基于PID控制的深水雙管系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

周良勝 顏筱函 周曉紅 路 宏 張文欣

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

深水油氣田海底管道的清管、吹掃等操作難度隨水深增加而增大，從而使雙管回接技術(shù)逐漸得到應(yīng)用[1-2]。然而，受到環(huán)境復(fù)雜、地勢起伏、產(chǎn)量波動(dòng)等多方面的影響，深水雙管系統(tǒng)面臨著較高的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，其中較為突出的就是段塞及偏流問題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對管道段塞問題采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，有針對性地開展了規(guī)律性研究，提出了合理的控制技術(shù)。Pedersen、邱偉偉 等基于干擾或消除段塞流流型、減少立管底部累積液量、降低立管靜壓損失及增大輸送壓力等機(jī)理，分析得出了多種控制和消除嚴(yán)重段塞流的方法，如節(jié)流法、氣舉法、分離法、改變流型法等[3-4]。Ehinmowo等[5]提出了采用原理類似減振器的吸收容器來緩解嚴(yán)重段塞流引起的立管底部壓力劇烈波動(dòng)。然而在工程應(yīng)用中，考慮到復(fù)雜的環(huán)境條件、資金投入、人員配置等問題，常用的段塞控制手段還是回歸于傳統(tǒng)的節(jié)流法、氣舉法、段塞流捕集器尺寸優(yōu)化等[6-8]。

此外，目前國內(nèi)外學(xué)者針對雙管偏流的研究大多集中在油氣水處理工藝系統(tǒng)，主要圍繞并聯(lián)管匯系統(tǒng)展開管路流量分配的機(jī)理研究以及管路系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等，研究范圍僅限于小口徑的局部管道結(jié)構(gòu)[9-10]，對于長距離輸送管道偏流問題則鮮有涉及。

本文以南海流花油田群A油田開發(fā)工程項(xiàng)目為目標(biāo)，采用OLGA 2017.2.0多相流瞬態(tài)模擬軟件對水下雙管系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的段塞和偏流工況進(jìn)行模擬分析，提出了通過PID控制器遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)節(jié)雙管系統(tǒng)出口閥門開度的方式，驗(yàn)證了PID對雙管系統(tǒng)段塞和偏流工況的雙重有效控制。相較于傳統(tǒng)節(jié)流控制法，PID控制原理簡單、操作便捷，能夠有力地保障深水雙管系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 深水雙管系統(tǒng)運(yùn)行工況模擬分析

1.1 目標(biāo)油田概況

流花油田群A油田位于中國南海海域，油田水深440 m，地勢平坦。該油田區(qū)8口生產(chǎn)井?dāng)M采用水下井口開發(fā)模式，所產(chǎn)油、氣、水三相流體通過新建的雙管系統(tǒng)輸送至浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(FPSO)上進(jìn)行處理和儲(chǔ)存(圖1)，2條海底管道規(guī)格相同，材質(zhì)為軟管，總長3.5 km，內(nèi)徑為266.7 mm，內(nèi)壁絕對粗糙度為1.066 8 mm，總傳熱系數(shù)為5 W/(m2·℃)。

圖1 目標(biāo)油田深水雙管系統(tǒng)示意圖Fig .1 Schematic diagram of the deep water double pipeline system in target oilfield

1.2 雙管系統(tǒng)運(yùn)行模型建立

結(jié)合目標(biāo)油田雙管系統(tǒng)實(shí)際工況，采用OLGA 2017.2.0軟件建立了該油田深水雙管系統(tǒng)模型(圖2，其中A1—A8表示水下井口，下同)進(jìn)行模擬計(jì)算并展開分析。管道輸送基礎(chǔ)參數(shù)見表1。

圖2 目標(biāo)油田深水雙管系統(tǒng)模型Fig .2 Model of deep water double pipeline system of target oilfield

表1 目標(biāo)油田深水雙管系統(tǒng)輸送流體參數(shù)
Table 1 Parameters of transporting fluid in deep water double pipeline system of target oilfield

工況油相流量/(m3·d-1)水相流量/(m3·d-1)氣相流量/(Sm3·d-1)氣油比/(Sm3·m-3)含水率/%入口溫度/℃出口壓力/kPa11920487038400207211430002192048705760030721143000

