專利名稱：用于煤層氣體生產(chǎn)的多變量模型預測控制的制作方法
技術領域：
公開的實施例總體涉及用于控制來自包括多個井的井區(qū)(well field)的煤層氣體收集的預測控制器和方法。
背景技術：
顯著量的煤層氣體在物理上被束縛(或吸附)在煤層內(nèi)。此煤層氣體被認為是在植物性材料轉換為煤期間形成并且主要包括甲烷(CH4)。因為它主要是甲烷，所以如這里所提及，煤氣通常被稱為煤層甲烷(coalbed methane, CBM)，不過有時它也被稱為煤地層甲烷( Coal Seam Methane, CSM)0典型情況下，95%以上的CBM在物理上被束縛(吸附)在煤層基質的表面上。如果處理效率足夠高并且生產(chǎn)CBM的成本被最小化，那么通常可以僅出售這樣的CBM而獲利。然而，已知從CBM區(qū)中生產(chǎn)甲烷在技術和商業(yè)這二者上都是挑戰(zhàn)。在投資于發(fā)現(xiàn)并證明具有商業(yè)上可采儲量的CBM區(qū)之后，企業(yè)必須投資然后實施并操作以比常規(guī)氣井顯著低的量進行生產(chǎn)的大量井。在井區(qū)中井的數(shù)目可能低到50個，但是也可能高達數(shù)千個。 企業(yè)必須進一步實施并操作車間、管道和設備以及操作支持資源以便能夠提取、采集、壓縮、水凈化、脫水和氣體的凈化，并且運輸和傳送(或其它處置)氣體以便售賣。車間設備和天然儲庫的此裝配必須作為互連和相互依賴部分的內(nèi)聚系統(tǒng)而操作。至少一些系統(tǒng)部分以有點不確定的方式動作，例如提取井，由此使調(diào)節(jié)來自CBM區(qū)的甲烷變得困難。用于操作CBM區(qū)的常規(guī)控制系統(tǒng)軟件使用低級(例如單變量)管理控制方案。單變量控制把一個控制變量(例如溫度或壓力)綁到一個操縱變量(例如閥位或設置點)。這樣的控制方案沒有從單個應用處理多個約束條件或者寫入到多個操縱變量設置點的能力。單變量控制也不能協(xié)調(diào)分開的管理控制的操作以便實現(xiàn)全局優(yōu)化目的。

發(fā)明內(nèi)容
提供了此概要以便遵從37 C.F.R. § 1. 73，其呈現(xiàn)了本公開內(nèi)容的概要以便簡要地表明這里所公開的本質和實質。在該概要將不被用來解釋或限制權利要求書的范圍或意義的情況下提交了該概要。公開的實施例描述了用于增加與地下地層相關聯(lián)的煤層氣體(諸如CBM)的生產(chǎn)量、生產(chǎn)質量和生產(chǎn)率的多變量模型預測控制器(model predictive controller, MPC)。 應用本文所描述的多變量MPC來控制包括多個CBM井的井區(qū)被認為是獨特的，這是因為在很大程度上由于整個系統(tǒng)的操作復雜度的緣故多變量MPC先前尚未被應用于CBM氣體采集。更具體地說，發(fā)明人已經(jīng)認識到CBM生成系統(tǒng)的操作復雜度很大程度上是由于系統(tǒng)的大量自由度以及顯著的不確定性的緣故。依照所公開實施例的多變量MPC同時操縱 CBM系統(tǒng)的一組自變量(操縱變量或MV，即輸入)以便使用動態(tài)多變量預測過程模型來在(通?？梢杂蒀BM操作者輸入并改變的)約束條件和/或目標內(nèi)維持一組應變量(受控變量或 CV，即輸出)。動態(tài)多變量預測模型使得能夠控制CBM過程，其表示改變多個MV對CV的作用。 動態(tài)模型通常利用程序來協(xié)調(diào)MV的改變以便滿足用戶輸入控制和優(yōu)化目標，其中該目標可以針對MV和CV 二者來指定。使用本發(fā)明的實施例，動態(tài)多變量模型被用來通過定期(例如每分鐘)測量、監(jiān)視和計算最優(yōu)響應并且迅速地調(diào)整大量MV來提高生產(chǎn)煤層氣體(諸如 CBM)的操作和商業(yè)性能水平。一個公開的實施例包括用于控制涉及CBM氣體生產(chǎn)系統(tǒng)的CBM生產(chǎn)過程的多變量 MPC,所述CBM氣體生產(chǎn)系統(tǒng)包括井區(qū)，所述井區(qū)包括多個CBM井。多變量MPC包括用于接收多個測量信號的多個輸入端口，所述多個測量信號用來指示包括來自多個CBM井的測量過程參數(shù)在內(nèi)的測量過程參數(shù)。包括優(yōu)化器和動態(tài)數(shù)學模型的控制回路控制CBM氣體生產(chǎn)系統(tǒng)，其中動態(tài)模型包括針對井區(qū)中的多個CBM井中的每一個所獲得的單獨的生產(chǎn)特性， 用來相對于多個CBM井的多個MV和擾動變量(disturbance variable, DV)的變化來預測多個CV的行為?？刂苹芈坊趧討B(tài)數(shù)學模型和測量的過程參數(shù)來計算多個MV的將來設置點以便導致CBM生產(chǎn)過程實現(xiàn)對于井區(qū)的至少一個控制目標。MPC包括用于提供由MPC生成的多個控制信號以便實施將來設置點的多個輸出端口，其中所述控制信號當被耦合到在多個CBM 井處的物理過程設備(例如現(xiàn)場設備)時控制物理設備達到所述將來設置點。