油氣儲運自動控制系統幾個問題研究

◎盛憲倫

自動化技術具有監督、控制和管理等特點，在現代石油工業生產中的應用日趨廣泛。油氣儲運包括油氣處理凈化、儲存、加熱和輸送等環節。比如，在采輸工藝管線和各類站庫上裝有各種自動化僅表，對原油及天燃氣的壓力、溫度。流量。液位等參數進行自動測量和控制。本文主要研究了油氣儲運自動化的自動檢測系統、開環控制系統、自動切斷系統、自動控制系統、火災消防系統。自動控制系統的構成及其方塊圖及自動控制又分為三個系統即定值控制系統“定值”；隨動控制系統；程序控制系統。生產過程的大型化。復雜化自動控制系統已成為現代工業生產實現安全、高效、優質、低耗的條件和保證。

國家十四·五規劃與2035年遠景目標剛要提出：“加快深層和非常規油氣資源利用，推動油氣增儲上產。”“提升清潔能源消納和存儲能力”這對油氣儲運工作指明了方向。油氣儲運自動化是運用不同設備和儀表代替人的復雜性，重復性的勞動，根據人的預期，自動進行生產和操作，這種作業的方式，是工業生產自動化。應用于油氣儲運就是油氣儲運自動化。自動化技術具有監督、控制和管理等特點，在現代石油工業生產中的應用日趨廣泛。與其他工業生產一樣，在油氣儲運工藝過程中。廣泛采用自動化技術。油氣儲運包括油氣處理凈化、儲存、加熱和輸送等環節。比如，在采輸工藝管線和各類站庫上裝有各種自動化僅表，對原油及天燃氣的壓力、溫度。流量。液位等參數進行自動測量和控制。也可采用遙控裝置：對遠距離泵站的單井的油氣壓力和溫度進行遙測：對井口電動球閥進行遙控。

一、油氣儲運自動化的基本內容

根據功能不同，油氣儲運自動化系統可分為諸多類型。主要包括自動檢測、開環控制，邏輯控制。自動切斷，自動控制、火災消防等內容。以下對其中的幾種主要類型進行分析。在實際應用中一般組合使用。

1.自動檢測系統。

用于對生產過程運行參數如壓力、溫度、液位等和工藝設備狀態參數，如閥的開關，泵的啟停，可燃氣體的濃度等進行檢測，并集中在控制室顯示。顯示有兩種方式：首先是選擇式。即按需要顯示某一參數；其次是輪詢式，即根據規定的時間間隔自動輪流顯示不同參數。數據可儲存和打印。在超高、低限時可通過聲光屏幕報警，一些水電廠供電網監測自動化使用的就是這種系統。

2.開環控制系統。

開環控制系統強調這種控制沒有自動形成信息的檢測、分析判斷、反饋控制的閉合環路。目前石油企業機泵變頻調速用的就是這種開環控制系統。

3.自動切斷系統。

這是用在生產安全保護的系統，通過儀表傳感器不斷檢測到與安全生產相關的運行參數，如溫度、液位，流量，利用編制好的故障和事故診斷分析生產系統的安全狀況，在系統有危險狀況時，發出警報提醒值班人員采取措施：在系統出現事故苗頭時，利用緊急停車程序使設備有序停止運行，用于生產安全保護的，自動化設備的可靠性比用于過程控制的要高，盡管它的功能可通過生產過程控制系統實現，而對于生產安全保護有較高要求之處，它是單獨設置并獨立于生產過程控制系統以外的，在大慶天然氣公司一個下屬單位應用的自動化系統中就是這種系統。

4.自動控制系統。

這種系統用于按儀表傳感器檢測的數據，利用控制程序對閥門的開度及電機的轉速進行控制，使被控制量保持在預定值上。這是閉環控制，為保證產品質量使用的控制系統，它使生產中的不同工藝參數保持在即定值上。大慶天然氣公司一個下屬單位原油系統和輕油回收自動化系統中采用這種系統。

5.火災消防系統。

這種系統是專用滅火的系統，它按測溫、測煙等設備檢測到數據，在分析判斷到火災出現時。通過泵、管道、噴嘴實施噴淋和噴泡沫。噴淋是用于降低已燃的設備和相鄰未燃設備溫度：噴泡沫是用于撲滅已燃設備的火。它可單獨設置，自成系統。

