温凯伦 路 宏 李鹏程 高小永 段梦兰

(1.中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院 北京 102249； 2.中海油研究总院有限责任公司 北京 100028；3.中国石油大学(北京)自动化系 北京 102249)

随着海洋石油的不断开发，出于经济和环保的考虑，多相混输管线在油气开采及输送领域的应用越来越广泛[1]。然而，混输管线在立管段极易出现严重段塞流，造成管道运行条件恶化，导致管道及油气水处理设备内部构件承受间歇性应力冲击，影响设备性能[2]。段塞流捕集器是位于混输管线终端的油气初级分离设备，可有效分离和捕集液塞，确保下游设备正常工作；此外，在最大液塞到达时，可作为液体的临时储存器，起到缓冲作用，为下游气液处理装置提供稳定的气液流量。设置在海上平台的段塞流捕集器通常采用容器式，当液塞单元不断产生并进入捕集器时，会导致捕集器内液位和压力波动，通常在设计时可采用增大捕集器容积的方式来消除段塞的不利影响，但海上平台由于空间受限，捕集器的容积不能做得很大。因此，建立和优化海上段塞流捕集器液位和压力自动控制系统是十分必要的。

对于段塞流捕集器控制系统的设计问题，胡茂宏 等[3]结合项目实例，针对不同工况，设计了不同压力和液位单回路控制方案；刘新野[4]提出了应用自整定模糊PID的控制算法对捕集器液位及压力进行控制，可以对不同工况下的系统进行参数自整定，提高了控制效率；孙旭 等[5]提出了不仅要利用压力、液位控制信号，还要采取分程控制和多信号联合控制的观点，扩大了控制阀的可调范围，改善了控制系统品质；吕宇玲 等[6]探究了分离器排液阀的控制与分离器体积之间的联系，找出阀门具体开度大小随时间变化与液位波动的关系，通过对阀门的调节减小分离器的体积，并给出分离器液体出口阀门的选用及控制模型，降低了强烈段塞对集输系统的影响。

上述研究采用的控制方案均为反馈控制，当系统面临强烈段塞干扰时，控制作用存在滞后，极易造成捕集器内液位和压力长时间波动。本文结合某气田管线实际工况，利用自动控制理论设计了段塞流捕集器的控制系统方案，针对单回路反馈控制作用滞后以及无防超限功能的问题，经过对比和优化，最终确立了前馈-反馈的选择性控制方案。

1 仿真模型建立

某气田管道在混输过程中极易产生严重段塞流，导致下游捕集器液位及压力产生频繁波动，故考虑利用OLGA软件建立多相混输过程模型，以此设计段塞流捕集器控制系统。管道输送流量为509 000 sm3/d，气液比为7 900，输送介质温度为50 ℃，压力为2 MPa。海管长约81 km，立管高约150 m，内径均为422 mm，段塞流捕集器为水平式气液两相捕集器，长8 m，直径2 m。根据上述工况，利用OLGA软件建立了该气田混输管线及段塞流捕集器几何模型(图1)，在主管线及分离后的气液管线出口处各设一调节阀，调节阀均为气关型。

2 段塞流捕集器控制系统设计

为对比不同控制系统对段塞流引起的捕集器内液位和压力波动的抑制效果，分别设计了单回路控制、选择性控制、前馈-反馈选择性控制3种自动控制系统，对捕集器液位和压力进行控制。

2.1 单回路控制系统

单回路反馈控制是过程工业中最常用的控制策略，简单实用且应用广泛[7]。段塞流捕集器控制系统的被控对象为段塞流捕集器，被控变量为捕集器的液位及压力，操纵变量为两支路的流量。其控制系统框图及OLGA内控制系统模型如图2所示。

图2 单回路控制系统

根据被控变量液位和压力分别组成2个单回路控制系统，形成液位控制系统和压力控制系统。调节阀即两支路出口的阀门。控制器选择PID控制器，其在OLGA内有封装好的控制器模块。PID控制是工业中常用的控制律，理想的PID控制数学表达式为

(1)

式(1)中：Δu(t)为控制器输出，Kc为比例增益，e(t)为误差，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，t为时间。通过对Kc、Ti、Td参数的整定，可以达到消除误差、跟踪设定值的目的[8]。但由于该被控过程含有高频变化，测量值含有很大的噪声，微分作用会对高频噪声起放大作用，故只采用PI控制，其数学表达式为

