專利名稱：用于控制多相流體流的方法、系統(tǒng)、控制器以及計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
此發(fā)明涉及到一種方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)用于控制管道中包括氣體和液體的多相流體的流。本發(fā)明還涉及一種控制器和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
在石油和天然氣工業(yè)，以及在其他工業(yè)如化學(xué)或石化工業(yè)中，常常需要通過(guò)管道來(lái)輸送包括氣體和液體的多相流體。例如，需要通過(guò)管道將碳?xì)浠衔?原油、冷凝液，有時(shí)伴隨著水)和天然氣從油井處輸送到處理設(shè)備處。在海上石油生產(chǎn)的情況下，原油、水以及伴生氣體往往同時(shí)通過(guò)海底管道輸送到位于海岸上或海上平臺(tái)上的氣/液分離設(shè)備。管道或輸油管可包括立管部件。
這種操作的特定問(wèn)題是產(chǎn)生了塞流(plug flow)。在塞流中，形成了多相中的一種的一批，并且通過(guò)管道進(jìn)行輸送。一批液體有時(shí)也被稱為段塞(slug)，在一種不希望的情況下，液體段塞和氣涌(gassurge)經(jīng)過(guò)管道交替產(chǎn)生。這種液體段塞和氣涌的交替模式對(duì)于下游設(shè)備比如氣/液分離器帶來(lái)了問(wèn)題，它影響了分離器的分離效率和分離裝置的有效利用。
液體段塞可以通過(guò)操作上的變更而形成，例如在管線啟動(dòng)時(shí)的流體產(chǎn)品的增加。液體段塞的形成也可以歸因于管道的幾何形態(tài)(“地形段塞”)，或者是不穩(wěn)定的液/氣界面(“流體動(dòng)力學(xué)段塞”)。在對(duì)于處理單元的油/氣立管系統(tǒng)中，由于立管管道中建立的流體靜力學(xué)壓力，位于立管底部的小的液體段塞有增大的趨勢(shì)，而在液體段塞后面形成了大量的氣體。這種現(xiàn)象也被稱為是“嚴(yán)重段塞”，而在立管底部的上游形成的段塞通常被稱為瞬態(tài)段塞。
EP-B-767699和WO 01/34940都公開(kāi)了防止多相流體中液體段塞增長(zhǎng)的方法，其中多相流體被導(dǎo)入具有氣體和液體出口閥門(mén)的氣/液分離器；并且其中根據(jù)一個(gè)或多個(gè)合適的選定控制變量，比如分離裝置中的液面、液體流量(flow rate)、氣體流量、或者來(lái)自分離裝置的總體積流量來(lái)操作閥門(mén)。
US 2003/0010204 A1公開(kāi)了控制管道裝置的立管中嚴(yán)重段塞的另一種方法，其中在立管部件頂端也設(shè)有氣/液分離器，根據(jù)在立管底部測(cè)定的壓力來(lái)控制分離器的氣體出口。
US 6,286,602公開(kāi)了一種方法，用于通過(guò)上行管道對(duì)輸送來(lái)自生產(chǎn)裝置的液體和氣體的混合物的形式的碳?xì)浠衔锏脑O(shè)備進(jìn)行控制，其中氣體在上行管道的下端注入以將碳?xì)浠衔锾嵘教幚碓O(shè)備。在生產(chǎn)過(guò)程中，流體受控制器控制。控制器將參數(shù)與預(yù)定值相比較，參數(shù)用來(lái)表征氣態(tài)碳?xì)浠衔锪髦械闹袛嗟拈_(kāi)始并由在管道下端壓力的時(shí)間平均計(jì)算得出；如果超過(guò)了預(yù)定值，就會(huì)對(duì)氣體注入率和下游的閥門(mén)進(jìn)行操控。如果沒(méi)有超過(guò)預(yù)定值，就把生產(chǎn)的碳?xì)浠衔锏牧髁颗c目標(biāo)流量進(jìn)行比較，通過(guò)操控氣體注入率以抵消偏差。
在論文“Suppression of slugs in multiphase flow lines by activeuse 0f topside choke-Field experience and experimental results”，Proceedings of the 11th International Conference on MULTIPHASEflow，San Remo，Italy，June 2003，by G.Skofteland and J.-M.Godhavn中，公開(kāi)了一種控制多相流的方法，該方法通過(guò)操控位于立管流送管(flowline)頂端一側(cè)的阻氣門(mén)來(lái)穩(wěn)定體積流量。體積流量取決于阻氣門(mén)上的壓力差、阻氣門(mén)的位置、以及多相流體的密度，該密度可以通過(guò)在阻氣門(mén)上利用伽瑪射線密度計(jì)來(lái)測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種控制流送管中的多相流的方法，尤其是抑制和控制塞流(plug flow)，這種方法簡(jiǎn)單而耐用，并且它的操作只需要最少的硬件。
