说明书气田集输工程井口加热炉系统及自动控制方法
技术领域
本发明涉及一种气田集输工程井口加热炉系统以及自控控制该加热炉的方法。
背景技术
天然气加热炉作为油气田一种重要的加热设备,广泛地应用于天然气集输系统中。它工作原理是通过加热炉中的水作为加热介质，加热水中的天然气输送管道，从而使管道中天然气达到一定的温度、压力和流量，防止燃气输送管道内节流降压形成水合物堵塞管道。国内很多气田属高酸性气田,开发中面临剧毒、强腐蚀性等诸多高风险因素,使安全成为关系工程建设成败的决定性条件。目前国内气田所使用的进口加热炉自动控制系统,无法实现酸气定产、稳压以及流量的准确计量,酸气加热效果差,严重时会造成加热炉停炉、关井。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种气田集输工程井口加热炉系统及自动控制方法，用于智能化自动控制其流量、压力和温度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种气田集输工程井口加热炉系统，包括开放式的罐体，罐体底部设置有加热装置；罐体内部安装有一级加热盘管和二级加热盘管；所述一级加热盘管两端分别与一级进水管和一级出水管连接，所述二级加热盘管分别与一级出水管和二级出水管连接；其特征在于：所述一级进水管上安装有二级节流阀，一级出水管上安装有三级节流阀；所述二级节流阀之前设置有压力感应器P1、温度感应器T1；二级节流阀和一级盘管之间设置有压力感应器P2、温度感应器T2；二级加热盘管之后设置有压力感应器P3、温度感应器T3以及流量计Q3；所述加热装置为燃气加热装置；该加热装置设置有进气阀。
一种用于上述气田集输工程井口加热炉系统的自动控制方法，包括流量控制、压力控制、温度控制。
作为一种改进，所述流量控制的步骤为:
步骤1，确定一个流量预设值Qset；
步骤2，对Q3进行周期性采样；
步骤3，将采样结果带入PID控制公式计算控制量；所述PID控制公式为u(t)=Kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt] ；
步骤4，通过控制量调节二级节流阀开度。
作为一种改进更进一步的改进，所述流量控制步骤3中，PID控制公式中比例部分设置有智能控制系数Kint,即u(t)=KintKpe(t)；当E(t)≥5%时,Kint=0.5; 当E(t)≤5%时,Kint=（10/ Qset）(Σ┃e(t)┃/n)；E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/Qset。
作为另一种更进一步的改进，所述流量控制步骤3中，PID控制公式中积分量部分设置有智能控制系数Hint, 即i(t)= Hint(1/Ti)∫e(t)dt；当E(t)≥5%时, Hint=0.5; 当1%≤E(t)≤5%时，Hint=（10/ Qset）(Σ┃e(t)┃/n)=10E(t)；当E(t)≤1%时，Hint=0.1；E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/Qset。对于传统PID控制来说，P、I、D参数设定值都是静态的固定值，对于单一控制的变化量适用，但是多变量的耦合控制就不行了，而且为了防止控制超调和死区，对PID的参数需要进行动态设定，即PID的调节参数值根据控制设定和实际反馈的差值按比例自动计算。
作为另一种改进，所述压力控制的步骤为:
步骤1，确定一个压力预设值Pset；
步骤2，对P2进行周期性采样；
步骤3，将采样结果带入PID控制公式计算控制量；所述PID控制公式为u(t)=Kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt] ，其中E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/Pset；
步骤4，通过控制量调节三级节流阀开度。
作为上述改进进一步的改进，所述压力控制步骤3中，PID控制公式中比例部分设置有智能控制系数Kint,即u(t)=KintKpe(t)；当E(t)≥5%时,Kint=0.5; 当E(t)≤5%时,Kint=（10/ Pset）(Σ┃e(t)┃/n)；E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/Pset。