(2)

因调节阀是气关型，为反作用环节，阀门开度增加，液位、压力均减小，故被控对象为反作用环节；测量变送环节均为正作用环节；为保证整个闭环系统为负反馈，即所有环节乘积为反作用环节，故可确定两个控制器均为反作用环节，即比例增益为正值。根据经验法对液位系统、压力系统分别进行参数整定，两回路参数取值Kc=0.5，Ti=1 000 s，液位的设定值为1 m，压力设定值为2.3 MPa。经过4天模拟，得到捕集器内液位、压力及液相管线出口流量随时间变化曲线(图3)。可以看出，在没有严重段塞时，液位和压力值均可以很好地跟踪到设定值，且没有稳态误差；但当严重段塞涌入捕集器时，会导致液位的大幅度波动，最高液位可达1.9 m，对设备本身及下游生产都会造成安全隐患[8]；同时液相管线出口峰值流量高达21 000 m3/d，因下游设备处理能力有限，大流量是不被允许的。

图3 单回路控制系统各参数曲线

2.2 选择性控制系统

基于上述单回路控制系统存在的问题，对单回路控制系统进行改进，在原有液位和压力控制的基础上，增加防止液位及出口流量超限的控制系统。一般来说，凡是在控制回路中引入选择器的系统都可称为选择性控制系统。通过引入选择器，对2个紧急关断控制器(ESD1、ESD2)输出的控制信号进行选择来实现对控制阀的调节。其选择性控制回路部分的系统框图及OLGA内搭建的控制系统见图4。

图4 选择性控制系统

液位紧急关断控制器(ESD2)的输入信号由液位变送器给定，同时，液位紧急关断控制器的输出信号最小值可不必仅置为0(0表示全关，1表示全开)，在此设为0.01，即当发生超限情况时，阀门并非全关状态，而是呈1%的开度。该操作在OLGA软件内可通过修改控制器的最小信号值实现，在现场则通过阀门定位器实现。在ESD2内设置高液位限定值，当段塞流捕集器内液位超过限定值时，ESD2立即动作，输出控制信号值0.01，即通过迅速减小阀门开度至1%达到控制液位的目的。同时，通过设置复位值可实现当液位低于复位值时，紧急关断器输出控制信号重新置为1，即重新使阀门全部打开。出口流量紧急关断控制器(ESD1)工作原理与ESD2相同。当液位和出口流量两者之一或两者都超过限定值时，其对应的紧急关断器都会输出0.01。因此为了达到控制目的，选择器为低选器(LS)，其数学表述为

uo=min(ui1,ui2,ui3,…,uij)

(3)

式(3)中：uij为选择器的第j个输入信号；uo为选择器输出信号[9]。

正常工况下，由于液位及出口流量均低于限定值，两个紧急关断器均未动作，输出信号为1，即此时低选器的输入信号均为1，输出信号亦为1，阀门处于全开的状态，控制回路等同于单回路控制系统。当管线内发生严重段塞，导致捕集器入口流量发生骤变时，捕集器液位及出口流量同时超过限定值，或有一者超过限定值，紧急关断器进入工作状态，小于1的信号被低选器选中，输出控制作用，使捕集器入口阀门开度减小，达到控制目的。针对不同工况，选择器的输出信号见表1。

表1 选择器输出信号表

模拟开始前，根据实际工况，将液位紧急关断控制器的限定值设为1.5 m，出口流量紧急关断器的限定值设为4 000 m3/d。同样经过4天的模拟，得到捕集器内液位、压力及液相管线出口流量随时间变化曲线(图5)。显然，在正常工况下，液位和压力值仍能很好地跟踪设定值，而当严重段塞来临时，液位则可以很好地稳定在1.5 m以下，液相出口流量峰值大幅度减小，但因该回路存在的纯滞后时间较长，控制作用不及时，故会存在某些流量超过限定值的时刻，但大部分时刻流量都稳定在4 000 m3/d以下。

