專利名稱：消除嚴重段塞流的閥門節流動態控制方法
技術領域：
本發明屬于節流動態反饋控制技術領域，涉及一種閥門節流動態控制方法，具體涉及一種消除海洋石油天然氣混輸過程中出現的嚴重段塞流現象的上升管出口節流動態控制方法。
背景技術：
在海洋石油開采中，經常遇到氣液同時輸送的情況，當海底的多相集輸管路到達海洋平臺或上岸時，需要與上升管連接。在一定條件下，集輸管路和上升管組成的系統中會出現稱為嚴重段塞流的特殊有害流型，這種流型會產生數倍上升管高度的液塞、集輸管路中壓力周期性變化、上升管出口氣液間歇流出、氣體在短時間內高速噴出，造成出口液塞高速進入分離器，因此，嚴重段塞流現象給系統設計和正常生產帶來許多問題。在上升管出口安裝閥門進行節流是抑制嚴重段塞流的有效方法。
1979年11月12日出版的《Oil & Gas Journal》公開了利用上升管出口安裝調節閥節流來消除嚴重段塞流的實驗研究結果，作者利用管道壓力和上升管差壓信號來調節閥門開度實現對嚴重段塞流的抑制。在美國石油工程師學會編號為SPE56461的會議論文中報道了利用上升管底部壓力信號來控制閥門節流消除嚴重段塞流的方法，該方法中指定上升管底部壓力值，從而通過控制閥門開度使壓力穩定在指定值。由于油田生產中混輸管道的流量是變化的，而不同流量對應的能夠消除嚴重段塞流的壓力設定值是不一樣的，因此這些方法不能適應流量的變化，只能選取較高的節流壓力參數來控制，而過高的節流壓力又會造成上游油井產量的下降。
發明內容
本發明的目的是提供一種消除嚴重段塞流的閥門節流動態控制方法，既能實現抑制嚴重段塞流，又可以根據管道入口流量變化自動調節閥門的開度，解決了用固定壓力值控制而出現的過分節流問題，從而實現控制的最優化。
本發明所采用的技術方案是，消除嚴重段塞流的閥門節流動態控制方法，在上升管的出口處安裝自動調節閥，通過可接收閥門開度信號、入口壓力P1信號和上升管底部壓力P2信號的PID和邏輯運算控制模塊實現閥門節流的動態控制，該方法的控制包括線程1、線程2和線程3并行執行，線程1的控制循環周期為2秒，將實時采集到的入口壓力P1和上升管底部壓力P2的信號和閥門開度信號進行濾波處理，將處理后的信號輸出到線程2，同時分別計算出壓力P1的平均值MeanP1′和壓力P2的平均值MeanP2′并輸出到線程3，N為線程2的循環次數，若N大于0為否，控制線程1結束本次循環，若N大于0為是，則進入PID和邏輯運算控制模塊，將線程2上一個循環得出的壓力P2的平均值MeanP2″作為設定值SP1計算得出閥門開度差值u1(t)并輸出到線程3；線程2的控制循環周期是200秒，采集由線程1處理過的壓力P1、壓力P2信號和閥門開度信號并記錄，當采集數據達到200秒時對壓力數據進行波形分析，計算出壓力P2的最大值MaxP2″、最小值MinP2″、平均值MeanP2″和波動幅度PV2，將平均值MeanP2″輸出到線程1做為其中PID運算的壓力設定值SP1，將最大值MaxP2″、最小值MinP2″、平均值MeanP2″和波動幅度PV2輸入PID和邏輯運算控制模塊，根據指定的設定值SP2后，經PID函數運算輸出閥門開度差值u2(t)并輸出到線程3；線程3的控制循環周期為100毫秒，根據接收到的壓力P1的平均值MeanP1′和壓力P2的平均值MeanP2′來判斷壓力是否超過管道最大允許壓力，若是，程序將閥門開度輸出值設為完全打開并把控制模式轉換為手動控制，同時給出報警信號，若否，則程序根據在許可范圍內的壓力，當控制模式為自動時，由接收到的閥門開度差值u1(t)與u2(t)之和得到閥門開度，當控制模式為手動時，閥門開度根據手動輸入值設定，將此開度值做D/A轉換后輸出，由閥門執行機構調節閥門開度。
設定值SP2取為30％≥SP2≥20％。
本發明的控制方法由三個線程并行運算，既可以對長周期的壓力變化做出反應，也可以適應快速的壓力變化，尤其能根據管道入口流量的變化自動實現閥門節流來抑制嚴重段塞流，節流后管道中的壓力平均值受流動波動的控制要求決定，而且隨入口流量的變化而自動改變，因此節流可以穩定在合適的程度，達到既實現抑制嚴重段塞流，又解決防止過分節流問題，實現了對節流的最優控制，具有一定的自適應能力。
圖1是本發明的混輸管道上升管系統節流抑制嚴重段塞流控制示意圖；圖2是本發明實現節流的動態控制方法流程圖；圖3是實驗中本發明控制程序調節閥門開度及上升管底部壓力變化過程圖；圖4是控制程序成功實現節流后管道出口流出液體進入測量罐液位上升過程圖；圖5是調節閥完全開啟情況下測量罐內液位變化過程圖，其入口流量與圖4的實驗相同。