為此，本發(fā)明提出了一種用于控制管道中包含氣體和液體的多相流體的流的方法，其中，管道通過(guò)節(jié)流裝置和具有可調(diào)節(jié)口徑的閥門(mén)并被設(shè)在下游一側(cè)，該方法包含以下步驟選擇管道中多相流體的流參數(shù)作為節(jié)流裝置上的壓力差的函數(shù)；選擇流參數(shù)的設(shè)置點(diǎn)(setpoint)；使多相流體以可調(diào)節(jié)閥的口徑的選定設(shè)置點(diǎn)來(lái)流動(dòng)；確定節(jié)流裝置上的壓力差并從壓力差確定流參數(shù)的實(shí)際值，無(wú)需為了確定關(guān)于節(jié)流裝置上的壓力差的實(shí)際氣/液比而使用其他變量的測(cè)量；通過(guò)確定流參數(shù)與其設(shè)置點(diǎn)的偏差、確定依賴于該偏差的閥門(mén)口徑的更新了的設(shè)置點(diǎn)、并據(jù)此操作閥門(mén)的口徑，來(lái)控制多相流體的流。
本發(fā)明基于申請(qǐng)人所獲得的以下認(rèn)識(shí)，即可以通過(guò)需要最少的硬件的較簡(jiǎn)單的控制環(huán)路來(lái)獲得對(duì)多相流體的有效控制。在管道下游側(cè)的節(jié)流裝置上測(cè)量壓力差，根據(jù)該壓力差可以確定流參數(shù)，無(wú)需為了測(cè)定關(guān)于節(jié)流裝置上的壓力差的實(shí)際氣/液比而進(jìn)一步測(cè)量。所以本發(fā)明不需要安裝用于測(cè)量關(guān)于多相流體成分的數(shù)據(jù)的設(shè)備，比如用于控制目的的特定的小型分離器、昂貴的多相流量計(jì)或者伽瑪射線密度計(jì)。在現(xiàn)有技術(shù)中，這樣的設(shè)備用于測(cè)定多相流體的質(zhì)量平衡，例如，氣體質(zhì)量分率，及其在測(cè)量位置上的作為時(shí)間函數(shù)的變化。利用這些數(shù)據(jù)，就可以推導(dǎo)出實(shí)際的體積流量或質(zhì)量流量，及其作為時(shí)間函數(shù)的變化。
然而已認(rèn)識(shí)到，單從壓力數(shù)據(jù)就能推導(dǎo)出用作多相流體控制中的受控變量的合適的流參數(shù)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥的口徑被用作操作變量時(shí)就可以獲得有效的控制。
反復(fù)測(cè)量壓力差以監(jiān)控變化，壓力測(cè)量的頻率要足夠高以允許校正控制。后續(xù)控制動(dòng)作也要足夠快。特征控制時(shí)間小于或等于30秒，優(yōu)選為小于或等于10秒，所述特征控制時(shí)間是流參數(shù)從其設(shè)置點(diǎn)發(fā)生偏差和對(duì)口徑進(jìn)行操作之間的時(shí)間。在該控制時(shí)間內(nèi)，測(cè)量壓力差的實(shí)際值，計(jì)算出流參數(shù)并且與流參數(shù)的設(shè)置點(diǎn)進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)量到從設(shè)置點(diǎn)的偏差時(shí)，計(jì)算出調(diào)節(jié)閥孔徑的新設(shè)置點(diǎn)(被操控的變量)，據(jù)此對(duì)閥門(mén)進(jìn)行操作。
流參數(shù)FP根據(jù)FP＝f·Cv·sqrt(Δp)來(lái)選擇，其中f是比例系數(shù)；Cv是節(jié)流系數(shù)；Δp是壓力差。當(dāng)閥門(mén)用作節(jié)流裝置時(shí)，節(jié)流系數(shù)等同于閥門(mén)系數(shù)。這個(gè)系數(shù)是事先已知的。對(duì)于閥門(mén)來(lái)說(shuō)，Cv僅僅取決于閥門(mén)的開(kāi)口。
根據(jù)比例系數(shù)f的選擇，可以得到不同量綱的流參數(shù)?？梢赃x擇f以獲得質(zhì)量流量或體積流量。比例系數(shù)的合適選擇也是一個(gè)常量，例如不依賴于液體密度的因數(shù)。在這種情況下，可以得到介于質(zhì)量流量和體積流量之間的特征流量。
在該方法一個(gè)特定方案中，得到了多相流體流的工況模式的指示，流參數(shù)的比例系數(shù)和/或設(shè)置點(diǎn)根據(jù)多相流體的工況進(jìn)行修正。這使得控制系統(tǒng)可以高效地對(duì)多相流中的顯著變化進(jìn)行響應(yīng)。例如可以通過(guò)監(jiān)控節(jié)流裝置上的壓降的時(shí)間導(dǎo)數(shù)、或者利用與管道聲學(xué)耦合的聲學(xué)傳感器、或者在管道上游某處監(jiān)控壓力比如立管底部壓力來(lái)得到多相流工況的指示。
