CN104850158A - 一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，设置液位-压力联动控制装置；预设各目标值以及开度初始值；判断气相压力是否大于预设气相压力目标值，计算第一气动调节阀的阀门开度值并反馈给阀门动作；判断压力测量值最大值和最小值的差值与压力波动误差之间的关系；判断液位测量值是否大于预设液位高度目标值，计算第二气动调节阀的阀门开度值并反馈给阀门动作；判断液位液位测量最大值和最小值的差值与液位波动误差之间的关系；对气液分离器内的气相压力和液位高度进行简单控制；对接收到的液位高度进行判断；液位-压力运算控制模块判断接收到的气相压力是否超出误差范围，并判断接收到的液位高度是否超出误差范围。

Description

一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于气液分离器液位稳定控制的方法，特别是关于一种石油工程多相流体控制技术领域中陆地和海上油田气液分离器的压力-液位联动控制方法。

背景技术

海洋油气田开采过程中，为了降低开采成本，提高输运效率，常通过海底混输管道和立管将采出的油-气-水多相混合物输送到海上平台，为了在平台上进行气液分离,同时避免集输管道-立管中发生段塞流或严重段塞流时影响海上油气田的正常生产，立管出口需安装一台气液分离器。在陆地油气输送过程中，油田接转站、联合站和集输泵站也广泛应用气液分离器对原油进行气液分离。

目前，气液分离器内液位-压力的控制有变压控制和定压控制两种。变压控制虽能稳定分离器内液位高低，但不能提供稳定压力，对于分离器前的段塞控制机构和分离器后的处理设备都会带来不利影响，此外，变压控制还会对电潜泵、自喷井及发电系统产生不良影响，因此，海上采油平台多采用定压控制方案。传统定压控制采用自力式调节阀、液位传感器、控制器和出油阀等装置单独调节压力和液位，使其维持在一个相对稳定的范围，但是对于液量骤变的情况，这种控制方式不利于液位的稳定。如能通过控制算法自动判别分离器上下阀门开度范围，实现压力-液位联动控制，将进一步提高海洋油气田开发效率，保障海上平台下游工艺设备平稳运行和安全生产。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够同时稳定气液分离器内液位和压力的用于气液分离器的液位-压力联动控制方法

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，其包括以下步骤：1)设置一包括液位-压力运算控制模块、第一气动调节阀、第二气动调节阀、第一截止阀、第二截止阀、压力传感器和浮子液位计的液位-压力联动控制装置；2)预先设定液位高度目标值H_aim、气相压力目标值P_aim、第一气动调节阀的开度初始值上限K_{1init_upper}、开度初始值下限K_{1init_lower}和第二气动调节阀的开度初始值上限K_{2init_upper}、开度初始值下限K_{2init_lower}；压力传感器实时检测气液分离器内的气相压力P，浮子液位计实时检测分离器内的液位高度H，气相压力P和液位高度H均传输至液位-压力运算控制模块；3)判断气相压力P是否大于预设气相压力目标值P_aim，液位-压力运算控制模块根据接收到的气相压力信号和阀门开度初始值计算得到第一气动调节阀的阀门开度值K₁，并将计算得到阀门开度值K₁反馈给第一气动调节阀动作；4)预设压力波动误差dP＝10％·P_aim，判断压力测量值最大值P_upper和最小值P_lower的差值ΔP与压力波动误差dP之间的关系：如果ΔP＜dP，则液位-压力运算控制模块通过控制第一气动调节阀的开度对气液分离器内的气相压力P进行简单控制；如果ΔP＞dP，则修正第一气动调节阀的阀门开度初始值；5)重复步骤3)和步骤4)，利用修正后的第一气动调节阀的阀门开度初始值上限K′_{1init_upper}、下限K′_{1init_lower}和对开度值K₁进行下一个调节周期计算，调节开度，直到重新记录的压力测量值最大值P_upper和最小值P_lower的差值ΔP满足ΔP＜dP；6)判断液位测量值H是否大于预设液位高度目标值H_aim，液位-压力运算控制模块根据接收到的液位高度信号和阀门开度初始值计算得到第二气动调节阀的阀门开度值K₂，并反馈给第二气动调节阀动作；7)预设液位波动误差dH＝10％·H_aim，判断液位液位测量最大值H_upper和最小值H_lower的差值ΔH与液位波动误差dH之间的关系：如果ΔH＜dH，则液位-压力运算控制模块通过控制第二气动调节阀的开度对气液分离器内的液位高度H进行简单控制；如果ΔH＞dH，则修正第二气动调节阀的阀门开度初始值；8)重复步骤6)和步骤7)，利用修正后的第二气动调节阀的阀门开度初始值上限K′_{2init_upper}、下限K′_{2init_lower}和对开度值K₂进行下一个调节周期计算，调节开度，直到重新记录的液位测量值最大值H_upper和最小值值H_lower的差值ΔH满足ΔH＜dH；9)预设气相压力P的误差范围为(P_{err_lower},P_{err_upper})和液位高度H的误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，液位-压力运算控制模块对气液分离器内的气相压力P和液位高度H进行简单控制；10)气液分离器内的气相压力P和液位高度H都进行简单控制后，预设液位高度调节范围为(H_min,H_max)，由液位-压力运算控制模块对接收到的液位高度H进行判断：如果液位高度H满足H∈(H_min,H_max)，则液位-压力运算控制模块对气液分离器内的气相压力P和液位高度H都进行简单控制；如果液位高度H满足H∈(H_{err_lower},H_min)，则液位-压力运算控制模块控制关闭第二气动调节阀，通过控制第一气动调节阀的开度K₁对气液分离器内的气相压力P简单控制控制，同时等待气液分离器内的液位恢复；如果液位高度H满足H∈(H_max,H_{err_upper})，则液位-压力运算控制模块控制关闭第一气动调节阀，通过控制第二气动调节阀的开度K₂对气液分离器内的气相压力P和液位高度H进行联动控制；11)液位-压力运算控制模块判断接收到的气相压力P是否超出误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})，并判断接收到的液位高度H是否超出误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，完成对气液分离器的液位-压力联动控制。

