一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法.pdf

本发明公开了一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，应用于海洋油气生产中所采用的集输-立管管路系统中，集输-立管管路系统包括立管和设置于立管顶部的气液分离器；立管顶部的气液分离器顶部设有排气阀，底部设有排液阀；动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法包括：以气液分离器排液阀开度为操纵变量，通过独立的单回路PID运算，保持气液分离器液位稳定的同时；以气液分离器排气阀开度为操纵变量，通过串级PID运算，主回路稳定立管压差，副回路稳定气液分离器压力，主回路的输出作为副回路的设定值；液位及压力控制回路并行运行。本发明抑制严重段塞流发生的同时，使系统保持稳定且能够大幅降低分离器的压力，增加油气产量。

1.  一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，其特征在于，应用于海洋油气生产中所采用的集输-立管管路系统中，所述集输-立管管路系统包括立管和设置于立管顶部的气液分离器；立管顶部的气液分离器顶部设有排气阀，底部设有排液阀；
所述动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法包括：以气液分离器排液阀开度为操纵变量，通过独立的单回路PID运算，保持气液分离器液位稳定的同时；以气液分离器排气阀开度为操纵变量，通过串级PID运算，主回路稳定立管压差，副回路稳定气液分离器压力，主回路的输出作为副回路的设定值；液位及压力控制回路并行运行。

2.  根据权利要求1所述的一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，其特征在于，以气液分离器排液阀开度为操纵变量，通过独立的单回路PID运算，保持气液分离器液位稳定的步骤包括：1)给定液位的设定值H_sp；2)通过磁浮子液位计测量气液分离器实际液位H_sep；3)将液位设定值与测量值的差值e₁进行PID运算，得到排液阀开度V_liquid(t)；
e₁＝H_sp-H_sep
Vliquid(t)=Kc(e1+1Ti∫0te1dt+Tdde1dt);]]>
其中，K_c、T_i、T_d分别为液位PID控制参数中的比例增益系数、积分时间常数和微分时间常数。

3.  根据权利要求1所述的一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，其特征在于，以气液分离器排气阀开度为操纵变量，通过串级PID运算，主回路稳定立管压差，副回路稳定气液分离器压力具体包括：1)给定立管压差的设定值DP_sp；2)通过压差传感器测量立管压差的实际值DP₁₅；3)将立管压差的设定值DP_sp与测量值DP₁₅的差值e₂进行串级控制的主回路控制器运算，得到气液分离器压力的动态设定值P_sp(t)；4)通过压力传感器测量气液分离器压力的实际值P_sep；5)将气液分离器压力设定值P_sp(t)与测量值P_sep的差值e₃，进行串级控制的副回路控制器运算，得到分离器排气阀的实时开度V_gas(t)；
e₂＝DP_sp-DP₁₅
Psp(t)=Kc′(e2+1Ti′∫0te2dt+Td′de2dt)]]>
e₃＝P_sp(t)-P_sep
Vgas(t)=Kc′′(e3+1Ti′′∫0te3dt+Td′′de3dt)]]>
其中，K′_c、T′_i、T′_d分别为串级PID主回路控制参数中的比例增益系数、积分时间常数和微分时间常数；K″_c、T″_i、T″_d分别为串级PID副回路控制参数中的比例增益系数、积分时间常数和微分时间常数。

4.  根据权利要求1所述的一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，其特征在于，气液分离器排液阀和气液分离器排气阀的最小动作幅度为1％。

5.  根据权利要求1所述的一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，其特征在于，分离器液位的单回路PID运算中PID参数的整定过程包括：首先断开串级PID控制器，单独打开单回路PID液位控制，按常规的PID参数整定规则确定其参数，待液位维持稳定后，进行串级PID参数的整定。

