论文部分内容阅读
摘要为了缓解天然气供需矛盾,减少放空,提高应急处理能力,吐哈油田公司销售事业部在输配站内成功应用自动调节装置,新建调气工艺,到目前为止,利用该系统已创效数千万元,确保了用户的正常用气,极大的减轻了工作强度,满足了生产需要。本文将对该系统自动调节装置的主要技术指标、硬件、操作系统的关键技术、操作方法等进行介绍。
关键词天然气 自动调节装置 PID操作系统
中图分类号:TE8文献标识码:A
1 背景介绍
吐哈油田输配站现有高、中、低压三个阀组,主要接收油田丘陵、温米、丘东(高、中)来气,向甲醇、鄯乌线和中压首站压缩机、广汇,以及低压巴喀、甲醇、油库工业用户供气,使用该系统前,年外输能力约10亿方,日均外输天然气275万方左右。
工艺压力调节利用丘东火炬进行超压放空,依托高中压调气流程以及调整广汇供气量,平衡中压汇管压力。
本站具有仪表和系统动态监测功能,主要监测天然气压力、温度、流量、色谱分析组分值,没有根据压力或流量自动调节阀门的自适应自动调节系统。
天然气计量采用标准孔板计量方式。控制系统由现场仪表、AB ControlLogix 5000系列PLC和上位机组成,上位机监控软件为AB公司的RSVIEW32。天然气流量计算为AB公司的计量模块,来至现场的压力、差压、温度信号进入计量模块,管径、孔径、相对密度等参数通过AB公司的软件录入并下装到计量模块,计量模块经过计算输出天然气流量值。
输配站的下游用户要求恒压恒流量供气,而目前的工艺流程和自控装置无法满足这个要求。目前输配站的操作和管理存在以下问题。一是来气量不稳定,造成频繁调节。主要是丘东二套装置和丘陵装置的来气量忽多忽少,波动量在1万方/小时以上,来量不足造成汇管压力不稳,影响广汇和压缩机运行。二是调节时效低。工艺阀门开关控制主要根据个人操作经验,动作的幅度直接影响调节效果,加上工艺状态时刻动态变化,可能造成忽多忽少,达不到预期效果,有时会出现1小时内来回跑调十几次的情况。三是反应速度慢。由于工作经验不同,对数据的敏感程度不同,生产事态的预判断和现场处理的速度都有差异,多数都是事后处理,而且数据判断、信息传递、到现场操作反应过程很慢,如果在临界运行工况,这样的人工反应速度早已导致装置跳车。
2 改进措施及任务目标
依据天然气供输特性及压力变化趋势,为了进一步控制中压汇管压力,提高调气工艺的时效性和稳定性,在高压调中压线安装自动调节阀,通过增加自动压力调节回路,编制并安装PID操作系统,达到改善鄯乌管线供气压力不稳的现状。同时实现自动调节和手动控制调节功能,系统调节以手动为主,实现远程操作。
3 自动调节装置及其配套操作系统
3.1 自动调节装置的操作
3.1.1 调节阀执行机构的形状
调节阀执行机构的形状如图1所示
图1调节阀执行机构/ Fig.1 Control Valve
在现场,调节阀既可以通过手轮动作,也可以通过操作面板动作。
3.1.2 就地操作
如下图所示,在操作面板上,将S1指向LOCAL,此时调节阀可就地操作,如图2:
图2操作面板/ Fig.2 Operation Panel
当S1指向LOCAL位置时,调节阀位于就地操作状态,此时在控制室不能对调节阀发出任何指令动作。
此时,将S2指向OPEN位置,调节阀将运行到全开位置。在位置指示器上,绿线与刻度线重合,表明阀全开。
将S2指向CLOSE位置时,调节阀将运行到全关位置。在位置指示器上,红绿线与刻度线重合,表明阀全关。
将调节阀开度减小时(此时S2指向OPENOPEN或STOP位置),可将S2指向CLOSE位置,同时观察位置指示器上阀门开度的状况红线的位置,当调节阀运行到合理位置时,将S2指向STOP位置,此时可用手轮做微调。
将调节阀开度增大减小时(此时S2指向CLOSE或STOP位置),可将S2指向OPEN位置,同时观察位置指示器上阀门开度的状况红线的位置,当调节阀运行到合理位置时,将S2指向STOP位置,此时可用手轮做微调。
3.1.3 远程操作
将S1指向REMOTE,此时调节阀将位于控制室远程操作,就地操作不再起作用。此时可在控制室对阀进行远程操作。
3.2PID系统的操作
通过安装模拟量输出卡件1756-OF4,对原有ControlNet网络的重新规划,修改PLC系统数据,并进行PID编程,调试完成PID操作系统。系统通信图如图3:
图3系统通信图/ Fig.3 Communication System
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节(见图4)。PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