所述步骤1)中，所述液位-压力联动控制装置中，所述第一气动调节阀与所述第一截止阀串联后，所述第一截止阀与所述气液分离器顶部的气相出口端连接；所述第二气动调节阀与所述第二截止阀串联后，所述第二截止阀与所述气液分离器底部的液相出口端连接；所述压力传感器设置在气液分离器的气液入口端，将实时检测的气液分离器内气相压力信号传输至所述液位-压力运算控制模块；所述浮子液位计设置在所述气液分离器内部，实时检测所述气液分离器内的液位高度信号并传输至所述液位-压力运算控制模块。

所述步骤3)中，当气相压力P大于预设气相压力目标值P_aim，则阀门开度值K₁为：

$K_1=K_{1\mathrm{init}\_\mathrm{upper}}+\left[\frac{100(\stackrel{\‾}{P}-P_{\mathrm{aim}})}{P_{\mathrm{aim}}}\right]\×C,$

当气相压力P小于预设气相压力目标值P_aim，则阀门开度值K₁为：

$K_1=K_{1\mathrm{init}\_\mathrm{lower}}+\left[\frac{100(\stackrel{\‾}{P}-P_{\mathrm{aim}})}{P_{\mathrm{aim}}}\right]\×C,$

式中，C为比例增益系数，取3.0；[]表示取整；为t时间内气相压力P的平均值，1s≤t≤4s。

所述步骤4)中，对所述气相压力P进行简单控制的过程为：当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P＞P_upper时，液位-压力运算控制模块将第一气动调节阀的开度控制在开度上限值K_1upper；当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P＜P_lower时，液位-压力运算控制模块将第一气动调节阀的开度控制在开度下限值K_1lower，当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P_lower＜P＜P_upper时，液位-压力运算控制模块将第一气动调节阀的开度控制在(K_1upper+K_1lower)/2。

所述步骤6)中，当液位测量值H大于预设液位高度目标值H_aim时，则第二气动调节阀2的阀门开度值K₂为：

$K_2=K_{2\mathrm{init}\_\mathrm{upper}}+\left[\frac{100[\stackrel{\‾}{H}-H_{\mathrm{aim}}]}{H_{\mathrm{aim}}}\right]\×C,$

当液位测量值H小于预设液位高度目标值H_aim，则第二气动调节阀2的阀门开度值K₂为：

$K_2=K_{2\mathrm{init}\_\mathrm{lower}}+\left[\frac{100[\stackrel{\‾}{H}-H_{\mathrm{aim}}]}{H_{\mathrm{aim}}}\right]\×C,$

