理能力的限制，需要采用多台装置并列运行来满足扩大油气处理能力的要求[1]。

在井口的流出物进入油气处理装置正式处理之前，需根据工况的需要综合考虑预处理措施。采用段塞流捕集器实现气液的初步分离是一种常见的预处理措施。气液两相流进入段塞流捕集器初步分离后，气体进入气体处理系统，以液体为主的流体进入后续的平行多列油气装置进行处理，各列的负荷分配通过控制每列进液量实现。实际生产运行时，常会出现偏流现象，原因分析如下。

① 每列的油气处理设施虽然按照相同的技术指标设计，但是由于制造上的误差，不可能完全一致，在具体单台设备的技术性能上有些差别；

② 每列装置的管线长度、管阀件等的差异造成管路摩阻存在差异，使得流体容易向摩阻小的装置流动；

③ 装置运行一段时间后，在管线、设备中沉积的泥沙等杂物会导致流体进入每列装置后的流动状况发生变化。

典型的生产工艺原理如图1所示。

图1 典型的多列油气工艺原理图

2 负荷分配控制方案

负荷分配自动控制的目的就是通过自动化的手段，克服多列装置平行运行时的偏流现象，对各列油气进行平均负荷分配控制，使每列油气装置的生产最优化。其手段是在不限制总的处理量的前提下，通过合理平均调配每列进口的流量，并使每列的流量变化同步[2]。

负荷分配控制原理如图2所示。图2中，各物理量含义如表1所示。

图2 多列负荷分配控制原理图

负荷自动分配的一个基本要素是需要首先明确工艺系统中影响每列处理量的共性参数。该参数作为主要指标,用于控制所有列的总的处理量。选择共性参数时，要从工艺系统的角度考虑装置总体处理能力与油田生产能力之间的关系。当装置总体处理能力超过油田生产能力时，要以油田生产能力确定规模；当油气处理装置完全有能力适应、接收和处理来自油井的各种不同工况的流体时,需要选取工艺介质进入装置时的共性参数进行控制，如段塞流捕集器的液位或者进站总汇管的压力等；当油田生产能力超过装置总体处理能力时，要根据装置处理能力确定规模，以确保油气处理装置在安全负荷内安全运行，此时需要选取装置对工艺介质处理后的共同关键参数进行控制，如储油罐的液位等。

表1 各物理量含义

确定主要控制参数后，需要研究如何保证每列装置进口流量变化的同步，找出能反映每列偏流状况的参数作为扰动因素。由于多列装置平行运行时的偏流现象直接反映为各列进口流量的不均衡，因此负荷平衡就要减少流量大的列的流量，同时加大流量小的列的流量，最终达到每列的量基本相同。每列进口的流量变化是典型的扰动因素。基于单列装置考虑，在其入口设置流量调节，通过流量检测控制调节阀的开度来调整流量。同时基于多列装置并行考虑，每列的流量控制目标不是固定的，应随着总处理量的变化而变化，并且此流量控制目标对每列装置来说应是相同的。

综合以上分析，在控制方法上采用串级控制方案。主回路采用的是与每列装置密切相关的全局控制参数，副回路采用每列的进口流量。主回路的输出作为副回路的设定值输入，对于每个副回路来说，其设定值均跟随主回路的输出同步变化，保证了副回路控制目标的统一[3-5]。

3 需要考虑的因素

本文的控制方案是一个包含了多个副回路的复杂的串级控制。主回路与每个副回路各有一个控制调节器，主回路控制调节器的输出作为副回路控制调节器的设定值，副回路控制调节器的输出作为调节阀的输入。由于控制方案相对复杂，需在短时间内对被测变量变化做出反应，控制系统工作频率较高、计算量大，因此建议使用控制功能较强大的集散控制系统(distributed control system，DCS)。主控制器和副控制器采用基于PID的控制算法，但是由于检测与控制涉及到整个工艺生产链，存在较大的滞后，应用中需要根据工况考虑合适的超前校正[6-7]。

系统中的流量检测装置所测介质为油、气、水同时存在的多相流体，多相流的相界面形状和分布随时间和空间变化，且相间存在相对速度，管道内的分相流量比和分相管截面比等参数不相等。与单相流相比，多相流流动特性更复杂，多数流量检测仪表难以适应多相流的流量检测。一般情况下，在油气处理前期，对多相流的测量准确度要求不高，且不需测出每相的流量。因此，可采用适应性较强、经济性较好的差压式流量测量仪表作为多相流总体流量的检测装置[8-10]。

4 技术应用

自动负荷分配控制有效地调节了平行多列油气装置的生产负荷，能够快速平稳地响应油品运输变化与石油生产产量的变化等多种复杂的情况，效率高、劳动强度低。

在油田生产中，已经应用的有以下两种方案。

① 采用多列装置上游的公共变量作为主控参数，如段塞流捕集器的液位，实现每列装置的负荷分配。段塞流捕集器液位控制与各列流量控制形成了串级控制。段塞流捕集器的液位控制作为主控制器，其输出作为各列流量副控制器的设定值输入。每列装置正常运行时，若流量检测值高于由主控制器输出信号产生的设定值，则流量副控制器关小该列入口调节阀，减少流量；若流量检测值低于由主控制器输出信号产生的设定值，则流量副控制器开大该列入口调节阀，增加流量。

段塞流捕集器液位控制与各列流量控制体现了串级控制的思想，段塞流捕集器液位作为主控制变量，单列流量作为副控制变量。单列流量出现扰动时，可以直接调节执行机构，通过调节阀调节流量迅速克服扰动，减少对于段塞流捕集器液位的影响。段塞流捕集器液位与各列流量的串级控制有助于控制段塞流捕集器液位的稳定，有效地抑制了单列流量异常变化对油气处理系统工作效率的影响，改善了过程的动态特性，提高了控制系统的工作频率与控制质量。

② 根据站场的处理能力，采用多列装置下游的公共变量作为主控参数，如处理后净化油储罐的液位，实现每列装置的负荷分配。储油罐液位控制与各列流量控制组成了串级控制系统。当流量控制作为副回路，单列流量出现扰动时，可以通过流量控制器调节调节阀迅速平复；当储油罐液位作为主控制变量，储油罐液位发生变化时，液位控制器给予各列流量控制器的设定值会改变，影响副回路，控制调节阀进行调节。控制系统中，副回路出现的扰动能够迅速平复，有效地减少“二次扰动”的影响。主控制参数的控制精度更高，能

够有效地控制储油罐液位的稳定。

5 结束语

平行多列油气装置负荷分配控制方案是针对大型油田生产特点而提出的一种实用的控制策略，能够达到平均负荷分配稳定生产的目标，实现生产最优化和生产效率最大化。在实际的工程设计时，主控制参数与副控制变量的选取应综合考虑可用性与设计原则，选取最优控制方案。

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