在一些實施例中，把公開的多變量MPC應用于CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡，所述CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡包括用于把多個CBM井耦合到至少一個中間壓縮器以及從所述中間壓縮器到至少一個氣體凈化車間的多個管道段。應用于CBM網(wǎng)絡，多個控制信號包括用于控制該網(wǎng)絡中的壓縮器的壓縮器設置點的至少一個控制信號。在此實施例中，控制目標可以包括在針對 CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡的壓縮過程中的能量最小化。


圖1示出了對依照所公開實施例的示例性的受控CBM生產(chǎn)系統(tǒng)的描繪，包括通信地連接到數(shù)據(jù)歷史庫和一個或多個主機工作站或計算機的多變量MPC。圖2示出了對依照所公開實施例的示例性CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡的描繪，包括控制井區(qū)中的井的多變量MPC以及聚集的中間壓縮器和多個CBM氣體車間。
具體實施例方式參考附圖描述公開的實施例，其中遍及附圖使用同樣的附圖標記來指代類似的或等效的元件。附圖并未按比例繪制并且提供它們只是用來圖示一定的公開方面。下面參考用于舉例說明的示例應用來描述若干公開方面。應當理解，闡述了許多具體細節(jié)、關系和方法來提供對所公開實施例的完整理解。然而相關領域中的一個普通技術人員應當容易地認識到，可以在沒有一個或多個具體細節(jié)的情況下或者利用其它方法來實踐本文所公開的主題。在其它實例中，并未詳細示出公知的結構或操作以免模糊一定方面。本公開內(nèi)容不受動作或事件的所圖示次序限制，這是因為一些動作可能以不同的次序出現(xiàn)和/或與其它動作或事件并發(fā)地出現(xiàn)。此外，并不要求所有圖示的動作或事件都用來實施依照本文所公開的實施例的方法。公開的實施例描述了對如本文所描述的多個CBM過程變量進行建模和調(diào)整的多變量MPC。本文所描述的多變量MPC控制可以為包括多個CBM井的CBM井區(qū)提供基本上實時的、基于模型的控制，其可以同時評定大量約束條件，預測將來對約束條件的違背并且操縱大量過程設置點。多變量控制與以往被應用于CBM系統(tǒng)的傳統(tǒng)單輸入、單輸出(single-input, single-output, SIS0)控制不同。SISO系統(tǒng)在一個受控變量和一個操縱變量之間提供了固定配對。如上所述，不管通常自從20世紀70年代以來已知的多變量控制而依賴SISO控制的原因包括CBM工業(yè)的成長初期以及由于系統(tǒng)的大量自由度和顯著的不確定性而引起的整個CBM系統(tǒng)的操作復雜度。例如，典型的CBM區(qū)可以包括分布在大區(qū)域上的數(shù)百個井。 盡管一些單獨的井可能產(chǎn)生高純度甲烷，但是它們也產(chǎn)生相當可觀量的水。井口壓力通常近似為只有3巴并且在井區(qū)內(nèi)從井到井的單獨的井氣體流率通常很大地改變。一般需要依照某方式從產(chǎn)生的井流體中去除水。這可以通過在每個井口的預備分水桶和/或進一步的下游除水步驟來實現(xiàn)。本文所公開的多變量MPC使用來自井區(qū)中單獨的井的測量數(shù)據(jù)并且基于把系統(tǒng)作為一個整體來看的一個或多個控制目標優(yōu)化系統(tǒng)操作。從而，提供了多輸入和多輸出 (multiple inputs and multiple outputs, ΜΙΜΟ)控制，其中輸入和輸出之間的交互的特征明確地在于CBM過程模型并且在控制結構中的輸入和輸出之間不存在離散的或固定的配對。結果，所公開的多變量MPC可以響應于改變過程條件而動態(tài)地選擇輸出的組合。所公開的MPC可以通過自動地檢查CV或DV的變化并且在MV中進行搶先的協(xié)調(diào)措施(moves)來輔助(一個或多個)操作者控制CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡以便操縱網(wǎng)絡應用中的井和壓縮器。示例性CV可以包括中間壓縮器容量、在井頭的水處理、在網(wǎng)絡中其它點處的水處理、在網(wǎng)絡中各個點的溫度或壓力以及在任何供應商或網(wǎng)絡一部分的氣體流量變化率。其它CV可以包括網(wǎng)絡中的氣體存貨或管道存量(Iin印ack)、在網(wǎng)絡任何部分的氣體組成、與井的近期操作歷史相關的操作規(guī)則和指南(例如在井處已經(jīng)出現(xiàn)的脫水量)以及與任何井的近期氣體流量性能相關的操作規(guī)則和指南。也稱為MV的過程處理可以包括單獨的井流率(或阻風門位置)，并且在包括管道和一個或多個壓縮器的CBM系統(tǒng)的情況下，包括壓縮器站設置點(流量，壓力或直接速度控制)。DV可以包括車間要求的改變、任何井的意外關閉、本地條件的改變或在網(wǎng)絡情況下任何子部分的性能以及諸如環(huán)境溫度之類的環(huán)境條件。在另一公開的實施例中，描述了優(yōu)化策略?？梢越Y合井控制來執(zhí)行優(yōu)化，諸如以逐分鐘為基礎。此常規(guī)的更新確保操作不斷地被推向其最優(yōu)的操作位置。對于計算集中的優(yōu)化目標，其實際上可能并未以一分鐘頻率運行，可以集成更高級的優(yōu)化器。例如，這可以把最大可恢復儲量的長期目標轉換為井的較短期的相對優(yōu)先化。所公開的MPC可以實時地追求這些短期目標，但是讓步于任何要求的約束條件控制。
