CN101932918B - 用于确定两种或更多种流体相之间的界面的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于确定(测量)容纳于容器、槽(1)等中的两种或更多种不同密度的流体相之间的一个或多个界面的水平面/高度h₁-h_x的方法和设备。通过利用压力测量棒(2)测量槽中流体在槽的高度上的压力并因此间接地确定槽中流体的密度来确定槽中(1)不同界面的位置(水平面)，压力测量棒(2)配备有压力传感器(3)且定位于槽(1)中并遍及槽(1)的高度。为确定界面，使用数学模型或算法，该数学模型或算法计算在槽的高度上密度及因而压力如何作为槽中相应流体的流体特性的函数而变化，根据在每一层相应流体内的密度为相同的，界面被定义为密度在槽中从一个层到下一个层发生变化的相应点(水平面)。

Description

用于确定两种或更多种流体相之间的界面的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于确定(测量)容纳于容器(槽)中的两种或更多种不同密度的流体相之间的一个或多个相间边界/界面的水平面/高度的方法和设备。

背景技术

在油加工工厂中，无论是在海底、近海还是陆上，分离过程都是非常重要的。在此过程中，从油田中的井开采的水、油以及气体被分离。为从分离器获得不同(流体)相的合格品质，准确地得知每一相之间的界面位于分离槽内的何处始终是必要的。另外，得知每一相应流体的水平面位于何处以防止槽被充满或清空是重要的。不精确的水平面测量可造成大的生产损失并导致产品品质降低。它们还可能导致向环境中进行不期望的排放。

大量气田及油田的经验显示：需要具有用于确定在分离槽中存在的不同水平面的更好方法和设备。对于大量工厂，对界面进行更加准确的指示将有助于提高产量与延长工作寿命。

两种相(例如油与水)之间的界面是基于这些相具有不同的物理特性而确定的。各种仪器能够探测这些特性在何处变化，并且因此可指示槽中的界面。

然而，这在实践中是难以做到的，并且商业测量仪器不具有所期望的耐用性及精确度。在重油工厂中以及在所要被分离的相之间存在渐变的实质油-水乳状液的情况下，该问题是最大问题。此外，这些仪器需要占用大量空间，并且需要进行广泛的校准。

另外，当今最好的仪器是基于放射源，放射源需要进行特别处理。

Bukhari S.F.A与Yang，W.在“多界面水平传感器及在油分离器的监测与控制方面的新发展(Multi-interface Level Sensors and NewDevelopment in Monitoring and Control of Oil Separators)”(Sensors杂志，2006，6，第380-389页)中给出了对最常见的测量原理的概述。用于测量水平面(相之间的界面)的现有方法是基于对被测量的媒体的特性发生变化的位置的探测。在现有测量仪器(参见Tracercoprofiles)的情形中，利用来自两个传感元件的信息来确定界面在哪里。这些元件将根据界面的位置而变化。

GB-A-2236688说明一种其中使用具有两个或三个压力传感器的棒来调整分离器中的水平面的方法。此方法的使用需要在工厂开始运转之前进行广泛的校准。为执行此校准，必须了解不同相的密度。该方法完全地依赖于每一传感器给出足够精确的测量值并依赖于各相中的密度不发生变化。如果存在测量(随时间)的漂移或存在密度变化，则该方法将指示错误的水平面。