至此說(shuō)明的控制環(huán)路可以表示更復(fù)雜的控制算法的內(nèi)部控制環(huán)路，也包括一個(gè)或多個(gè)外部控制環(huán)路。外部控制環(huán)路與內(nèi)部控制環(huán)路的不同之處在于它的特征控制時(shí)間，它通常要比內(nèi)部控制環(huán)路慢得多。一個(gè)特定的外部控制環(huán)路可以用于控制平均參數(shù)，諸如節(jié)流裝置上的平均壓降或者對(duì)于該參敷的預(yù)定的設(shè)置點(diǎn)的閥門(mén)平均口徑。這種外部控制環(huán)路可以用于通過(guò)管道的多相流體的產(chǎn)量的最大化。至少兩分鐘取一次平均較合適，而在許多情況下要更長(zhǎng)時(shí)間，比如大于或等于10分鐘，所以控制平均參數(shù)的特征時(shí)間也相對(duì)要長(zhǎng)，至少為兩分鐘，但是也可以是15分鐘或者數(shù)小時(shí)。
在本發(fā)明的特定的優(yōu)選方案中，具有可調(diào)節(jié)開(kāi)口的閥門(mén)自身被用作節(jié)流裝置。盡管從在不同口徑下可調(diào)節(jié)節(jié)流裝置上的壓力差來(lái)確定流參數(shù)在精確度上稍差于使用固定節(jié)流裝置的情況，可是已發(fā)現(xiàn)其精度足以用于多相流控制。另一方面，以這種方式得到了簡(jiǎn)單而靈活的硬件配置。
本發(fā)明的方法的一個(gè)特別重要的應(yīng)用是，管道沒(méi)有裝備用于影響管道中多相流體的流動(dòng)的注氣單元的情況，比如通過(guò)注氣將流體沿著立管豎管提升。在注氣的情況下，通常通過(guò)操控注氣閥門(mén)的開(kāi)口來(lái)控制多相流。在本發(fā)明的方法中，所有控制動(dòng)作、至少具有秒級(jí)的短控制時(shí)間的內(nèi)部控制環(huán)路的控制動(dòng)作，是通過(guò)管道中的下游位置的調(diào)節(jié)閥門(mén)執(zhí)行的。
本發(fā)明的另一方面提供一種使用本發(fā)明的方法來(lái)控制管道中包括氣體和液體的多相流體的流的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含節(jié)流裝置和具有可調(diào)節(jié)口徑的閥門(mén)，用于放置在管道的下游側(cè)，還包括用于使多相流體以調(diào)節(jié)閥口徑的選定設(shè)置點(diǎn)來(lái)流動(dòng)的單元；用于確定節(jié)流裝置上的壓力差以及從壓力差來(lái)確定流參數(shù)的實(shí)際值、而無(wú)需使用另一變量的測(cè)量以確定與節(jié)流裝置壓力差有關(guān)的實(shí)際氣/液比的單元；以及用于通過(guò)確定管道中的多相流體的選定流參數(shù)與選定設(shè)置點(diǎn)之間的偏差來(lái)控制多相流體的流、用于確定閥門(mén)口徑的依賴于該偏差的更新的設(shè)置點(diǎn)、并據(jù)此用于操作閥門(mén)口徑的單元，所述流參數(shù)是節(jié)流裝置上的壓力差的函數(shù)。
在本發(fā)明的又一方面提供一種在本發(fā)明的方法中用來(lái)控制管道中的包括氣體和液體的兩相多相流體的流的控制器，在所述管道的下游側(cè)具有節(jié)流裝置和具有可調(diào)節(jié)口徑的閥門(mén)，所速管道具有用于允許多相流體以調(diào)節(jié)閥口徑的選定設(shè)置點(diǎn)來(lái)流動(dòng)的單元以及用于確定節(jié)流裝置上的壓力差并從壓力差來(lái)確定流參數(shù)的實(shí)際值而無(wú)需測(cè)量另一個(gè)變量以確定關(guān)于節(jié)流裝置上的壓力差的實(shí)際的氣/液比的單元；所述控制器用于確定管道中的多相流體的選定流參數(shù)與選定設(shè)置點(diǎn)之間的偏差、用于確定閥門(mén)口徑的依賴于該偏差的更新的設(shè)置點(diǎn)、并據(jù)此提供用于處理閥門(mén)口徑的控制指令，所述流參數(shù)是節(jié)流裝置上的壓力差的函數(shù)。
在本發(fā)明的又一方面提供一種本發(fā)明的方法中的用來(lái)控制管道中包括氣體和液體的多相流體的流的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，管道的下游側(cè)具有節(jié)流裝置和具有可調(diào)節(jié)口徑的閥門(mén)，所述管道具有用于允許多相流體以調(diào)節(jié)閥口徑的選定設(shè)置點(diǎn)來(lái)流動(dòng)的單元以及用于確定節(jié)流裝置上的壓力差并從壓力差來(lái)確定流參數(shù)的實(shí)際值而無(wú)需測(cè)量另一個(gè)變量以確定關(guān)于節(jié)流裝置上的壓力差的實(shí)際的氣/液比的單元；該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括可被載入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的程序代碼，其中通過(guò)運(yùn)行程序代碼的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用來(lái)確定管道中的多相流體的選定流參數(shù)與選定設(shè)置點(diǎn)之間的偏差、確定閥門(mén)口徑的依賴于偏差的更新的設(shè)置點(diǎn)、并據(jù)此提供用于處理閥門(mén)口徑的控制指令，所述流參數(shù)是節(jié)流裝置上的壓力差的函數(shù)。