6.  根据权利要求1所述的一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，其特征在于，立管压差的串级PID运算中PID参数的整定采用逐步逼近法，依次整定副回路、主回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路的最佳整定方案，其步骤如下：1)首先整定副回路，此时断开主回路，仅保留分离器压力的单回路PID控制，按照常规的PID参数整定规则，获取副PID控制器PC2的整定参数，得到第一次的整定值，记作[G_pc2]₁；2)整定主回路，把上述整定好的副回路作为主回路的一部分，仍按照单回路整定规则，求取主PID控制器PC1的整定参数，记作[G_pc1]₁；3)再次整定副回路，此时副回路与主回路均闭合，在主PID控制器PC1的整定参数为[G_pc1]₁的条件下，按照单回路整定方法，重新求取副PID控制器PC2的整定参 数，记为[G_pc2]₂；4)按照步骤2)重新整定主回路，得到主PID控制器PC1的整定参数，记为记作[G_pc1]₂；5)测试串级控制效果，若不满足要求则循环进行3)、4)步调试，直到结果满意。

一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法
【技术领域】
本发明属于石油工程多相流技术领域，特别涉及一种抑制海洋油气采输过程中集输-立管结构严重段塞流流型的控制方法。
【背景技术】
为了节约油气田的海底或平台工程投资及运行费用、充分利用伴生天然气资源并减少环境污染，在海洋石油、天然气工业中通常采用油气混输管路。然而，由于海底管线沿复杂起伏地形铺设以及将海底集输管道中原油输送至海上平台所需立管结构的存在，多相混输技术在带来明显的经济效益的同时，也带来了亟待解决的技术难题，其中最突出就是严重段塞流的问题。
在油气集输-立管管路系统中，当气液流速较低时，海底集输管道内的石油会积聚在立管的底部，阻止天然气进入立管并将其压缩在上游集输管道内。随着来流的增加，立管内的液位不断升高，被压缩天然气的压力不断增大，当其压力足够大时，便进入立管，并推动管内的液塞快速喷出，此即为严重段塞流现象。
严重段塞流发生时其液塞长度可达一个或几个立管高度，由海洋油田水深决定，立管可达几百米甚至几千米。严重段塞流的产生对海上平台的安全生产和稳定运行带来了极大的威胁，主要表现在以下几个方面：1)立管管线内的长距离液塞使得井口背压增大，对管壁的耐压性能要求提高，同时高背压降低了油气的产量，严重时可能导致死井；2)立管内气液交替流出，造成立管压差的剧烈波动会引发管线的振动，同时与海水对管道的冲击力耦合，造成管道接头和支柱的机械疲劳，对作业平台的结构强度、安全性和稳定性构成危害；3)立管内气液的交替流出加剧了管壁的冲蚀。这是由于高速紊流造成管壁出现较高的剪应力，在流体冲刷 和剪切的共同作用下，管壁表面膜(缓蚀剂膜和腐蚀沉积物)被损坏剥落，加剧了腐蚀及冲蚀效应，使腐蚀显著增大；4)管道出口处气、液交替流出，造成下游分离器溢流或断流现象，段塞流捕集器不能稳定运行，同时，压力波动也会引起油气产量的波动，使得平台上的增压设备(多相泵和压缩机等)在泵送过程中易产生气蚀现象，输送泵效率和可靠性降低；5)立管中气体在喷发过程中会产生焦耳一汤姆逊降温效应，使混输流体温度降低，导致管壁结蜡和水合物的形成，阻塞管道。
为了使海洋油气生产安全稳定进行，必须采取一定的措施，消除或抑制严重段塞流现象。严重段塞流的实质是立管中气液两相流的交替流出，由于气液两相的密度差造成立管压力压差的大幅波动，因此抑制严重段塞流的根本方法是使立管内气液稳定连续流出，消除立管压差波动。通过众多学者的研究，控制与消除严重段塞流的方法已经有很多报道，主要包括加装段塞捕集器、分离分相输送、改变管道结构、分离器背压控制法、注气与自气举法、顶部阀门自动控制法等。其中，通过分离器背压抑制严重段塞流的方法早在二十世纪八十年代就引起Schmidt(1985)、Taitel(1986)等学者的注意，这种方法通过提高分离器压力使得严重段塞流的发生区域在流型图上减小，可以有效的抑制严重段塞流的产生且不需要加装设备及修改管路，最为经济实用，但是大幅增加分离器背压会造成油气产量的降低，严重时可能导致死井事故。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，利用油气混输管线结构中气液分离器压力的串级PID控制来抑制集输-立管严重段塞流的发生，同时在上述过程中采用并行运行的PID控制方法保持气液分离器液位的稳定。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，应用于海洋油气生产中所采用的集输- 立管管路系统中，所述集输-立管管路系统包括立管和设置于立管顶部的气液分离器；立管顶部的气液分离器顶部设有排气阀，底部设有排液阀；