式中，C为比例增益系数，取3.0；[]表示取整；为t时间内液位测量值H的平均值，1s≤t≤4s。

所述步骤7)中，所述液位高度H进行简单控制的过程为：当液位-压力运算控制模块接收到的液位高度H满足H＞H_upper时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀的开度控制在开度上限值K_2upper；当液位-压力运算控制模块接收到的液位高度H满足H＜H_lower时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀的开度控制在开度下限值K_2lower，当液位-压力运算控制模块接收到的液位高度H满足H_lower＜H＜H_upper时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀的开度控制在(K_2upper+K_2lower)/2。

所述步骤9)中，所述液位-压力运算控制模块判断接收到的气相压力P与误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})之间的关系：如果P∈(P_{err_lower},P_{err_upper})，继续对气液分离器内的气相压力进行简单控制，直到气液分离器内的气相压力P和液位高度H都进行简单控制；如果则将当前第一气动调节阀的开度值K_1now传递给开度初始值,即K_{1init_upper}＝K_1now、K_{1init_lower}＝K_1now，重复步骤3)和步骤4)。

所述步骤9)中，所述液位-压力运算控制模块判断接收到的液位高度H与误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})之间的关系：如果H∈(H_{err_lower},H_{err_upper})，继续对气液分离器内的液位高度H进行简单控制，直到气液分离器内的气相压力P和液位高度H都进行简单控制；如果则将当前第二气动调节阀的开度值K_2now作为开度初始值，即K_{2init_upper}＝K_2now、K_{2init_lower}＝K_2now，重复步骤6)和步骤7)。

所述步骤10)中，所述联动控制过程为：预设第二气动调节阀的开度上下限值K′_2upper和下限值K′_2lower，当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P＞P_upper时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀的开度控制在新设开度上限值K′_2upper；当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P＜P_lower时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀的开度控制在新设开度下限值K′_2lower，当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P_lower＜P＜P_upper时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀的开度控制在(K′_2upper+K′_2lower)/2。

所述步骤11)中，如果气相压力P超出误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})且液位高度H属于误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，则将当前第一气动调节阀的开度值K′_1now传递给开度初始值,即K_{1init_upper}＝K′_1now、K_{1init_lower}＝K′_1now，重复步骤3)和步骤4)，同时第二气动调节阀按照简单控制方法对液位高度H进行控制；如果液位高度H超出误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})且气相压力P属于误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})，则将当前第二气动调节阀的开度值K′_2now作为开度初始值，即K_{2init_upper}＝K′_2now、K_{2init_lower}＝K′_2now，重复步骤6)和步骤7)，同时第一气动调节阀按照简单控制方法对气相压力P进行控制；如果气相压力P超出误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})且液位高度H超出误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，则将当前第一气动调节阀的开度值K′_1now传递给开度初始值,即K_{1init_upper}＝K′_1now、K_{1init_lower}＝K′_1now，重复步骤3)和步骤4)，同时将当前第二气动调节阀的开度值K′_2now作为开度初始值，即K_{2init_upper}＝K′_2now、K_{2init_lower}＝K′_2now，重复步骤6)和步骤7)；如果气相压力P属于误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})且液位高度H属于误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，则返回步骤10)。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明以分离器浮子液位计反馈信号作为底部阀门的主要调节依据，以压力传感器反馈信号作为顶部阀门的主要调节依据，通过联动调节实现信号交互引用控制，相比于变压控制可以稳定分离器内压力，相比于定压控制可以稳定分离器内液位，克服了两种常规控制方法的缺点，适用于气液不稳定的陆地油田，也适用于发生气液间歇流动(如严重段塞流)的海上油气田。2、本发明以分离器压力、液位信号作为调节依据，所采集的信号易于获得，所使用的装置便于安装，所发明的方法能快速稳定分离器内液位和压力。3、本发明相比于变压控制可以稳定分离器内压力，相比于定压控制可以稳定分离器内液位，结合了两种传统控制方法的优势；本发明适用于油田开发的各个工业过程，①油田启动时，本发明可自动寻找阀门最佳开度范围，②油田稳定运行时，本发明进行上下阀门联动调节，③油井变流量工况时，本发明可自动对最佳开度进行修正。4、本发明对于海洋油田集输-立管段塞流所引起的分离器液位-压力变化，也具有很好地控制效果，对于海洋平台上下游设备安全运行，提高采油效率具有积极意义。

