均匀控制两个并列二级分离器“抢液”问题分析

张 浩 崔常府 詹蕊菱

1. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司涠洲作业公司, 广东 湛江 524057;2. 中国石油天然气股份有限公司西南油气田公司川西北气矿, 四川 江油 621700

0 前言

在现场原油处理过程中,原油经过一个一级分离器处理后会进入两个并列二级分离器。在工程设计中由于通常只考虑到单个分离器的液位控制,没有进行整体考虑，因此当油水混合物经一级分离器处理后分别进入两个二级分离器时,会出现进液不均匀的问题,进而产生以下现象:一个分离器油相液位高高时,另一个分离器油相液位却还较低;一个分离器油相出口调节阀开大,而另一个分离器油相出口调节阀关小。

若此时生产人员未及时手动调控,系统将因油相液位高高或低低报警引起装置关停。对两个分离器液位不均问题进行分析,得出以下原因:两个二级分离器的位置不同,进口管线距离不一致,且出口泵距离分离器位置也不相同[1]；进出口管运行一定时间后,内壁有油垢附在上面,管道流阻不一致[2]；两分离器压力设点虽一致,但是压力会波动,分离器压力不一致导致进液出液速度也不一样。

现场有两个二级分离器A和B,分别使用调节阀 LV 2108 和LV 2112调节分离器A和B的油相液位;两个分离器出口经过液控阀调节后汇合,汇合后由泵打入下一个罐。控制程序修改前,两个调节阀各自独立控制分离器的液位,程序修改完之后,两个液控阀同时动作同开度控制两个分离器的液位。

1 理论分析

1.1 二级分离器进口流量分析

针对一级分离器出口到两个二级分离器进口这段过程,本次分析过程简化为一段理想的二分支管路[3-4],见图1。由于分支管路的总管流量等于各支管流量之和[5]，且对于任一支管,可分别建立总管截面和支管界面间的机械能衡算式,因此定出各支管的流量分配，流体在各支管流动终了时,总机械能与能量损失之和相等。

图1 二分支管路示意图Fig.1 Schematic diagram of two branch pipelines

二分支管段的流量特性有(假定管径一致):

Va=Vb+Vc

(1)

Ua×d2=Ub×d2+Uc×d2

(2)

针对aob管段有:

(3)

(4)

针对aoc管段有:

(5)

(6)

针对bc管段截面有:

(7)

由式(3)、(5)可知,当总管a压力、流量不变,且分管b与分管c压力相同时,由于流体流经管路不一,损失水头∑Hf,aob、∑Hf,aoc的不同,导致分管b与分管c的流速不同,从而各支管进入二级分离器的流量不同[6]。

由式(3)可知,在理想情况下,当主管a压力、流量不变时,若只改变分管b压力,当分管b压力增加时,分管b流量减小;假定此时分管c压力不变,由式(7)可知,分管c的流量增加。当分管b压力减小时,分管b流量增加,分管c的流量减小[7-8]。由此可知,调节分管压力对调节分管流量分配有积极的意义[9]。

1.2 二级分离器出口流量分析

程序修改对两个二级分离器的油相出口工艺流程并没有改变,油相液位还是通过油相出口调节阀控制。根据调节阀流量公式[10]可知:

(8)

已知分离器气相压力为320 kPa,调节阀后端液相压力为20 kPa,油相液位实际工况在1.8 m,粗略算出阀门前后差压为318 kPa。在理想条件下,当其它条件都不变时,根据式(8)可知,当差压增加5%时,流量增加约2.3%。

2 控制策略修改

造成进液不均的原因很多,且影响不可量化,也无条件消除这些因素,但进液不均的问题最终可以体现为两个分离器液位不一致的问题,所以实现两个分离器液位基本一致是控制目标,问题可以转化为通过何种方式实现两者液位保持一致[11-12]。

在未改变控制策略之前,由于两个分离器进液不均,当上游来液波动较大时,上游增加的来液会经常只进入到一个分离器,而较少进入另一个分离器,就会出现其中一个分离器液位高,而另一个分离器液位相对比较低,进而出现一个调节阀开度增大,一个调节阀开度却反而减小的情况。通常工艺部门在实际操作中使用两种方法调节液位:关小各自分离器进口的截止阀,通过截止阀节流控制进入分离器的液量;调整分离器压力设点,当液位高的时候,提高分离器压力,这样背压大,进液就会变少,同时出液会加快,液位下降。

