摘 要

摘　要：天然氣加熱爐廣泛應用于天然氣集輸系統中，中國石化開發的四川盆地普光氣田現有的加熱爐系統無法實現流量和壓力的自動控制，嚴重影響了該氣田的生產運行效率。為此，分析了

摘　要：天然氣加熱爐廣泛應用于天然氣集輸系統中，中國石化開發的四川盆地普光氣田現有的加熱爐系統無法實現流量和壓力的自動控制，嚴重影響了該氣田的生產運行效率。為此，分析了酸氣加熱爐的工藝流程及其特點，在此基礎上構建了酸氣加熱爐的智能控制系統，并針對其不足進行了一系列優化：①二級節流閥開度流量關系曲線的線性優化；②偏差—控制量關系的優化；⑧偏差積分一控制量關系的優化；④流量壓力延時控制優化；⑤采用多參數綜合控制算法，使被控流量壓力更快速進入穩態，達到新的設定值；⑥增加了智能識別和處理模塊。優化后的酸氣加熱爐智能控制系統克服了原來PID控制系統的功能缺陷，實現了產出酸氣流量、壓力的穩定控制，為該氣田的安全生產開發提供了技術保障。同時，該系統充分發揮計算機、PLC等智能化、數字化設備的優勢，可以方便地通過計算機操作完成對全氣田各井酸氣自動調產、調壓工作，為數字化氣田建設提供了技術支持。

關鍵詞：四川盆地  普光氣田  酸氣  加熱爐  智能控制  構建  優化  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備，廣泛地應用于天然氣集輸系統中^[1-4]。中國石化普光氣田屬高酸性氣田，開發中面臨劇毒、強腐蝕性等諸多高風險因素，使安全成為關系工程建設成敗的決定性條件。但目前，普光氣田所使用的加熱爐自動控制系統一直未能正常發揮作用，無法實現酸氣定產、穩壓以及流量的準確計量，酸氣加熱效果差，嚴重時會造成加熱爐停爐、關井。筆者以酸氣加熱爐流量及壓力的自動控制為核心，對加熱爐智能控制系統的構建及優化進行研究，實現了酸氣流量、壓力、溫度的自動控制，其成果對于氣井定產穩壓、調產、調壓、溫控、燃燒自動控制等方面具有重要作用，為氣田的安全生產開發與數字化氣田建設提供了技術保障。

1　酸氣加熱爐智能控制系統的構建

1．1　酸氣加熱爐工藝流程特點

圖l為酸氣加熱爐工藝流程圖，從左到右依次為井口一級節流閥后壓力(P1)和溫度(T1)變送器、二級節流閥(FVC)、二級節流閥后壓力(P2)和溫度(T2)變送器、加熱爐一級盤管、三級節流閥(PVC)、加熱爐二級盤管、三級節流后后壓力(P3)和溫度(T3)變送器、流量計(Q3)等。根據生產要求，Q3、P2、T3是關鍵控制對象，而Q3、P2同時都與二級三級節流閥的開度有關，任何一個閥動作都會同時影響Q3和P2，調節流量會引起壓力變動，調節壓力同樣也會引起流量變化。流量變化也會影響溫度的控制，進而影響加熱爐的工作狀態。根據這一工藝流程特點，一般的PID控制已不能實現穩定的控制，需要應用智能控制解決多變量相互干擾的技術問題。

 

1．2　智能控制系統基本模型

智能控制系統由知識庫、推理機及控制器組成，基本模型見圖2。圖2中u(t)為控制量，e(t)為偏差，ysp(t)為設定值，y(t)被控參數如流量、壓力、溫度等。控制量u(t)與多種變量或事實相關，構成復雜的函數關系或變化規則。

 

知識庫：把人的知識和經驗表達成計算機可以識別、理解和執行的語言，即事實和規則(IF-THEN)，并把這些事實和規則送入計算機，建立一個軟件模塊，即知識庫。知識庫代表人對生產過程控制的最佳操作方案。

推理機：是知識控制軟件模塊根據系統當前運行狀態選擇一件事實，并在知識庫中搜索對應規則。若事實與規則(IF)匹配，則對執行器發出執行操作的指令(THEN)。“事實”包括控制系統原始數據、中間運行狀態、中間結果、性能指標等，如設定值、被控量、控制量、偏差、偏差變化率、超調量、控制動態過程時間、震蕩次數、系統參數以及其他相關變量等。

對加熱爐智能控制系統而言，Q3的控制量u2(t)(以節流閥的開度表示)就不只與Q3的偏差有關，還與當前兩個節流閥開度、Q3及其偏差絕對值的均值、P2及其偏差、P1、P3、T3、Q2等事實有關。壓力與流量的情況相同，與諸多工藝參數或因素相關。