附图说明

图1是本发明用于气液分离器的液位-压力联动控制方法的流程图；

图2是气液分离器与液位-压力联动控制装置的结构示意图；

图3是实施例中集输-立管油气水多相流实验系统结构示意图；

图4是段塞流工况中气液分离器内液位-压力波动曲线；其中，DP_riser为立管顶部与底部压差信号，P_sep为气液分离器内压力信号，H_sep为气液分离器内液位高度；

图5是第一、第二气动调节阀的开度随液位、压力的变化曲线；其中，图5(a)是第二气动调节阀的开度随液位的变化曲线，图5(b)是第一气动调节阀的开度随压力的变化曲线；K₂为第二气动调节阀的开度，K₁为第一气动调节阀的开度，P_sep为气液分离器内的压力信号，H_sep为气液分离器内的液位高度；

图6是气液分离器内液位和压力概率密度分布图；其中，图6(a)为液位概率密度分布图，图6(b)为压力概率密度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，其包括以下步骤：

1)如图2所示，设置一包括液位-压力运算控制模块(图中未示出)、第一气动调节阀1、第二气动调节阀2、第一截止阀3、第二截止阀4、压力传感器5和浮子液位计6的液位-压力联动控制装置。其中，第一气动调节阀1与第一截止阀3串联后，第一截止阀3与气液分离器7顶部的气相出口端连接；第二气动调节阀2与第二截止阀4串联后，第二截止阀4与气液分离器7底部的液相出口端连接；压力传感器5设置在气液分离器7的气液入口端。压力传感器5实时检测气液分离器7内的气相压力信号并传输至液位-压力运算控制模块；浮子液位计6设置在气液分离器7外壁，实时检测气液分离器7内的液位高度信号并传输至液位-压力运算控制模块。根据接收到的气相压力信号，液位-压力运算控制模块通过精细控制第一气动调节阀1的开度调节气液分离器7内的气相压力；根据接收到的液位高度信号，液位-压力运算控制模块通过精细控制第二气动调节阀2的开度调节气液分离器7内的液位高度。第一、第二截止阀3、4的开度均由来流速度的数量级确定，第一和第二截止阀3、4均用于粗略联动控制气液分离器7内的压力和液位。

2)预先设定液位高度目标值H_aim、气相压力目标值P_aim、第一气动调节阀1的开度初始值上限K_{1init_upper}、开度初始值下限K_{1init_lower}和第二气动调节阀2的开度初始值上限K_{2init_upper}、开度初始值下限K_{2init_lower}。压力传感器5实时检测气液分离器7内的气相压力P，浮子液位计6实时检测分离器7内的液位高度H，气相压力P和液位高度H均传输至液位-压力运算控制模块。初始阶段，气液分离器7内的气相压力P和液位高度H均为0，液位-压力运算控制模块控制关闭第一气动调节阀1、第二气动调节阀2，即第一气动调节阀1的开度值K₁＝0、第二气动调节阀2的开度值K₂＝0，气液分离器7开始储液憋压。

3)当气相压力P大于预设气相压力目标值P_aim，液位-压力运算控制模块根据接收到的气相压力信号和阀门开度初始值上限计算得到第一气动调节阀1的阀门开度值K₁，将计算得到阀门开度值K₁反馈给第一气动调节阀1动作；则阀门开度值K₁为：

$K_1=K_{1\mathrm{init}\_\mathrm{upper}}+\left[\frac{100(\stackrel{\‾}{P}-P_{\mathrm{aim}})}{P_{\mathrm{aim}}}\right]\×C---\left(1\right)$

式中，C为比例增益系数，取3.0；[]表示取整；为t时间(1s≤t≤4s，本实施例中取t＝3s)内气相压力P的平均值。此时，阀门开度值K₁随着的增大而增大，当阀门开度值K₁增大到第一气动调节阀1的阀门开度上限值K_1upper时，增大到最大值P_upper，然后开始减小，并记录K_1upper、P_upper；阀门开度保持为K_1upper，直至P小于目标值P_aim。