圖1示出了對依照所公開實施例的示例性受控CBM生產(chǎn)系統(tǒng)100的描繪，該CBM 生產(chǎn)系統(tǒng)100包括通信地連接到數(shù)據(jù)歷史庫120的多變量MPC 110。多變量MPC 110通常是駐留在計算機上的軟件應用，其是受控系統(tǒng)100的一部分。多變量MPC 110還通信地連接到一個或多個主機工作站或計算機130 (其可以是任何類型的個人計算機、工作站等)，每一個都具有顯示屏幕140。多變量MPC 110還經(jīng)由輸入/輸出(I/O)卡260和280連接到位于CBM操作195 附近的現(xiàn)場設備150 - 220，所述CBM操作195包括多個CBM井196 - 199。在一個示例性實施例中，現(xiàn)場設備150 - 180包括阻風門，所述阻風門基于由多變量MPC 110經(jīng)由I/O卡 260提供的控制信號通過改變阻風門位置來控制相應井的CBM流率，而現(xiàn)場設備190 - 220 可以測量來自相應井的CBM流率并且經(jīng)由I/O卡280把此信息提供給多變量MPC 110。數(shù)據(jù)歷史庫120通?？梢允侨魏纹谕愋偷臄?shù)據(jù)收集單元，其具有用于存儲數(shù)據(jù)的任何期望類型的存儲器和任何期望或已知的軟件、硬件或固件，并且其可以與工作站/計算機130之一相分開(如圖1中所圖示)或者作為其一部分。多變量MPC 110例如經(jīng)由以太網(wǎng)連接或任何其它期望的通信網(wǎng)絡290通信地連接到工作站/計算機130和數(shù)據(jù)歷史庫120。通信網(wǎng)絡290可以采用局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng) (WAN)、電信網(wǎng)絡等的形式并且可以使用硬連線或無線技術來實施。如上所述，使用與例如標準4 - 20 ma設備和/或任何智能通信協(xié)議相關聯(lián)的任何期望的硬件和軟件，把多變量MPC 110通信地連接到現(xiàn)場設備150 - 220?，F(xiàn)場設備150 -220通?？梢园ǘ喾N類型的設備，諸如傳感器、閥、發(fā)射機、定位器等，而I/O卡260和 280可以是符合任何期望的通信或控制器協(xié)議的任何類型的I/O設備?？梢宰鳛樵谄渲芯哂兄辽僖粋€處理器的CBM系統(tǒng)100內(nèi)的許多分布式控制器之一的多變量MPC 110實施或監(jiān)督在其中存儲或以其它方式與其相關聯(lián)的一個或多個過程控制例程，其可以包括控制回路。多變量MPC還與現(xiàn)場設備150 - 220、主機工作站/計算機130和數(shù)據(jù)歷史庫120 通信以便依照期望的方式控制CBM過程。應當注意，本文所描述的任何控制例程或元件可以使其一部分由不同的控制器或其它設備來實施或執(zhí)行，如果這樣期望的話。同樣，要在 CBM系統(tǒng)100內(nèi)實施的本文所描述的控制例程或元件可以采用任何形式，包括軟件、固件、 硬件等。為了此論述目的，過程控制元件可以是過程控制系統(tǒng)的任何部分或部件，其例如包括在任何計算機可讀介質上存儲的模塊、塊或例程。可以是模塊或者是控制過程的任何部分(諸如子例程、子例程的各部分(諸如代碼行)等)的控制例程可以采用任何期望的軟件格式來實施，諸如使用梯形邏輯、時序功能圖、 功能框圖、面向對象編程或任何其它軟件程序編程語言或設計范例。同樣，控制例程可以被硬編碼到例如一個或多個EPROM、EEPR0M、專用集成電路(ASIC)或任何其它硬件或固件元件中。更進一步地，可以使用任何設計工具來設計控制例程，所述設計工具包括圖形設計工具或任何其它類型的軟件/硬件/固件編程或設計工具。從而，多變量MPC 110通常可以被配置為依照任何期望的方式來實施控制策略或控制例程。在一個實施例中，多變量MPC 110實施使用通常被稱為功能塊的控制策略，其中每個功能塊是整個控制例程的一部分或對象并且(經(jīng)由通信呼叫鏈路)結合其它功能塊進行操作以便實施CBM系統(tǒng)100內(nèi)的過程控制回路。功能塊典型地實行諸如與發(fā)射機、傳感器或其它過程參數(shù)測量設備相關聯(lián)的輸入功能之類的輸入功能、諸如與實行PID、模糊邏輯等控制的控制例程相關聯(lián)的控制功能之類的控制功能、或者控制某設備(諸如閥)的操作的輸出功能中的一個以便實行CBM系統(tǒng)100內(nèi)的某物理功能。