GLCC多相流计量系统优化控制方案设计及工程实现

    1　引　言

    原油产量的准确计量是石油、天然气生产中必不可少的重要环节,当今多相流计量系统的主流产品,可分为分离式在线计量系统及混合式在线流量计系统。 GLCC((Gas-Liquid Cylindrical Cyclone柱状旋流式气液分离器)多相流分离计量系统是美国Tulsa大学开发的高效分离计量系统,其原理如图1所示,进口由倾角向下的管道沿切线方 向与铅垂管道相连,多相流经预分离后进入主分离器。在主分离器中,由于旋流作用,离心力、重力和浮力形成一个倒圆锥形的涡流面。密度大的液相沿铅垂管道的 管壁流到分离器底部,密度小的气相沿涡旋的中央上升至分离器顶部,最终气相和液相分别从分离器的顶部和底部排出。并通过控制阀调整液位和压力,实现两相充 分分离,分离后的气相和液相通过单相计量仪表单独计量[1]。

    2　GLCC分离器设计及常规控制方案

    GLCC的合理设计是实现气液两相高效分离的前提和基础,现今世界上运行的上千套GLCC均采用美国Tulsa大学Multiphase SystemIntegration公司的专利软件进行模拟和计算,得到GLCC的结构和尺寸设计,该软件可同时给出不同工况下的控制方案^[2]。

    GLCC多相流分离计量系统是基于气液两相高效分离的计量系统,要维持系统的有效分离,必须以分离器内部液位运行在一定区间范围内为前提,合理和有效的液 位控制系统是保证GLCC稳定运行和气液两相充分分离的关键。GLCC分离器的常规液位控制方案主要有以下3种,如图2~4所示。

    图2是针对大气量、小液量的气井设计的控制方案;图3是针对小气量、大液量的油井设计的方案;图4是针对混合流的气相流量和液相流量具有较强相关性时,即 任何一相的流量有所变化时,都会强烈影响GLCC内的液位平衡,专门设计的气、液双阀控制方案(GCV+LCV),其中液路阀以液位为被控变量,气路阀以 压力为被控变量。

    3　GLCC多相流计量系统的优化控制设计及其工程实现

    3.1　优化控制方案设计

    在上述3种常规控制方案中,与控制方案3相比,控制方案1与控制方案2所处理的工况相对简单,由于所处理的工况较为复杂,在实际操作中往往不能满足控制要求。因此,提出了一种优化控制方案。优化控制方案的系统组成如图5所示。

    在优化控制方案中,气路控制阀以液路控制阀的开度作为被控变量,分离器内的压力仅用于系统的安全联锁^[2]。

    优化控制方案实施过程非常简单,如图5所示,将GLCC分离器内的液位、压力和液相控制阀开度等参量经各自的变送器,通过AI模块将4~20 mA标准信号送入PLC,在PLC内经过优化的PID运算,通过AO模块输出控制信号,来控制液相阀LCV和气相阀GCV即可完成系统的控制任务。该系统 的运行一直处于动态回归的自平衡状态,因此具有很强的自适应性能,能对各种流态的多相流在GLCC内起到非常好的分离和液位平衡控制作用,尤其对断塞流的 冲击,能起到缓冲和化解的功能。