当气相压力P小于预设气相压力目标值P_aim，液位-压力运算控制模块根据接收到的气相压力信号和阀门开度初始值下限计算得到第一气动调节阀1的阀门开度值K₁，将计算得到阀门开度值K₁反馈给第一气动调节阀1动作；则阀门开度值K₁为：

$K_1=K_{1\mathrm{init}\_\mathrm{lower}}+\left[\frac{100(\stackrel{\‾}{P}-P_{\mathrm{aim}})}{P_{\mathrm{aim}}}\right]\×C---\left(2\right)$

此时，阀门开度值K₁随着的减小而减小，当阀门开度值K₁减小到第一气动调节阀1的阀门开度下限值K_1lower时，减小到最小值P_lower，然后开始增大，并记录K_1lower、P_lower；阀门开度保持为K_1lower，直至P大于目标值P_aim。

4)预设压力波动误差dP＝10％·P_aim，判断压力测量值最大值P_upper和最小值P_lower的差值ΔP与压力波动误差dP之间的关系：

如果ΔP＜dP，则液位-压力运算控制模块通过控制第一气动调节阀1的开度对气液分离器7内的气相压力P进行简单控制。简单控制过程为：当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P＞P_upper时，液位-压力运算控制模块将第一气动调节阀1的开度控制在开度上限值K_1upper；当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P＜P_lower时，液位-压力运算控制模块将第一气动调节阀1的开度控制在开度下限值K_1lower，当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P_lower＜P＜P_upper时，液位-压力运算控制模块将第一气动调节阀1的开度控制在(K_1upper+K_1lower)/2。

如果ΔP＞dP，则修正第一气动调节阀1的阀门开度初始值，修正公式为：

$\begin{array}{c}{K}_{1\mathrm{init}\_\mathrm{upper}}^{\′}=\frac{K_{1\mathrm{upper}}+K_{1\mathrm{lower}}}{2}+\frac{K_{1\mathrm{upper}}-K_{1\mathrm{lower}}}{2}\×C_2+\frac{K_{1\mathrm{init}\_\mathrm{upper}}-K_{1\mathrm{init}\_\mathrm{lower}}}{2}\\ K_{1\mathrm{init}\_\mathrm{lower}}^{\′}=\frac{K_{1\mathrm{upper}}+K_{1\mathrm{lower}}}{2}-\frac{K_{1\mathrm{upper}}-K_{1\mathrm{lower}}}{2}\×C_2-\frac{K_{1\mathrm{init}\_\mathrm{upper}}-K_{1\mathrm{init}\_\mathrm{lower}}}{2}\end{array}---\left(2\right)$

式中，K_{1init_upper}、K_{1init_lower}分别为上一个阀门开度K₁调节周期的开度初始值上限、下限；K′_{1init_upper}、K′_{1znit_lower}分别为修正后的下一个阀门开度K₁调节周期的开度初始值上限、下限；C₂为比例增益系数，取0.3。

5)重复步骤3)和步骤4)，利用修正后的第一气动调节阀1的阀门开度初始值上限K′_{1init_upper}、下限K′_{1init_lower}和式(1)、式(2)对开度值K₁进行下一个调节周期计算，调节开度，直到重新记录的压力测量值最大值P_upper和最小值P_lower的差值ΔP满足ΔP＜dP。

6)当液位测量值H大于预设液位高度目标值H_aim时，液位-压力运算控制模块根据接收到的液位高度信号和阀门开度初始值上限计算得到第二气动调节阀2的阀门开度值K₂，并反馈给第二气动调节阀2动作；则第二气动调节阀2的阀门开度值K₂为：

$K_2=K_{2\mathrm{init}\_\mathrm{upper}}+\left[\frac{100[\stackrel{\‾}{H}-H_{\mathrm{aim}}]}{H_{\mathrm{aim}}}\right]\×C---\left(4\right)$

式中，C为比例增益系数，取3.0；[]表示取整；为t时间(1s≤t≤4s，本实施例中取t＝3s)内液位测量值H的平均值。此时，K₂随着的增大而增大，当K₂增大到第二气动调节阀2的阀门开度值上限值K_2upper时，增大到最大值H_upper，然后开始减小，并记录K_2upper、H_upper；阀门开度保持为K_2upper，直至液位测量值H小于目标值H_aim。