作为上述改进另一种进一步的改进，所述压力控制步骤3中，PID控制公式中积分量部分设置有智能控制系数Hint, 即i(t)= Hint(1/Ti)∫e(t)dt；当E(t)≥5%时,Hint=0.5; 当1%≤E(t)≤5%时，Hint=（10/ Pset）(Σ┃e(t)┃/n)=10E(t)；当E(t)≤1%时，Hint=0.1；E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/Pset。对于传统PID控制来说，P、I、D参数设定值都是静态的固定值，对于单一控制的变化量适用，但是多变量的耦合控制就不行了，而且为了防止控制超调和死区，对PID的参数需要进行动态设定，即PID的调节参数值根据控制设定和实际反馈的差值按比例自动计算。
作为另一种改进，所述温度控制的步骤为：
步骤1，确定二级盘管的出口温度预设值tset1、二级盘管的进口温度预设值tset2、水浴温度预设值tset3；
步骤2，对T1、T2、T3进行周期性采样；
步骤3，将采样结果带入PID控制公式计算控制量；所述PID控制公式为u(t)= Kp[Kinte(t)+Hint(1/Ti)∫e(t)dt+Td(de(t)/dt)]；当E(t)≥5%时,Kint=0.5; 当E(t)≤5%时,Kint=（10/ Tset）(Σ┃e(t)┃/n)；当E(t)≥5%时,Hint=0.5; 当1%≤E(t)≤5%时，Hint=（10/ Tset）(Σ┃e(t)┃/n)=10E(t)；当E(t)≤1%时，Hint=0.1；E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/Tset; Tset=tset1,tset2,tset3。
步骤4，首先将二级盘管的出口温度和二级盘管的出口温度预设值形成的PID输出值，与二级盘管的进口温度和二级盘管的进口温度预设值形成的PID输出值进行比较，选择两者中较大的值，再与水浴温度和水浴温度预设值形成PID输出值比较，选择两者中较小的值；
步骤5，利用步骤4得到的PID值控制进气阀的开度。
本发明的有益之处在于：由于智能控制系统采用PID智能模糊控制，解决了多变量相互干扰的技术问题，真正实现了多变量的解耦控制。流量、压力、温度在进行人为调整设定或者由于工艺环境变化参数波动后，都能在短时间内实现动态平衡。使得系统流量、压力、温度动态变化平缓，运行稳定。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为普通PID控制与可变比例系数效果对比图。
图3为普通PID控制与可变积分系数效果对比图。
图中标记：1罐体、2加热装置、3一级盘管、4二级盘管、5一级进水管、6一级出水管、7二级出水管、8二级节流阀、9三级节流阀、10压力感应器P1、11温度感应器T1、12压力感应器P2、13温度感应器T2、14压力感应器P3、15温度感应器T3、16流量计Q3、17进气阀。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。
这个理论和应用的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。
PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation））控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为u(t)=Kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt] 式中积分的上下限分别是0和t
因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+1/(TI*s)+TD*s]。其中Kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。
