模擬PID控制器對平臺分離器段塞的控制

倪玲英，何生兵

(中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 66580)

模擬PID控制器對平臺分離器段塞的控制

倪玲英，何生兵

(中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 66580)

考慮到混相輸送極易在管道的立管段形成嚴重段塞流，影響管道和下游油氣水處理設備的正常工作，造成巨大的經濟損失，利用OLGA多相流瞬態模擬軟件對海底管道進行段塞流預測，并通過OLGA軟件模擬PID控制器對嚴重段塞流的自動控制。結果表明，利用PID控制器能夠有效進行嚴重段塞流的控制，推薦在管道設計時應用OLGA軟件先進行段塞流的預測，再通過OLGA軟件進行PID控制系統的參數設計。

嚴重段塞流 分離器 PID控制器 OLGA軟件

海洋地理環境特殊，通常利用采油平臺進行海底油氣資源的開發。對于采用全海式集輸方式的海上油氣田，從衛星平臺或是水下井口采出的油氣通常采用混相方式經海底管道輸送到中心平臺，統一進行油氣水處理。混相輸送方式在中心平臺立管段極易出現嚴重段塞流?；煜噍斔凸艿乐谐霈F段塞流，會惡化管道的運行條件。由于其流動的間歇性，會引起管道中持液率和壓力急劇波動，并使得運行在該流型下的管道以及油氣水處理設備內部構件承受間歇性應力沖擊，從而影響設備的性能[1]。勝利油田海洋采油廠中心二號平臺三相分離器運行中發現段塞流對油氣處理設備造成巨大危害[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定，直接影響分水量;③對油氣水處理設備內構件產生較大的沖擊力，造成焊縫疲勞而產生裂紋，最終導致管束疲勞失效，縮短了設備的使用壽命。因此有必要進行嚴重段塞流的預測與控制，以保證下游油氣水處理設備穩定高效地工作。

1 嚴重段塞流形成機理及模擬

1.1 嚴重段塞流形成機理

通常海底管道立管部分較長(固定式平臺一般為幾十m到一百多m)，當混相輸送的流體到達立管底部時，在氣體壓力不足和重力回流的雙重作用下，便會引發嚴重段塞流，嚴重段塞流的形成包含4個階段[3]，見圖1。

圖1 嚴重段塞流形成過程

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，并且幾乎沒有液體流入分離器內。

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

3)當壓力高到足以克服液塞所受的重力和阻力時，立管內的液柱在氣體壓力推動下開始上升，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，所需的壓力會相應減小。

4)當氣泡上升到立管頂部，管道恢復暢通，壓力迅速降低，出口液體瞬時流量激增，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。

1.2 嚴重段塞流的模擬

對于段塞流的預測和模擬通常有兩種方法，一種是根據經驗公式進行計算，另一種是利用商業軟件進行模擬。商業軟件較之經驗公式具有普適性好，精度高等優點。OLGA是當今最為成熟的通用多相流瞬態模擬軟件，具有段塞跟蹤功能，其嚴重段塞數據已經獲得了SINTEF實驗室數據以及Schmidt數據的雙重驗證，很多學者認為使用OLGA軟件能夠對嚴重段塞進行有效預測[3]。本文采用OLGA軟件進行嚴重段塞流的模擬。

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 ℃，流體經立管輸送到平臺之后，直接進入平臺分離器，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，進行5 h模擬，結果見圖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重段塞流周期中壓力的變化趨勢，表明立管段形成了嚴重段塞流。

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

與管壓力變化相對應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，并在氣體噴發時達到峰值，持液率超過0.9。持液率的這種變化必然會導致分離器內部液面的大幅波動，如圖5所示，嚴重影響分離器的處理效果和使用壽命。

2 模擬PID控制器對嚴重段塞流的抑制

對于嚴重段塞流的控制，國內外學者提出了很多種方法，如增加回壓、泵控制、聲波檢測與控制、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″送管線上利用自動控制方案來解決嚴重段塞問題。通過分離器上游的控制閥保證立管基部的壓力恒定。油田使用結果表明，該種方法非常有效[8]。

自動控制方案能夠根據混輸管線的實時情況進行閥門的自動調節，這一點是傳統節流法所不具備的。然而國內海上油氣田很少見到有利用自動控制方案來進行嚴重段塞流控制的實例。

2.1 PID控制理論

控制系統對于維持系統的穩定有著重要作用，比如將一個系統的壓力、溫度、流量保持在一個容許的范圍內波動。常見的一種系統為閉環控制系統，即被控制量的變化反過來會影響到控制器的輸出，對于這種系統通常采用反饋控制系統來進行控制[9]。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型，控制理論的其他技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。

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

(1)

式中：Kp——放大因子；x——輸入參數，如壓力、液面等；τ——時間常數；u——控制器的輸出信號；t——系統運行時間；ubias——控制器初始輸出信號。

從PID控制器的算法可以看出，PID控制器控制主要包括三個環節。

比例(P)環節。一旦系統產生偏差信號e，比例控制立即進行調節，此時控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。如果僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。

積分(I)環節。由于比例控制之后會存在穩態誤差，即系統參數在設定值上下波動，積分控制便可消除該誤差，積分作用的強弱取決于積分常數的大小，越小，積分作用越大，反之越小。

微分(D)環節。對于控制總是落后于誤差的系統，微分控制可以實現“超前”控制，即在誤差變得較大之前預先施加一個修正信號，從而保證控制器迅速高效地做出反應。

隨著現代科技的發展，以最優控制、自適應控制、預測控制為目標，出現了大量的更為智能、高效、穩定的現代PID控制器[11]。本文使用傳統的PID控制器。

2.2 PID控制閥進行段塞流的控制

節流法從本質上來講，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較高的值。這個壓力足以將流體從立管底部舉升到平臺上部，從而保證不會再立管底部形成液體聚集，出現嚴重段塞流。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問題，只需要設定想要保持的壓力值，通過壓力傳感器實時測量立管底部壓力，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調節到一個合適的值。

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，本文根據圖3選取壓力值為6.5 MPa。嚴重段塞流自動控制系統布置如圖6所示。通過反復調節PID控制器的控制參數，最終實現了立管底部壓力的控制，模擬結果見圖7～10。PID控制器控制參數的最終取值為比例系數Kp=0.5，積分常數=1 000 s，微分常數為τd=0，可見實際為一個PI控制器。

圖6 嚴重段塞流自動控制系統布置示意

圖7-9給出了利用PID控制器進行控制之后的管道系統參數的變化趨勢?？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定在0.882 m。有力地證明了PID控制器能夠有效地實現對平臺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控制器調節閥門開度，保證了精確、及時地對嚴重段塞流進行控制。

圖10 PID控制后閥門開度隨時間的變化

通過PID對閥門開度進行自動控制，可以得到最終閥門開度的穩定值，因此考慮可以直接將閥門開度設定為模擬結果值，也可以達到同樣的效果。將閥門開度設為0.11，去掉PID控制器，模擬結果見圖11。與利用PID控制器相比，壓力穩定所需時間較長，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，現場適用性有待于進一步驗證。

圖11 開度為0.11時的立管底部壓力變化

3 結論

1)利用OLGA軟件能夠有效預測嚴重段塞流，為管道及下游油氣水處理設備設計提供依據。

2)利用PID控制器可以實現對平臺分離器嚴重段塞流的自動控制，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油氣生產的影響，適于海上油氣田嚴重段塞流的控制。

3)建議在實際應用PID的參數整定之前,利用OLGA軟件預先對PID參數進行整定，節省現場操作時間。

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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