当液位测量值H小于预设液位高度目标值H_aim，液位-压力运算控制模块根据接收到的气相压力信号和阀门开度初始值下限计算得到第二气动调节阀2的阀门开度值K₂，并反馈给第二气动调节阀2动作；则阀门开度值K₂为：

$K_2=K_{2\mathrm{init}\_\mathrm{lower}}+\left[\frac{100[\stackrel{\‾}{H}-H_{\mathrm{aim}}]}{H_{\mathrm{aim}}}\right]\×C---\left(5\right)$

此时，K₂随着的减小而减小，当K₂减小到第二气动调节阀2的阀门开度值下限值K_2lower时，减小到最小值H_lower，然后开始增大，记录K_2lower、H_lower；阀门开度保持为K_2lower，直至H大于目标值H_aim。

7)预设液位波动误差dH＝10％·H_aim，判断液位液位测量最大值H_upper和最小值H_lower的差值ΔH与液位波动误差dH之间的关系：

如果ΔH＜dH，则液位-压力运算控制模块通过控制第二气动调节阀2的开度对气液分离器7内的液位高度H进行简单控制。简单控制过程为：当液位-压力运算控制模块接收到的液位高度H满足H＞H_upper时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀2的开度控制在开度上限值K_2upper；当液位-压力运算控制模块接收到的液位高度H满足H＜H_lower时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀2的开度控制在开度下限值K_2lower，当液位-压力运算控制模块接收到的液位高度H满足H_lower＜H＜H_upper时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀2的开度控制在(K_2upper+K_2lower)/2。

如果ΔH＞dH，则修正第二气动调节阀2的阀门开度初始值，修正公式为：

$\begin{array}{c}{K}_{2\mathrm{init}\_\mathrm{upper}}^{\′}=\frac{K_{2\mathrm{upper}}+K_{2\mathrm{lower}}}{2}+\frac{K_{2\mathrm{upper}}-K_{2\mathrm{lower}}}{2}\×C_2+\frac{K_{2\mathrm{init}\_\mathrm{upper}}-K_{2\mathrm{init}\_\mathrm{lower}}}{2}\\ K_{2\mathrm{init}\_\mathrm{lower}}^{\′}=\frac{K_{2\mathrm{upper}}+K_{2\mathrm{lower}}}{2}-\frac{K_{2\mathrm{upper}}-K_{2\mathrm{lower}}}{2}\×C_2-\frac{K_{2\mathrm{init}\_\mathrm{upper}}-K_{2\mathrm{init}\_\mathrm{lower}}}{2}\end{array}---\left(6\right)$

式中，K_{2init_upper}、K_{2init_lower}为上一个阀门开度K₂调节周期的开度初始值上限、下限；K′_{2init_upper}、K′_{2init_lower}为修正后的下一个阀门开度K₂调节周期的开度初始值上限、下限；C₂为比例增益系数，取0.3。

8)重复步骤6)和步骤7)，利用修正后的第二气动调节阀2的阀门开度初始值上限K′_{2init_upper}、下限K′_{2init_lower}和式(4)、(5)对开度值K₂进行下一个调节周期计算，调节开度，直到重新记录的液位测量值最大值H_upper和最小值值H_lower的差值ΔH满足ΔH＜dH。

9)预设气相压力P的误差范围为(P_{err_lower},P_{err_upper})和液位高度H的误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})。其中，气相压力的误差下限P_{err_lower}＝90％·P_aim，气相压力的误差上限P_{err_upper}＝110％·P_aim；液位高度的误差下限H_{err_lower}＝85％·H_aim，液位高度的误差上限H_{err_upper}＝115％·H_aim。

液位-压力运算控制模块对气液分离器7内的气相压力P进行简单控制的过程中，液位-压力运算控制模块判断接收到的气相压力P与误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})之间的关系：

如果P∈(P_{err_lower},P_{err_upper})，继续对气液分离器7内的气相压力P进行简单控制，直到气液分离器7内的气相压力P和液位高度H都进行简单控制；

如果则将当前第一气动调节阀1的开度值K_1now传递给开度初始值,即K_{1init_upper}＝K_1now、K_{1init_lower}＝K_1now，重复步骤3)和步骤4)。

液位-压力运算控制模块对气液分离器7内的液位高度H进行简单控制的过程中，液位-压力运算控制模块判断接收到的液位高度H与误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})之间的关系：