图5 选择性控制系统各参数曲线

观察低选器的输出作用曲线(图6)，由于严重段塞导致的捕集器液位和液相出口流量发生波动，导致低选器输出信号不断变化，阀门在0.01及1之间频繁动作，对阀门长期安全服役极其不利。

图6 低选器控制状态

同时，由于反馈控制只有当扰动引起被控变量偏离设定值之后，控制器才开始实施对扰动的补偿，因此其控制作用必然是滞后的，由液位及压力模拟结果曲线(图5)可以看出，该控制系统过渡过程时间较长，往往当干扰来临时，控制系统还未达到稳态值或刚达到稳态值，下一次干扰又开始作用，从而导致液位及压力发生频繁振荡。

2.3 前馈-反馈选择性控制系统

针对选择性控制系统的缺陷，对控制系统进行优化，提出了前馈-反馈选择性控制方案。前馈控制的基本原理是测量进入被控对象或过程的干扰量，并根据干扰的测量值产生合适的控制作用来改变控制量，使被控变量维持在设定值上。前馈控制的框图中，F(s)为干扰，Y(s)为系统的输出，Gf(s)为扰动通道的传递函数，G0(s)为控制通道的传递函数，Gd(s)为前馈补偿单元的传递函数(图7)，s为复域内表达传递函数模型的复变量。

图7 前馈控制系统框图

系统对扰动F(s)实现全补偿的条件为：当F(s)≠0时，要求Y(s)=0。系统的输出Y(s)=(Gd(s)G0(s)+Gf(s))F(s)，由此可推出前馈控制器的传递函数为

(4)

该前馈控制器考虑了两个通道的动态特性，追求的目标是被控变量的绝对不变性，即在整个过渡过程中，被控变量Y(s)始终保持不变。而在实际生产过程中，并不需要如此高的要求，只需在稳态下实现对扰动的补偿，即

(5)

其中Δy(t)表示稳态误差，令式(4)中的s=0，就可以得到基于稳态不变性原理的静态前馈控制器为

(6)

式(6)中：Kf、K0分别为干扰通道和控制通道的静态增益，可以用实验的方法测得。这里将被控对象视为一阶惯性加纯滞后模型，应用阶跃响应曲线的方法测得其传递函数为

(7)

同理，测得干扰通道的传递函数为

(8)

由此可得，Gd=0.1时，此时前馈控制器为一个纯比例控制器。

根据前馈控制器的设计公式可以看出，其控制效果好坏与控制通道和扰动通道的模型精度密切相关，而通过实验方法获得的模型跟理论模型一定是存在误差的。因此，在大多数实际应用中，往往都是将反馈控制与前馈控制结合起来，设计成前馈-反馈控制系统。这样，可以利用前馈控制来克服可以预见和测量的主要扰动，而对于前馈控制补偿不完全的部分，由反馈控制来消除。这样的控制系统即使在大而频繁的扰动下，仍然可以获得优良的控制品质。

考虑到该被控过程的主要扰动为严重段塞流，因此需在段塞流捕集器入口处添加一前馈控制器进行扰动补偿。在主管线立管底部添加一压力变送器，作为前馈控制器(PC)的输入信号，控制器输出同样连接至低选器，作为低选器的一个输入信号。在OLGA内搭建前馈-反馈选择性控制系统模型(图8)，该控制系统的工作逻辑为：当液位和出口流量未超限定值时，两紧急关断器的输出信号均为1，前馈控制器通过跟踪立管底部压力的设定值产生控制作用，输出信号小于1，故被低选器选中，调节阀门开度达到抑制段塞、补偿干扰的效果；当液位和出口流量某一项超限时，紧急关断控制器的输出信号0.01被低选器选中，此时前馈控制器呈开环状态，进而达到防超限的效果。选择器输出信号见表2。

表2 带有前馈补偿的选择器输出信号

图8 前馈-反馈选择性控制系统OLGA模型

同样经过4天的模拟，观察该控制系统下的各被控变量输出结果(图9)，显然，段塞流捕集器的液位和压力不但能很好地跟踪到设定值，其波动也大幅度减小，液位仅开始阶段有一次超过1.5 m限定值，同时，液相管线的出口流量也最终稳定在1 000 m3/d左右，且在稳态时未超出限定值。因此，选择前馈-反馈选择性控制方案对段塞流捕集器的各被控指标进行有效控制。