開環控制系統根據設定的步驟進行周期性操縱自動切斷系統，在工藝條件進入某種極限狀態時，采取的安全措施。以防范生產事故的出現；火災消防系統在火災出現后實施滅火，以發揮保護作用，自動控制系統方能自動排除不同干擾因素對工藝參數的影響。保證生產維持在正常或最佳的工藝操作狀態。自動控制系統是油氣儲運自動化的核心技術。

二、實現油氣儲運自動化的生成和應用

隨著生產過程的大型化。復雜化，不同類型的自動控制系統已成為現代工業生產實現安全、高效、優質、低耗的基本條件和重要保證。

一些石油企業應用自動化技術，并在此基礎上逐漸建成了一系列的自動化控制體系。就該自動化技術控制體系來說，它主要包括原油的分水器自動控制、污水處理自動控制等，而且能有效利用現代計算機網絡技術的優勢。對數據信顯自動化采集，建成信息發布系統，逐漸實現相關數據報表的自動化生成。

提高加熱站出站溫度，能使油氣在較高溫度下儲運，這種做法盡管能有效降低原油的溫度。成小摩擦阻力損失，而散熱損失會增大。在油氣管輸過程中，存在著能耗最小及儲運方式選擇的問題。

在油氣儲運過程中加強自動化技術的運用，能有效防止泵口過這器的摩阻損失。增加出口閥組節流。傳統生產過程中使用的加熱爐是煉油廠自己研發的高效三回程水套爐，再配上燃燒器，其運行效率并不高。而通過自動化改造后，改變了原有的加熱爐必需的人工控制火力的運行方式，同時增加了安全檢測聯鎖保護系統及能耗參數的測量。通過自動控制系統把集到的全部數據實施累積計算，能夠分析出該系統的實時能耗量。在自動化控制系統中，可設定出口介質的加熱溫度，按實際油溫的變化情況改變系統中的燃燒器大小火，并進行有效的切換；通過對供風系統進行有效的調整。能提高燃燒器設備的燃燒效率，實現提高水套爐運行效率的目的。

三、自動控制系統的構成及其方塊圖

自動化系統由自動檢測系統。邏判控制系統，自動切斷系統、自動控制系統、火災消防系統等組成。自動控制系統在油氣儲運中應用最多，也是最主要的系統。

1.自動控制系統的組成。

不同工藝過程的工藝參數（比如壓力、溫度、流量、物位等）有確定的控制要求，這些工藝參數對產品的數量和質量影響很大有決定性作用。例如，精餾塔在運行中會受到不同干擾因素的影響，使工藝參數經常偏離希望的數值，為保證生產安全、優質平穩運行，必須對生產過程實施有效的控制。盡管，人工操作也能控制生產，而受生理上的限制，人工控制滿足不了大型、現代化生產的需要，因此，可以借助自動化裝置，自動克服不同干擾因素對工藝生產過程的影響，使生產正常運行。

如圖1所示是工業生產中常見的鍋爐汽包示意見圖1（a）（b），在鍋爐運行中，汽包水位的高低直接影響著蒸汽的鍋爐的安全。水位過低，在負荷較大時。汽化速率很快，代包內的液體會全部汽化。造成鍋爐燒干甚至引起爆炸，水位過高會使汽包水的分離，出現蒸汽帶液觀象。降低蒸汽的質量、產量，損壞設備。所以，對汽包水位必須嚴加控制。

圖1 鍋爐汽包水位控制示意

如果必備條件（包括蒸汽量、給水流量等）都近乎恒定不變，只要把進水閥門置于某一適當開度，汽包水位能保持一定高度，而實際生產過程中這些條件都在變化的，例如蒸汽流量的變化，進水閥前的壓力變化等。此時若果不進行控制，水位則會偏離規定高度。所以，為保持汽包水位恒定，操作人員必須按水位高度的變化情況，改變進水閥的開度，控制進水量。

