CN1297779C - 消除严重段塞流的阀门节流动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的消除严重段塞流的阀门节流动态控制方法，根据在上升管的出口处安装的自动调节阀和可接收阀门开度信号、入口压力信号和上升管底部压力信号的PID和逻辑运算控制模块来实现阀门节流的动态控制，根据采集到的入口压力和上升管底部压力的信号和阀门开度信号进行分析、计算和转换后输出信号来实时控制自动调节阀的开度，由三个线程并行运算，既可以对长周期的压力变化做出反应，也可以适应快速的压力变化，尤其能根据管道入口流量的变化自动调节阀门，使节流稳定在合适的程度，达到既实现抑制严重段塞流，又解决防止过分节流问题，达到了对节流的最优控制，具有一定的自适应能力。

Description

消除严重段塞流的阀门节流动态控制方法

技术领域

本发明属于节流动态反馈控制技术领域，涉及一种阀门节流动态控制方法，具体涉及一种消除海洋石油天然气混输过程中出现的严重段塞流现象的上升管出口节流动态控制方法。

背景技术

在海洋石油开采中，经常遇到气液同时输送的情况，当海底的多相集输管路到达海洋平台或上岸时，需要与上升管连接。在一定条件下，集输管路和上升管组成的系统中会出现称为严重段塞流的特殊有害流型，这种流型会产生数倍上升管高度的液塞、集输管路中压力周期性变化、上升管出口气液间歇流出、气体在短时间内高速喷出，造成出口液塞高速进入分离器，因此，严重段塞流现象给系统设计和正常生产带来许多问题。在上升管出口安装阀门进行节流是抑制严重段塞流的有效方法。

1979年11月12日出版的《Oil & Gas Journal》公开了利用上升管出口安装调节阀节流来消除严重段塞流的实验研究结果，作者利用管道压力和上升管差压信号来调节阀门开度实现对严重段塞流的抑制。在美国石油工程师学会编号为SPE56461的会议论文中报道了利用上升管底部压力信号来控制阀门节流消除严重段塞流的方法，该方法中指定上升管底部压力值，从而通过控制阀门开度使压力稳定在指定值。由于油田生产中混输管道的流量是变化的，而不同流量对应的能够消除严重段塞流的压力设定值是不一样的，因此这些方法不能适应流量的变化，只能选取较高的节流压力参数来控制，而过高的节流压力又会造成上游油井产量的下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除严重段塞流的阀门节流动态控制方法，既能实现抑制严重段塞流，又可以根据管道入口流量变化自动调节阀门的开度，解决了用固定压力值控制而出现的过分节流问题，从而实现控制的最优化。

本发明所采用的技术方案是，消除严重段塞流的阀门节流动态控制方法，在上升管的出口处安装自动调节阀，通过可接收阀门开度信号、入口压力P1信号和上升管底部压力P2信号的PID和逻辑运算控制模块实现阀门节流的动态控制，该方法的控制包括线程1、线程2和线程3并行执行，

线程1的控制循环周期为2秒，将实时采集到的入口压力P1和上升管底部压力P2的信号和阀门开度信号进行滤波处理，将处理后的信号输出到线程2，同时分别计算出压力P1的平均值MeanP1′和压力P2的平均值MeanP2′并输出到线程3，N为线程2的循环次数，若N大于0为否，控制线程1结束本次循环，若N大于0为是，则进入PID和逻辑运算控制模块，将线程2上一个循环得出的压力P2的平均值MeanP2″作为设定值SP1计算得出阀门开度差值u₁(t)并输出到线程3；

线程2的控制循环周期是200秒，采集由线程1处理过的压力P1、压力P2信号和阀门开度信号并记录，当采集数据达到200秒时对压力数据进行波形分析，计算出压力P2的最大值MaxP2″、最小值MinP2″、平均值MeanP2″和波动幅度PV2，将平均值MeanP2″输出到线程1做为其中PID运算的压力设定值SP1，将最大值MaxP2″、最小值MinP2″、平均值MeanP2″和波动幅度PV2输入PID和逻辑运算控制模块，根据指定的设定值SP2后，经PID函数运算输出阀门开度差值u₂(t)并输出到线程3；

线程3的控制循环周期为100毫秒，根据接收到的压力P1的平均值MeanP1′和压力P2的平均值MeanP2′来判断压力是否超过管道最大允许压力，若是，程序将阀门开度输出值设为完全打开并把控制模式转换为手动控制，同时给出报警信号，若否，则程序根据在许可范围内的压力，当控制模式为自动时，由接收到的阀门开度差值u₁(t)与u₂(t)之和得到阀门开度，当控制模式为手动时，阀门开度根据手动输入值设定，将此开度值做P/A转换后输出，由阀门执行机构调节阀门开度。