圖中，1.來流管，2.傾斜管，3.上升管，4.分離器，5.自動調節閥，6.壓力傳感器，7.壓力傳感器，8.PID和邏輯運算控制模塊。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
參見圖1，來流管1的入口處設置的壓力傳感器6可輸出壓力P1的信號，來流管1與傾斜管2連接，上升管3底部和傾斜管2相接處設置的壓力傳感器7可輸出壓力P2的信號，上升管3的出口處通過自動調節閥5和分離器4相連，PID和邏輯運算控制模塊8可接收閥門開度信號、壓力P1信號和壓力P2信號。
最能快速反映嚴重段塞流規律的參數是上升管3底部壓力P2的信號，因此本發明中選擇上升管3底部壓力P2信號的波動幅度和平均值作為被調參數，系統中入口壓力P1最高，選擇該點壓力來限制閥門過分節流從而保障設備安全，調節參數是安裝在上升管3出口的自動調節閥5的閥門開度。
從上游管道來的氣液混合流體在較低流量下會出現嚴重段塞流現象，壓力長周期劇烈波動，出口的氣液間歇流動。當啟動控制程序時，參見圖2控制流程，控制線程1、2、3同時執行，循環周期為2秒的線程1實時采集入口壓力P1信號、上升管底部壓力P2信號和閥門開度信號并進行濾波處理，將處理后的信號輸出到線程2，同時分別計算出壓力P1的平均值MeanP1′和壓力P2的平均值MeanP2′并輸出到線程3，N為線程2的循環次數，若N大于0為否，控制線程1結束本次循環，若N大于0為是，則進入PID和邏輯運算控制模塊，將線程2上一個循環得出的壓力P2的平均值MeanP2″作為設定值SP1計算得出閥門開度差值u1(t)并輸出到線程3，閥門開度差值u1(t)=Kc[(SP1-PV1)+1Ti∫0t(SP1-PV1)dt+Tdd(SP1-PV1)dt];]]>其中，u1(t)是閥門開度差值，Kc是比例增益，SP1是壓力設定值，PV1是波動幅度，Ti是積分時間，Td是微分時間。
線程2的控制循環周期取200秒，從而能夠包含多個嚴重段塞流周期，采集由線程1處理過的壓力P1、壓力P2信號和閥門開度信號并記錄，當采集數據達到200秒時對壓力數據進行波形分析，計算出壓力P2的最大值MaxP2″、最小值MinP2″、平均值MeanP2″和波動幅度PV2，將平均值MeanP2″輸出到線程1做為其中PID運算的壓力設定值SP1，將最大值MaxP2″、最小值MinP2″、平均值MeanP2″和波動幅度PV2輸入PID和邏輯運算控制模塊，指定設定值SP2后，設定值SP2取為309％≥SP2≥20％，經PID函數運算輸出閥門開度差值u2(t)并輸出到線程3，閥門開度差值u2(t)=Kc[(SP2-PV2)+1Ti∫0t(SP2-PV2)dt+Tdd(SP2-PV2)dt];]]>其中，u2(t)為閥門開度差值，Kc是比例增益，，SP2是壓力設定值，PV2是波動幅度，Ti是積分時間，Td是微分時間。
線程3的控制循環周期為100毫秒，根據接收到的壓力P1的平均值MeanP1′和壓力P2的平均值MeanP2′來判斷壓力是否超過管道最大允許壓力，若是，程序將閥門開度輸出值設為完全打開并把控制模式轉換為手動控制，同時給出報警信號，若否，則程序根據在許可范圍內的壓力，當控制模式為自動時，由接收到的閥門開度差值u1(t)與u2(t)之和得到閥門開度，當控制模式為手動時，閥門開度根據手動輸入值設定，將此開度值做D/A轉換后輸出，由閥門執行機構調節閥門開度。
以上三個線程并行運算，該動態控制方案既可以對長周期的變化做出反應，也可以適應快速壓力變化，尤其當入口流量變化時，控制模塊能夠使壓力平均值穩定在合適的水平而避免過度節流。
參見圖3，可以看出本發明的實驗結果。實驗過程中入口氣體流量不變，實驗開始階段自動調節閥5完全開啟，可見壓力P2波動幅度很大，為加快實驗過程，在第245秒時手動控制自動調節閥5關閉到45％，然后進入自動控制，可以看出自動調節閥5在控制程序的調節下逐漸關小，壓力P2波動幅度減小到設定值25％附近，遠小于自動調節閥5完全開啟時的56％，同時閥門開度調節到24％左右，圖中可以看出閥門開度始終變化，而且壓力P2波動幅度也在變化，在第3600秒時，入口液體折算速度增大，可以看出壓力P2波動幅度增大，在控制程序調節下，壓力P2平均值增大，但壓力P2波動幅度減小，閥門開度穩定在25.5％左右，僅僅增大約1.5％。