如图1所示， 本发明气田集输工程井口加热炉系统，包括开放式的罐体1，罐体1底部设置有加热装置2；罐体1内部安装有一级加热盘管3和二级加热盘管4；所述一级加热盘管3两端分别与一级进水管5和一级出水管6连接，所述二级加热盘管4分别与一级出水管6和二级出水管7连接；所述一级进水管5上安装有二级节流阀8，一级出水管6上安装有三级节流阀9；所述二级节流阀8之前设置有压力感应器P110、温度感应器T111；二级节流阀8和一级盘管3之间设置有压力感应器P212、温度感应器T213；二级加热盘管4之后设置有压力感应器P314、温度感应器T315以及流量计Q316；所述加热装置2为燃气加热装置；该加热装置2设置有进气阀17。
根据生产要求Q3、P2、T3 是关键控制对象,而Q3、p2 同时都与二级三级节流阀的开度有关,任何一个阀动作都会同时影响Q3 和P2,调节流量会引起压力变动,调节压力同样也会引起流量变化。流量变化也会影响温度的控制,进而影响加热炉的工作状态。根据这一工艺流程特点,一般的自动控制已不能实现稳定的控制,需要应用智能控制解决多变量相互干扰的技术问题。
本发明还涉及一种用于上述气田集输工程井口加热炉系统的自动控制方法，包括流量控制、压力控制、温度控制。
所述流量控制的步骤为:
步骤1，确定一个流量预设值Qset；首先确定一个预设值作为标杆，该预设值用于与实际采样值比较从而获得偏差。 我们在这里预设Qset=50 m3/h。
步骤2，对Q3进行周期性采样；我们假设系统扫描三个周期，第一个周期流量值为30m3/h，第二个周期流量值为35m3/h，第三个周期流量值为40m3/h。并通过现场信号感应器把物理量转换成标准的4-20mA直流信号电流，4mA对应物理量量程低限，20mA对应物理量量程高限，信号电流通过连接线缆直接接入智能控制系统模拟量输入模块，数据采样完成。比如：流量传感器量程0~70m3/h，对应信号电流4~20mA，如果流量信号电流为12mA，也就是流量传感器为35 m3/h。
步骤3，将采样结果带入PID控制公式计算控制量；所述PID控制公式为u(t)=Kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt] ；最好在PID控制公式中比例部分设置智能控制系数Kint,即u(t)=KintKpe(t)；当E(t)≥5%时,Kint=0.5; 当E(t)≤5%时,Kint=（10/ Qset）(Σ┃e(t)┃/n)；E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/Qset。以及在PID控制公式中积分量部分设置有智能控制系数Hint, 即i(t)= Hint(1/Ti)∫e(t)dt；当E(t)≥5%时,Hint=0.5; 当1%≤E(t)≤5%时，Hint=（10/ Qset）(Σ┃e(t)┃/n)=10E(t)；当E(t)≤1%时，Hint=0.1；E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/ Qset。三个周期总的相对偏差绝对值均值为Σ┃e(t)┃/n，即（┃（50-30）┃+┃（50-35）┃+┃（50-40）┃）/3=15 m3/h。 E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/Qset=15/50=30%≥5%，所以Kint=0.5, Hint=0.5。PID公式为u(t)=Kp[0.5e(t)+0.5(1/Ti)∫e(t)dt+Td(de(t)/dt)]。PID逻辑运算系统有标准的功能块，只需输入反馈值、设定值、PID参数值等，系统标准功能就能根据反馈值与设定值偏差，自动计算输出纠偏值（即PID输出值）。
步骤4，通过控制量（PID输出值）调节二级节流阀开度。此步骤即纠偏过程，所谓纠偏，就是实际值与设定值有偏差时，通过控制使偏差趋小或消除。系统把实际流量值与系统设定流量值比对，通过PID控制模块输出纠偏输出值，再把输出值通过系统模拟量输出模块转换成标准的4-20mA信号电流，控制二级节流阀的开度，即4mA对应阀门开度0%，20mA对应阀门开度100%。比如：流量设定为50 m3/h，节流阀开度为50%，此时反馈值小于50 m3/h ，PID纠偏输出值增大，控制逐渐加大开度，流量增大，当到达流量设定值后，PID纠偏输出值保持不变，反之如果现在实际流量反馈大于50 m3/h，比设定值大，PID纠偏输出值减小，控制逐渐减小开度，流量减小，当到达流量设定值后，PID纠偏输出值保持不变。本控制系统PID输出值对应电流值线性关系为，输出值0-27648对应4-20mA。