设定值SP2取为30％≥SP2≥20％。

本发明的控制方法由三个线程并行运算，既可以对长周期的压力变化做出反应，也可以适应快速的压力变化，尤其能根据管道入口流量的变化自动实现阀门节流来抑制严重段塞流，节流后管道中的压力平均值受流动波动的控制要求决定，而且随入口流量的变化而自动改变，因此节流可以稳定在合适的程度，达到既实现抑制严重段塞流，又解决防止过分节流问题，实现了对节流的最优控制，具有一定的自适应能力。

附图说明

图1是本发明的混输管道上升管系统节流抑制严重段塞流控制示意图；

图2是本发明实现节流的动态控制方法流程图；

图3是实验中本发明控制程序调节阀门开度及上升管底部压力变化过程图；

图4是控制程序成功实现节流后管道出口流出液体进入测量罐液位上升过程图；

图5是调节阀完全开启情况下测量罐内液位变化过程图，其入口流量与图4的实验相同。

图中，1.来流管，2.倾斜管，3.上升管，4.分离器，5.自动调节阀，6.压力传感器，7.压力传感器，8.PID和逻辑运算控制模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1，来流管1的入口处设置的压力传感器6可输出压力P1的信号，来流管1与倾斜管2连接，上升管3底部和倾斜管2相接处设置的压力传感器7可输出压力P2的信号，上升管3的出口处通过自动调节阀5和分离器4相连，PID和逻辑运算控制模块8可接收阀门开度信号、压力P1信号和压力P2信号。

最能快速反映严重段塞流规律的参数是上升管3底部压力P2的信号，因此本发明中选择上升管3底部压力P2信号的波动幅度和平均值作为被调参数，系统中入口压力P1最高，选择该点压力来限制阀门过分节流从而保障设备安全，调节参数是安装在上升管3出口的自动调节阀5的阀门开度。

从上游管道来的气液混合流体在较低流量下会出现严重段塞流现象，压力长周期剧烈波动，出口的气液间歇流动。当启动控制程序时，参见图2控制流程，控制线程1、2、3同时执行，

循环周期为2秒的线程1实时采集入口压力P1信号、上升管底部压力P2信号和阀门开度信号并进行滤波处理，将处理后的信号输出到线程2，同时分别计算出压力P1的平均值MeanP1′和压力P2的平均值MeanP2′并输出到线程3，N为线程2的循环次数，若N大于0为否，控制线程1结束本次循环，若N大于0为是，则进入PID和逻辑运算控制模块，将线程2上一个循环得出的压力P2的平均值MeanP2″作为设定值SP1计算得出阀门开度差值u₁(t)并输出到线程3，阀门开度差值

$u_1\left(t\right)=K_c[(\mathrm{SP}1-\mathrm{PV}1)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^t(\mathrm{SP}1-\mathrm{PV}1)\mathrm{dt}+T_d\frac{d(\mathrm{SP}1-\mathrm{PV}1)}{\mathrm{dt}}];$

其中，u₁(t)是阀门开度差值，K_c是比例增益，SP1是压力设定值，PV1是波动幅度，T_i是积分时间，T_d是微分时间。

线程2的控制循环周期取200秒，从而能够包含多个严重段塞流周期，采集由线程1处理过的压力P1、压力P2信号和阀门开度信号并记录，当采集数据达到200秒时对压力数据进行波形分析，计算出压力P2的最大值MaxP2″、最小值MinP2″、平均值MeanP2″和波动幅度PV2，将平均值MeanP2″输出到线程1做为其中PID运算的压力设定值SP1，将最大值MaxP2″、最小值MinP2″、平均值MeanP2″和波动幅度PV2输入PID和逻辑运算控制模块，指定设定值SP2后，设定值SP2取为30％≥SP2≥20％，经PID函数运算输出阀门开度差值u₂(t)并输出到线程3，阀门开度差值

$u_2\left(t\right)=K_c[(\mathrm{SP}2-\mathrm{PV}2)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^t(\mathrm{SP}2-\mathrm{PV}2)\mathrm{dt}+T_d\frac{d(\mathrm{SP}2-\mathrm{PV}2)}{\mathrm{dt}}];$

其中，u₂(t)为阀门开度差值，K_c是比例增益，SP2是压力设定值，PV2是波动幅度，T_i是积分时间，T_d是微分时间。

线程3的控制循环周期为100毫秒，根据接收到的压力P1的平均值MeanP1′和压力P2的平均值MeanP2′来判断压力是否超过管道最大允许压力，若是，程序将阀门开度输出值设为完全打开并把控制模式转换为手动控制，同时给出报警信号，若否，则程序根据在许可范围内的压力，当控制模式为自动时，由接收到的阀门开度差值u₁(t)与u₂(t)之和得到阀门开度，当控制模式为手动时，阀门开度根据手动输入值设定，将此开度值做D/A转换后输出，由阀门执行机构调节阀门开度。