图4 PID操作界面/ Fig.4 PID Interface
3.2.1 手自动切换
点击手动和自动按钮可完成PID调解的手自动切换功能,当处于自动时,自动按钮显示绿色,当处于手动状态时,手动按钮显示红色,如上图所示。
3.2.2 手动状态下的PID操作
当PID调节位于手动状态下时,在阀位输出框内直接输入阀门开度信号,调节阀将自动运行到相应的开度位置,并将位置反馈信号返回到系统,显示在阀位反馈框内,并且在OUT光柱中显示。
3.2.3 自动状态下的PID操作
按下自动按钮,在自动状态下,PID将自动调节阀门开度,这时手动输入阀位输出不起作用,在阀后压力设定值输入框内输入需要的阀后压力值,系统将自动调节调节阀的开度,使阀后压力稳定在阀后压力设定值左右,从而起到稳压的作用。此时,在面板上的阀位反馈不一定等于阀位输出值。
3.2.4 PID控制的整定
当系统处于PID自动调节下时,需要对PID参数做整定,PID各参数对系统影响如下:
比例调节作用(P):是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用(I):是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数I,I越小,积分作用就越强。反之I大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用(D):微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。
调节时依据以下原则:
(1)在输出不振荡时,增大比例增益P。
(2)在输出不振荡时,减小积分时间常数I。
(3)在输出不振荡时,增大微分时间常数D。
一般情况下,不做微分调节,即设定D=0。
一般步骤:
(1)确定比例增益P。确定比例增益P 时,首先去掉PID的积分项和微分项,一般是令Ti= 0、Td= 0(具体见PID的参数设定说明),使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%,由0逐渐加大比例增益P,直至系统出现振荡;再反过来,从此时的比例增益P逐渐减小,直至系统振荡消失,记录此时的比例增益P,设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。
(2)确定积分时间常数Ti。比例增益P确定后,设定一个较大的积分时间常数Ti的初值,然后逐渐减(下转第110页)(上接第81页)小Ti,直至系统出现振荡,之后再反过来,逐渐加大Ti,直至系统振荡消失。记录此时的Ti,设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。积分时间常数Ti调试完成。
(3)确定积分时间常数Td。积分时间常数Td一般不用设定,为0即可。若要设定,与确定 P和Ti的方法相同,取不振荡时的30%。
(4)系统空载、带载联调,再对PID参数进行微调,直至满足要求。
4 系统效果及效益分析
4.1 使用效果
时效性:通过调气工艺的优化,极大地提高了调气操作的实效性,使其更加灵敏精确,实际用时控制到了10秒以内。
稳定性:压力流量特性曲线波动减小。
4.2 效益分析
经济效益:投入使用后,减少了油田放空,创造可观的经济效益。
社会效益:(1)用户用气量大幅增加;(2)减轻了员工的劳动强度,提高了工作效率;(3)自动调气工艺可以及时适应压力、流量变化的应急补气要求;(4)提高供气灵活性、安全性,减少了放空,保证了下游用户平稳用气,支持了地方企业发展,油田天然气实现销量最大化和效益最大化。
5 结束语
自动调节装置的应用,有效提高了天然气调配的时效性和精确性。在临界工况下避免因人为调节造成的突发事故,减少了员工劳动强度,天然气供输系统的手自动自由调节使吐哈油田数字化、智能化、自动化发展主题充分体现。
参考文献
[1]陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用.北京:机械工业出版社,1998:12-26.
[2]朱建公,张俊俊.变参数PID控制器设计.西安:西北大学学报(自然科学版),2003.33(4).
[3]江弘.自动调节阀流量特性实验的开发.实验技术与管理,2007(10).
[4]何正.自动控制设计中调节阀的选型.化学工业与工程技术,2000(3).
[5]郑红丽,庞秀伟.浅谈调节阀的流量调节、调节范围及流量特性.锅炉制造,2007(4).