功能塊可以被存儲在多變量MPC 110中并由其執(zhí)行，這典型地是當這些功能塊被用于或者與標準4 - 20 ma設備和一些類型的智能現(xiàn)場設備(諸如HART設備)相關聯(lián)時的情況，或者可以被存儲在現(xiàn)場設備本身中并由其實施，這可以是現(xiàn)場總線設備的情況。雖然本文使用功能塊控制策略提供了對控制系統(tǒng)的描述，所述功能塊控制策略使用面向對象編程范例，但是也可以使用諸如梯形邏輯、時序功能表等其它慣例或使用任何其它期望的編程語言或范例來實施或設計控制策略或控制回路或模塊。如圖1的擴展塊185所圖示的，多變量MPC 110可以包括被圖示為例程132和 134的多個單回路控制例程，并且可以實施一個或多個高級控制回路，其被圖示為控制回路 136。每個這樣的回路典型地被稱為控制模塊。單回路控制例程132和134被圖示為使用分別連接到適當?shù)哪M輸入(Al)和模擬輸出(AO)功能塊的單輸入/單輸出模糊邏輯控制塊和單輸入/單輸出PID控制塊來實行單回路控制，所述適當?shù)哪M輸入(Al)和模擬輸出 (AO)功能塊可以與諸如閥之類的過程控制設備相關聯(lián)、與諸如溫度壓力發(fā)射機之類的測量設備相關聯(lián)或者與系統(tǒng)100內(nèi)的任何其它設備相關聯(lián)?？刂苹芈?36被圖示為包括控制塊 138，所述控制塊138本身包括具有通信地連接到眾多AI功能塊的復數(shù)個輸入以及通信地連接到眾多AO功能塊的復數(shù)個輸出的控制回路，不過控制塊138的輸入和輸出通信地連接到任何其它期望的功能塊或控制元件以便接收其它類型的輸入并且提供其它類型的控制輸出。如將進一步地描述的，控制塊138把包括預測模型139的多變量MPC例程與優(yōu)化器143集成以便實行對CBM系統(tǒng)100的優(yōu)化控制。優(yōu)化器143通常被適配成形成供MPC在過程控制系統(tǒng)的每個操作周期期間使用的一組目標值。如圖1中所圖示，工作站130之一包括用于創(chuàng)建、下載和實施控制回路136的高級控制塊生成例程148。雖然高級控制塊生成例程148可以存儲在工作站130內(nèi)的存儲器中并且由在其中的處理器執(zhí)行，但是此例程(或其任何部分)可以另外或作為選擇被存儲在 CBM系統(tǒng)100內(nèi)的任何其它設備中并由其執(zhí)行，如果這樣期望的話。高級控制塊生成例程148可以包括控制塊創(chuàng)建例程142，其創(chuàng)建如這里進一步描述的控制塊并且把此控制塊連接到過程控制系統(tǒng)中；過程建模例程144，其基于由高級控制塊收集的數(shù)據(jù)創(chuàng)建針對所述過程或其一部分的過程模型；控制邏輯參數(shù)創(chuàng)建例程146， 其根據(jù)所述過程模型創(chuàng)建用于所述控制塊的控制邏輯參數(shù)并且把這些控制邏輯參數(shù)存儲或下載到控制塊138中以供控制CBM過程時使用。所公開的實施例也可以應用于整個CBM生產(chǎn)網(wǎng)絡。典型的CBM生產(chǎn)網(wǎng)絡包括井區(qū)，所述井區(qū)包括多個CBM井和多個系統(tǒng)元件，諸如多個管道段、多個中間壓縮器和多個氣體凈化車間，其在最終遞送給在管道末端的最終用戶之前提供對CBM氣體的處理。圖2示出了對依照所公開實施例的示例性概括的CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡200的描繪。 CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡200包括控制阻風門221的位置的多變量MPC 110，所述阻風門221用于調(diào)節(jié)來自一個或多個井區(qū)219中的多個井211中每一個的CBM流量，以及還包括在相關聯(lián)的壓縮站的第一中間壓縮器231 (a) - (e)以及在氣體凈化車間235和236下游的它們的相應壓縮站處的第二中間壓縮器245和M6。壓縮器255處于把從CBM氣體車間235和236 輸出的CBM進行聚集的關聯(lián)壓縮器站。在圖2中表明了氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡200中的點，其中多變量MPC應用把控制信號257 (a)寫入(即應用)到井211以便實施井設置點并且把控制信號257 (b)寫入(即應用)到壓縮器231 (a)- (e)、245、246和255以便實施由MPC 110確定的壓縮器設置點。上面相對于在圖1中所示出的系統(tǒng)100描述的CBM井變量(例如阻風門位置)是針對氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡的多變量MPC控制的一部分。相比之下，在圖2中示出的CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡 200中的多變量MPC控制也被應用于網(wǎng)絡元件。