以上三个线程并行运算，该动态控制方案既可以对长周期的变化做出反应，也可以适应快速压力变化，尤其当入口流量变化时，控制模块能够使压力平均值稳定在合适的水平而避免过度节流。

参见图3，可以看出本发明的实验结果。实验过程中入口气体流量不变，实验开始阶段自动调节阀5完全开启，可见压力P2波动幅度很大，为加快实验过程，在第245秒时手动控制自动调节阀5关闭到45％，然后进入自动控制，可以看出自动调节阀5在控制程序的调节下逐渐关小，压力P2波动幅度减小到设定值25％附近，远小于自动调节阀5完全开启时的56％，同时阀门开度调节到24％左右，图中可以看出阀门开度始终变化，而且压力P2波动幅度也在变化，在第3600秒时，入口液体折算速度增大，可以看出压力P2波动幅度增大，在控制程序调节下，压力P2平均值增大，但压力P2波动幅度减小，阀门开度稳定在25.5％左右，仅仅增大约1.5％。

图4和图5中分别给出了使用本发明的方法实现阀门节流和没有使用本发明节流情况下管道出口液体进入测量罐液位的上升过程，液位由差压传感器测量，图中曲线斜率表示管道流出液体的速度。从图4可以看出液体流出速度变化很小，基本可以认为液体匀速流出管道。图5中差压周期变化，差压不变的时间段说明液位不变，没有液体流出，然后液位会在短时间内突然升高，曲线斜率很大，说明流体高速流出管道，这就是发生严重段塞流时液体间歇流出管道的特征。以上比较说明，成功节流后出口液体流量基本稳定，流速较低，没有节流时则液体间歇流出，而且瞬时流速远高于节流时速度。

以上实验结果比较看出，本发明可以很好地抑制严重段塞流现象。

Claims (1)

1.消除严重段塞流的阀门节流动态控制方法，在上升管的出口处安装自动调节阀，通过可接收阀门开度信号、入口压力P1信号和上升管底部压力P2信号的PID和逻辑运算控制模块实现阀门节流的动态控制，其特征在于，该方法的控制包括线程1、线程2和线程3并行执行，

线程1的控制循环周期为2秒，将实时采集到的入口压力P1和上升管底部压力P2的信号和阀门开度信号进行滤波处理，将处理后的信号输出到线程2，同时分别计算出压力P1的平均值MeanP1′和压力P2的平均值MeanP2′并输出到线程3，N为线程2的循环次数，若N大于0为否，控制线程1结束本次循环，若N大于0为是，则进入PID和逻辑运算控制模块，将线程2上一个循环得出的压力P2的平均值MeanP2″作为设定值SP1计算得出阀门开度差值u₁(t)，u₁(t)的公式为：

$u_1\left(t\right)=K_c[(\mathrm{SP}1-\mathrm{PV}1)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^t(\mathrm{SP}1-\mathrm{PV}1)\mathrm{dt}+T_d\frac{d(\mathrm{SP}1-\mathrm{PV}1)}{\mathrm{dt}}]$

其中，u₁(t)是阀门开度差值，K_c是比例增益，SP1是压力设定值，PV1是波动幅度，T_i是积分时间，T_d是微分时间，并输出到线程3；

线程2的控制循环周期是200秒，采集由线程1处理过的压力P1、压力P2信号和阀门开度信号并记录，当采集数据达到200秒时对压力数据进行波形分析，计算出压力P2的最大值MaxP2″、最小值MinP2″、平均值MeanP2″和波动幅度PV2，将平均值MeanP2″输出到线程1做为其中PID运算的压力设定值SP1，将最大值MaxP2″、最小值MinP2″、平均值MeanP2″和波动幅度PV2输入PID和逻辑运算控制模块，根据指定的设定值SP2，SP2取为30％≥SP2≥20％，经PID函数运算输出阀门开度差值u₂(t)，u₂(t)的公式为：

$u_2\left(t\right)=K_c[(\mathrm{SP}2-\mathrm{PV}2)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^t(\mathrm{SP}2-\mathrm{PV}2)\mathrm{dt}+T_d\frac{d(\mathrm{SP}2-\mathrm{PV}2)}{\mathrm{dt}}]$

其中，u₂(t)为阀门开度差值，K_c是比例增益，，SP2是压力设定值，PV2是波动幅度，T_i是积分时间，T_d是微分时间，并输出到线程3；

线程3的控制循环周期为100毫秒，根据接收到的压力P1的平均值MeanP1′和压力P2的平均值MeanP2′来判断压力是否超过管道最大允许压力，若是，程序将阀门开度输出值设为完全打开并把控制模式转换为手动控制，同时给出报警信号，若否，则程序根据在许可范围内的压力，当控制模式为自动时，由接收到的阀门开度差值u₁(t)与u₂(t)之和得到阀门开度，当控制模式为手动时，阀门开度根据手动输入值设定，将此开度值做D/A转换后输出，由阀门执行机构调节阀门开度。

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