[6]金永功.燃气限流调节阀的可调比及精度.上海煤气,2008(2).
[7]邢丽娟,杨世忠.节阀特性及选择方法.煤矿机械,2007(5).
关键词天然气 自动调节装置 PID操作系统
中图分类号:TE8文献标识码:A
1 背景介绍
吐哈油田输配站现有高、中、低压三个阀组,主要接收油田丘陵、温米、丘东(高、中)来气,向甲醇、鄯乌线和中压首站压缩机、广汇,以及低压巴喀、甲醇、油库工业用户供气,使用该系统前,年外输能力约10亿方,日均外输天然气275万方左右。
工艺压力调节利用丘东火炬进行超压放空,依托高中压调气流程以及调整广汇供气量,平衡中压汇管压力。
本站具有仪表和系统动态监测功能,主要监测天然气压力、温度、流量、色谱分析组分值,没有根据压力或流量自动调节阀门的自适应自动调节系统。
天然气计量采用标准孔板计量方式。控制系统由现场仪表、AB ControlLogix 5000系列PLC和上位机组成,上位机监控软件为AB公司的RSVIEW32。天然气流量计算为AB公司的计量模块,来至现场的压力、差压、温度信号进入计量模块,管径、孔径、相对密度等参数通过AB公司的软件录入并下装到计量模块,计量模块经过计算输出天然气流量值。
输配站的下游用户要求恒压恒流量供气,而目前的工艺流程和自控装置无法满足这个要求。目前输配站的操作和管理存在以下问题。一是来气量不稳定,造成频繁调节。主要是丘东二套装置和丘陵装置的来气量忽多忽少,波动量在1万方/小时以上,来量不足造成汇管压力不稳,影响广汇和压缩机运行。二是调节时效低。工艺阀门开关控制主要根据个人操作经验,动作的幅度直接影响调节效果,加上工艺状态时刻动态变化,可能造成忽多忽少,达不到预期效果,有时会出现1小时内来回跑调十几次的情况。三是反应速度慢。由于工作经验不同,对数据的敏感程度不同,生产事态的预判断和现场处理的速度都有差异,多数都是事后处理,而且数据判断、信息传递、到现场操作反应过程很慢,如果在临界运行工况,这样的人工反应速度早已导致装置跳车。
2 改进措施及任务目标
依据天然气供输特性及压力变化趋势,为了进一步控制中压汇管压力,提高调气工艺的时效性和稳定性,在高压调中压线安装自动调节阀,通过增加自动压力调节回路,编制并安装PID操作系统,达到改善鄯乌管线供气压力不稳的现状。同时实现自动调节和手动控制调节功能,系统调节以手动为主,实现远程操作。
3 自动调节装置及其配套操作系统
3.1 自动调节装置的操作
3.1.1 调节阀执行机构的形状
调节阀执行机构的形状如图1所示
图1调节阀执行机构/ Fig.1 Control Valve
在现场,调节阀既可以通过手轮动作,也可以通过操作面板动作。
3.1.2 就地操作
如下图所示,在操作面板上,将S1指向LOCAL,此时调节阀可就地操作,如图2:
图2操作面板/ Fig.2 Operation Panel
当S1指向LOCAL位置时,调节阀位于就地操作状态,此时在控制室不能对调节阀发出任何指令动作。
此时,将S2指向OPEN位置,调节阀将运行到全开位置。在位置指示器上,绿线与刻度线重合,表明阀全开。
将S2指向CLOSE位置时,调节阀将运行到全关位置。在位置指示器上,红绿线与刻度线重合,表明阀全关。
将调节阀开度减小时(此时S2指向OPENOPEN或STOP位置),可将S2指向CLOSE位置,同时观察位置指示器上阀门开度的状况红线的位置,当调节阀运行到合理位置时,将S2指向STOP位置,此时可用手轮做微调。
将调节阀开度增大减小时(此时S2指向CLOSE或STOP位置),可将S2指向OPEN位置,同时观察位置指示器上阀门开度的状况红线的位置,当调节阀运行到合理位置时,将S2指向STOP位置,此时可用手轮做微调。
3.1.3 远程操作
将S1指向REMOTE,此时调节阀将位于控制室远程操作,就地操作不再起作用。此时可在控制室对阀进行远程操作。
3.2PID系统的操作
通过安装模拟量输出卡件1756-OF4,对原有ControlNet网络的重新规划,修改PLC系统数据,并进行PID编程,调试完成PID操作系统。系统通信图如图3:
图3系统通信图/ Fig.3 Communication System
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节(见图4)。PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制,实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
图4 PID操作界面/ Fig.4 PID Interface