與圖1相比，實際的多變量MPC實現(xiàn)方式可以結合圖2中所示出的一些或全部附加元件。由于正使用多種不同的設備配置來開發(fā)CBM 區(qū)，所以本文所描述的MPC方案通常將被配置為對特定的配置作出響應。此外，過程目標從操作到操作可能不同。例如，一些操作可能具有用于排出實際上不受限制的水量的許可，只要結果可以不考慮水管理目標即可，而另一些操作可能在壓縮能力上具有限制并且將想要包括把壓縮器容量最大化作為目標。多變量MPC 110可以被看成接收多個CV輸入、多個DV輸入、多個經(jīng)濟和目標值以及來自多個MV的測量數(shù)據(jù)。多變量MPC 110可以被看成發(fā)送用于控制器MV的多個控制信號，其被示為用來控制井211的井設置點的控制信號257 (a)和用于壓縮器231 (a)- (e) 和M5J46以及255的壓縮器設置點的控制信號257 (b)。如圖2中所示，與來自井211的水分開的CBM氣體經(jīng)由管道2 輸送到第一中間壓縮器231 (a) - (e)。在每個第一中間壓縮器組合多個CBM氣體流。然后來自這些第一中間壓縮器231 (a)- (e)的外出流被示出為在被添加到主要氣體管道237以到達下游氣體用戶之前在更大容量的第二壓縮器Ml - 243處被進一步組合。壓縮器245對來自氣體凈化車間235的氣體進行壓縮，而壓縮器246對來自氣體凈化車間246的氣體進行壓縮。 壓縮器255對從壓縮器245和246接收的氣體進行壓縮。關于CBM生產(chǎn)網(wǎng)絡200的操作目標和約束條件，一個通常適用的操作目標是滿足下游氣體用戶的氣體要求。由于井區(qū)219中的大量(例如數(shù)百或者數(shù)千)井211通常都具有顯著不同的氣體輸出特性，所以給定一個或多個目標可以確定從相應井211的最優(yōu)排放 (off-take)分配，包括從井區(qū)219中的井211中的井選擇(即在給定時間利用哪些井)。井選擇可以被劃分為多個不同的時間范圍，諸如下面描述的三個(3)不同的時間范圍。1. 1分鐘到1天時間范圍——該確定可以基本上是要求井口阻流門的安全閉環(huán)控制的控制練習，具有對輸送網(wǎng)絡中有效約束條件的反饋。當存在過量自由度時可以追求短期優(yōu)化目標。2. 1天到3個月——此確定可以是規(guī)劃演習，綜合預報車間要求，井可用性和能力以及潛在的維護信息。3. 1個月到20年——此確定可以是區(qū)開發(fā)練習，使用專門的儲庫管理軟件?？梢援a(chǎn)生使在滿足車間要求的同時可恢復儲量最大化的計劃?？梢园▉碜詫嶋H的井性能的反饋。不到1天的時間范圍可以被認為是實時控制。在實時級通常存在兩個關鍵目標， 如下所述它們是控制和優(yōu)化。
1.控制——主要關注常常是以逐分鐘為基礎管理氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡的約束條件。在穩(wěn)定操作狀態(tài)存在擾動的情況下，氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡可以依照在滿足最終的車間氣體要求的同時繼續(xù)考慮約束條件的方式迅速地進行響應。在很大程度上由于要操縱大量潛在設置點(MV) 的緣故所以這是復雜的計算。示例性CV可以包括
i)結節(jié)壓縮器容量
ii)區(qū)域壓縮器容量
iii)在井頭的水處理
iv)在網(wǎng)絡中其它點(諸如氣體凈化車間)的水處理 ν)在網(wǎng)絡中各個點的溫度或壓力
vi)任何供應商或網(wǎng)絡的一部分的變化率。以供在網(wǎng)絡200中使用的示例性MV可以包括單獨的井流率(或阻風門位置)和壓縮器站設置點(例如流量、壓力或直接速度控制)。示例性DV可以包括車間要求上的變化、 任何氣體源(例如井211)的意外關閉、網(wǎng)絡200的任何子部分性能或本地條件的變化，或者環(huán)境溫度的變化。關于優(yōu)化，如果來自氣體用戶的最終氣體要求是穩(wěn)定的，那么可能存在依照更加最優(yōu)方式重新平衡來自井211的氣體供應的機會。可以實現(xiàn)若干潛在的優(yōu)化目標，諸如可恢復儲量的最大化，充分利用水處理能力或重新平衡供應商以使總壓縮器燃氣消耗最小化。在操作中，多變量MPC 110的主要目標可以是輔助(一個或多個)網(wǎng)絡操作者控制氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡200。多變量MPC 110檢查擾動或約束條件的變化，并且進行搶先的協(xié)調(diào)措施來操縱CBM井211和壓縮器231 (a)- (e)、245、246和255這二者的操作參數(shù)。這樣的搶先的協(xié)調(diào)措施在動態(tài)情形下可能特別有用，所述動態(tài)情形諸如啟動新的生產(chǎn)網(wǎng)絡段或來自氣體用戶的要求的顯著變化?？梢砸灾鸱昼姙榛A結合井控制來執(zhí)行優(yōu)化。這確保操作不斷地被推向其最優(yōu)的操作位置。對于計算集中的優(yōu)化目標，其實際上可能并未以一分鐘頻率運行，可以集成更高級的優(yōu)化器。例如，這可以把最大可恢復儲量的長期目標轉換為井的較短期的相對優(yōu)先化。所公開的多變量MPC可以實時地追求這些短期目標，但是讓步于任何要求的約束條件控制。關于針對CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡的示例性控制器變量， MV可以包括