根據(jù)附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，其中圖1是本發(fā)明的具有流控制器的立管系統(tǒng)的實(shí)施方式的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參考附圖1。附圖示意地表示了傳輸管道1，包括立管管道2，用于將由一個(gè)或多個(gè)上游海底油井(未顯示)生產(chǎn)的碳?xì)浠衔飩鬏數(shù)胶Ｃ嫔系钠脚_(tái)4，并用于在下游裝置8中進(jìn)行進(jìn)一步處理。在沿著傳輸管道1的下游位置，在平臺(tái)4上配置了控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括可控的調(diào)節(jié)閥10；節(jié)流裝置12；由節(jié)流裝置上游和下游的壓力傳感器16和17組成的用于測(cè)定節(jié)流裝置上的壓力差的單元；和由通過(guò)線路26、27接收來(lái)自壓力傳感器16和17的輸入、并具有通過(guò)線路29向可控閥10提供控制信號(hào)的輸出的、具有控制器20的形式的用于控制的單元。另外，關(guān)于可控閥10的口徑的輸入也可以通過(guò)線路29讀入控制器。
控制器可以包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)諸如計(jì)算機(jī)，優(yōu)選具有其中可以載入來(lái)自計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)程序代碼的存儲(chǔ)器。計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，通過(guò)在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中運(yùn)行代碼，接收來(lái)自壓力傳感器的輸入并且產(chǎn)生被轉(zhuǎn)化為控制器控制信號(hào)的控制指令。計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以以多種形式提供，包括在諸如磁帶、軟盤(pán)、盒式存儲(chǔ)器、CD或DVD之類的數(shù)據(jù)載體上、通過(guò)可以經(jīng)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈募?、或者在諸如PROM或EPROM之類的可編程存儲(chǔ)器上。
當(dāng)然，調(diào)節(jié)閥和節(jié)流裝置的順序可以顛倒。在一個(gè)特定實(shí)施例中，調(diào)節(jié)閥10被放置于該位置并被用作節(jié)流裝置12，這樣就不需要單獨(dú)的節(jié)流裝置了。
在本發(fā)明的方法中，根據(jù)節(jié)流裝置上的壓力差選擇流參數(shù)。用于經(jīng)由形成節(jié)流裝置的調(diào)節(jié)閥的多相流體的流的合適的流參數(shù)FP可以由如下關(guān)系表示FP=f·Cv·Δp=f·F,---(1)]]>其中f是(廣義量綱)比例系數(shù)；Cv是閥門(mén)系數(shù)，其表征了在給定閥門(mén)口徑v下的吞吐量并取決于口徑；以及Δp是節(jié)流裝置(調(diào)節(jié)閥)上的壓力差。
F是廣義流參數(shù)。
Cv具有量綱 在美國(guó)工程單位中，Cv通常表達(dá)為 根據(jù)一般定義Cv=QGΔp,]]>其中Q是體積流量，其單位為美制加侖/min；Cv是閥門(mén)系數(shù)，其單位為美制加侖/min/psi1/2；Δp是壓降，其單位為psi；而G是流體密度ρ與水密度之比。如果轉(zhuǎn)換到以下單位Q*[m3/h]，p*[bar]，G＝ρ*[kg/m3]/1000[kg/m3]，并且Cv保持為一般美制單位，這得出Q*＝Q*0.003785*60Δp*＝Δp*0.068947ρ*＝G*1000kg/m3替換原始定義中的Cv，并省略*上標(biāo)可以得出
Cv=1uQρΔp---(2)]]>其中，u是轉(zhuǎn)換常數(shù)，具有值1/u＝0.03656m3/2·kg-1/2。接下來(lái)假設(shè)Cv和其它以上討論的單位具有所給出的單位，并且基于這個(gè)原因常數(shù)u會(huì)出現(xiàn)在方程中。從方程(1)和方程(2)可以得出，如果f選擇為f=fq=u1ρm=uxρg+1-xρ1,---(3)]]>其中，x＝多相流體的質(zhì)量分率；ρg和ρl分別是氣體和液體密度(kg/m3)；并且假設(shè)Δp/pu＜＜1，其中Pu是節(jié)流裝置的上游壓力；ρm是氣/液混合物的平均密度；就得到體積流量FP＝Q(單位m3/hr)。
如果f選擇為f=fw=u21fq---(4)]]>就得到質(zhì)量流量FP＝W(單位kg/hr)。