所述动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法包括：以气液分离器排液阀开度为操纵变量，通过独立的单回路PID运算，保持气液分离器液位稳定的同时；以气液分离器排气阀开度为操纵变量，通过串级PID运算，主回路稳定立管压差，副回路稳定气液分离器压力，主回路的输出作为副回路的设定值；液位及压力控制回路并行运行。
优选的，以气液分离器排液阀开度为操纵变量，通过独立的单回路PID运算，保持气液分离器液位稳定的步骤包括：1)给定液位的设定值H_sp；2)通过磁浮子液位计测量气液分离器实际液位H_sep；3)将液位设定值与测量值的差值e₁进行PID运算，得到排液阀开度V_liquid(t)；
e₁＝H_sp-H_sep
Vliquid(t)=Kc(e1+1Ti∫0te1dt+Tdde1dt).]]>
其中，K_c、T_i、T_d分别为液位PID控制参数中的比例增益系数、积分时间常数和微分时间常数。
优选的，以气液分离器排气阀开度为操纵变量，通过串级PID运算，主回路稳定立管压差，副回路稳定气液分离器压力具体包括：1)给定立管压差的设定值DP_sp；2)通过压差传感器测量立管压差的实际值DP₁₅；3)将立管压差的设定值DP_sp与测量值DP₁₅的差值e₂进行串级控制的主回路控制器运算，得到气液分离器压力的动态设定值P_sp(t)；4)通过压力传感器测量气液分离器压力的实际值P_sep；5)将气液分离器压力设定值P_sp(t)与测量值P_sep的差值e₃，进行串级控制的副回路控制器运算，得到分离器排气阀的实时开度V_gas(t)；
e₂＝DP_sp-DP₁₅
Psp(t)=Kc′(e2+1Ti′∫0te2dt+Td′de2dt)]]>
e₃＝P_sp(t)-P_sep
Vgas(t)=Kc′′(e3+1Ti′′∫0te3dt+Td′′de3dt)]]>
其中，K_c′、T_i′、T_d′分别为串级PID主回路控制参数中的比例增益系数、积分时间常数和微分时间常数；K_c″、T_i″、T_d″分别为串级PID副回路控制参数中的比例增益系数、积分时间常数和微分时间常数
优选的，气液分离器排液阀和气液分离器排气阀的最小动作幅度为1％，以避免阀门动作过于频繁。
优选的，单回路PID运算中PID参数的整定过程包括：首先断开串级PID控制器，单独打开单回路PID液位控制，按常规的PID参数整定规则确定其参数，待液位维持稳定后，进行串级PID参数的整定。
优选的，串级PID运算中PID参数的整定采用逐步逼近法，依次整定副回路、主回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路的最佳整定方案，其步骤如下：1)首先整定副回路，此时断开主回路，仅保留分离器压力的单回路PID控制，按照常规的PID参数整定规则，获取副PID控制器PC2的整定参数，得到第一次的整定值，记作[G_pc2]₁；2)整定主回路，把上述整定好的副回路作为主回路的一部分，仍按照单回路整定规则，求取主PID控制器PC1的整定参数，记作[G_pc1]₁；3)再次整定副回路，此时副回路与主回路均闭合，在主PID控制器PC1的整定参数为[G_pc1]₁的条件下，按照单回路整定方法，重新求取副PID控制器PC2的整定参数，记为[G_pc2]₂；4)按照步骤2)重新整定主回路，得到主PID控制器PC1的整定参数，记为记作[G_pc1]₂；5)测试串级控制效果，若不满足要求则循环进行3)、4)步调试，直到结果满意。
本发明一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，应用于海洋油气生产中常见的集输-立管管路系统，在该管路系统中本发明主要涉及的传感器件包括一个压力传感器，一个 压差传感器及一个磁浮子液位计。所述压力传感器设于气液分离器顶部，用于测量分离器气体压力；所述压差传感器用于获取立管压差信号；所述磁浮子液位计用于监测气液分离器液位。本发明方法另外涉及两个气动调节阀门，作为气液分离器顶部的排气阀及底部的排液阀。
上述传感器件通过NI公司PCI-6255数据采集卡进行压力、压差、液位信号的采集，上述气动调节阀门通过PCI-6733数据采集卡的信号输出通道进行阀门开度的动态控制。在所编制的LabVIEW采集控制程序中设定每个信号的采样率均为100Hz，每通道采样数为50，循环采样周期为0.5秒。在一次循环之中为减少信号噪声，取50个取样点的平均值作为测量值，来自动调节阀门的动作幅度。为减小上述气动调节阀的动作频率，延长调节阀的使用寿命，设定PID控制输出阀门开度大于1％时调节阀才采取动作。