1.單獨的井流率
來自單獨的井的CBM氣體的流率常常是遍及下游系統(tǒng)的約束條件的關鍵貢因 (contributor)。增加來自井的氣體流率向該井的設備下游放置了更多負載。這包括中間壓縮器站和氣體凈化車間(例如乙二醇凈化容量)。在下游設備片段變得有限的情況下(即壓縮器到達容量約束條件)，多變量MPC可以減少來自對該壓縮器負載作出貢獻的井的氣體流率。依照這種方式，可以在區(qū)的不同部分之間變換氣體生產(chǎn)，以使得更充分地利用網(wǎng)絡的總生產(chǎn)量。操縱單獨的井流率也影響來自網(wǎng)絡的總氣體生產(chǎn)量。這允許該應用對來自最終用戶的氣體要求的動態(tài)變化進行響應。調(diào)整來自井的氣體流率的方法取決于井上本來的管理控制模式。這可以通過MPC應用直接寫入到管理流量控制的設置點來達到，或者可以通過 MPC寫入到阻風門位置或壓力控制器來間接地達到，所述阻風門位置或壓力控制器然后影響來自井的氣體流量。調(diào)整井流率也允許優(yōu)選的生產(chǎn)計劃或井優(yōu)先化被達到。MPC可以存儲優(yōu)選的井優(yōu)先級列表。當最終用戶要求約束總氣體生產(chǎn)時，可以關閉最低優(yōu)先級的井。2.單獨的井的水位
對于一些類型的CBM井，水從井眼抽出。此抽出率可以是在電平控制下的。在這種情況下，電平控制器設置點或抽水率可以由MPC應用操縱。調(diào)整井的水位影響產(chǎn)水率以及潛在的產(chǎn)氣率。3.壓縮器站設置點(例如流量、壓力或直接速度控制)
可以操縱多個壓縮器站以設置氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡200中的流量和壓力。MPC應用可以寫入到針對壓縮器的流量、壓力或直接速度控制。請求更多流量或更低吸入壓力或更高排出壓力或者更高速度都是設置點變化，其將趨向于增加壓縮器的負載，推動它更接近于極限容量約束條件。操縱壓縮器負載也將影響該機器的效率。通過網(wǎng)絡選擇適當?shù)膲嚎s器設置點(它們是流量、壓力或速度)，可以優(yōu)化整個壓縮器網(wǎng)絡的效率。另外，可以通過確保所有壓縮器被推向它們單獨的能力約束條件來使網(wǎng)絡的總生產(chǎn)量最大化。在網(wǎng)絡內(nèi)可能存在其它約束條件，諸如在單獨的壓縮器到達容量約束條件之前在特定點的最大壓力或流量?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)壓縮器站設置點來管理這些約束條件。例如，在特定的網(wǎng)絡段中的高流量要求可以促使在管道中一定點處的壓力接近最大操作壓力。MPC應用將操縱壓縮器設置點和/或井流量以減小來自該段的流量，并且利用來自未被約束的不同網(wǎng)絡段的流量來代替它。通常使用基于計算機的軟件工具來構建多變量MPC應用。在控制器配置期間通常定義的項是控制器輸入和輸出的列表以及獨立的操作柄(operating handle) (MV和/或擾動變量DV)和約束條件(CV)之間的動態(tài)關系。用于實施依照所公開實施例的多變量控制器的示例性步驟包括
1.匯編和研究了過程流程圖(process flow diagram, PFD)、過程和儀表圖(Process and Instrumentation Diagram, P&ID)以及描述CBM系統(tǒng)的物理、組成和儀表特性的其它文檔。2.確定系統(tǒng)擁有者對系統(tǒng)操作的經(jīng)濟、管理、安全和可靠性方面的希望的目標。3.確定要應用的多變量MPC的特性。這樣的多變量控制器通常作為計算機程序在市面上可買到，所述計算機程序可以被加載或接口到過程控制系統(tǒng)或與過程控制系統(tǒng)相接口的計算機。4.選擇將作為CV、DV和MV的變量，諸如上面所描述的。5.按照產(chǎn)品指令來配置多變量MPC。6.在目標CBM系統(tǒng)或網(wǎng)絡中實施控制器。7.實行確認適當操作的測試。測試通常是實際的現(xiàn)場測試，但是也可以包括模擬。8.回顧測試結果，校正缺陷和精調(diào)多變量MPC的配置。盡管已經(jīng)相對于一個或多個實現(xiàn)方式圖示和描述了所公開的實施例，但是在閱讀和理解此說明書和附圖后本領域其它技術人員將想到等效的替換和修改。另外，雖然已經(jīng)只相對于若干實現(xiàn)方式之一公開了本發(fā)明的特定特征，但是可以把這樣的特征與其它實現(xiàn)方式的一個或多個其它特征進行組合，這對任何給定或特定應用來說可能是期望的和有益的。本文所使用的術語只是為了描述特定實施例的目的并且不意圖限制本發(fā)明。