流量的控制除了二级节流阀开度控制外，还有其它的报警逻辑控制，酸气（采集加热天然气）和燃气（加热炉燃烧用）控制分别独立，酸气出现二级节流阀后压力高或者三级节流阀后压力高，智能控制系统都会立即关闭二级节流阀，防止管道爆管。当出现进气温度低、三级节流阀前后温度超高或超低、出气温度超高、可燃气体检测超高等工况时，系统只报警，不关闭二级节流阀。
所述压力控制的步骤为:
步骤1，确定一个流量预设值Pset；首先确定一个预设值作为标杆，该预设值用于与实际采样值比较从而获得偏差。我们在这里预设Pset=15Mpa。
步骤2，对P2进行周期性采样；我们假设系统扫描三个周期，第一个周期流量值为14.8Mpa，第二个周期流量值为15Mpa，第三个周期流量值为15.1Mpa。并通过现场信号感应器把物理量转换成标准的4-20mA直流信号电流，4mA对应物理量量程低限，20mA对应物理量量程高限，信号电流通过连接线缆直接接入智能控制系统模拟量输入模块，数据采样完成。比如：压力传感器量程0~25Mpa，对应信号电流4~20mA，现在压力信号电流12mA，也就是压力传感器为12.5Mpa。
步骤3，将采样结果带入PID控制公式计算控制量；所述PID控制公式为u(t)=Kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt] ；最好在PID控制公式中比例部分设置智能控制系数Kint,即u(t)=KintKpe(t)；当E(t)≥5%时,Kint=0.5; 当E(t)≤5%时,Kint=（10/ Pset）(Σ┃e(t)┃/n)；E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/ Pset。以及在PID控制公式中积分量部分设置有智能控制系数Hint, 即i(t)= Hint(1/Ti)∫e(t)dt；当E(t)≥5%时,Hint=0.5; 当1%≤E(t)≤5%时，Hint=（10/ Pset）(Σ┃e(t)┃/n)=10E(t)；当E(t)≤1%时，Hint=0.1；E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/Pset。三个周期总的相对偏差绝对值均值为Σ┃e(t)┃/n，即（┃（15-14.8）┃+┃（15-15）┃+┃（15-15.1）┃）/3=0.1 Mpa。 E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/ Pset =0.1/15=0.67%，所以Kint=1/150, Hint=0.1。PID公式为u(t)= Kp[1/150e(t)+0.1(1/Ti)∫e(t)dt+Td(de(t)/dt)]。PID逻辑运算系统有标准的功能块，只需输入反馈值、设定值、PID参数值等，系统标准功能就能根据反馈值与设定值偏差，自动计算输出纠偏值（即PID输出值）。PID逻辑运算系统有标准的功能块，只需输入反馈值、设定值、PID参数值等，系统标准功能就能根据反馈值与设定值偏差，自动计算输出纠偏值（即PID输出值）。PID输出值可为正值负值或者0。
步骤4，通过控制量（PID输出值）调节三级节流阀开度。此步骤即纠偏过程，所谓纠偏，就是实际值与设定值有偏差时，通过控制使偏差趋小或消除。系统把实际流量值与系统设定流量值比对，通过PID控制模块输出纠偏输出值，再把输出值通过系统模拟量输出模块转换成标准的4-20mA信号电流，控制二级节流阀的开度，即4mA对应阀门开度0%，20mA对应阀门开度100%。比如：压力设定为15Mpa，三级节流阀开度为50%，此时反馈值小于15Mpa ，PID纠偏输出值增大，控制逐渐加大开度，流量增大，当到达流量设定值后，PID纠偏输出值不变，反之如果现在实际流量反馈大于15Mpa，比设定值大，PID纠偏输出值减小，控制逐渐减小开度，流量减小，当到达流量设定值后，PID纠偏输出值保持不变。本控制系统PID输出值对应电流值线性关系为，输出值0-27648对应4-20mA。