图9 前馈-反馈选择性控制系统各参数曲线

3 前馈-反馈选择性控制系统在不同工况下的控制效果分析

从2.3节的分析结果可以看出，在正常运行工况下，前馈-反馈选择性控制方案可以对段塞流捕集器的各被控指标进行有效控制。因段塞流在许多工况下都会出现，故还需考虑在其他工况下控制系统的表现。因此，针对该段塞流捕集器控制系统，采用OLGA模拟验证系统输量变化、启停、工作点变化等3种工况下，前馈-反馈选择性控制方案的控制效果。

3.1 输量变化

为分析输量变化工况下，前馈-反馈选择性控制方案的控制效果，在OLGA内设定源流量在模拟运行1天后，由一开始的509 000 m3/d变为800 000 m3/d，直至4天后结束。该变化对控制系统来说，可视为一个比较严峻的阶跃干扰信号，观察系统的输出曲线(图10)，可以看出，虽然系统在1天结束时受到一个阶跃信号的干扰，但由于前馈回路的存在，可以很好地对该干扰进行补偿，3个被控变量的曲线与正常运行工况相比变化不大，表明控制效果理想，满足生产需求。

图10 输量变化工况下前馈-反馈选择性控制系统各参数随时间变化曲线

3.2 启停

为模拟分析启停工况下，前馈-反馈选择性控制方案的控制效果，在OLGA设定正常运行至3天时，经过停产6 h后重新启动生产，继续运行至5天后结束。观察系统各被控变量的输出曲线(图11)，可以看出，在0～3 d内，系统处于正常运行工况，各变量变化趋势与之前相同，3天后系统经历启停工况，管道内会产生强烈段塞流，同时由于系统重启需要重新跟踪设定值，导致过渡过程时间较长，但当过渡过程结束，约运行至4天时，系统重新进入稳态，捕集器的液位及压力仍能保持在小范围内波动，即相对稳定的状态，控制系统品质仍能得到保证，表明控制效果理想，满足生产需求。

图11 启停工况下前馈-反馈选择性控制系统各参数曲线

3.3 工作点做阶跃变化

为模拟分析工作点做阶跃变化工况下，前馈-反馈选择性控制方案的控制效果，以捕集器的液位为例，在系统运行1天后，在OLGA将捕集器的液位设定值由1 m变为0.9 m，观察系统运行4天后的(图12)。可以看出，在设定值做阶跃变化后，系统可以很迅速地跟踪到新的设定值，并在新的工作点下保持稳定，表明系统控制效果良好，满足要求。

图12 设定值做阶跃变化时控制系统液位曲线

以上分析结果表明，所选定的前馈-反馈选择性控制方案控制效果较好，系统设计可靠，满足生产需求。但实际应用中，由于前馈控制器是专用控制器，针对不同被控对象，其形式会有所不同。若采用的前馈补偿器包含积分作用，当其长时间处于开环状态时，会产生积分饱和现象，需要采取积分抗饱和措施。OLGA软件内封装好的PID控制器已经具有抗饱和措施，在实际应用时，则需注意要采取一定的防积分饱和措施。常用的防积分饱和的方法是当发现控制器输出饱和时，就停止控制器的积分作用，当控制器输出不再饱和时，恢复积分作用。实际工程中，积分作用是一个正反馈过程。因此，可以在正反馈回路中增加一个限幅环节，当控制器输出达到幅值后就无法继续累加上去，即积分作用被切断[10]。另外可以考虑将前馈控制器设计成压力-流量串级控制器，以此获得更好的控制品质[11]。

4 结论

利用OLGA多相流瞬态模拟软件设计的段塞流捕集器前馈-反馈选择性控制系统可以很好地将捕集器的液位、压力稳定在设定值，同时由于前馈控制器的存在，可以很好地对段塞干扰进行补偿，减小了捕集器各参数的频繁波动，系统的动态性能和稳态性能都具有良好的表现，同时具有防超限功能，可以满足安全生产需求。建议在实际工程应用中，将前馈控制引入段塞流捕集器控制回路，因其各环节静态增益较易获得，且前馈控制器形式为比例控制器，在工程中较易实施，成本小，收益大，推荐使用前馈-反馈选择性控制方案。