上述集输-立管严重段塞流的控制采用串级PID控制方案，包括主、副两个控制回路，所述副控制回路以分离器压力为被控变量，以气液分离器顶部的排气阀为操纵变量，目的将分离器压力稳定在设定值附近；所述主控制回路以立管压差为被控变量，以分离器压力为操纵变量，主控制回路的输出作为副控制回路的输入，即主控制回路动态改变副控制回路的设定值，最终通过副控制回路排气阀开度的动态变化稳定主被控量(立管压差)。
上述PID串级控制的主副PID调节器参数确定原则：1)副回路要求迅速抵消外界扰动且副参数并不要求无差控制，所以采用纯比例(P)控制，不引入积分与微分作用，在本发明中副回路作用在于快速的稳定分离器压力于设定点附近，速度要求大于精度要求；2)为稳定立管压差，提高严重段塞流控制的有效性，主回路必须具有积分作用，视现场信号噪声的严重程度决定是否引入微分控制，一般比例积分(PI)控制已能达到要求，若在噪声严重时引入微分作用易造成控制失效；3)在整定主副PID参数时，应尽量加大副调节器的增益以提高副回路的频率，目的是使主副回路的频率错开，按照一般串级PID参数的整定规则，应保证主回路周期大于3倍的副回路周期，以减少主副回路之间的相互影响。
上述分离器的液位控制方案以液位为被控变量，以气液分离器底部的排液阀为操纵变量，采用独立的单回路PID控制维持气液分离器液位的稳定。
上述串级PID严重段塞流控制流程与上述PID分离器液位控制流程并行运行，由于在实际测试过程中液位的稳定效果很好，变化幅度不大，可认为两个并行的控制流程之间干扰可忽略。
本发明通过串级PID运算模块及气液分离器顶部的排气阀动态调节分离器压力，达到减小立管压差波动，抑制严重段塞流的目的，同时，通过并行运行的单回路PID运算模块及气液分离器底部的排液阀稳定分离器液位。经研究表明提高分离器压力可以减小严重段塞流的发生区域，起到抑制严重段塞流的目的，但是分离器压力的提高对油田产量有不利影响。本发明以立管压差为被控变量，以分离器顶部排气阀为操纵变量，采用串级控制方案稳定立管压差波动，副回路通过控制排气阀开度稳定分离器压力在设定值附近，主回路通过动态调节分离器压力的设定值达到稳定立管压差的目的。在主副回路的共同作用下，克服分离器压力、液位波动及集输-立管來流气液流量变化等扰动因素对立管压差的影响，抑制严重段塞流的发生，使系统保持稳定的同时能够大幅降低分离器的压力，增加油气产量。
相对于现有技术，本发明具有以以下有益效果：本发明通过PID串级控制在严重段塞流发生时动态调节分离器排气阀改变分离器背压达到稳定立管压差的目的，可以在抑制严重段塞流的同时显著减小分离器背压，在消除危害流型的同时提高油气产量。
【附图说明】
图1为集输-立管系统结构示意图。
图2为严重段塞流串级PID控制及分离器液位单回路PID控制的流程图。
图3为手动提高分离器压力，未采取动态控制的效果图。
图4为采取串级PID动态控制后，大幅减小分离器压力的效果图。
图5为分离器压力变化过程中液位PID控制效果图。
图中：DP为立管压差信号，其数值表示为DP₁₅；PT为分离器压力信号，其数值表示为P_sep；LT为分离器液位信号，其数值表示为H_sep；LC为PID液位控制器；PC1为串级控制中主回路控制器；PC2为串级控制中副回路控制器；V_gas为排气阀(气动调节阀)；V_liquid为排液阀(气动调节阀)。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法进行详细说明。
参见图1所示的集输-立管管路系统结构图及图2所示控制流程图。对于单回路的PID液位控制，其被控变量为气液分离器液位H_sep，其控制变量为气液分离器底部排液阀开度V_liquid，将磁浮子液位计LT测得的分离器实际液位与H_sep设定值进行比较，得到的差值通过PID液位控制器LC进行PID逻辑运算，计算出对应的排液阀开度，控制气液分离器内液体通过排液阀流出的速度，稳定液位；对于串级PID立管压差控制，其被控变量为立管压差DP₁₅，其控制变量为气液分离器顶部排气阀开度V_gas，将压差传感器DP测得的立管压差与DP₁₅的设定值进行比较，得到的差值通过主回路PID控制器PC1进行逻辑运算，计算出的结果作为副回路分离器压力P_sep的设定值，再将此P_sep设定值与压力传感器PT测得的分离器实际压力P_sep测量值进行比较，所得差值通过副回路PID控制器PC2计算出对应的气液分离器顶部排气阀开度，进行分离器压力及立管压差的控制，抑制严重段塞流；在labVIEW程序中设定采样频率为100Hz，PID逻辑运算的周期为0.5秒，设定两个气动调节(气液分离器顶部的排气阀及底部的排液阀)阀最小动作为1％，以减小阀门的疲劳损耗。