发明内容

本发明的目的是实现一种比上述方法和设备更加精确的方法和设备，用以找到容纳于容器中的两种或更多种相之间的水平面(相间边界或界面)。

根据本发明的方法的特征是所附独立权利要求1中所公开的特征。

此外，该设备的特征是所附独立权利要求5中所公开的特征。

从属权利要求2-4以及6-10公开本发明的有利特征。

附图说明

在下文中，将借助实例并参照图式对本发明进行更详细的说明，在图式中：

图1显示根据本发明的分离器，该分离器具有配备有传感器的分段式压力测量棒，且右侧的曲线图代表相关压力分布图；

图2显示对容纳3种相的槽的截面的例示，在槽中，压差(x)与绝对压力(y)根据在分离器中的高度h而变化；

图3至图5显示位于槽中或槽的凸缘中的分段式压力测量棒的替代设计与位置；

图6显示用于测量过程媒体与参考媒体之间的差压的经修改的压力测量棒；

图7显示基于绝对压力(在顶部)以及基于参考压力(在底部)的测量值的压力分布图；以及

图8显示绝对压力、参考压力以及差压之间的关系。

具体实施方式

此处所用的用语“相对近似的密度”是指当忽略与存在于槽中的其它一种或多种流体相关的任何浓度梯度时，在流体层的高度上所分布的一些测量点处测得的流体的密度相同。

发明人发现，可通过测量槽中流体在槽的高度上的压力并进而间接地确定槽中流体在槽的高度上的密度来以更精确的方式确定槽中不同界面的位置。与表示密度及进而压力如何在槽的高度上作为流体特性的函数而变化的数学模型相结合，这使得可能通过使根据模型所估计的压力与所测量的压力之间的差别最小化来找到不同相的界面。根据本发明的方法使用比严格所需的信息更多的信息(一些测量点)，以找到界面的位置。这使得该方法能很好地耐受来自个别测量及其它噪声的误差，并使其区别于其它先前提出的方法/仪器。

如图1所示，该方法是基于：呈配备有压力传感器3的压力测量棒2的形式的支撑体被竖直定位于要在其中测量界面位置的槽1(分离器本体)中并遍及槽1的高度。虽然该图式显示具有气体、油及水的体系，但是该原理适用于容纳两种或更多种不同密度的相的所有槽。支撑体具有许多沿其长度分布的小的压力传感器；例如，间隔1cm。传感器的分布可以是均匀的，然而并不仅限于此。支撑体必须定位成使每一流体相环绕一些传感器(从而能够测量水平面与密度)，并且每一传感器之间的距离必须为已知的。因此，无需使压力测量棒遍及槽的整个高度。

根据本发明的方法也可用以根据测量原理而不是压力来获得界面的位置。可使用直接地或间接地得到关于流体的一个或多个特有特性的方面的测量原理来找到流体之间的界面。这些测量原理的实例为放射源/接收器、温度、电容、电阻率、压力、或这些测量原理的组合。

为确定每一相之间的界面，使用来自传感器的所有或所选部分的压力测量值。如下所述的算法找到沿支撑体的具有相同密度的区域，并且当密度变化时，这意味着探测到界面。如果分离器中存在三种相，则这意味着该算法将找到两个界面。在可能存在泡沫或乳状液的情形中，可确定一些界面。

在数学模型中假定，在分离器中的每一层内密度相同。这意味着每一相之间的界面是基于密度发生变化的高度而给出的。此外，假定每一相内的密度可随时间而变化。

除水平面(界面)外，还可计算不同相的密度。这是基于所估计的压力分布图的斜率而完成的。这意味着可确定一种或多种相中的密度，尽管其随时间而变化。因此，仪器要进行自身校准。

如果相(例如在乳状液与泡沫中)之间存在滑移转变，这可通过获得压力分布图的斜率的一些变化来计算。

为能够计算乳状液的水平面，需要足够多且精确的压力测量。换句话说，有必要使一个以上的压力测量位于乳状液层中，并且这些压力测量必须足够精确以能够指示压力分布图的斜率的变化。通过乳状液/泡沫层中的多个传感器，对精确度的要求得以降低。

在基于重力的分离过程中，最重的相将下降至底部，而最轻的相将上升至顶部。

当要计算密度与界面时，可利用此事实，从而使绝对压力分布图总是在顶部处具有最小的斜率，且斜率向底部增大，如图2所示。这用于该算法中以消除误差，并且还可用于其中使用差压的情形中。

为确定每一个相之间的界面的位置，如上所述使用如下原理：可通过在分离器的高度上进行压力测量来间接地测量媒体的密度。另外，使用表示所测压力是如何与密度相关的数学模型，以期通过该模型来区分这些相。