針對模型的建立需要做以下設(shè)定：①模型邊界條件為起點(diǎn)流量和終點(diǎn)壓力；②PID控制器以管道壓力作為調(diào)節(jié)目標(biāo)；③模型考慮了2條管道運(yùn)行狀態(tài)不同所造成的平管段壓降差異，尤其針對較長距離的平管段壓降相差更大，因此分別對其PID控制器的設(shè)定目標(biāo)值和控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，保證管道系統(tǒng)的可靠性。

1.3 雙管系統(tǒng)段塞及偏流分析

考慮到雙管輸送過程中，流體氣油比的增大可能會(huì)引起雙管系統(tǒng)壓力和輸量波動(dòng)，加劇段塞或偏流情況。因此，本文通過改變輸送流體氣油比，模擬雙管系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，得出雙管系統(tǒng)立管底部壓力和出口液相流量隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 目標(biāo)油田深水雙管系統(tǒng)立管底部壓力和出口液相流量變化規(guī)律Fig .3 Variation of riser bottom pressure and outlet liquid flowrate in deep water double pipeline system of target oilfield

由圖3a可知，當(dāng)氣油比=20時(shí)，雙管系統(tǒng)立管底部壓力較為平穩(wěn)，管道出口液相流量呈現(xiàn)小幅波動(dòng)，最大起伏為10%；對比圖3a、b可知，隨著氣油比的增大，該系統(tǒng)的段塞程度增強(qiáng)；當(dāng)氣油比=30時(shí)，2條管道的立管底部壓力及出口液相流量均具有相對較大的周期性波動(dòng)，最大流量波動(dòng)幅度達(dá)到55.6%，段塞流明顯。從圖中雙管出口的液相流量變化趨勢可知，系統(tǒng)始終存在一定程度的偏流情況，且隨著氣油比增大，偏流程度有所提高。

2 PID對深水雙管系統(tǒng)控制效果分析

2.1 管道閥門PID控制基本原理

PID控制是一個(gè)完整的閉環(huán)控制回路，其中包括：檢測裝置、PID控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及被控對象[11-12]。首先賦予系統(tǒng)一個(gè)調(diào)節(jié)期望值，將其與通過檢測裝置得到的測量值進(jìn)行對比并產(chǎn)生誤差，以此對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)被控對象完成指令操作。下一時(shí)刻，檢測裝置會(huì)重新獲取新的測量值并進(jìn)行反饋，推動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)反復(fù)自我調(diào)節(jié)和糾錯(cuò)。

管道閥門PID控制系統(tǒng)如圖4所示。通過壓力傳感器檢測管道運(yùn)行壓力，與期望壓力值進(jìn)行比較，將壓差反饋給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過控制閥門開度進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，使管道運(yùn)行壓力向期望值逼近。

圖4 目標(biāo)油田深水雙管系統(tǒng)管道閥門PID控制回路Fig .4 PID control loop of pipeline valves in deep water double pipeline system of target oilfield

2.2 PID對雙管系統(tǒng)控制效果分析

為探究PID輸入信號(hào)對閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制效果，以圖3b工況2為例，選取了管道入口及立管底部等2處位置安裝壓力傳感器檢測裝置，建立PID控制系統(tǒng)模型，如圖5所示。

采用PI控制完成本次模擬計(jì)算，通過實(shí)驗(yàn)湊試法對PI參數(shù)進(jìn)行整定，反復(fù)模擬計(jì)算得出合理的控制器參數(shù)，比例系數(shù)取0.5，積分常數(shù)取1 000。模型調(diào)試成功后，選取相同的PI參數(shù)對不同檢測位置的工況進(jìn)行控制效果測試，計(jì)算結(jié)果如圖6所示(注：圖6中2條管道壓力值較為接近處壓力曲線重合)。

在圖6a中，對比PID控制前、后的計(jì)算結(jié)果可知，管道系統(tǒng)增加PID調(diào)節(jié)后，運(yùn)行壓力基本平穩(wěn)，出口液相流量波動(dòng)幅度下降了25%，出口段塞情況得到了一定程度的緩解；2條管道的入口壓力基本一致但存在較明顯的雙管偏流，說明管道入口壓力不能直接反映偏流狀態(tài)，因此以管道入口壓力作為調(diào)節(jié)變量，無法從根本上改善偏流情況。