為了計(jì)算質(zhì)量流量或者體積流量，需要節(jié)流裝置處的多相流體的氣體質(zhì)量分率x。然而，在本發(fā)明的方法中，沒(méi)有能夠用于這個(gè)目標(biāo)的獨(dú)立測(cè)量法，比如使用伽瑪射線密度計(jì)。有幾種合適的方法來(lái)獲得適合用作控制變量的流參數(shù)。
一個(gè)直接的方法就是選擇f＝常數(shù)，獨(dú)立于密度。由此得到的流參數(shù)FP＝F的性質(zhì)大約介于質(zhì)量流量和體積流量之間。已發(fā)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單控制方案，其中該流參數(shù)被保持在預(yù)定的設(shè)置點(diǎn)，通過(guò)相應(yīng)的操作調(diào)節(jié)閥，足以顯著地抑制液體段塞和氣涌。
例1考慮一個(gè)內(nèi)部直徑為0.3038m(12”)的海底管道以270 m3/hr的流量生產(chǎn)液體石油并以300,000 Sm3/d的流量生產(chǎn)石油和天然氣。管道長(zhǎng)度為13km，對(duì)于生產(chǎn)的導(dǎo)入立管高度為190m?？烧{(diào)節(jié)生產(chǎn)閥門(mén)被用作節(jié)流裝置，并且閥門(mén)的上游壓力和下游壓力都被監(jiān)控。閥門(mén)的目標(biāo)平均上游壓力是23 bara，下游壓力是20 bara。在23 bara下的氣體密度是20.4kg/m3而液體密度是785kg/m3。在23 bara下的氣體體積流和質(zhì)量流分別是555m3/hr和11322kg/hr。在23 bara下的液體體積流和質(zhì)量流分別是270m3/hr和211950kg/hr。在23 bara下的氣體質(zhì)量分率x是0.050709。在23 bara下的總體積流是825m3/hr。在23 bara下的總體質(zhì)量流是223272kg/hr。
下游裝置的最大液體排放容量為340m3/hr，相當(dāng)于266900kg/hr。如果假設(shè)液體段塞體中的空隙度(氣體體積分率)為0.5，那么液體段塞生產(chǎn)中的最大允許體積流是680m3/hr或273836kg/hr。
使用方程(1)～(3)就能計(jì)算得出本例中fq＝0.0608 m3/2/kg1/2，fw＝16.451kg1/2/m3/2，F(xiàn)＝13572m3/2·kg1/2/hr。
本例中流參數(shù)F被用作控制變量，并且F＝13572m3/2·kg1/2/hr被用作設(shè)置點(diǎn)。經(jīng)過(guò)阻氣門(mén)的時(shí)間相關(guān)壓降Δp通過(guò)差分壓力傳感器測(cè)量，并且作為閥門(mén)口徑v的函數(shù)的閥門(mén)特征Cv由閥門(mén)提供商提供?？刂破鞣桨甘褂肍作為輸入?yún)?shù)而v作為輸出參數(shù)。PID控制器試圖將F保持在其設(shè)置點(diǎn)。
在液體段塞體的產(chǎn)生期間保持該設(shè)置點(diǎn)，可以得出體積流量的峰值676m3/hr，這非常接近于最大允許體積流量680m3/hr。
液體段塞產(chǎn)生之后會(huì)接著一個(gè)氣涌。假設(shè)該氣涌的空隙度為0.85。在氣涌的產(chǎn)生期間保持F的設(shè)置點(diǎn)為給定值會(huì)得出總體積流量的峰值1164m3/hr，而相應(yīng)的峰值體積氣體流量為989m3/hr。盡管這是一個(gè)相對(duì)高的值，可是它仍然遠(yuǎn)小于非受控情況下的氣涌。動(dòng)態(tài)仿真顯示本例中的氣涌如果不受控制的話可高達(dá)9000m3/hr。
所以，在本例中，用非常簡(jiǎn)單的流參數(shù)和固定設(shè)置點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了非常好的段塞控制。
也可以通過(guò)估算fw或fq來(lái)估算質(zhì)量流量或體積流量，而不用測(cè)量在節(jié)流裝置處的實(shí)際的氣/液比的單獨(dú)的參數(shù)。估算可以例如通過(guò)使用所產(chǎn)生的多相流體的平均氣體質(zhì)量分率xav來(lái)進(jìn)行。該平均氣體質(zhì)量分率可以比如通過(guò)分析在下游分離裝置處得到的全部氣體和液體流來(lái)獲得。所以，在方程2或3中，不使用在節(jié)流裝置處引起壓降的多相流體的實(shí)際氣體質(zhì)量分率，而使用平均氣體質(zhì)量分率xav。為了修復(fù)多相流的波動(dòng)隨時(shí)間的某些相關(guān)性，可以考慮上游壓力Pu偏離參考?jí)毫ref的偏差，比如使用fq=u(xavρg+1-xavρ1)Pref·1Pu---(4)]]>特別當(dāng)Δp/pu＜＜1時(shí)可以使用該近似值。
如果存在關(guān)于多相流的工況的信息、即以液體為主的流、以氣體為主的流或者氣液混合流，那么也可以簡(jiǎn)化fw或fq的估算。當(dāng)已知流體為以液體為主的流時(shí)，fq可被選定為u/sqrt(ρl)，而當(dāng)其為以氣體為主的流時(shí)，為u/sqrt(ρg)。