图2指示在其中存在一些不同密度的相的槽上的压力分布图与差压分布图。x曲线显示对过程媒体与参考媒体之间的压差的测量，而y曲线则显示绝对压力/表压。

期望找到密度在哪一竖直位置/高度发生变化。对于每一压力传感器，应用以下物理考虑因素：

p_i+1＝ρ_igΔh_i+p_i      (1)

其中，p_i是在第i传感器处的压力；

ρ_i是第i传感器与第i+1传感器之间的密度；

Δh_i是第i传感器与第i+1传感器之间的竖直距离；以及

g是重力。

这意味着密度是通过以下方程式给出：

${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{1}{\mathrm{g\Δ}{h}_i}(p_{i+1}-p_i)=\mathrm{k\Δ}{p}_i---\left(2\right)$

其中，Δp_i是第i传感器与第i+1传感器之间的压差；以及

k是由g与Δh_i给出的常数。

通过使在给定位置“i”处的密度由ρ_i给出，可通过以下数学函数来确定密度：

$\widehat{\mathrm{\ρ}}=f_{\mathrm{\ρ}}(h,u)---\left(3\right)$

其中，

是密度ρ的估计值，h是在槽中的位置(高度)的测量值，且f_ρ(·)是密度以及其如何依赖于h与u的数学函数(表达)。可根据方程式(2)确定f_ρ(·)，在方程式(2)中p_i是在水平面h_i处的压力。u是所要确定的参数/变量的向量。u中的典型变量为存在从一种相转变至另一种相处的高度以及每一流体相的密度。函数f_ρ(·)可基于高度与密度(如在方程式(1)中一样)以及视需要所期望找到的其它参数之间的关系的物理模型。方程式(3)中的函数是显函数，然而也可使用特性中的一般隐函数。

在位置h中，所测量的压力或差压的估计值为：

$\hat{P}=f_p(\widehat{\mathrm{\ρ}},h,u)---\left(4\right)$

其中，f_P(·)是指示在槽的高度上的密度与压力之间的关系的函数，是所期望得知的密度的估计值，以及u是所期望确定的参数/变量的向量(一些值)。f_P(·)可基于方程式(1)来确定。此处，该表达也不需为显函数。

界面的位置影响截面上的密度，并且这会在所测量的压力中观察到。

在大多数情形中，获得在槽的截面上压力的离散测量值，从而离散关系为

${\widehat{\mathrm{\ρ}}}_i=f_{\mathrm{\ρ}}(h_i,u)---\left(5\right)$

以及

${\hat{P}}_i=f_p({\widehat{\mathrm{\ρ}}}_i,h_i,u)---\left(6\right)$

其中“i”是分离点(每一“i”均对应于第i传感器的给定高度/竖直位置)。测量点的分布在高度上不需是均匀的，然而每一测量点之间的距离必须是已知的。

根据压力在所测高度上的分布的测量值，期望获得相之间发生转变的位置。也就是说，期望获得所有位置h^m，n，位置h^m，n是槽中在相“m”与“n”之间的高度。另外，必须找到为说明所测压力与密度之间的关系而需要的其它变量，所测量的压力与密度之间的关系是用以在相之间进行区分。这些包括于向量u中。

这些位置并不仅限于存在压力测量值的点(也可以是两个离散点之间的高度)。

根据数学模型f_ρ(·)与f_P(·)，可通过使P与之间的差别最小化来找到水平面与密度(即u)，此可表示为

$u=\arg \underset{u}{\min }\left|\right|P-\hat{P}(u,\·)\left|\right|---\left(7\right)$

其中，

是根据方程式(5)与(6)中的模型所估计的压力，而P是所测压力值，‖·‖是模型的预测与所测值之间的距离的范数或量度。例如，可使用最小平方法来求解上述问题，然而本发明并不仅限于此。另一可能的方法是使用卡尔曼滤波器(Kalman filter)。