由圖6b可以看出，在未采用PID調(diào)節(jié)的情況下，由于偏流引起的2條管道流量分配不均，2條管道立管底部壓力存在差異，從而表明立管底部壓力能夠反映管道偏流狀態(tài)。因此，在立管底部設(shè)置壓力檢測裝置，將PI調(diào)節(jié)的期望值設(shè)為相同，能夠通過閥門作用使2條管道壓力向同一目標(biāo)值靠攏，有利于緩解雙管偏流情況，如圖中所示，加入PID調(diào)節(jié)后，雙管系統(tǒng)偏流程度降低了40%，偏流控制效果顯著。

圖5 目標(biāo)油田深水雙管系統(tǒng)PID控制模型Fig .5 PID control model of deep water double pipeline system of target oilfield

在雙管輸送效率方面，在響應(yīng)過程中，考慮到管內(nèi)氣、液相間的相互作用，流動(dòng)情況復(fù)雜，管道運(yùn)行狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)反復(fù)波動(dòng)；響應(yīng)結(jié)束后，管道運(yùn)行壓力和流量無明顯起伏，2條管道壓力分別穩(wěn)定在7 050 kPa和7 000 kPa，出口液相流量分別為3 360 m3/d和4 320 m3/d，段塞和偏流均得到了有效控制；對比原輸送工況可知，該控制方法未對雙管系統(tǒng)的輸送效率產(chǎn)生顯著影響。

綜上可知，在靠近立管底部設(shè)置壓力檢測裝置的PID控制有利于實(shí)現(xiàn)對雙管系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。這是因?yàn)樵诤５坠艿赖牧⒐艿撞?，多相流輸送時(shí)液相流體在重力作用下會(huì)形成液塞堆積，氣相流體積聚壓縮，這是形成管道出口段塞流的主要原因。因此，立管底部的壓力變化最能直接反映管道出口的段塞情況。同時(shí)，2條管道立管底部的壓差表明了2條管道不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的差異累積，可作為偏流的判斷依據(jù)。

圖7展示了在2處檢測位置下閥門的動(dòng)作行程，2條管道的閥門動(dòng)作行程并不完全一致。當(dāng)閥門接收到控制器的執(zhí)行指令，在一段時(shí)間內(nèi)處于系統(tǒng)調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定狀態(tài)(圖7b)，待閥門開度基本維持恒定，說明在該工況下雙管系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)得到一個(gè)最優(yōu)的閥門開度。為保證管道系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，建議分別對2條管道進(jìn)行PID控制器設(shè)置以及投產(chǎn)后的校正工作。相比于傳統(tǒng)的段塞控制手段，PID控制能夠?qū)艿缐毫ψ兓龀隹焖夙憫?yīng)，準(zhǔn)確地根據(jù)輸入信息做出判斷并控制閥門進(jìn)行合理的操作，使雙管系統(tǒng)可靠性顯著提高。

圖7 目標(biāo)油田深水雙管系統(tǒng)閥門動(dòng)作行程Fig .7 Valve stroke in deep water double pipeline system of target oilfield

3 結(jié)論及建議

1) 提出了對雙管系統(tǒng)采用PID控制，對比了以管道入口壓力和立管底部壓力作為調(diào)節(jié)變量的工況，得出將立管底部壓力作為調(diào)節(jié)參數(shù)更有利于緩解雙管系統(tǒng)的段塞和偏流，保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。目前該方法已通過了可行性評估，將在目標(biāo)油田后續(xù)的具體開發(fā)工程方案中采納。

2) PID的初始設(shè)定值需參考管道設(shè)計(jì)報(bào)告書，結(jié)合管道投產(chǎn)前的試運(yùn)行，確定合理的控制參數(shù)。管道投產(chǎn)后，現(xiàn)場需加強(qiáng)運(yùn)行狀況監(jiān)控和分析，必要時(shí)需反饋設(shè)計(jì)人員做好技術(shù)支持工作，確保系統(tǒng)的可靠性。

3) PID控制盡管具有操作方便、實(shí)時(shí)監(jiān)控、高效等優(yōu)勢，但將其應(yīng)用在海上油田會(huì)引發(fā)一些新問題，如增加了工程投資，對水下系統(tǒng)設(shè)備的可靠性要求較高，需根據(jù)管道投產(chǎn)情況定期調(diào)試和修正，對以壓力檢測為依據(jù)的管道故障判斷造成干擾等。因此，要充分認(rèn)識(shí)到PID控制技術(shù)在海底管道工程應(yīng)用的利弊，設(shè)計(jì)中需結(jié)合工程實(shí)際情況綜合考慮PID控制技術(shù)的適用性。