如本文所使用的，單數(shù)形式“一”、“一種”和“該”意圖也包括復數(shù)形式，除非上下文另外清楚地表明。此外，就詳細的說明書和/或權利要求中使用術語“包括”、“包括著”、“具有”、“含有”、 “帶有”、或其變體來說，這樣的術語意圖依照與術語“包括”類似的方式為包括的。除非另外定義，否則本文所使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發(fā)明所屬領域的一個普通技術人員通常理解的相同的含義。還可以理解的是，諸如在通常使用的詞典中定義的那些術語之類的術語應當被解釋為具有與它們在相關領域上下文中的含義一致的含義并且除非本文明確地如此定義否則將不依照理想化或太正式的意義來解釋。提供了符合37 C.F.R. § 1.72 (b)的本公開內(nèi)容的摘要，37 C. F. R. § 1.72 (b)要求將允許讀者迅速地弄清本技術公開內(nèi)容的性質的摘要。提交具有這樣的理解的該摘要 其將不用來解釋或限制下列權利要求的范圍或含義。
權利要求
1.一種用于控制煤層甲烷(CBM)生產(chǎn)過程的多變量模型預測控制器(MPC) (110)，所述煤層甲烷(CBM)生產(chǎn)過程涉及包括多個CBM井(196 - 199)的CBM井區(qū)，所述多變量MPC 包括用于接收多個測量信號的多個輸入端口(280)，所述多個測量信號用于表示包括來自所述多個CBM井的測量過程參數(shù)在內(nèi)的測量過程參數(shù)，控制回路(136)，其包括用于控制所述CBM氣體生產(chǎn)系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型(139)和優(yōu)化器(143)，所述動態(tài)模型包括為所述多個CBM井中的每一個獲得的單獨的生產(chǎn)特性，用來相對于所述多個CBM井的多個操縱變量(MV)和擾動變量(DV)的變化來預測多個受控變量 (CV)的行為，其中所述控制回路基于所述動態(tài)數(shù)學模型和所述測量過程參數(shù)來計算針對所述多個MV的將來設置點以導致所述CBM生產(chǎn)過程達到所述CBM井區(qū)的至少一個控制目標， 和多個輸出端口(260)，用于提供由所述MPC生成的多個控制信號以便實施所述將來設置點，其中所述控制信號當被耦合到在所述多個CBM井處的物理過程設備(150，160，170， 180)時控制所述物理設備到達所述將來設置點。
2.如權利要求1所述的多變量MPC，其中所述控制目標包括所述多個CBM井的最大總產(chǎn)水率限制，并且其中所述控制信號為所述CBM生產(chǎn)選擇所述多個CBM井中相應的一些CBM 井來保持總產(chǎn)水率低于所述最大總產(chǎn)水率限制。
3.如權利要求1所述的多變量MPC，其中所述CBM井區(qū)是CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡(200)的一部分，所述CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡(200)包括用于把所述多個CBM井耦合到至少一個中間壓縮器(231 (a)- (e))并且把所述至少一個中間壓縮器耦合到至少一個氣體凈化車間(235， 236)的多個管道段(2觀)，并且其中所述多個控制信號包括用于控制所述中間壓縮器的壓縮器設置點的至少一個控制信號(257 (b))。
4.如權利要求3所述的多變量MPC，其中所述控制目標包括在針對所述CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡的壓縮過程中的能量最小化。
5.一種煤層甲烷(CBM)生產(chǎn)系統(tǒng)(100)，其包括CBM井區(qū)，其包括多個CBM井(196 - 199)，和多變量模型預測控制器(MPC) (210)，其用于控制涉及所述多個CBM井的CBM生產(chǎn)過程，所述MPC包括用于接收多個測量信號的多個輸入端口(280)，所述多個測量信號用于表示包括來自所述多個CBM井的測量過程參數(shù)在內(nèi)的測量過程參數(shù)，控制回路(136)，包括用于控制所述CBM氣體生產(chǎn)系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型(139)和優(yōu)化器 (143)，所述動態(tài)模型包括為所述多個CBM井中的每一個獲得的單獨的生產(chǎn)特性，用來相對于所述多個CBM井的多個操縱變量(MV)和擾動變量(DV)的變化來預測多個受控變量(CV) 的行為，所述控制回路基于所述動態(tài)數(shù)學模型和所述測量過程參數(shù)來計算所述多個MV的將來設置點以導致所述CBM生產(chǎn)過程達到所述CBM井區(qū)的至少一個控制目標，和多個輸出端口(260)，其用于提供由所述MPC生成的多個控制信號以便實施所述將來設置點，其中所述控制信號當被耦合到在所述多個CBM井處的物理過程設備(150，160， 170，180)時控制所述物理設備到達所述將來設置點。