2　酸氣加熱爐智能控制系統的優化

根據上述情況，用軟件對控制系統進行優化。

2．1　二級節流閥開度流量關系曲線線性的優化方案

繪制擬合曲線和線性化補償反函數曲線(圖3)。二級節流閥開度(ST)與流量系數(CV)存在圖3-a藍色曲線所示關系，曲線表明兩者關系非線性比較嚴重，不利于流量均勻準確控制，必須進行線性化，以達到智能線性解耦控制。

 

補償后，控制量與流量摹本早現直線關系，實現了二級節流閥在0～100％開度范圍內對流量的均勻線性控制。

2．2　偏差[e(t)]—控制量[u(t)]關系的優化

引用智能控制系數Kint和相對偏差絕對值的均值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，殘差和波動幅度更小，控制效果更好(圖4、5)，圖中縱坐標y(f)／Y表示被控參數與量程的百分比。

 

 

可見，采用智能控制，可使偏差快速穩定收斂，當[å|e(t)|／n]／Yset≥5％時，采用固定比例控制，當[å|e(t)|／n]／Yset≤5％時，采用一定時間(大約0.5個波動周期)相對偏差絕對值的均值(10／Yset)[ å|e(t)|／n]作為改變控制量的隨機變動系數，智能系數Kint，與E(t)在5％以下時呈線性遞增關系，控制量u(t)與E(t)呈非線性遞增關系。

從上述分析可知，采用智能控制系統，可以快速穩定收斂，偏差較小，超調量較小，不易震蕩。因此，在酸氣流量、壓力難于控制的復雜工況環境中可以應用。

2．3　偏差積分[i(t)]一控制量[u(t)]關系的優化

引用智能積分控制系數，隨機改變積分強度，偏差越大、積分作用越強，偏差越小、積分作用越弱。效果見圖6、7，圖中縱坐標y(t)／Y表示被控參數與量程的百分比。

 

 

2．4　流量壓力延時控制優化方案

采用智能解耦控制，將延時后的測量偏差作為下一步控制依據，若延時T，則控制量u(t)對應e(t+T)(圖8)。

 

2．5　其他控制優化方案

針對二三級調節閥均與流量壓力同時相關，另外采用多參數綜合控制算法，使被控流量壓力更快速進入穩態，達到新的設定值；針對高含硫及雜質對現場儀表的影響進行了控制功能優化，軟件中增加了智能識別和處理模塊，如節流閥卡堵識別及處理、流量計及壓力變送器引壓管堵塞識別及處理等。

3　酸氣加熱爐智能控制系統技術試驗

3．1　加熱爐及控制系統工藝設備參數

氣田在運的加熱爐型號為ENERFLEX800W／1000W，爐體額定耐壓壓力為0.1MPa，最高工作溫度為l15℃，一級盤管額定耐壓壓力為20MPa，二級盤管額定耐壓壓力為10.7MPa。孔板流量計的引用誤差為±l.5％F·S，F·S為流量計量程(100×10⁴m³／d)。流量、壓力、溫度等參數必須控制在設備額定工作范圍內，穩態流量、壓力、溫度控制精度在設定值±3％F·S范圍以內。

3．2　智能控制系統試驗檢測線路設計

以計算機和PLC為核心組成智能控制系統^[5-6]，完成流量、壓力等的自動控制(圖9)。

 

3．3　實驗結果

3．3．1酸氣調產動態／穩態特性

酸氣調產時的流量壓力實時監控如圖l0所示。

 

3．3．2酸氣調壓動態／穩態特性

酸氣調壓時的流量壓力實時監控如圖ll所示。

 

由圖l0、11可知，酸氣加熱爐智能控制系統，實現了對流量、壓力自動控制功能，消除了流量、壓力的波動，可以實現酸氣自動定產、定壓控制。

3．4　系統功能參數

酸氣加熱爐智能控制系統流量、壓力控制指標如表1所示。

 

4　結論

1)由智能控制系統構建的普光氣出酸氣加熱爐控制系統，克服了原來PID控制系統不穩定造成的關井停爐現象和其他集輸設備的生產故障，實現了產出酸氣流量、壓力的穩定控制，為氣田的安全生產開發提供了技術保障。

2)該系統充分發揮計算機、PLC等智能化、數字化設備的優勢，可以方便地通過計算機操作完成對全氣田各井酸氣自動調產、調壓工作，為數字化氣田建設提供了技術支持。

 

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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科學研究院