这在本质上不同于用于测量界面的先前原理，因为使用了多于必要的信息来估计界面并在算法中使用模型，在该算法中使所测特性与所估计特性之间的差别最小化以找到界面。

为根据方程式(7)确定N个参数(即由N个值组成的向量u)，需要具有至少N个压力测量值。实际上，期望具有与u中的变量相比更多的测量值，以获得被过度定义的系统，并且从而能够更精确地确定参数(即界面水平面与密度)。

实例：期望在容纳三种相(水、油及气体)的槽中找到密度发生变化的位置。密度发生变化的位置指示界面在哪里。因此，假定测量值由截面(例如作为分离点)上的压力构成。ρ是密度[kg/m³]，而P则是压力[Pa]。设h^g，o＝h²与h^o，w＝h¹分别是所期望找到的气体/油之间与油/水之间界面的真正水平面。在表示密度如何变化的模型中，假定每一相中的密度是恒定不变的(并且在界面的每一侧上存在纯的相)。

则函数为

其中，h^-与h⁺分别是底部参考与顶部参考。在槽中，在点“i＝n”处所估计的压力为：

其中，g是重力常数。

此处，假定可将压力分布图表达为直线(假定密度不是高度的函数)。因此，在一般情形中，其可表示为：

$\hat{P}=a({\mathrm{\ρ}}_{0}h-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}^j\max (h-h^j,0))---\left(10\right)$

其中

P是其中每一传感器处的压力的向量；

h是其中每一传感器的水平面(高度)的向量；

ρ_o是最重的相的密度；

Δρ^j是两种相之间的密度的变化(此处必须使Δρ^j＞0)；

h^j是两种相之间的界面的水平面(高度)(此处必须使h^j+1＞h^j)；

a是将重力及测量值的单位考虑在内的转换因数；

N是所要确定的界面的数量。

该函数由组成整体的N+1条直线组成。

现在，期望找到2个界面h²＝h^g，o与h¹＝h^o，w。为能够找到这些界面，还必须获得其中每一个相的密度，以使得u＝[h¹ h² Δρ¹ Δρ² ρ₀」。

这可通过求解以下方程式获得：

$\left[h^1{h}^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}^1\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0\right]=\arg \underset{\left[h^1{h}^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}^1\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0\right]}{\min }\left|\right|p-\hat{p}\left(\right[h^1{h}^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}^1\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}^2{\mathrm{\ρ}}_0\left]\right)\left|\right|---\left(11\right)$

其中，通过改变参数

来使所测量的(P)与所估计的

之间的差别最小化。

在此处的计算中可以看出，使用来自整个分布图(测量区域)的分布的信息来确定界面。这使得与先前使用的水平面测量方法相比能更好地耐受错误的测量值。另外，无需得知相的密度，因为这些密度在该算法中是与水平面一起被估计。如果需要，可指定密度而仅获得界面的位置。

此处，已假定在每一相内，可将密度与压力之间的关系表达为直线。该算法并不仅限于此，例如对于油相(其由许多不同密度的化学成分组成)，可使用非线性关系。

为提高算法的耐用性，可插入对有效解的限制因素。例如(但不限于此)，气体/油界面的位置必须高于油/水接触面。另外，密度必须在槽中向下增大。

如上所述以及如图1所示，根据本发明的方法和设备是基于配备有传感器3的支撑体2，支撑体2被竖直定位于要在其中测量界面位置的槽1(分离器本体)中并遍及槽1的高度。该图式显示具有气体、油及水的体系，然而该原理适用于容纳两种或更多种不同密度的相的所有槽。支撑体可以是由如下材料制成的棒：该材料具有足够的强度与耐热性，不会以化学方式受到影响，并且具有许多沿其整个长度分布的小的压力传感器；例如，以1cm的距离分布。传感器的分布可以是均匀的，然而并不仅限于此。在测量情况下，支撑体必须定位成使每一流体相环绕一些传感器，并且每一传感器之间的距离必须为已知的。