如果根據(jù)多相流的工況選擇流參數(shù)的設(shè)置點(diǎn)，則可以得到更好的多相流控制，特別是對(duì)于瞬態(tài)段塞(真的？)。在正常操作期間，也就是說(shuō)沒(méi)有段塞流，適用于液/氣混合模式。當(dāng)(瞬態(tài))液體段塞到來(lái)時(shí)，可以選擇只有液體的控制模式。液體段塞的末尾可以又在液/氣混合模式下處理。在緊隨著液體段塞的氣涌期間，選擇只有氣體的控制模式。
在3個(gè)模式之間的切換可以通過(guò)監(jiān)控跨過(guò)節(jié)流裝置或閥門(mén)的壓降對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)來(lái)確定，即時(shí)間相關(guān)信號(hào)A(t)=d(Δp)dt.]]>那么適當(dāng)模式可以根據(jù)如下方法選擇如果AG＜A(t)＜AL，就選擇液/氣混合模式；如果A(t)＞AL，就選擇只有液體的模式；如果A(t)＜AG，就選擇只有氣體的模式。
這里AL和AG分別是具有預(yù)定的正值和負(fù)值的常數(shù)。
已發(fā)現(xiàn)用于切換操作的優(yōu)選流參數(shù)是總體積流量Q。3種模式中的體積流量可以由以下方法確定對(duì)于只有液體的模式，Q=Ql=uCvΔpρl;]]>對(duì)于只有氣體的模式，Q=Qg=uCvΔpρg,]]>其中ρg＝C*·Pu。常數(shù)C*
遵循熱力學(xué)氣體定律。壓力Pu是阻氣門(mén)的上游壓力；對(duì)于液/氣混合模式，Q=Qm=uCvΔpρm,]]>其中1ρm=xavρg+1-xavρlPrefPu,]]>并且假設(shè)選擇Pref與Pu相近?？梢詮纳a(chǎn)數(shù)據(jù)(或者從所生產(chǎn)的流體的成分)中確定平均氣體質(zhì)量分率xav。參考?jí)毫ref可以被當(dāng)作阻氣門(mén)的上游時(shí)間平均壓力。
原則上從一個(gè)模式改變到另一個(gè)模式，也需要改變相應(yīng)的Q的設(shè)置點(diǎn)。已發(fā)現(xiàn)液/氣混合模式和只有氣體的模式的體積流量設(shè)置點(diǎn)可以設(shè)為相同值。確定設(shè)置點(diǎn)以使閥門(mén)上的時(shí)間平均壓降具有預(yù)定值(通常為1到3 bar)。在只有液體的產(chǎn)品時(shí)選擇體積流量設(shè)置點(diǎn)以使所生產(chǎn)的流體不超過(guò)下游分離器的可用的液體排放容量。
使用體積流量作為受控流參數(shù)并切換設(shè)置點(diǎn)僅僅是一個(gè)例子，也可以用不同方法實(shí)現(xiàn)同一個(gè)目標(biāo)。比如，可以對(duì)于3種模式保持相同的設(shè)置點(diǎn)，但使用相關(guān)的修正系數(shù)用于一個(gè)或多個(gè)模式中上述方程中的密度。在另一替代方法中，在用于不同模式下的體積流量的3個(gè)方程中，可以將密度項(xiàng)從方程的右邊移到左邊，得到用于廣義流參數(shù)的方程F＝Cv·sqrt(Δp)。所以F也可以同等地被選作受控變量，而對(duì)不同模式設(shè)置點(diǎn)選擇合適的值。
例2考慮例1中具有相同操作參數(shù)的相同的海底管道。體積流量Q被用作受控變量，并且通過(guò)監(jiān)控上述調(diào)節(jié)閥的壓力差來(lái)確定。另外，確定和評(píng)價(jià)壓力差的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，以確定多相流的模式。最大液體排放容量是340m3/hr，并且該值被用作只有液體的模式下的體積流量設(shè)置點(diǎn)。這樣就能完全處理根本沒(méi)有空隙度的液體段塞。只有氣體的模式和液/氣混合模式的設(shè)置點(diǎn)選擇為825m3/hr。液體段塞的產(chǎn)生會(huì)緊跟著一個(gè)氣涌。假設(shè)氣涌空隙度為0.85。利用只有氣體的模式的體積設(shè)定點(diǎn)，氣體產(chǎn)生的峰值為(0.85×825＝)701m3/hr。設(shè)置點(diǎn)根據(jù)多相流的模式進(jìn)行切換。切換設(shè)置點(diǎn)以提供用于各種流模式中多相流的特定控制。
本發(fā)明的流控制可以是更復(fù)雜的控制算法的中央部分或者內(nèi)部環(huán)路，也包括一個(gè)或多個(gè)外部控制環(huán)路。外部控制環(huán)路不同于內(nèi)部控制環(huán)路之處在于它的特征控制時(shí)間，它通常遠(yuǎn)慢于內(nèi)部控制環(huán)路。一個(gè)特定的外部控制環(huán)路可以以趨向于該參數(shù)的預(yù)定設(shè)置點(diǎn)地控制平均參數(shù)、諸如節(jié)流裝置上的平均壓降或者生產(chǎn)閥門(mén)的平均口徑，或者提升用氣體的平均消耗為目標(biāo)。