3.2.1 手自动切换
点击手动和自动按钮可完成PID调解的手自动切换功能,当处于自动时,自动按钮显示绿色,当处于手动状态时,手动按钮显示红色,如上图所示。
3.2.2 手动状态下的PID操作
当PID调节位于手动状态下时,在阀位输出框内直接输入阀门开度信号,调节阀将自动运行到相应的开度位置,并将位置反馈信号返回到系统,显示在阀位反馈框内,并且在OUT光柱中显示。
3.2.3 自动状态下的PID操作
按下自动按钮,在自动状态下,PID将自动调节阀门开度,这时手动输入阀位输出不起作用,在阀后压力设定值输入框内输入需要的阀后压力值,系统将自动调节调节阀的开度,使阀后压力稳定在阀后压力设定值左右,从而起到稳压的作用。此时,在面板上的阀位反馈不一定等于阀位输出值。
3.2.4 PID控制的整定
当系统处于PID自动调节下时,需要对PID参数做整定,PID各参数对系统影响如下:
比例调节作用(P):是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用(I):是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数I,I越小,积分作用就越强。反之I大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用(D):微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。
调节时依据以下原则:
(1)在输出不振荡时,增大比例增益P。
(2)在输出不振荡时,减小积分时间常数I。
(3)在输出不振荡时,增大微分时间常数D。
一般情况下,不做微分调节,即设定D=0。
一般步骤:
(1)确定比例增益P。确定比例增益P 时,首先去掉PID的积分项和微分项,一般是令Ti= 0、Td= 0(具体见PID的参数设定说明),使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%,由0逐渐加大比例增益P,直至系统出现振荡;再反过来,从此时的比例增益P逐渐减小,直至系统振荡消失,记录此时的比例增益P,设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。
(2)确定积分时间常数Ti。比例增益P确定后,设定一个较大的积分时间常数Ti的初值,然后逐渐减(下转第110页)(上接第81页)小Ti,直至系统出现振荡,之后再反过来,逐渐加大Ti,直至系统振荡消失。记录此时的Ti,设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。积分时间常数Ti调试完成。
(3)确定积分时间常数Td。积分时间常数Td一般不用设定,为0即可。若要设定,与确定 P和Ti的方法相同,取不振荡时的30%。
(4)系统空载、带载联调,再对PID参数进行微调,直至满足要求。
4 系统效果及效益分析
4.1 使用效果
时效性:通过调气工艺的优化,极大地提高了调气操作的实效性,使其更加灵敏精确,实际用时控制到了10秒以内。
稳定性:压力流量特性曲线波动减小。
4.2 效益分析
经济效益:投入使用后,减少了油田放空,创造可观的经济效益。
社会效益:(1)用户用气量大幅增加;(2)减轻了员工的劳动强度,提高了工作效率;(3)自动调气工艺可以及时适应压力、流量变化的应急补气要求;(4)提高供气灵活性、安全性,减少了放空,保证了下游用户平稳用气,支持了地方企业发展,油田天然气实现销量最大化和效益最大化。
5 结束语
自动调节装置的应用,有效提高了天然气调配的时效性和精确性。在临界工况下避免因人为调节造成的突发事故,减少了员工劳动强度,天然气供输系统的手自动自由调节使吐哈油田数字化、智能化、自动化发展主题充分体现。
参考文献
[1]陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用.北京:机械工业出版社,1998:12-26.
[2]朱建公,张俊俊.变参数PID控制器设计.西安:西北大学学报(自然科学版),2003.33(4).
[3]江弘.自动调节阀流量特性实验的开发.实验技术与管理,2007(10).
[4]何正.自动控制设计中调节阀的选型.化学工业与工程技术,2000(3).
[5]郑红丽,庞秀伟.浅谈调节阀的流量调节、调节范围及流量特性.锅炉制造,2007(4).
[6]金永功.燃气限流调节阀的可调比及精度.上海煤气,2008(2).
[7]邢丽娟,杨世忠.节阀特性及选择方法.煤矿机械,2007(5).