一種新的油田液烴回收覆蓋氣控制方法

李名強（中海石油有限公司天津分公司）

渤海A 油田主力油層為明下段，原油性質為中質油，地面原油相對密度為0.902～0.905，伴生氣相對密度為0.832，伴生氣組分中含有甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷和正丁烷等，其中重組分伴生氣含量占約29%。依據該油田地質油藏特征，在常見的低分子烷烴回收工藝流程基礎上，采用淺冷工藝和壓縮冷卻法設計了重組分伴生氣回收工藝流程。對于重組分伴生氣回收工藝，陸地油田比較成熟的方法主要有吸附法、油吸收法和低溫冷凝法，海上油田主要應用簡化的淺冷工藝和壓縮冷卻法。渤海A 油田采用淺冷工藝和壓縮冷卻法回收液烴，工藝流程需要覆蓋氣維持液烴緩沖罐壓力的穩定，精準的覆蓋氣復雜控制方案對于防止油氣資源浪費和減少海洋大氣環境污染至關重要[1-3]。

1 液烴回收工藝流程

1.1 油田伴生氣流程概述

A 油田伴生氣來源于平臺生產流程的原油段塞流捕集器A-V-1501 和生產分離器A-V-2001。伴生氣經海水冷卻器A-WC-2501 淺冷后，在伴生氣洗滌罐A-V-2501 初步分離出一部分重組分液烴，形成低壓力液烴，伴生氣再經壓縮機三級洗滌、壓縮、冷卻分離出重組分液烴，沉降在洗滌罐底部形成高壓力的液烴[4-5]。

1.2 液烴回收工藝流程

低壓力液烴經增壓泵增壓后和高壓力液烴一起進入液烴緩沖罐，再經液烴外輸泵進行外輸。液烴緩沖罐A-V-2201 的罐體尺寸為800 mm （ID）x3000 mm（T/T），設計壓力為950 kPa/75 ℃，操作壓力為500～600 kPa/45 ℃[6]。液烴外輸泵A-P-2202A/B的平均排量為1.8 m3/h。為滿足液烴外輸泵入口壓力要求，伴生氣洗滌罐的高壓力伴生氣經調節閥調節后形成覆蓋氣，維持液烴緩沖罐壓力，滿足外輸泵入口壓力要求，確保外輸泵穩定外輸。在覆蓋氣壓力低時，打開補壓調節閥PV2252A 補充覆蓋氣，在壓力高時，打開降壓調節閥PV2252B 排放覆蓋氣，排放的覆蓋氣經火炬放空系統燃燒排放。液烴回收流程及覆蓋氣控制見圖1。

圖1 液烴回收流程及覆蓋氣控制

2 覆蓋氣控制方案

2.1 PID 控制方案

一個閉環的自動控制系統主要由控制部分和被控部分組成。控制部分的功能是接受指令信號和被控部分的反饋信號，并對被控部分發出控制信號。被控部分的功能則是接受控制信號，發出反饋信號，并在控制信號的作用下實現被控運動。液烴緩沖罐液位隨淺冷和壓縮冷卻后分離出的液烴流量而變化，液烴液位變化則造成緩沖罐覆蓋氣體積的變化，根據普適氣體定律，氣體體積的變化引起其壓力的變化，從而得知該自動控制系統的干擾因素主要為液烴流量[7]。 方案設計兩個PID 控制器PIC2252A 和PIC2252B，利用覆蓋氣壓力同期望壓力的偏差對系統進行自動閉環控制，獲得比較穩定的覆蓋氣壓力。PID 控制技術結構簡單，參數調整方便，其實質是根據輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數關系進行運算，運算結果用以輸出進行控制。PID 控制是一種線性控制，它將給定值r(t)與實際輸出值y(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合形成控制量，對被控對象進行控制，PID 控制方框見圖2。

