倪玲英，何生兵

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 66580)

模擬PID控制器對(duì)平臺(tái)分離器段塞的控制

倪玲英，何生兵

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 66580)

考慮到混相輸送極易在管道的立管段形成嚴(yán)重段塞流，影響管道和下游油氣水處理設(shè)備的正常工作，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，利用OLGA多相流瞬態(tài)模擬軟件對(duì)海底管道進(jìn)行段塞流預(yù)測(cè)，并通過OLGA軟件模擬PID控制器對(duì)嚴(yán)重段塞流的自動(dòng)控制。結(jié)果表明，利用PID控制器能夠有效進(jìn)行嚴(yán)重段塞流的控制，推薦在管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用OLGA軟件先進(jìn)行段塞流的預(yù)測(cè)，再通過OLGA軟件進(jìn)行PID控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)。

嚴(yán)重段塞流 分離器 PID控制器 OLGA軟件

海洋地理環(huán)境特殊，通常利用采油平臺(tái)進(jìn)行海底油氣資源的開發(fā)。對(duì)于采用全海式集輸方式的海上油氣田，從衛(wèi)星平臺(tái)或是水下井口采出的油氣通常采用混相方式經(jīng)海底管道輸送到中心平臺(tái)，統(tǒng)一進(jìn)行油氣水處理?；煜噍斔头绞皆谥行钠脚_(tái)立管段極易出現(xiàn)嚴(yán)重段塞流?；煜噍斔凸艿乐谐霈F(xiàn)段塞流，會(huì)惡化管道的運(yùn)行條件。由于其流動(dòng)的間歇性，會(huì)引起管道中持液率和壓力急劇波動(dòng)，并使得運(yùn)行在該流型下的管道以及油氣水處理設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件承受間歇性應(yīng)力沖擊，從而影響設(shè)備的性能[1]。勝利油田海洋采油廠中心二號(hào)平臺(tái)三相分離器運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)段塞流對(duì)油氣處理設(shè)備造成巨大危害[2]，主要包括：①瞬間液量超過分離器處理量；②分離器油水界面不穩(wěn)定，直接影響分水量;③對(duì)油氣水處理設(shè)備內(nèi)構(gòu)件產(chǎn)生較大的沖擊力，造成焊縫疲勞而產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致管束疲勞失效，縮短了設(shè)備的使用壽命。因此有必要進(jìn)行嚴(yán)重段塞流的預(yù)測(cè)與控制，以保證下游油氣水處理設(shè)備穩(wěn)定高效地工作。

1 嚴(yán)重段塞流形成機(jī)理及模擬

1.1 嚴(yán)重段塞流形成機(jī)理

通常海底管道立管部分較長(固定式平臺(tái)一般為幾十m到一百多m)，當(dāng)混相輸送的流體到達(dá)立管底部時(shí)，在氣體壓力不足和重力回流的雙重作用下，便會(huì)引發(fā)嚴(yán)重段塞流，嚴(yán)重段塞流的形成包含4個(gè)階段[3]，見圖1。

圖1 嚴(yán)重段塞流形成過程

1)由于流量小，氣體速度低，不足以將液體舉升到立管頂部，外加重力作用下的回流，液體不斷滑落，聚集在立管底部，液塞開始形成。該階段明顯的特征是立管底部的壓力開始上升，并且?guī)缀鯖]有液體流入分離器內(nèi)。

2)液塞完全將管線堵塞后，立管基部的壓力升高，立管內(nèi)的液柱也不斷地增高，依然沒有液體流入分離器。

3)當(dāng)壓力高到足以克服液塞所受的重力和阻力時(shí)，立管內(nèi)的液柱在氣體壓力推動(dòng)下開始上升，液塞后的氣泡也隨著液體上升。該階段壓力緩慢下降，主要是由于隨著液體的不斷排出，所需的壓力會(huì)相應(yīng)減小。

4)當(dāng)氣泡上升到立管頂部，管道恢復(fù)暢通，壓力迅速降低，出口液體瞬時(shí)流量激增，立管底部的液體又開始聚集，下一周期的液塞開始形成，如此反復(fù)。

1.2 嚴(yán)重段塞流的模擬

對(duì)于段塞流的預(yù)測(cè)和模擬通常有兩種方法，一種是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，另一種是利用商業(yè)軟件進(jìn)行模擬。商業(yè)軟件較之經(jīng)驗(yàn)公式具有普適性好，精度高等優(yōu)點(diǎn)。OLGA是當(dāng)今最為成熟的通用多相流瞬態(tài)模擬軟件，具有段塞跟蹤功能，其嚴(yán)重段塞數(shù)據(jù)已經(jīng)獲得了SINTEF實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)以及Schmidt數(shù)據(jù)的雙重驗(yàn)證，很多學(xué)者認(rèn)為使用OLGA軟件能夠?qū)?yán)重段塞進(jìn)行有效預(yù)測(cè)[3]。本文采用OLGA軟件進(jìn)行嚴(yán)重段塞流的模擬。