图1显示直的支撑体(即沿竖直线从槽的底部延伸至顶部的测量棒)的实例。然而，本发明并不仅限于这种解决方案。因此，支撑体可具有任何其它位置与配置；例如如图3、图4或图5所示，图3显示支撑体是设置于槽中的倾斜的棒，图4显示支撑体由定位于槽内部的圆形测量棒组成，图5则显示支撑体是圆形的，但适于设置于例如槽的凸缘中。

为使系统灵活，支撑体可由能组成整体的模块(例如1米长)构成。可制成不同的模块，这些模块或者是直的或者是弯曲的，从而使得传感器支撑体具有所期望的配置。因此，也可从槽的不同侧来安装传感器支撑体。支撑体可遍及容器的部分或整个高度。电缆(图未详细示出)从支撑体延伸出以用于信号与电力传输，并且此电缆延伸贯穿凸缘，该凸缘无需位于紧邻传感器支撑体处。这使测量仪器在结构与位置两方面变得灵活。如果需要，可使一些单独的支撑体定位于分离器中，并且来自所有棒的电缆可穿过同一凸缘。

同测量棒一样，所使用的传感器必须能够经受相关过程压力与温度。过程压力可高达至少100Bar，并且在传感器将要用于海底环境中的情形中，这些传感器应能够经受高达约2-400Bar的压力。同时，传感器必须能在高达至少200℃的温度下运行。这些传感器原本应能够以100Pa(即0.01mBar)左右的精确度测量压力，但由于可通过用于得到水平面的算法来提高精确度，因而也可使用不太精确的传感器。

为能够非常精确地计算分离器中的界面/水平面，作为计算水平面的基础的压力测量值需要具有足够的精确度。对于压力较高的情形(例如过程)，难以得到具有所期望的精度的压力传感器。此问题可能通过使用槽中的媒体与参考媒体(例如硅油)之间的差压测量值(如图6所示)、而不是使用如图1所示的绝对压力测量值而解决。这在槽(或分离器)中竖直地形成差压分布，该差压分布形成用于确定界面的基础。

因而，在经修改的压差型式中，根据本发明的设备将由以下三个主要部分组成：

1.配备有差压传感器的支撑体，在该支撑体中，数量及位置必须为：每一相中存在两个或更多个传感器(如果密度是未知的)，并且总计与所要确定的参数相比存在更多传感器。

2.平行支撑体，其具有跨越支撑体长度的参考流体，在参考流体中密度是恒定不变的。例如，在传感器的高度上在差压支撑体内可存在室，该室填充有已知密度的参考媒体。也可在支撑体的高度上对参考媒体进行分段，但是必须使所有参考媒体相对于过程媒体达到压力平衡。为获得更精确的压力测量，对过程媒体与参考媒体之间的压力差进行测量，而不是对绝对压力进行测量。

3.数学模型或算法，用于根据压力分布来确定界面(以及密度)。

图6显示本发明的经修改的型式，在该经修改的型式中，通过差压测量棒4对本解决方案进行举例说明，差压测量棒4配备有沿棒的长度排列的差压传感器5。测量棒在其纵向方向上具有填充有参考流体的空腔6，排列于测量棒的壁中的传感器适于测量外部的过程媒体(例如油、水、气体)与参考流体之间的差压。参考流体与外部的过程媒体之间的均压膜排列于测量棒中的最上面(图中未详细示出)。

图7显示使用绝对传感器(在顶部)与使用差压分布(在底部)得到的测量值的压力分布图。由图可见，经修改的测量原理给出更精确的压力测量值并能更好地对层进行确定。

在最上面的图中，容易看出其中一个界面(油/气体)，但是难以看出其中斜率变化较小的另一界面(水/油)。在最下面的其中分布图是基于差压的图中，两个层都更加清晰。这两种情形可使用相同的数学算法。

图8显示绝对压力测量值、参考压力以及所测差压之间的关系。

在这两种情形中也可对不同相的密度进行计算。这是基于压力分布图的斜率、视需要基于所测差压分布图的斜率差别与棒中的参考媒体的已知密度来完成的。

如果在某些相(例如其中存在乳状液与泡沫的相)之间存在滑移转变，则使用结合图6所述的差压传感器可更容易地对此进行确定。

权利要求中所界定的本发明并不限于上述各个实例。因此，也可对除压力外的测量值类型(例如密度)使用类似的算法，其中所存在的测量值多于所要确定的变量。通过指示所要确定的物理变量与所测量值之间的关系，对系统进行过度定义并且这会提高测量方法的耐用性与精度。