圖4和圖5中分別給出了使用本發明的方法實現閥門節流和沒有使用本發明節流情況下管道出口液體進入測量罐液位的上升過程，液位由差壓傳感器測量，圖中曲線斜率表示管道流出液體的速度。從圖4可以看出液體流出速度變化很小，基本可以認為液體勻速流出管道。圖5中差壓周期變化，差壓不變的時間段說明液位不變，沒有液體流出，然后液位會在短時間內突然升高，曲線斜率很大，說明流體高速流出管道，這就是發生嚴重段塞流時液體間歇流出管道的特征。以上比較說明，成功節流后出口液體流量基本穩定，流速較低，沒有節流時則液體間歇流出，而且瞬時流速遠高于節流時速度。
以上實驗結果比較看出，本發明可以很好地抑制嚴重段塞流現象。
權利要求
1.消除嚴重段塞流的閥門節流動態控制方法，在上升管的出口處安裝自動調節閥，通過可接收閥門開度信號、入口壓力P1信號和上升管底部壓力P2信號的PID和邏輯運算控制模塊實現閥門節流的動態控制，其特征在于，該方法的控制包括線程1、線程2和線程3并行執行，線程1的控制循環周期為2秒，將實時采集到的入口壓力P1和上升管底部壓力P2的信號和閥門開度信號進行濾波處理，將處理后的信號輸出到線程2，同時分別計算出壓力P1的平均值MeanP1′和壓力P2的平均值MeanP2′并輸出到線程3，N為線程2的循環次數，若N大于0為否，控制線程1結束本次循環，若N大于0為是，則進入PID和邏輯運算控制模塊，將線程2上一個循環得出的壓力P2的平均值MeanP2″作為設定值SP1計算得出閥門開度差值u1(t)并輸出到線程3；線程2的控制循環周期是200秒，采集由線程1處理過的壓力P1、壓力P2信號和閥門開度信號并記錄，當采集數據達到200秒時對壓力數據進行波形分析，計算出壓力P2的最大值MaxP2″、最小值MinP2″、平均值MeanP2″和波動幅度PV2，將平均值MeanP2″輸出到線程1做為其中PID運算的壓力設定值SP1，將最大值MaxP2″、最小值MinP2″、平均值MeanP2″和波動幅度PV2輸入PID和邏輯運算控制模塊，根據指定的設定值SP2，經PID函數運算輸出閥門開度差值u2(t)并輸出到線程3；線程3的控制循環周期為100毫秒，根據接收到的壓力P1的平均值MeanP1′和壓力P2的平均值MeanP2′來判斷壓力是否超過管道最大允許壓力，若是，程序將閥門開度輸出值設為完全打開并把控制模式轉換為手動控制，同時給出報警信號，若否，則程序根據在許可范圍內的壓力，當控制模式為自動時，由接收到的閥門開度差值u1(t)與u2(t)之和得到閥門開度，當控制模式為手動時，閥門開度根據手動輸入值設定，將此開度值做D/A轉換后輸出，由閥門執行機構調節閥門開度。
2.根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于，設定值SP2取為30％≥SP2≥20％。
3.根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述線程1中，閥門開度差值u1(t)采用以下計算得到u1(t)=Kc[(SP1-PV1)+1Ti∫0t(SP1-PV1)dt+Tdd(SP1-PV1)dt]]]>其中，u1(t)是閥門開度差值，Kc是比例增益，SP1是壓力設定值，PV1是波動幅度，Ti是積分時間，Td是微分時間。
4.根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述線程2中，閥門開度差值u2(t)采用以下計算得到u2(t)=Kc[(SP2-PV2)+1Ti∫0t(SP2-PV2)dt+Tdd(SP2-PV2)dt]]]>其中，u2(t)為閥門開度差值，Kc是比例增益，，SP2是壓力設定值，PV2是波動幅度，Ti是積分時間，Td是微分時間。
全文摘要
本發明公開的消除嚴重段塞流的閥門節流動態控制方法，根據在上升管的出口處安裝的自動調節閥和可接收閥門開度信號、入口壓力信號和上升管底部壓力信號的PID和邏輯運算控制模塊來實現閥門節流的動態控制，根據采集到的入口壓力和上升管底部壓力的信號和閥門開度信號進行分析、計算和轉換后輸出信號來實時控制自動調節閥的開度，由三個線程并行運算，既可以對長周期的壓力變化做出反應，也可以適應快速的壓力變化，尤其能根據管道入口流量的變化自動調節閥門，使節流穩定在合適的程度，達到既實現抑制嚴重段塞流，又解決防止過分節流問題，達到了對節流的最優控制，具有一定的自適應能力。
文檔編號F17D3/01GK1699823SQ20051004268
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月19日 優先權日2005年5月19日
發明者郭烈錦, 王鑫, 張西民 申請人:西安交通大學