6.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述控制目標包括所述多個CBM井的最大總產(chǎn)水率限制，并且其中所述控制信號為所述CBM生產(chǎn)選擇所述多個CBM井中相應的一些CBM井來保持總產(chǎn)水率低于所述最大總產(chǎn)水率限制。
7.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述CBM井區(qū)是CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡(200)的一部分， 所述CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡(200)包括用于把所述多個CBM井耦合到至少一個中間壓縮器(231 (a)- (e))并且把所述至少一個中間壓縮器耦合到至少一個氣體凈化車間(235，236)的多個管道段(2 )，并且其中所述多個控制信號包括用于控制所述中間壓縮器的壓縮器設置點的至少一個控制信號(257 (b))。
8.如權利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述控制目標包括在針對所述CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡的壓縮過程中的能量最小化。
9.一種控制從包括多個CBM井(196 - 199)的CBM井區(qū)獲得的煤層甲烷(CBM)生產(chǎn)過程的方法，所述方法包括接收多個測量信號，所述多個測量信號用于表示包括來自所述多個CBM井的測量過程參數(shù)在內(nèi)的測量過程參數(shù)；使用包括控制回路(136)的多變量模型預測控制器(MPC) (110)，其包括用于控制所述 CBM生產(chǎn)過程的動態(tài)數(shù)學模型(139)和優(yōu)化器(143)，所述動態(tài)模型包括為所述多個CBM井中的每一個獲得的單獨的生產(chǎn)特性，用來相對于所述多個CBM井的多個操縱變量(MV)和擾動變量(DV)的變化來預測多個受控變量(CV)的行為，所述控制回路基于所述動態(tài)數(shù)學模型和所述測量過程參數(shù)來計算所述多個MV的將來設置點以導致所述CBM生產(chǎn)過程達到所述CBM井區(qū)的至少一個控制目標，和提供由所述MPC生成的多個控制信號以便實施所述將來設置點，并且把所述控制信號耦合到在所述多個CBM井處的物理過程設備(150，160，170，180)以控制所述物理設備到達所述將來設置點。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述控制目標包括所述多個CBM井的最大總產(chǎn)水率限制，并且其中所述控制信號為所述CBM生產(chǎn)選擇所述多個CBM井中相應的一些CBM井來保持總產(chǎn)水率低于所述最大總產(chǎn)水率限制。
11.如權利要求9所述的方法，其中所述CBM井區(qū)是CBM氣體產(chǎn)生網(wǎng)絡(200)的一部分，所述CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡(200)包括用于把所述多個CBM井耦合到至少一個中間壓縮器 (231 (a)- (e))并且把所述至少一個中間壓縮器耦合到至少一個氣體凈化車間(235，236) 的多個管道段228)，并且其中所述多個控制信號包括用于控制所述中間壓縮器的壓縮器設置點的至少一個控制信號(257 (b))。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述控制目標包括在針對所述CBM氣體生產(chǎn)網(wǎng)絡的壓縮過程中的能量最小化。
全文摘要
一種用于控制煤層甲烷(CBM)生產(chǎn)過程的多變量模型預測控制器(MPC)(110)。MPC包括用于接收多個測量信號的輸入端口(280)，所述多個測量信號包括來自井區(qū)中的CBM井(196-199)的測量過程參數(shù)。控制回路(136)包括控制CBM氣體生產(chǎn)的數(shù)學模型(139)。該模型包括每個CBM井的單獨的生產(chǎn)特性，用來相對于操縱變量(MV)和擾動變量(DV)的變化來預測控制變量(CV)的其行為?？刂苹芈坊卺槍BM生產(chǎn)的測量過程參數(shù)和該模型計算MV的將來設置點以便達到井區(qū)的至少一個控制目標。多個輸出端口(260)提供了用于實施所述將來設置點的控制信號，其當被耦合到在多個CBM井處的物理過程設備(150，160，170，180)時控制該物理設備到達所述將來設置點。
文檔編號G05D7/06GK102414636SQ201080018419
公開日2012年4月11日 申請日期2010年2月12日 優(yōu)先權日2009年2月27日
發(fā)明者L. 科爾波 G., A. 卡斯特利恩斯 N. 申請人:霍尼韋爾國際公司