如果H∈(H_{err_lower},H_{err_upper})，继续对气液分离器7内的液位高度H进行简单控制，直到气液分离器7内的气相压力P和液位高度H都进行简单控制；

如果则将当前第二气动调节阀2的开度值K_2now作为开度初始值，即K_{2init_upper}＝K_2now、K_{2init_lower}＝K_2now，重复步骤6)和步骤7)。

10)气液分离器7内的气相压力P和液位高度H都进行简单控制后，预设液位高度调节范围为(H_min,H_max)，由液位-压力运算控制模块对接收到的液位高度H进行判断。其中，液位高度的调节下限H_min＝90％·H_aim，液位高度的调节上限H_max＝110％·H_aim。

如果液位高度H满足H∈(H_min,H_max)，则液位-压力运算控制模块对气液分离器7内的气相压力P和液位高度H都进行简单控制，简单控制方法同步骤4)和步骤7)。

如果液位高度H满足H∈(H_{err_lower},H_min)，则液位-压力运算控制模块控制关闭第二气动调节阀2，通过控制第一气动调节阀1的开度K₁对气液分离器7内的气相压力P简单控制控制，简单控制的方法同步骤4)，同时等待气液分离器7内的液位恢复。

如果液位高度H满足H∈(H_max,H_{err_upper})，则液位-压力运算控制模块控制关闭第一气动调节阀1，通过控制第二气动调节阀2的开度K₂对气液分离器7内的气相压力P和液位高度H进行联动控制。

其中，联动控制过程为：预设第二气动调节阀2的开度上下限值K′_2upper和下限值K′_2lower，其中K′_2lower＝K_2upper，K′_2upper＝2×K_2upper-K_2lower。当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P＞P_upper时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀2的开度控制在新设开度上限值K′_2upper；当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P＜P_lower时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀2的开度控制在新设开度下限值K′_2lower，当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P_lower＜P＜P_upper时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀2的开度控制在(K′_2upper+K′_2lower)/2。

11)液位-压力运算控制模块判断接收到的气相压力P是否超出误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})，并判断接收到的液位高度H是否超出误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})。

如果气相压力P超出误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})且液位高度H属于误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，则将当前第一气动调节阀1的开度值K′_1now传递给开度初始值,即K_{1init_upper}＝K′_1now、K_{1init_lower}＝K′_1now，重复步骤3)和步骤4)，同时第二气动调节阀2按照步骤7)的简单控制方法对液位高度H进行控制；

如果液位高度H超出误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})且气相压力P属于误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})，则将当前第二气动调节阀2的开度值K′_2now作为开度初始值，即K_{2init_upper}＝K′_2now、K_{2init_lower}＝K′_2now，重复步骤6)和步骤7)，同时第一气动调节阀1按照步骤4)的简单控制方法对气相压力P进行控制。

如果气相压力P超出误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})且液位高度H超出误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，则将当前第一气动调节阀1的开度值K′_1now传递给开度初始值,即K_{1init_upper}＝K′_1now、K_{1init_lower}＝K′_1now，重复步骤3)和步骤4)，同时将当前第二气动调节阀2的开度值K′_2now作为开度初始值，即K_{2init_upper}＝K′_2now、K_{2init_lower}＝K′_2now，重复步骤6)和步骤7)。

如果气相压力P属于误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})且液位高度H属于误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，则返回步骤10)。

上述步骤1)中，第一气动调节阀1、第二气动调节阀2也可以采用电动调节阀等同类控制阀代替。

上述各步骤种，计算得到的气动调节阀开度K需满足K∈[0,100]，如果计算出K＞100，则K取K＝100；如果计算出K＜0，则K取K＝0。

实施例：如图3所示，设置一包括气液分离器7和液位-压力联动控制装置的集输-立管油气水多相流实验系统，该系统还包括柱塞油泵8、柱塞水泵9、空气压缩机10、气液混合器11、油水分离器12、油箱13和水箱14。柱塞油泵8、柱塞水泵9、空气压缩机10分别通过集输管道与气液混合器11的入口连接，气液混合器11的出口通过立管与气液分离器7的气液入口端连接，气液分离器7的液相出口端通过集输管道与油水分离器12的入口连接，油水分离器12的油出口与油箱13入口连接，油箱13出口与柱塞油泵8连接，油水分离器12的水出口与水箱14入口连接，水箱14出口与柱塞水泵9连接。气液分离器7位于本实验系统中的环路末端，具有分离气液、稳定环路压力的作用。