本发明一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，同时保持分离器液位稳定，以分 离器排液阀开度为操纵变量，通过独立的单回路PID运算，调控液位；以气液分离器排气阀开度为操纵变量，通过串级PID运算，主回路稳定立管压差，副回路稳定分离器压力，主回路的输出作为副回路的设定值；两个回路并行运行，忽略相互之间的干扰。
气液分离器液位控制的方法包括：1)给定液位的设定值H_sp；2)通过磁浮子液位计LT测量气液分离器实际液位H_sep；3)将液位设定值H_sp与测量值H_sep的差值e₁进行PID运算，得到气液分离器底部排液阀开度V_liquid(t)。
e₁＝H_sp-H_sep
Vliquid(t)=Kc(e1+1Ti∫0te1dt+Tdde1dt)]]>
其中，K_c、T_i、T_d分别为液位PID控制参数中的比例增益系数、积分时间常数和微分时间常数。
本发明一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，保持上述液位控制回路的持续稳定运行的同时包括：1)给定立管压差的设定值DP_sp；2)通过压差传感器DP测量立管压差的实际值DP₁₅；3)将立管压差的设定值DP_sp与测量值DP₁₅的差值e₂进行串级控制的主回路控制器运算，得到气液分离器压力的动态设定值P_sp(t)；4)通过压力传感器PT测量气液分离器压力的实际值P_sep；5)将气液分离器压力设定值P_sp(t)与测量值P_sep的差值e₃，进行串级控制的副回路控制器运算，得到分离器排气阀的实时开度V_gas(t)。
e₂＝DP_sp-DP₁₅
Psp(t)=Kc′(e2+1Ti′∫0te2dt+Td′de2dt)]]>
e₃＝P_sp(t)-P_sep
Vgas(t)=Kc′′(e3+1Ti′′∫0te3dt+Td′′de3dt)]]>
其中，K_c′、T_i′、T_d′分别为串级PID主回路控制参数中的比例增益系数、积分时间常数 和微分时间常数；K_c″、T_i″、T_d″分别为串级PID副回路控制参数中的比例增益系数、积分时间常数和微分时间常数。
本发明中测量信号的采样率为100Hz，所有控制循环周期为0.5秒，设定气动阀门的最小动作幅度为1％。
本发明方法的关键在于PID参数的整定过程。首先断开串级PID控制器，单独打开单回路PID液位控制，按常规的PID参数整定规则(例如：经验法、临界比例法、反应曲线法)确定其参数，待液位维持稳定后，进行串级PID参数的整定。串级PID参数的整定采用逐步逼近法，依次整定副回路、主回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路的最佳整定方案，其步骤如下：1)首先整定副回路，此时断开主回路，仅保留分离器压力的单回路PID控制，按照常规的PID参数整定规则(例如：经验法、临界比例法、反应曲线法)，获取副PID控制器PC2的整定参数，得到第一次的整定值，记作[G_pc2]₁；2)整定主回路，把上述整定好的副回路作为主回路的一部分，仍按照单回路整定规则，求取主PID控制器PC1的整定参数，记作[G_pc1]₁；3)再次整定副回路，此时副回路与主回路均闭合，在主PID控制器PC1的整定参数为[G_pc1]₁的条件下，按照单回路整定方法，重新求取副PID控制器PC2的整定参数，记为[G_pc2]₂；4)按照步骤2)重新整定主回路，得到主PID控制器PC1的整定参数，记为记作[G_pc1]₂；5)测试串级控制效果，若不满足要求则循环进行3)、4)步调试，直到结果满意。
图3为分离器背压对严重段塞流流型的影响，在不采用自动调节的条件下，进行分离器逐步加压，由图3中可以看出当分离器压力升高至500kPa左右时，立管压差波动减小，严重段塞流得到抑制，证实了分离器背压可抑制严重段塞流的理论；图4为采取串级PID控制之后的效果，在采取动态控制之后，可以在立管压差DP₁₅保持稳定的前提下，逐步降低分离器压力到200kPa左右，证实动态控制分离器抑制段塞流可以大幅降低分离器背压，增加油气产量；图5为分离器压力不断变化过程中分离器液位的控制效果，图中可以看出液位基本维持不 变，分离器内气体体积基本不发生变化，可认为液位控制流程与段塞控制流程并行运行，二者之间的相互影响可忽略。