這種外部控制環(huán)路可以用作通過(guò)管道的多相流體的生產(chǎn)的最大化，通過(guò)以將在生產(chǎn)管道系統(tǒng)頂部的可調(diào)節(jié)生產(chǎn)閥門(mén)保持在幾乎打開(kāi)的位置，以長(zhǎng)期地將壓降最小化，同時(shí)留有一些控制余量以抵消短期波動(dòng)。外部控制環(huán)路也可以通過(guò)操作環(huán)形閥來(lái)最小化提升用氣體的消耗。
為了確定外部控制環(huán)路中的平均參數(shù)，可以至少以2分鐘取平均，而在很多情況下更長(zhǎng)，比如大于或等于10分鐘，所以控制平均參數(shù)的特征時(shí)間也要對(duì)更長(zhǎng)，至少為2分鐘，但也可以是15分鐘甚至數(shù)小時(shí)；特征時(shí)間取決于管道的總體積。
本發(fā)明的應(yīng)用不限于從海底管道來(lái)的立管，而是能夠用于各種多相流的情況，諸如在來(lái)自地下巖層的碳?xì)浠衔锏纳a(chǎn)中、在精煉廠或者化工廠中的下游處理中，并且不限于多相流體向上流動(dòng)的情況。
顯然如果安裝了獨(dú)立的固定節(jié)流裝置，合適的流參數(shù)可以是節(jié)流裝置自身上的壓力差。
權(quán)利要求
1.一種用于控制管道中的包括氣體和液體的多相流體的流的方法，其中，管道通過(guò)節(jié)流裝置和具有可調(diào)節(jié)口徑的閥門(mén)而被設(shè)在下游一側(cè)，該方法包含以下步驟選擇管道中多相流體的流參數(shù)作為節(jié)流裝置上的壓力差的函數(shù)；選擇流參數(shù)的設(shè)置點(diǎn)；使多相流體以可調(diào)節(jié)閥的口徑的選定設(shè)置點(diǎn)來(lái)流動(dòng)；確定節(jié)流裝置上的壓力差并從壓力差確定流參數(shù)的實(shí)際值，無(wú)需為了確定關(guān)于節(jié)流裝置上的壓力差的實(shí)際氣/液比而使用其他變量的測(cè)量；通過(guò)確定流參數(shù)與其設(shè)置點(diǎn)的偏差、確定依賴于該偏差的閥門(mén)口徑的更新了的設(shè)置點(diǎn)、并據(jù)此操作閥門(mén)的口徑，來(lái)控制多相流體的流動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在流參數(shù)與其設(shè)置點(diǎn)發(fā)生偏差和對(duì)口徑進(jìn)行操作之間的控制時(shí)間小于或等于30秒，優(yōu)選為小于或等于10秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，流參數(shù)選為FP＝f·Cv·sqrt(Δp)，其中FP是流參數(shù)；f是比例系數(shù)；Cv是閥門(mén)系數(shù)；Δp是壓力差。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，獲得了多相流工況模式的指示，并且根據(jù)多相流的工況來(lái)修改比例系數(shù)和/或流參數(shù)的設(shè)置點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，通過(guò)監(jiān)控節(jié)流裝置上的壓降的時(shí)間導(dǎo)數(shù)、或者利用與管道聲學(xué)耦合的聲學(xué)傳感器、或通過(guò)監(jiān)控管道上游處的壓力來(lái)獲得多相流的工況的指示。
6.根據(jù)權(quán)利要求3到5的任一項(xiàng)所述的方法，其中，選擇比例系數(shù)使得流參數(shù)為體積流量、或者質(zhì)量流量。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述方法，其中，比例系數(shù)是常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7的任一項(xiàng)所述的方法，其中，選擇流參數(shù)的設(shè)置點(diǎn)并且如果需要的話調(diào)整該流參數(shù)的設(shè)置點(diǎn)，以趨向于該參數(shù)的預(yù)定設(shè)置點(diǎn)地控制所選擇的、按至少2分鐘取平均的平均參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述地方法，其中，選擇平均參數(shù)作為節(jié)流裝置上的平均壓降、或者閥門(mén)的平均口徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9的任一項(xiàng)所述的方法，其中，具有可調(diào)節(jié)口的閥門(mén)被用作節(jié)流裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10的任一項(xiàng)所述的方法，其中，管道沒(méi)有裝備用于影響管道中的多相流體的流的注氣單元。
