合水油田變頻連續輸油PID控制效果與參數整定優化研究

王晶 劉保錄 楊玉龍 呂海衛

摘要：輸油泵是合水油田增壓站生產運行過程中主要的能耗設備，變頻調速節能技術是實現輸油系統節能的有效技術途徑。將PID閉環控制系統應用于現輸油系統，實現變頻連續輸油，同時經參數整定法得出最優化條件下的各項PID參數值，控制效果明顯，大大提高了系統效率，降低了員工的勞動強度，延長了設備的使用壽命。

關鍵詞：變頻輸油；PID；參數整定

1 應用背景與生產需求

1.1 應用現狀

目前，合水油田固城采油作業區的增壓站和轉油站大多數采用的是固定頻率的輸油方式：不同的站根據本身的產量和輸油泵的排量設置一個最高液位和最低液位，當液位達到最高限，變頻器啟動，輸油泵開始輸油，而當液位達到最低位，變頻器停止工作，輸油泵停止輸油。

以一個典型的處理能力為240增壓站為例，主要配備8分離緩沖罐1臺，額定排量為11輸油螺桿泵2臺，其主要的工藝流程如圖1所示。每臺輸油泵配套變頻器1臺，可本地調節變頻器頻率和輸油泵排量。

此種調節方式一般將變頻器的工作頻率設置較高，部分站點由于來液量少，緩沖罐液位達到高限時，輸油泵啟動，但很快就達到低限，輸油泵停止。

定頻輸油時管線中的外輸量和壓力如圖2中的實線1所示，當泵啟動時，外輸量與管線壓力很高，而停止時，外輸量與管線壓力迅速將為0。以這種不連續的方式進行輸油導致排量波動大，容易造成管線下游聯合站三相分離器進液不平穩，影響原油處理系統正常運行。

另一方面，如果在冬季氣溫低的特殊條件下，原油容易凝固結蠟，堵塞輸油管線，影響油田的正常生產，頻繁的掃線作業則又增加了成本。因此，采用不間斷的連續變頻輸油就成為了當前一個迫切的任務。

1.2 主要研究內容

由于定頻輸油存在外輸量和壓力波動的問題，連續變頻輸油的目標是希望管線的外輸量和壓力如圖2中虛線2所示緩慢變化，這樣不管是對輸油管線、下游聯合站還是電網，所帶來的沖擊都很小。對于來液量較少的增壓站，也希望優化其運行方式，雖然不能進行連續輸油，也要達到圖中虛線3所示的那樣，也可以減少沖擊。

變頻連續輸油的原理如圖3所示，PLC實時讀取緩沖罐液位，按照設定的液位值調節外輸泵的轉速，當實際液位高于設定值時，控制變頻器提高頻率值，提高輸油排量，PLC不斷將實際液位與設定液位進行比較，保持緩沖罐的液位進出平衡，將液位穩定在設定值，從而達到連續輸油。通過相關的組態軟件對PLC進行操作，包括數據的顯示、頻率改動、啟停泵等操作。

2 詳細技術內容

2.1 PID控制原理

PID控制，也叫作PID調節，它對被控對象進行控制的被控量是將給定值與反饋值之間的偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合組成的。在實際的現場控制工程中，PID控制器的應用是最為廣泛的控制器。常規的模擬PID控制系統的控制框圖如圖4所示。

其中：

μ（t）是控制系統的輸出值，即控制量；

e（t）是控制系統反饋值與設定值之間的誤差值，也稱作偏差值；

Kp是控制器的比例系數；

Ti是控制器的積分時間，也被稱作積分系數；

Td是控制器的微分時間，也被稱作微分系數。

PID控制具有比例控制作用的及時性，同時引入了積分控制作用用以消除靜態誤差，微分控制作用的超前控制功能，能夠避免系統出現嚴重超調，或者是系統受到外界干擾產生階躍響應時，及時抑制躍變。只要選擇合適的控制參數，將三種控制方式的優點得到充分利用，這樣，即使對一個系統或者被控對象的結構和參數不夠了解，或者無法知道其數學模型的時候，PID控制系統仍然能夠獲得一個比較理想的控制效果。

2.2 三級安全方案

本研究在分段式基礎上，采用直接式PID控制來進行參數整定，首先設定三級安全方案，最高級是人員手動控制，接下來是高低液位控制，也就是目前的方式，通過這樣的方式來防止出現意外情況，最低級是PID控制，這由計算機程序自動判斷運行。

根據各站來液量情況，最終確定采用如圖5所示的流程來進行液位控制。按照通常的方法設置液位的高限和低限，進入PID調節流程，首先讀取液位高度，進行防錯判斷，如果是超過高限，則變頻器全速以50Hz運行，如果低于低限，則停泵，這主要是為了防止儀表數據出現意外導致嚴重后果，在正常的PID調節液位范圍內，按照PID參數進行計算，輸出相應的變頻器調節參數。

2.3 PID參數整定步驟

PID參數分別為比例、積分、微分，它們對液位調節的意義如下：

比例（P）：該參數主要反應系統調節速度，系數越大，調節越快，表明系統的基本偏差，但應注意該參數的設置應結合實際情況，不能過大，可能會造成系統不穩定；

積分（I）：該參數主要表明系統的累計偏差，積分調節意在消除誤差；

微分（D）：該參數主要反應提前預見，做到提前控制，在偏差形成之前運用微分調節作用消除偏差。

積分和微分都不能單獨起作用，必須與比例控制配合。整定的步驟如下：

第一步，將積分系數Ki和微分系數Kd置零，即為采用純比例控制作用。通過比例系數Kp由小到大的變化，掌握系統反應速度，一直到所得反應效果達到要求，速度較快，并且能夠控制系統靜差在一定范圍，則可用純比例調節。

