謝小波

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津300452)

0 引 言

海洋石油平臺開采的原油為混合原油，且原油凝固點較高，當外輸管道中介質(zhì)的輸送量下降幅度較大時，輸送管道內(nèi)介質(zhì)的沿程溫降很快，使原油溫度很快降低至凝固點以下，導致無法正常輸送。因此，原油必須經(jīng)摻水處理以提高輸送介質(zhì)的溫度，滿足油品正常輸送要求，而摻水量的流量大小直接關(guān)系原油外輸?shù)慕?jīng)濟性和安全利益。如果摻水量少，則會造成原油凝固無法外輸，導致生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓；如果摻水量大，則會造成下游處理難度增大，進而影響正常開發(fā)和經(jīng)濟利益。因此，摻水管道的流量控制是原油外輸系統(tǒng)摻水工藝的關(guān)鍵。本文基于海上原油凝固點較低且必須滿足原油外輸?shù)淖钚≥斔土康默F(xiàn)狀，結(jié)合渤中 26-3WHPA平臺原油外輸流程，針對海管工藝涉及的各種復雜因素及諸多問題，開展基于模糊-PID控制的摻水流量控制研究[1-2]。

1 原油外輸摻水工藝系統(tǒng)

原油外輸海底管道需要摻水輸送，所需摻水來自低壓生產(chǎn)分離器生產(chǎn)水出口的生產(chǎn)水處理系統(tǒng)。渤中 26-3油田高壓物流經(jīng)分離后將原油進行加熱與低壓生產(chǎn)物流匯合，進入氣液旋流分離器和低壓生產(chǎn)分離器，三相分離后，原油進入外輸管道，生產(chǎn)水進入水處理系統(tǒng)，即先進入斜板撇油器進行初級處理，經(jīng)一級處理后進入加氣浮選機，處理后的生產(chǎn)水進入預過濾水罐，再經(jīng)摻水泵打入原油外輸管道。

由圖1可知，在摻水泵出口管線及過濾水罐管線上設(shè)置流量計、調(diào)節(jié)閥，形成一套流量調(diào)節(jié)回路用于原油摻水量的調(diào)節(jié)控制，此回路由中央控制系統(tǒng)(簡稱為中控)、摻水流量計以及摻水調(diào)節(jié)閥構(gòu)成。摻水流量計作為系統(tǒng)輸入，摻水調(diào)節(jié)閥作為系統(tǒng)輸出，其中摻水流量計實時監(jiān)測摻入原油外輸管道的水量，摻水量的大小由摻水調(diào)節(jié)閥進行控制，中控實現(xiàn)系統(tǒng)所需摻水量的采集處理及調(diào)節(jié)閥的開度控制。根據(jù)工藝計算，原油的摻水量需穩(wěn)定在一個最佳狀態(tài)值方可滿足摻水系統(tǒng)的要求。表1提供了逐年實際需要的摻水量，即摻水流量計的設(shè)定值。

圖1 水處理流程圖Fig.1 Flow chart of water treatment

表1 摻水量年份變化表Tab.1 Annual variation table of water mixing

2 摻水管道PID控制

2.1 算法分析

由于復雜系統(tǒng)通常難以建立數(shù)學模型，而且隨時間、工況與外界條件的變化數(shù)學模型各參數(shù)也是動態(tài)變化的，采用傳統(tǒng)的比例-積分-微分(PID)控制難以取得很好的控制效果。但是 PID控制是閉環(huán)系統(tǒng)控制的理論基礎(chǔ)，如果在被控對象參數(shù)變化時，采用具有在線整定參數(shù)功能的 PID控制，滿足不同工況下系統(tǒng)對參數(shù)的自整定要求，則可實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的有效控制。模糊-PID控制是將PID控制和模糊控制2種方法結(jié)合起來，兼有 2種控制優(yōu)點的、構(gòu)成互補的控制器。二維模糊-PID控制器通過分析偏差 e及偏差變化率 ec，進而在線調(diào)整 PID 控制器的參數(shù)比例系數(shù) KP、積分系數(shù) KI和微分系數(shù) KD，實現(xiàn)具有較大滯后、非線性、時變性復雜系統(tǒng)的參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊-PID控制。因此采用模糊-PID控制對工藝控制流程進行仿真控制[3]。

參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊-PID控制器依據(jù)模糊控制原理對ΔKP、ΔKI和ΔKD3個參數(shù)進行在線修改，實現(xiàn)PID參數(shù)自整定，其離散表達式如下：

式中：u(k)為第 k個采樣時刻控制器輸出量；e(k)為第 k個采樣時刻控制器輸入量(偏差信號)；KP(k + 1 ) = KP(k ) + Δ KP(k )，為第 k+1個采樣時刻的比例系數(shù)；KI(k + 1 ) = KI(k ) + Δ KI(k )，為第 k+1個采樣時刻的積分系數(shù)；KD(k + 1 ) = KD(k ) + Δ KD(k )，為第k+1個采樣時刻的微分系數(shù)。