在实际操作过程中,通过压力设点的调节来调节阀液位,效果比较明显。综合分析可以通过以下控制策略的修改来解决分液不均的问题。

2.1 液位控制策略修改

原有的控制方式:分离器A的液位变送器LT 2108控制分离器A调节阀LV 2108;分离器B的液位变送器LT 2112控制分离器B调节阀LV 2112。根据将两个分离器看成一个分离器,两个分离器出口调节阀LV 2108和LV 2112看成一个调节阀的控制思路[13-15],修改控制策略,采用两个分离器的液位平均值经过LIC 2108 PID运算,同时控制两个调节阀,达到两个阀门开度一致的目的。分离器工艺流程见图2。

图2 分离器工艺流程图Fig.2 Separator process flow chart

若选择两个分离器的平均液位作为液位控制的PV值,同时去控制两个调节阀同步动作。当其中一个液位变送器检修时,就会产生较大误差。所以这里的液位控制的PV值,需要对分离器A液位值、分离器B液位值、平均液位值进行选择控制[16],在一些特定情况时,也需要在手动情况下能够单独对各自调节阀进行调节,见图3。阀LV 2112与阀LV 2108控制逻辑同理。

图3 液位控制策略图Fig.3 Liquid level control strategy

2.2 压力控制策略修改

工艺实际操作中发现通过调节分离器压力可以改善分离器液位调节效果。通过调整分离器压力设点,当液位计高的时候,提高分离器压力,背压大,进液变少,同时出液加快,液位计下降。将两个分离器的油腔液位的差值作为PV值,将液位相差为零时作为设定点进行LIC 2112(PID)运算(LIC 2112是原有液位控制PID,改为压力控制PID,LIC 2108继续控制两个分离器的调节阀开度),得出一个压力需要的增益值(CVEU)[17-18]。用分离器A的压力设点加上CVEU赋值给分离器B的压力设点。此时分离器B的压力设点就是变化的,是一个随动控制[8]。当两分离器液位一样时,LIC 2112的CVEU为0,两个分离器的压力设点一样,气相阀门开度各自调节,使两分离器气相压力一样,见图4。

图4 分离器B液位串级控制图Fig.4 Level cascade control of separator B

当两分离器液位不一致时,LIC 2112的CVEU是一个不为零的值,分离器A压力设点不变,分离器B压力设点在分离器A的压力设点上随CVEU变化,造成两分离器压力不一致,调整分离器A和分离器B的进液量、出液量,促使分离器A和分离器B的液位保持平衡[19-20]。液位改变的同时,两个二级分离器液位差值也在变小,压力的CVEU趋近于0,气相压力趋于平衡。

根据液位调解效果,通过改变LIC 2112(PID)运算的设点来增大压力CVEU变化,加强对二级分离器进出口流量的影响,这里实验调得-15～15 kPa的CVEU变化量程范围。当LIC 2112退出PID控制,变为手动控制时，分离器B就成为了压力的单回路控制,此时两个分离器为压力的单回路控制,退出了压力控制策略,只保留了液位控制策略。

修改前后二级分离器A的油相液位效果对比见图5。

a)修改前a)Before adjustment

b)修改后b)After adjustment

3 结论

1)针对两个分离器“抢液”问题,提出对控制方式进行修改,将两个分离器从控制逻辑上处理成一个分离器的思路。通过对两个分离器压力的调整、三种液位控制模式的选择切换(初始条件下单回路液位控制、液位的选择控制、压力液位的串级随动控制)、PID参数调整等措施,使得整个二级分离器油相液位控制均匀,出口调节阀根据液位控制状态良好。避免了生产人员手动调控不及时,造成系统因油相液位高高或低低报警引起装置关停。

2)两个二级分离器油相出口液位控制阀方式的修改完成后,解决了正常工况下进液不均的问题,充分利用两个二级分离容器减小来液波动造成的生产波动。两个二级分离器进液平稳,油水处理效果改善明显,水相出口含油由250 mg/L下降至120 mg/L,油相出口含水率由20%下降至12%。系统稳定性得到提高,上游来液波动影响明显降低。均衡进液后总处理能力提高约1 000 m3/d。减少了二级分离器破乳剂注入量。优化前,为改善油水分离效果,需要注入30 mL/min的破乳剂,年注入量15 552 L,破乳剂1.833万元/m3,优化后每年可降本28.5万元。

3)修改后的控制方法在油气水三相分离的油相液位均衡控制上,取得了良好的效果,但在油水混合腔油水处理量上并不均衡,分离器处理效率还存在提高的空间。下一步需要研究如何利用两个分离器的控制阀开度差,来调节进液量,从而调节处理量,达到均匀进液和稳定油水分离界面的目的。