12.一種使用權(quán)利要求1到11的任一項(xiàng)所述的方法來(lái)控制管道中包括氣體和液體的多相流體的流的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含放置在管道的下游側(cè)的節(jié)流裝置和具有可調(diào)節(jié)口徑的閥門(mén)以使得多相流體能以調(diào)節(jié)閥口徑的選定設(shè)置點(diǎn)來(lái)流動(dòng)，該系統(tǒng)還包括用于確定節(jié)流裝置上的壓力差以及從壓力差來(lái)確定流參數(shù)的實(shí)際值、而無(wú)需使用另一變量的測(cè)量以確定與節(jié)流裝置壓力差有關(guān)的實(shí)際氣/液比的單元；以及用于通過(guò)確定管道中的多相流體的選定流參數(shù)與選定設(shè)置點(diǎn)之間的偏差來(lái)控制多相流體的流、用于確定閥門(mén)口徑的依賴于該偏差的更新的設(shè)置點(diǎn)、并據(jù)此用于探作閥門(mén)口徑的單元，所述流參數(shù)是節(jié)流裝置上的壓力差的函數(shù)。
13.一種在權(quán)利要求1到11的任一項(xiàng)所述的方法中用來(lái)控制管道中的包括氣體和液體的多相流體的流的控制器，在所述管道的下游側(cè)具有節(jié)流裝置和具有可調(diào)節(jié)口徑的閥門(mén)，所述管道具有用于允許多相流體以調(diào)節(jié)閥口徑的選定設(shè)置點(diǎn)來(lái)流動(dòng)的單元、以及用于確定節(jié)流裝置上的壓力差并從壓力差來(lái)確定流參數(shù)的實(shí)際值而無(wú)需使用另一個(gè)變量的測(cè)量以確定關(guān)于節(jié)流裝置上的壓力差的實(shí)際的氣/液比的單元；所述控制器用于確定管道中的多相流體的選定流參數(shù)與選定設(shè)置點(diǎn)之間的偏差、用于確定閥門(mén)口徑的依賴于該偏差的更新的設(shè)置點(diǎn)、并據(jù)此提供用于處理閥門(mén)口徑的控制指令，所述流參數(shù)是節(jié)流裝置上的壓力差的函數(shù)。
14.一種在權(quán)利要求1到11的任一項(xiàng)所述的方法中用來(lái)控制管道中包括氣體和液體的多相流體的流的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，管道的下游側(cè)具有節(jié)流裝置和具有可調(diào)節(jié)口徑的閥門(mén)，所述管道具有用于允許多相流體以調(diào)節(jié)閥口徑的選定設(shè)置點(diǎn)來(lái)流動(dòng)的單元以及用于確定節(jié)流裝置上的壓力差并從壓力差來(lái)確定流參數(shù)的實(shí)際值而無(wú)需使用另一個(gè)變量的測(cè)量以確定關(guān)于節(jié)流裝置上的壓力差的實(shí)際的氣/液比的單元；該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括可被載入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的程序代碼，其中通過(guò)運(yùn)行程序代碼的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于確定管道中的多相流體的選定流參數(shù)與選定設(shè)置點(diǎn)之間的偏差、確定閥門(mén)口徑的依賴于偏差的更新的設(shè)置點(diǎn)、并據(jù)此提供用于處理閥門(mén)口徑的控制指令，所述流參數(shù)是節(jié)流裝置上的壓力差的函數(shù)。
全文摘要
一種用于控制多相流體流動(dòng)的方法、系統(tǒng)、控制器以及計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，用于控制管道中的包含氣體和液體的多相流體的流，管道在下游側(cè)具有節(jié)流裝置和具有可調(diào)節(jié)口徑的閥門(mén)，該方法包括以下步驟選擇管道中的多相流體的流參數(shù)作為節(jié)流裝置上的壓力差的函數(shù)；選擇流參數(shù)的設(shè)置點(diǎn)；使多相流體以調(diào)節(jié)閥口徑的選定設(shè)置點(diǎn)流動(dòng)；測(cè)定節(jié)流裝置上的壓力差以及根據(jù)壓力差確定流參數(shù)的實(shí)際值，而無(wú)需為了測(cè)定關(guān)于節(jié)流裝置上的壓力差的實(shí)際氣/液比而測(cè)量另一變量；通過(guò)測(cè)定流參數(shù)與其設(shè)置點(diǎn)的偏差來(lái)控制多相流體的流動(dòng)，確定依賴于偏差的閥門(mén)口徑的更新的設(shè)置點(diǎn)，并據(jù)此操作閥門(mén)的口徑。
文檔編號(hào)F17D1/00GK101084363SQ200580044073
公開(kāi)日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2005年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者阿德里安·N·?？? 格里迪納斯·漢德里克曼, 馬里納斯·G·W·M·澤倫 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司