2.2 模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)圖2所示，模糊控制器FCkp、FCki和FCkd均采用二維結(jié)構(gòu)[4-7]。如圖 3所示，輸入量均為摻水管道流量控制系統(tǒng)的流量偏差(e＝r-y)與偏差的變化率(ec＝de/dt)。FCkp輸出量為 PID控制器比例系數(shù) KP的調(diào)節(jié)增量 varKP，F(xiàn)Cki輸出量為 PID控制器積分系數(shù) KI的調(diào)節(jié)增量 varKI，F(xiàn)Ckd輸出量為 PID控制器微分系數(shù)KD的調(diào)節(jié)增量varKD。

圖2 控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of control

圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 Fuzzy controller structure

2.3 摻水管道流量模糊-PID控制仿真

利用 Simulink工具箱，建立摻水管道流量模糊-PID控制系統(tǒng)及傳統(tǒng) PID控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。

圖4 摻水管道流量控制系統(tǒng)Simulink仿真Fig.4 Simulink simulation of water mixing pipeline flow control system

調(diào)整仿真參數(shù)，運行仿真，可得如圖 5所示的參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊-PID控制與傳統(tǒng)PID控制的單位階躍響應曲線仿真結(jié)果。

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results

分析仿真結(jié)果可知，當設(shè)定流量值變化后，采用參數(shù)自調(diào)整模糊-PID控制與傳統(tǒng) PID控制相比，超調(diào)量減小了很多，調(diào)節(jié)時間也從 16～18s減至 8～10s；另外，參數(shù)自調(diào)整模糊-PID 控制應對模型參數(shù)變化的自適應能力也較傳統(tǒng)PID控制強。

因此，采用參數(shù)自調(diào)整模糊-PID控制使系統(tǒng)的性能得到了極大改善，控制系統(tǒng)動態(tài)響應快、超調(diào)量小、魯棒性(Rubustness)強，能使摻水管道流量控制取得很好的控制效果。

3 原油外輸摻水管道流量控制系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

在前文所述的原油外輸摻水工藝系統(tǒng)和模糊-PID控制算法基礎(chǔ)上，基于 MATLAB仿真平臺與監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計一套原油外輸摻水管道流量控制系統(tǒng)，并在實驗室條件下完成控制系統(tǒng)仿真測試。

3.1 基于力控與MATLAB的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中力控組態(tài)軟件與MATLAB實時進行DDE數(shù)據(jù)通信，通過DDE通信將組態(tài)軟件得到的摻水管道流量調(diào)節(jié)的相關(guān)實時數(shù)據(jù)信息及時傳遞給MATLAB，在MATLAB中經(jīng)過模糊-PID控制算法的計算和仿真，將計算得到的閥門開度信息回傳給組態(tài)軟件，再由組態(tài)軟件將閥門開度信息傳遞給閥門定位器，實現(xiàn)對摻水管道流量的精確控制。

3.2 控制系統(tǒng)開發(fā)

本文基于ForceControl 6.1軟件設(shè)計的摻水管道流量控制系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖6所示，由相關(guān)監(jiān)測參數(shù)實時顯示區(qū)、調(diào)節(jié)閥控制區(qū)、實時曲線與報警指示燈等構(gòu)成。在相關(guān)監(jiān)測參數(shù)實時顯示區(qū)可以直觀地察看流量控制管道當前的流量值，設(shè)定流量值以及調(diào)節(jié)閥的開度；通過實時曲線與報警指示燈操作人員可以實時監(jiān)測相關(guān)參數(shù)的變化趨勢，直觀地察看控制算法的調(diào)節(jié)性能，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障則報警燈會發(fā)生變化提醒操作人員及時處理。ForceControl 6.1設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)與 MATLAB通過 DDE實時交換數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可以實時調(diào)節(jié)并監(jiān)控摻水管道流量控制系統(tǒng)的各個參數(shù)，整個界面清晰、直觀、操作簡便，有效實現(xiàn)人機交互[8-12]。

圖6 上位監(jiān)控人機界面Fig.6 Upper monitoring human-machine interface

3.3 控制系統(tǒng)實驗室仿真測試

由于摻水管道控制系統(tǒng)直接應用于實際系統(tǒng)中有一定的風險，本文先在實驗環(huán)境下對設(shè)計的摻水管道控制系統(tǒng)進行仿真測試，如圖 7所示，測試人機界面與 MATLAB控制器的通信可行性以及模糊-PID控制算法的優(yōu)越性。

圖7 力控與MATLAB控制器仿真Fig.7 Force control and MATLAB controller simulation

測試結(jié)果表明，力控監(jiān)控系統(tǒng)與 MATLAB控制器通信可準確有效交互過程數(shù)據(jù)。模糊-PID MATLAB程序可有效輸出控制信號、實時調(diào)節(jié)閥門開度，可以實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)閥的有效控制。

4 結(jié) 論

本文在廣泛調(diào)研國內(nèi)外原油外輸摻水管道流量控制技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合渤中 26-3WHPA平臺的生產(chǎn)工藝流程及配套設(shè)備，設(shè)計了一套將摻水管道流量實時測量信息與人工智能控制相結(jié)合的摻水管道流量監(jiān)控系統(tǒng)，且已完成了實驗室測試。該系統(tǒng)操作方便、人機界面直觀，具有良好的控制效果，通過更換仿真模型中的控制算法模塊，就可實現(xiàn)各種復雜的工業(yè)控制過程，從而極大地增強了原油外輸摻水管道監(jiān)控系統(tǒng)中的實時監(jiān)控功能，對我國原油外輸摻水管道流量控制具有重要的指導意義。