原油污水加药系统中串级控制的研究与应用
- 作者：张建华 蒋能记 杨水林
- 摘要：原油污水处理工艺流程参数变化大、影响因素多，控制难度大。通过分析处理工艺流程及生产控制原理提出了前馈串级控制的控制方法，利用该控制方法对控制过程优化，提高了系统适应能力，降低了污水处理加药费用，同时保证了回注油田污水的质量。该控制方法比较适合间歇生产过程的控制，并为过程控制提供了一种行之有效的方法。
摘 要：
原油污水处理工艺流程参数变化大、影响因素多，控制难度大。通过分析处理工艺流程及生产控制原理提出了前馈串级控制的控制方法，利用该控制方法对控制过程优化，提高了系统适应能力，降低了污水处理加药费用，同时保证了回注油田污水的质量。该控制方法比较适合间歇生产过程的控制，并为过程控制提供了一种行之有效的方法。
关键词：
原油污水处理 PID 前馈控制 串级控制
Abstract:
It is hard to control polluted water process system duing to parameter fluctuating and lots of influential factor. So, the paper brings out a feed forward cascade PID control method in order to optimize control process according to technological flow and control theory. It promotes the system stability and decreases the cost of the water process. Also it ensures the quality of water being injected back to oil field. The control method applies to control interrupted production process. It is an efficient method for process control.
Key words:
Crude oil polluted water process; PID; feed forward control;cascade control
引言
目前，原油处理过程中产生的污水主要通过净化处理然后回注油田，这样既实现了环保，又达到了资源重复利用、节约资源的目的。根据回注油田的污水水质标准测量，铁、溶解氧、硫化物、平均腐蚀率、硫酸盐还原菌、铁细菌等指标都容易达标，但含油这项指标不容易控制。为了使污水达到回注油田的要求，通常的方法是添加化学药剂使污水中的油水分离，然后沉降，最后达到污水达标的目的。对于加药环节部分，加药量的多少是直接影响到污水处理效果的关键，同时也与系统运行成本紧密相关。采用单回路PID控制可以实现加药量的控制，但过渡过程的收敛特性差，调节速度慢，系统抗干扰能力弱。同时由于被控对象的参数变化大、影响因素多，很难建立精确的数学模型。因此，在控制策略上，通过对污水处理工艺流程的分析，结合欧姆龙公司最新推出的CS1/CJ1 PLC系统针对过程控制的新指令，将控制算法进行优化使系统达到既能有效减少滞后，抑制超调，也对被控对象参数变化有较强的适应能力。
1 原油污水处理控制系统原理
根据现场原油污水处理流程，原油污水处理控制系统原理如图1所示[1]。
图1中：M为变频电机，f(t)为某一药剂的药剂罐出口流量，L(t)为某一药剂的加药泵出口流量，n(t)为污水来水流量，r(t)为某一时刻污水来水流量测定值。
此系统可以看作是在串级控制的基础上，引入前馈控制，以克服污水来水流量n(t)波动对系统的影响。图中加药泵出口流量测量环节，药剂流量PID调节器和变频电机构成串级副控回路。污水浓度测量环节，药剂浓度PID调节器，副控回路和污水反应罐构成串级主控回路。污水来水流量n(t)是串级控制系统的扰动量，由来水流量测量环节把扰动量的大小输送到前馈调节器再送到比较器，前馈控制与串级控制共同构成了前馈－串级控制。
根据污水处理工艺流程示意图（图1），可以画出前馈串级调节回路控制系统示意图，如图2所示。
2 前馈串级控制算法研究[2] [3]
分析浓度－流量前馈串级调节回路控制系统示意图（图2），浓度－流量前馈串级PID控制系统的方框图如下图所示（图3）。
