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海上生产平台测试多相流量计改造

发布时间:2019-04-16 16:24:47 浏览:

1 设计原理

海上某井口平台测试多相流量计是采用威瑞泰默赛多相流计量系统 (流量计原理如图1所示) , 该系统是一种基于GLCC (Gas-Liquid Cylindrical Cyclone柱状旋流式气-液分离器) 的多相流计量系统 (GLCC原理如图2所示) 。该分离器由倾角向下的管道沿特定角度的切线方向与铅垂管道相连, 多相流经入口段预分离后进入主分离器。由于旋流作用, 在主分离器中, 离心力、重力和浮力形成一个倒圆锥型的涡流面。

密度大的液相沿铅垂管道的管壁流到分离底部, 密度小的气相沿涡旋的中央上升至涡面并流至分离器顶部, 最终气相和液相分别从分离器的顶部和底部排出。并通过控制阀调整分离器的压力与液位, 实现气液两相充分分离。单相流量计把分离后的气相和液相分别进行计量。气相采用旋进旋涡式流量计计量体积流量, 液相采用质量流量计计量体积流量, 含水分析仪测量出液相的含水率, 液相流量数据、含水分析仪数据传输到由西门子的S7-200 PLC和EB8000人机界面组成流量计算机, 最终计算出纯油和纯水的流量。

图1 流量计原理简图

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图2 GLCC原理简图

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系统控制及数据获取主要由就地控制单元完成。就地控制单元主要含CPU模块, 触摸屏, A/D、D/A模块及通讯模块等组成。实现PID控制、连锁控制、报警输出、气液两相流量、含水率、系统压力的输出。流量计算机与中控系统的信号传输:采用Modbus RTU协议 (PLC远程通信原理简图如图3所示) 。通过MODBUS协议, 可以把气液油水的瞬时量和累积量、以及压力、液位、含水率发送到中控。

图3 PLC远程通信原理简图

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2 测试过程出现问题以及原因分析

投产初期出现问题汇总以及原因分析如下表1所示

通过逐步的故障排查, 解决触摸屏故障, 综合分析造成气相无显示、液位控制不稳定、密度显示异常等问题。气液两相出口压降不平衡, 以及就地控制系统单阀控制方式是造成液位控制不稳定的原因。

3 改造方案

(1) 将气相出口到气路调节阀这段管线全部整改, 切割气相DVT捕雾器连接液相之间的这段管线 (切口在1〞球阀上端) , 并取消气相DVT捕雾器, 在切口处焊了一个1〞*600LB的法兰, 并安装盲板, 使气相1吋管线压降变小, 气液两相之间的压降不平衡值减小。

(2) 改造时, 首先考虑气相流量计的安装长度, 再次考虑气相带液时旋进旋涡式流量计容易导致漩涡紊乱, 测量不准确, 将旋进旋涡流量计改成相同规格的质量流量计。

(3) 在液相管路原手动球阀的拆除, 更换为3〞*600LB RF电动调节阀, 用于改善气液两相压降平衡问题。

(4) 系统控制箱内增加了两路电源, 分别是质量流量计及液路调节阀, 增加了一路模拟量输入 (液路调节阀调节阀反馈) , 一路模拟量输出 (液路调节阀调节阀输出) , 质量流量计使用RS-485协议与现场PLC通讯。

表1 测试多相流量计问题汇总及原因分析     下载原表

表1 测试多相流量计问题汇总及原因分析

(5) 就地控制系统修改分离器液位与压力控制方式。

(1) 原设计控制方式:首先GLCC本身具有液位自平衡的功能, 当系统平衡时, GLCCC的液位会保持在一个相对稳定值。其次系统采用液位控制信号控制气相调节阀进行单阀PID控制 (如图4所示) , 通过该气相调节阀来控制GLCC液位, 单阀控制在气液两相压降不平衡时液位控制不稳定。实际生产中的操作压力比设计的操作压力小, 气相管线为1吋, 安装有DVT捕雾器造成了气相出口的压降增大, 气液两相压降不平衡, 进而造成分离器液位控制达不到要求原因之一。

(2) 优化后控制方式:控制系统由两个PID控制回路组成:液位变送器和液路调节阀LV-1构成液位PID调节系统, 对液位进行主调。液路调节阀LV-1阀位信号和气路调节阀LV-2构成另外PID调节系统, 对液位进行微调。在压力处于正常范围情况下, 由液路控制阀LV-1和气路控制阀LV-2共同控制液位。在压力超出正常范围情况下, 气路上的控制阀将切换到压力控制模式。即当压力超出正常范围时, 气路控制阀将不再以液位控制为优先, 而是以压力控制为优先。这样压力将迅速稳定至正常水平。采用串级控制, 控制方案的系统波动较小。串级控制简图如图5所示。

图4 原始的单阀控制简图图5优化的双阀控制简图

图4 原始的单阀控制简图图5优化的双阀控制简图   下载原图

图5 优化的双阀控制简图

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(3) 优化控制说明:液路调节阀的控制对象是液位, 目的是使液位维持在合理的位置, 使气液分离效果达到最好, 液位过高, 会导致气中带液;而液位过低, 会导致液中带气, 影响计量结果。按照工艺设计, 液位设定点一般设定在45%的位置, 当液位低于45%时, 液阀PID控制器会自动输出液阀的开度值减少, 同时, 液阀的开度信号作为气阀的输入值, 当液阀开度减少时, 气阀PID控制器会自动输出气阀的开度值增大, 加快液位升高。相反地, 如果此时液位高于45%, 气阀和液阀会执行相反的动作。我们通过调整、设定PID参数, 可以控制气阀、液阀的反应速度和液位的稳定时间, 以及气阀、液阀的最佳开度。

(6) 完善中控上位机IFIX系统组态画面

现场设备进行改造, 新增了调节阀, 修改了液位控制方式, 且部分显示变量已停用, 上位机组态画面增加液相调节阀控制画面。

4 测试数据

经过调试后, 液位能控制在要求范围内, 并进行了4口生产井的油气水三相测试数据, 测试数据如下表3所示。对A1、A2、A4、A5生产井测试数据与油田井口采样化验进行对比, 误差在允许范围内, 能满足油田对生产井的测试要求, 至此该改造项目顺利完成。

表3 多相流量计测试数据     下载原表

表3 多相流量计测试数据

5 结束语

该多相流量计改造项目遇到的主要难点是分析故障原因以及解决措施的制定。通过综合分析, 判断出多相流量计测试的数据不准。排出了各项干扰因素, 制定出有效解决问题的改造方案。改造项目完成, 采用优化的串级控制方式, 解决了分离器控制不稳定、气液压降不平衡等问题, 为新建平台流量计选型与设计提供可行性借鉴。