模擬工況：海底管道的高程剖面見圖2所示。管道直徑0.228 m，壁厚9 mm，外加一層厚度為20 mm的保溫層，管道出口壓力設(shè)定為5 MPa，空氣溫度為22 ℃，海水溫度為6 ℃，輸送流體的溫度為65 ℃，流體經(jīng)立管輸送到平臺(tái)之后，直接進(jìn)入平臺(tái)分離器，分離器為臥式三相分離器，直徑為2 m，長度為6 m，在分離器前端裝有閥門，閥門直徑為0.2 m，流體流量為8 kg/s。在閥門全開的情況下，進(jìn)行5 h模擬，結(jié)果見圖3～5。

圖2 海底管道布置示意

圖3 立管底部壓力變化

從圖3可以明顯看出立管底部壓力變化完全符合嚴(yán)重段塞流周期中壓力的變化趨勢(shì)，表明立管段形成了嚴(yán)重段塞流。

圖4 分離器入口處管道持液率的變化

圖5 分離器液位變化

與管壓力變化相對(duì)應(yīng)的是分離器入口處管道持液率的變化，見圖4。在段塞形成的過程中持液率為0，而當(dāng)段塞排出過程中，分離器入口管道持液率迅速增大，并在氣體噴發(fā)時(shí)達(dá)到峰值，持液率超過0.9。持液率的這種變化必然會(huì)導(dǎo)致分離器內(nèi)部液面的大幅波動(dòng)，如圖5所示，嚴(yán)重影響分離器的處理效果和使用壽命。

2 模擬PID控制器對(duì)嚴(yán)重段塞流的抑制

對(duì)于嚴(yán)重段塞流的控制，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多種方法，如增加回壓、泵控制、聲波檢測(cè)與控制、氣液分離、段塞捕集器等[4-6]。然而其中很多方法適用性不高，存在操作麻煩、效率不高、施工繁瑣、控制不精確、占地面積大等限制。

節(jié)流法比起上述方法限制較小，并且效果明顯[7]。國外在Dunbar油田16″送管線上利用自動(dòng)控制方案來解決嚴(yán)重段塞問題。通過分離器上游的控制閥保證立管基部的壓力恒定。油田使用結(jié)果表明，該種方法非常有效[8]。

自動(dòng)控制方案能夠根據(jù)混輸管線的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行閥門的自動(dòng)調(diào)節(jié)，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)節(jié)流法所不具備的。然而國內(nèi)海上油氣田很少見到有利用自動(dòng)控制方案來進(jìn)行嚴(yán)重段塞流控制的實(shí)例。

2.1 PID控制理論

控制系統(tǒng)對(duì)于維持系統(tǒng)的穩(wěn)定有著重要作用，比如將一個(gè)系統(tǒng)的壓力、溫度、流量保持在一個(gè)容許的范圍內(nèi)波動(dòng)。常見的一種系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，即被控制量的變化反過來會(huì)影響到控制器的輸出，對(duì)于這種系統(tǒng)通常采用反饋控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制[9]。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。

PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。PID控制器的算法[10]見式(1)。

(1)

式中：Kp——放大因子；x——輸入?yún)?shù)，如壓力、液面等；τ——時(shí)間常數(shù)；u——控制器的輸出信號(hào)；t——系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間；ubias——控制器初始輸出信號(hào)。

從PID控制器的算法可以看出，PID控制器控制主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)。

比例(P)環(huán)節(jié)。一旦系統(tǒng)產(chǎn)生偏差信號(hào)e，比例控制立即進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時(shí)控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。如果僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

積分(I)環(huán)節(jié)。由于比例控制之后會(huì)存在穩(wěn)態(tài)誤差，即系統(tǒng)參數(shù)在設(shè)定值上下波動(dòng)，積分控制便可消除該誤差，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù)的大小，越小，積分作用越大，反之越小。

微分(D)環(huán)節(jié)。對(duì)于控制總是落后于誤差的系統(tǒng)，微分控制可以實(shí)現(xiàn)“超前”控制，即在誤差變得較大之前預(yù)先施加一個(gè)修正信號(hào)，從而保證控制器迅速高效地做出反應(yīng)。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，以最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制為目標(biāo)，出現(xiàn)了大量的更為智能、高效、穩(wěn)定的現(xiàn)代PID控制器[11]。本文使用傳統(tǒng)的PID控制器。