通过分析原油污水处理工艺流程、生产控制原理，结合欧姆龙公司CS1/CJ1 PLC系统针对过程控制的新指令集，前馈调节环节的传递函数可以近似为前馈传递函数表达式（1），药剂流量PID调节环节的传递函数可以近似为比例积分传递函数表达式（2），药剂浓度PID调节环节可以近似为不完全微分传递函数表达式（3）。
从图3中可推导出，在采用上述控制算法时，给定x系统响应输出y如下式：
与单回路PID控制算法相比前馈串级PID控制算法有如下两个特点：
①工业生产过程中控制对象对扰动总是存在惯性和纯滞后，从扰动作用产生，到使被控量回复到给定的要求值需要相当长的时间。系统中加有前馈调节功能后，一旦出现扰动，前馈调节器就直接根据扰动的大小和方向，按照前馈调节规律，补偿扰动对被控量的影响。由于惯性和纯滞后，扰动作用到系统上，被控量尚未发生变化，前馈调节器就进行了补偿，如果补偿作用恰到好处，可以使被控量不会因扰动作用而产生偏差。在式（4）的传递函数中有一项Gα（s），从式（1）可知，Gα（s）是一个以 为可变参数的动态前馈调节器，该动态前馈调节器依据一定的调节规律，把污水来水流量n(t)波动量作为药剂流量PID调节器的一个输入值，使变频电机的转速发生改变，从而保证污水出口浓度的稳定。
图4 不同控制类型的控制性能的影响 图5 前馈控制系统的输出特性
②浓度－流量前馈串级PID控制算法的另一个特点是其微分环节采用了不完全微分的微分先行算法。从式（3）可知，所谓不完全微分是指在微分环节TdS中加了一个
3、浓度－流量前馈串级PID控制算法的实际应用[4]
在陆梁油田原油处理实际系统中，污水处理工艺采用了三种“水质改性技术”的复合药剂，SDJ-E1剂是一种无色水溶剂，弱酸性，易燃易爆，无毒无刺激味。SDJ-E2剂是一种浓度为40％的浆状物或６０％的膏状物，强碱性，无毒，但对皮肤有刺激。SDJ-E3剂是一种非易燃易爆白色细粒状固体，中性，无毒，无味。
3.1 浓度－流量前馈串级PID控制仿真实验结果
根据控制策略，以原油污水处理控制系统为试验对象，进行单回路的PID控制、前馈串级PID控制的阶跃响应比较试验，检测反应罐出口污水透光度达到80％为设定指标，结果如图6～7。
图6 单回路PID控制策略的阶跃响应 图7 前馈串级PID控制策略的阶跃响应
通过对比仿真实验可见，前馈串级PID控制（图7）有着良好的性能，超调远小于单回路PID控制策略（图6）。而且过渡过程的收敛性也比较快，调节速度加快，动态偏差显著减小，可以满足较高精度的要求。
3.2 浓度－流量前馈串级PID控制的实际应用
首先加入X浓度的SDJ-E2药剂静置5min，然后加入Y浓度的SDJ-E1药剂静置5min，最后加入Z浓度的SDJ-E3药剂静置5min，三种药剂加如后检测反应罐出口污水透光度是否>80％，经过人工反复试验测定了三种药剂的最佳浓度。以人工试验测定的最佳浓度分别作为三种药剂浓度PID调节器的初始给定值。
从上面数据和图表可以看出，三种药剂的加药量呈下降趋势，而水质指标一直稳定合格。
3.2 前馈串级PID控制的效果评价分析
前馈串级PID控制系统投用后，通过对污水处理加药量的优化，降低了污水处理加药费用。2003年投产初期(前馈串级PID控制未投用)污水处理药剂费用为2.3元/方，根据每天处理污水2200方/天来测算，现污水加药费用为1.13元/方，实际节约1.17元/方。2004年加药费用为89.8万元，计算方法为：2200方/天×1.13元/方×365天/年=89.8万元，与2003年相比，节约污水加药费用61.2万元。具体数据见如下表3。
表3：在前馈串级PID控制系统投用前后污水处理加药费用对比表
浓度－流量前馈串级PID控制算法具有编程简单、调试方便、适应性广等特点，由于在顺序控制方面具有独特优势，因此比较适合间歇生产过程的控制。采用该算法在原油污水处理工艺系统上投用后，通过对污水处理加药量的优化，大幅降低了污水处理加药费用，提高了回注油田污水的质量。系统工作正常，控制效果稳定可靠，具有很好的实用推广价值[3]。
参考文献：
[1] 何克忠，李伟 . 计算机控制系统 . 北京：清华大学出版社，2003.
[2] 曹辉，霍罡 . 可编程控制器系统原理及应用[M] . 北京：电子工业出版社，2003.
[3] 霍罡，曹辉，王暄. 基于PLC的二自由度PID控制算法研究及应用. 计算机测量与控制，2005，4（344~345）
[4] 新疆油田公司QC成果2004年汇编（344~345）
作者简介：
张建华（1965－），男，河南长葛人，副经理，高级工程师，主要从事油田工程工艺技术研究应用工作。