流量的控制除了三级节流阀开度控制外，还有其它的报警逻辑控制，酸气（采集加热天然气）和燃气（加热炉燃烧用）控制分别独立，酸气出现二级节流阀后压力高或者三级节流阀后压力高，智能控制系统都会立即关闭三级节流阀，防止管道爆管。当出现进气温度低、三级节流阀前后温度超高或超低、出气温度超高、可燃气体检测超高等工况时，系统只报警，不关闭三级节流阀。
所述温度控制的步骤为：
步骤1，确定二级盘管的出口温度预设值tset1、二级盘管的进口温度预设值tset2、水浴温度预设值tset3；首先确定一个预设值作为标杆，该预设值用于与实际采样值比较从而获得偏差。我们在这里预设tset1=50℃ 、test2=40℃ 、 test3=80℃ 。
步骤2，对T1、T2、T3进行周期性采样；并通过现场信号感应器把物理量转换成标准的4-20mA直流信号电流，4mA对应物理量量程低限，20mA对应物理量量程高限，信号电流通过连接线缆直接接入智能控制系统模拟量输入模块，数据采样完成。同流量控制和压力控制一样，在该步骤中，对每个温度传感器进行若干次扫描，并将扫描所得温度转化问直流信号电流。
步骤3，将采样结果带入PID控制公式计算控制量；所述PID控制公式为u(t)= Kp[Kinte(t)+Hint(1/Ti)∫e(t)dt+Td(de(t)/dt)]；当E(t)≥5%时,Kint=0.5; 当E(t)≤5%时,Kint=（10/ Tset）(Σ┃e(t)┃/n)；当E(t)≥5%时,Hint=0.5; 当1%≤E(t)≤5%时，Hint=（10/ Tset）(Σ┃e(t)┃/n)=10E(t)；当E(t)≤1%时，Hint=0.1；E(t)= (Σ┃e(t)┃/n)/Tset; Tset=tset1,tset2,tset3。其计算步骤与流量和压力控制雷同，先通过预设值与实际从传感器得到的值，获取PID参数，然后通过PID模块进行计算。
步骤4，首先将二级盘管的出口温度和二级盘管的出口温度预设值形成的PID输出值PID1，与二级盘管的进口温度和二级盘管的进口温度预设值形成的PID输出值PID2进行比较，选择两者中较大的值，再与水浴温度和水浴温度预设值形成PID输出值PID3比较，选择两者中较小的值。比如：PID1值为16000，PID2值为9700，PID3值为21000，PID1>PID2，筛选出PID1，再PID1<PID3，故最后PID纠偏输出为PID1值16000，对应输出开度电流13.275mA，对应阀开度57.97%。
步骤5，利用步骤4得到的PID值控制进气阀的开度。此步骤即纠偏过程，所谓纠偏，就是实际值与设定值有偏差时，通过控制使偏差趋小或消除。系统把实际流量值与系统设定流量值比对，通过PID控制模块输出纠偏输出值，再把输出值通过系统模拟量输出模块转换成标准的4-20mA信号电流，控制进气阀开度，即4mA对应阀门开度0%，20mA对应阀门开度100%。
本发明公开的自动控制方法中，均采用可变比例系数（Kint）和可变积分系数(Hint)。现有的流量压力控制均采用一般PID控制模式。因为串级耦合干扰，极易导致控制系统震荡。扰动过大或比例过大都容导致超调、震荡、偏差大的问题（外商调试过程发生超压关断正是这一问题的表现）。减小比例会使收敛变的过慢，又易产生高频小幅震荡。如图2所示，本系统采用可变系数Kint确定比例，跟随各种情况自动调整比例大小，实现了快速稳定收敛目标。具体做法是引用系数Kint和相对偏差绝对值的均值E(t)，使比例随偏差而变。起始部分大，控制较快，随着偏差变小，控制比例变小，收敛效果更好，残差和波动幅度更小，控制效果更好。而积分时间太短、积分量i(t)过大会引起控制波动变快或震荡，积分时间太长、积分量i(t)过小会引起控制回复变慢，静差消除慢。如图3所示，本控制系统利用可变系数Hint确定积分时间，可快速稳定收敛，有好的解耦控制效果。具体做法是，引用智能积分概念，随机改变积分强度，偏差越大、积分作用越强（积分时间越短），偏差越小、积分作用越弱（积分时间越长）。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。