2.2 PID控制閥進(jìn)行段塞流的控制

節(jié)流法從本質(zhì)上來講，是通過減小閥門開度，從而減小過流面積來將立管底部的壓力保持在一個(gè)較高的值。這個(gè)壓力足以將流體從立管底部舉升到平臺(tái)上部，從而保證不會(huì)再立管底部形成液體聚集，出現(xiàn)嚴(yán)重段塞流。閥門開度如何取合適的值是比較困難的問題。開度過小，井口壓力過大，影響產(chǎn)量；開度過大，又不能有效地將段塞排出。PID控制器有效地解決了這個(gè)問題，只需要設(shè)定想要保持的壓力值，通過壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量立管底部壓力，并將其值傳遞給PID控制器，PID控制器便可通過其控制算法輕松地將閥門的開度自動(dòng)調(diào)節(jié)到一個(gè)合適的值。

立管底部恒定壓力的選取原則是保證能夠順利地將段塞舉升至平臺(tái)，本文根據(jù)圖3選取壓力值為6.5 MPa。嚴(yán)重段塞流自動(dòng)控制系統(tǒng)布置如圖6所示。通過反復(fù)調(diào)節(jié)PID控制器的控制參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了立管底部壓力的控制，模擬結(jié)果見圖7～10。PID控制器控制參數(shù)的最終取值為比例系數(shù)Kp=0.5，積分常數(shù)=1 000 s，微分常數(shù)為τd=0，可見實(shí)際為一個(gè)PI控制器。

圖6 嚴(yán)重段塞流自動(dòng)控制系統(tǒng)布置示意

圖7-9給出了利用PID控制器進(jìn)行控制之后的管道系統(tǒng)參數(shù)的變化趨勢(shì)?？梢娍刂浦罅⒐艿撞繅毫S持在6.5 MPa，分離器入口處的管道持液率維持在0.292，并且分離器的液位也穩(wěn)定在0.882 m。有力地證明了PID控制器能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)分離器入口段塞流的控制。

圖7 PID控制后立管底部壓力變化

圖8 PID控制后分離器入口管道持液率

圖9 PID控制后分離器液位變化

圖10為閥門開度的變化，閥門開度最終保持在0.11，采用PID控制器調(diào)節(jié)閥門開度，保證了精確、及時(shí)地對(duì)嚴(yán)重段塞流進(jìn)行控制。

圖10 PID控制后閥門開度隨時(shí)間的變化

通過PID對(duì)閥門開度進(jìn)行自動(dòng)控制，可以得到最終閥門開度的穩(wěn)定值，因此考慮可以直接將閥門開度設(shè)定為模擬結(jié)果值，也可以達(dá)到同樣的效果。將閥門開度設(shè)為0.11，去掉PID控制器，模擬結(jié)果見圖11。與利用PID控制器相比，壓力穩(wěn)定所需時(shí)間較長，但最后仍然維持在6.5 MPa。這樣做有利于減少水下壓力傳感器的使用，減少施工量，現(xiàn)場(chǎng)適用性有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖11 開度為0.11時(shí)的立管底部壓力變化

3 結(jié)論

1)利用OLGA軟件能夠有效預(yù)測(cè)嚴(yán)重段塞流，為管道及下游油氣水處理設(shè)備設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2)利用PID控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)分離器嚴(yán)重段塞流的自動(dòng)控制，控制更為精確，效果更為明顯，操作更為便捷，消除了閥門開度過大或過小對(duì)油氣生產(chǎn)的影響，適于海上油氣田嚴(yán)重段塞流的控制。

3)建議在實(shí)際應(yīng)用PID的參數(shù)整定之前,利用OLGA軟件預(yù)先對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)間。

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Simulation of Using PID Controller to Control the Slug of Platform Separator

NI Ling-ying, HE Sheng-bing

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China),Qingdao Shandong 266580, China)

Considering that the fatal drawback of mixing transportation is its tendency to form severe slugs, which seriously obstructs the normal operations of pipeline and its downstream processing equipment, it may result in great economy losses. Based on OLGA (the transient multiphase flow simulator), the severe slugs of a sub-sea pipeline is predicted. With the help of OLGA, the simulation of the controlling of severe slugs using PID controller is performed. The result shows that PID controller can effectively control severe slugs, and it is highly recommended to use OLGA to predict severe slugs and design the parameters of PID controller during pipeline design stage.

Severe slug; Separator; PID controller; OLGA

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.029

2015-04-12

倪玲英(1964-)，女，博士，教授

U674.38;P752,TE88

A

1671-7953(2015)06-0125-04

修回日期：2015-06-19

研究方向:海洋油氣鉆采與集輸

E-mail:1239969568@qq.com