圖2 PID 控制方框

n(t)為給定值，y(t)為系統的輸出，e(t)為控制的輸入，即偏差：e(t)=n(t)-y(t)被控量與給定值的偏差，u(t)為控制的輸出。

PID 控制的微分方程為：

式中：Kd為比例系數；τi為積分時間常數；Td為微分時間常數。

2.2 控制方案實驗及效果

該設計方案在Honeywell 的PSK 系統軟件進行組態模擬其控制效果。系統投入運行前，覆蓋氣壓力為零，兩個PID 均設置為手動控制狀態，輸出為0%，保持PV2252A 和PV2252B 狀態為關閉。在初始化建立覆蓋氣壓力過程中，PIC2252B 控制器首先投入自動運行狀態，但因覆蓋氣壓力為零，其PV2252 的開度仍然保持0%，然后逐漸手動打開PV2252A 從0%到10%的開度，覆蓋氣壓力逐漸增加，當增加到400 kPa 時，PIC2252A 控制器投入自動運行模式，PV2252A 開始隨著壓力的變化而自動調節開度，覆蓋氣控制系統自動調節系統建立。系統運行穩定后對覆蓋氣壓力和兩個調節閥的開度每隔10 s 采樣一次，采樣結果見表1。

表1 采樣結果

兩個PID 控制器出現了相互干擾，有超調的情況，也出現兩個調節閥同時有不小的開度，這雖然實現了液烴的充分回收，但是調節閥頻繁動作，設備損耗增加，覆蓋氣壓力波動較大，也會出現較多的覆蓋氣排放、燃燒和浪費，甚至污染海洋大氣環境。

2.3 控制方案優化及效果

為解決以上問題，對控制方案進行優化，PIC2252A 的 設 定 調 整 為500 kPa，PIC2252B 的 設 定值調整為600 kPa，實驗發現覆蓋氣壓力變化范圍約在490～630 kPa，壓力波動范圍太大。當油田投用初期，液烴產量較低時，覆蓋氣壓力維持在較高壓力范圍，隨著油井不斷的投產，液烴產量逐漸增加，處理量較大時，覆蓋氣壓力維持在較低范圍，均偏離550 kPa，不利于液烴外輸泵P-2252A/B 的穩定外輸，而且覆蓋氣壓力變化范圍也超出了液烴緩沖罐的操作壓力范圍[8]。

隨著生產的發展，工藝的更新，多變量作用下進行生產的情況日益增多，簡單控制系統已經不能滿足工藝要求。分程控制是復雜控制系統之一，廣泛的應用在石油化工行業。分程控制是將控制器的輸出信號分別去控制兩個或者兩個以上物料的控制閥[9-10]。液烴回收覆蓋氣控制系統則由簡單的兩個PID 控制器優化為一個復雜分程控制見圖3。

圖3 分程控制

由一個PID 控制器PIC2252B 同時控制兩個調節閥，閥門開度與PID 調節器輸出之間的關系為V 型折線，分程點設置為50%。閥門動作V 型曲線見圖4。

圖4 閥門動作V 型曲線

根據液烴外輸泵的工況要求， 控制器PIC2252B 的設定值調整為550 kPa，優化后的控制方案在PKS 系統軟件組態模擬其控制效果，系統運行穩定后對覆蓋氣壓力和兩個調節閥的開度進行采樣，優化后采樣結果見表2。

表2 優化后采樣結果

由閥門開度曲線可以看出，放氣調節閥打開時，補氣調節閥關閉；補氣調節閥打開時，放氣調節閥關閉，部分時間段兩個閥門幾乎都沒有開度。閥門的最大開度均減小，閥門動作的速率也降低。模擬實驗發現覆蓋氣壓力變化較為平穩，能達到覆蓋氣壓力穩定，保證外輸泵穩定運行，而且覆蓋氣排放量也大幅度降低。

3 結論

1）油田液烴回收覆蓋氣控制方案優化為復雜自動控制系統，即分程控制，軟件組態模擬效果表明對于罐體壓力通過補壓和泄壓維持穩定的系統，簡單的PID 控制具有局限性，分程控制實現了一個控制器的輸出信號分別控制兩個或兩個以上工藝流程的控制閥，控制閥門動作幅度減小、動作速率降低，自動控制更加精準，排放的覆蓋氣大幅度減少。

2）分程、串級和比值等復雜自動控制系統在生產工藝流程的應用，有利于增加企業經濟效益，防止天然氣資源浪費，保護大氣環境，促進企業高質量綠色發展。