第二步，當比例控制中無法控制系統靜差在一定范圍，則需要積分作用。通過積分系數數由小到達的變化，觀察系統靜差的變化，反復試驗幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。

第三步，若使用比例積分（PI）控制器經反復調整仍達不到設計要求，或不穩定，這時應加入微分作用，整定時先將微分系數Kd從零逐漸增加，觀察超調量和穩定性，同時相應地微調比例系數KP、積分系數Ki，直到滿意為止。

上位機ADP參數調試界面如圖6所示，比例、積分、微分系數可以根據實際情況設定，輸入量為液位，設定值是指控制目標，通道輸出值與輸出百分比方法是，PLC將工業標準的4～20mA電流轉化為10000～50000的整數，通道輸出值將用于調節變頻器，是經過PID模塊計算得出，輸出百分比為（設輸出是x）：

3 整定結果及應用效果

3.1 控制效果

選擇油區幾個典型站點作為研究對象，按照進液量的不同來區分。對應用站點實施PID調節方式后：設定一個恒定液位值，當輸油泵啟動后并且達到PID調節范圍內時，開始進行PID調節，根據液位的變化情況自動控制變頻器輸出不同頻率值，液位變化平穩，實現了變頻連續輸油，控制效果明顯。

3.2 參數整定結果

針對連續變頻輸油這個目標，對幾個典型站點進行了PID參數整定，得到以下結論：

（1）對于緩沖罐液位調節，由于其變化相對來說較慢，因此，比例系數可以小一些，在1左右，[0.8，1.5]是一個比較好的取值區間，這個系數可以就保持液位的穩定；為提高系統對液位偏差的響應，如果來液量達到輸油泵的最大排量的80以上，可以在[1.5，5]這個范圍內選用比例系數；

（2）積分常數的可用范圍比較廣，在不同的站點進行實驗，從0.1到20都可以使用，原因是液位變化緩慢，參數的變化對靜態誤差影響不大；

（3）微分環節，根據液位調節的理論與實踐，設為0即可，也就是將PID控制轉化成通常意義上的比例積分控制。

3.3 應用效果

根據研究結果，選取兩個站作為應用站點，對該站點緩沖罐液位進行PID控制。下面從輸油方式、控制效果、勞動強度及經濟效益等方面作以對比分析。

3.3.1 輸油方式對比

各增壓站原控制方式為：設置液位高限和低限，當液位值到達高限時，變頻器開始定頻工作，輸油泵開始輸油；當液位值到達低限時，變頻器頻率歸零，輸油泵停止工作。

該輸油方式缺點：

（1）變頻器的頻率設定較高，造成輸油泵頻繁啟停，輸油排量波動較大，容易造成管線下游站內三相分離器進液不平穩，嚴重影響原油處理系統正常運行；

（2）由于輸油泵的頻繁啟停，瞬間沖擊過大，導致輸油泵故障率較高；

（3）在冬季氣溫低的特殊條件下，原油容易凝固結蠟，造成輸油管線堵塞，影響原油生產工作，增加了生產成本及員工勞動強度。

實施PID調節方式后：設定一個恒定液位值，當輸油泵啟動后并且達到PID調節范圍內時，開始進行PID調節，根據液位的變化情況自動控制變頻器輸出不同頻率值，液位變化平穩，實現了變頻連續輸油。

對于液量較足的站點，使用PID調節進行連續變頻輸油具有以下優點：

（1）輸油變得平穩，輸油泵頻率是根據實際情況進行調整，輸油管線壓力減小，對下游站點的壓力沖擊減小；

（2）輸油時間變長，預防結蠟，減少冬季掃線次數，降低成本；

（3）在PID調節下，輸油泵不是工作在最大排量，運行平穩，降低了故障概率。

（4）對于液量非常少的站點，使用PID控制雖然不能達到連續輸油的目的，但是仍然可以控制液位下降速度，延長輸油時間，減少輸油泵啟停次數。

3.3.2 員工勞動強度對比

在原有的定頻輸油方式下，由于各增壓站來液量不穩，造成輸油泵啟停次數頻繁，大大增加了員工的勞動強度。實現PID變頻連續輸油控制后，基本實現24小時不間斷連續輸油，大大減少了盤泵及維修巡檢次數。

3.3.3 成本收益

實施PID調節方式后：液位變化平穩，實現了變頻連續輸油，大大減少了輸油泵啟停次數，延長了設備的使用壽命，輸油泵維修次數明顯降低。同未使用PID控制方式的莊/增相比較，2016年莊※增開始實施PID變頻連續輸油，故障次數大幅度減少。同時平穩的輸油方式杜絕了管線堵塞的情況發生，為冬季安全平穩運行帶來了極大的作用。減小了對本站電網及電路系統和設備的沖擊次數，延長了電能設備的使用壽命。針對集輸流程所涉及到的費用消耗，同前期設備費、修理費、車輛費等相比較，年平均下降29.66%，大大節約了成本，提高了經濟效益。

3.4 存在問題

針對預將變頻連續輸油技術應用于合水油田各增壓站點，現主要存在的問題有：

（1）部分站點變頻器存在問題，無法接收控制信號，需更換主板或設置相關參數；

（2）各站點PLC程序不統一，無法直接采用上位機程序控制方式進行大面積推廣應用，需先將各站點PLC程序采用統一標準調試成功，再加入PID調節控制（同時利用上位機控制及PLC程序控制兩種方式）；

（3）部分站點PLC設備老舊，若調試過程中存在卡死次數過多，需升級相關PLC模塊。