Claims (10)

1.一种用于确定容纳于容器(1)中的两种或更多种不同密度的流体相之间的一个或多个界面h₁-h_x的水平面/高度的方法，

其特征在于，

通过利用压力测量棒(2，4)测量所述流体相在容器(1)的高度上的压力并因此间接地确定所述流体相在容器(1)的高度上的密度来确定所述容器中不同界面的位置，所述压力测量棒(2，4)配备有压力传感器(3，5)，所述压力测量棒(2，4)定位于所述容器(1)中并遍及所述容器(1)的高度，由此所述界面利用数学模型或算法来确定，所述数学模型或算法计算在所述容器的高度上所述密度和所述压力如何作为所述容器中相应流体相的流体特性的函数而变化，根据在每一层相应流体相内的密度相对近似，所述界面被定义为所述密度在所述容器中从一个层到下一个层发生变化的相应点。

2.如权利要求1所述的方法，

其特征在于，

利用下述算法通过使以下差别最小化来确定所述界面h₁-h_x：

$u=\arg \underset{u}{\min }\left|\right|P-\hat{P}(u;)\left|\right|$

其中在所述算法中，u是待要确定的变量的向量，P是所测压力的向量，

是根据所述向量u中的变量计算出的压力，且||·||是模型的预测与所测值之间的距离的量度。

3.如权利要求2所述的方法，

其特征在于，

所述算法基于最小平方法或卡尔曼滤波器。

4.如权利要求2所述的方法，

其特征在于，

总计所存在的压力传感器及压力测量多于待要确定的变量的数目，从而使系统被过度定义并因此更加耐用和精确。

5.一种用于确定容纳于容器(1)中的两种或更多种不同密度的流体相之间的一个或多个相间边界/界面h₁-h_x的水平面/高度的设备，包括用于测量/记录所述容器中的状态的单元和用于确定所述界面的位置的第二单元，其特征在于，

所述设备基于：通过利用压力测量棒(2)测量所述容器中的所述流体相在所述容器的高度上的压力并因此间接地确定所述流体相在所述容器的高度上的密度来确定所述界面h₁-h_x的位置，所述压力测量棒(2)配备有压力传感器(3)，所述压力传感器(3)沿所述棒的整个长度分布，且所述压力测量棒(2)适于竖直地定位于待在其中测量所述界面的位置的所述容器(1)中并遍及所述容器(1)的高度。

6.如权利要求5所述的设备，

其特征在于，

所测量/记录的所述压力是所述流体相与参考流体之间的差压，所述差压通过差压测量棒(4)来测量/记录，所述差压测量棒(4)配备有沿所述棒的长度排列的差压传感器(5)。

7.如权利要求6所述的设备，

其特征在于，

所述测量棒在其纵向方向上具有填充有参考流体的空腔(6)，所述差压传感器排列于所述测量棒(4)的壁中并适于测量外部的所述流体相与所述空腔(6)中的所述参考流体之间的差压，均压膜(7)与所述差压测量棒相关地排列于所述参考流体与外部的所述流体相之间。

8.如权利要求5-7中任一项所述的设备，

其特征在于，

所述测量棒(2，4)由细长本体组成，并适于竖直地或倾斜地排列于所述容器(1)中。

9.如权利要求5-7中任一项所述的设备，

其特征在于，

所述测量棒(2，4)与实质上圆形的本体(8)相关地排列，所述本体(8)适于沿所述容器(1)的周边定位。

10.如权利要求5-7中任一项所述的设备，

其特征在于，

所述测量棒(2，4)与实质上圆形的本体(8)相关地排列，所述本体(8)适于定位于所述容器(1)的凸缘中。

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