分析人工操作控制汽包水位，為保持水位為定值，必須進行人工操作控制。

眼—觀察汽包水位的高低，隨時掌握水位的變化，并通過神經系統告訴大腦。

腦—大腦按照眼睛看到的水位高度，加以思考后與規定值相比較，得出偏差，再按操作經驗發出命令。

手—按大腦發出的命令，改變閥門的開度，以調節進水量，使水位回到規定值。

眼，腦，手三個器官完成測量，求偏差、操縱閥門糾正偏差的全過程，由于人工控制受人的生理上的限制，在控制精度和速度上都滿足不了大型現代化生產的需要。用一套自動化裝置代替人工操作，人工控制就變成了自動化控制，鍋爐和自動化裝置構成了一個自動控制系統。

液位變送器、控制器和執行器分別代替人的眼、腦和手的功能。自動化裝置的三個部分如下。

（1）側量元件與變送器。作用是測量汽包水位信號，并將其轉快為特定的輸出信號（氣壓信號或電壓，電流信號等）。

（2）控制器。作用是接受變送器送來的信號，把此結果以氣壓信號或電信號的方式發送出去。

（3）執行器。一般指控制閥，使進入鍋爐的水量出現變化，實現控制鍋爐汽包水位目的。

汽包水位的人工控制和自動控制的工作原理相似，自動化裝置能代替人的眼睛、大腦和手完成自動控制鍋爐汽包水位高低的任務。除了必須具有的自動化裝置外，還要有控制裝置所控制的生產設備即被控對象。

2.自動控制系統的方塊圖。

研究自動控制系統，為便于對系統進行分析，一般用方塊圖表示控制系統的組成。圖1的水位自動控制系統用如圖2所示的方塊圖表示。

圖2 鍋爐汽包水位控制系統方框圖

在方框圖中每個環節表示組成系統的部分。稱為“環節”。系統中的每個環節用方框表示，四個方框分別表示鍋爐汽包、測量變送裝置、控制器和控制閥。兩個方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方塊表示為這個環節的輸入。箭頭離開方塊表示這個環節的輸出。每個方框分別標出各自的輸入量，輸出變量，線旁的字母表示相互間的作用信號。如被控對象環節，給水流量變化會導致汽包水位的變化，給水流量即操縱變量作為輸入信號作用于被控對象，而汽包水位被控變量即則作為被控對象的輸出信號；引起被控變量汽包水位偏離設定值的因素還包括蒸汽負荷的變化和給水管壓力的變化等擾動量，它們也作為輸入信號作用于被控對象。

四、自動控制系統又分為三個系統

自動控制系統的分類方法較多，每種方法僅反映自動控系統的特點。比如，根據被控變量的名稱分類，有壓力控制系統、溫度控制系統、流量控制系統及液位控制系統等。根據被控變量的數量分類，有單變量和多變量二個控制系統。根據控制器具有的控制規律分類，有比例控制系統、比例積分控制系統及比例積分微分控制系統等。在分析自動控系統的特性時，經常把控制系統按被控變量的給定值的不同分類，可以分成以下三個系統。

1.定值控制系統“定值”，即恒定給定值。

在工藝生產中，如果要求控制系統的作用是使被控制的工藝參數保持在一個生產指標上不變，或要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統。圖1分析的鍋爐汽包水位控制是一個定值控制系統。在工業生產過程中，多數工藝參數（溫度、壓力、流量、液位、成分等）都要求保持恒定。所以，定值控制系統是工業生產過程中應用不少的一種控制系統。

2.隨動控制系統（自動跟蹤系統）。

這個系統是被控變量的給定值隨時間的變化的控制系統，而這種變化不是預先設定的，而是一個未知的時間函數。該系統的目的是使所控制的工藝參數準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。例如：在鍋爐的燃燒控制系統中，為了保證燃料充分燃繞，要求空氣量與燃料量保持一定比例。由此可以采用燃料量與空氣量的比值控制系統（空氣量跟隨燃料量變化），由于燃料量的負荷是隨機變化的，即空氣量的給定值也隨機變化，該系統是一個隨動控制系統。

3.程序控制系統（順序控制系統）。

這個系統是被控變量的給定值根據預定的時間程序變化的控制系統。這類系統在間歇生產過程中應用比較普遍。例如，合成纖維錦綸的生產中，熟化缸的溫度控制和冶金工業中金屬熱處理的溫度控制，其給定值都是按預定的升溫，恒溫和降溫等程序而變化的。