为测量实验环路中气相、液相的温度，本实验系统还设置了若干热电偶15。为测量实验环路中气相、液相的流量，本实验系统还设置了若干质量流量计16。为测量立管底部和顶部的压差，本实验系统在立管上设置压差传感器17。为测量气液分离器7的压力，本实验系统还在气液分离器7前设置了一个压力传感器5。

在本实施例中，集输-立管油气水多相流实验系统中水平管长400m，立管高20m，管径80mm，由水平段、下倾段和上升段构成，气相流量范围为0～1020Nm³/h，液相流量范围为0～29m³/h。本实验系统可以模拟海洋油田集输-立管中发生的严重段塞流、过渡流型和稳定流型等多种流动，其中，严重段塞流气液间歇流出，且液塞长度大、气体喷发剧烈，要稳定分离器内液位-压力难度极大。预设液位高度目标值H_aim为40％、气相压力目标值P_aim为200kPa、第一气动调节阀1的开度初始值K_1init和第二气动调节阀2的开度初始值K_2init均为40％的开度。采用本发明液位-压力联动控制方法对这一危害流型导致的气液分离器内的液位-压力波动进行控制。

图4～图6为段塞流实验过程中，采用本发明液位-压力联动控制方法联动控制气液分离器7内液位和压力得到的结果。

如图4所示，集输-立管油气水多相流实验系统发生段塞流时气液分离器7内液位、压力波动曲线中，DP_riser为立管顶部与底部的压差信号，P_sep为气液分离器7内压力信号，H_sep为气液分离器7内液位高度。从图4中曲线DP_riser的变化趋势可以看出系统中正发生第二类严重段塞流，液相在立管内积聚，DP_riser缓慢上升，当液塞长度约一个立管高度时，气体进入立管，剧烈喷发，DP_riser急剧下降，大量气液混合物进入气液分离器7。此类工况对气液分离器7冲击大，气液分离器7内液位和压力波动剧烈，但是利用本发明对气液分离器7内液位和压力进行联动控制时，可以有效稳定气液分离器7内的液位和压力。从图4可以看出，实验进行到750s左右时，液位和压力接近预设的目标值，并迅速稳定在目标值附近。750s后，当集输-立管油气水多相流实验系统持续发生严重段塞流时，气液分离器7内液位和压力均在一个较小的范围内波动。

如图5所示，阀门开度随液位、压力变化曲线中，图5(a)为第二气动调节阀2的开度随液位变化曲线，图5(b)为第一气动调节阀1的开度随压力变化曲线。图中K₂为第二气动调节阀2的开度，K₁为第一气动调节阀1的开度，P₂₂为气液分离器7内的压力信号，H_sep为气液分离器7内的液位高度。从图中可以看出，第一气动调节阀1的开度随气液分离器7内压力的波动而改变，第二气动调节阀2的开度随气液分离器7内液位的波动而改变。从图5(a)中可以看出，气液分离器7内液位变化频率较小，从图5(b)中可以看出，气液分离器7内压力变化频率较大，因此可以得出，第一气动调节阀1较第二气动调节阀2动作得更加频繁。

如图(6)所示，被控量的概率密度分布图中，图6(a)为液位概率密度分布图，图6(b)为压力概率密度分布图。从图6(b)中可以看出，压力峰值约等于预设的气相压力目标值200kPa，调节误差约±10％。从图6(a)中可以看出，液位峰值约等于41.6％，与预设的液位高度目标值40％存在4％的相对误差，但是液位的概率密度分布更为集中，约分布于液位峰值的±5％左右，且均处于目标值±10％之内，属于可以接受的范围。

从以上实验结果可以看出，采用本发明液位-压力联动控制方法，根据压力传感器5检测到的气液分离器7内的压力信号和浮子液位计6检测到的气液分离器7内的液位高度信号，调节第一、第二气动调节阀1、2，可以迅速有效的联动控制气液分离器7内的液位和压力。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，其包括以下步骤：

1)设置一包括液位-压力运算控制模块、第一气动调节阀、第二气动调节阀、第一截止阀、第二截止阀、压力传感器和浮子液位计的液位-压力联动控制装置；

2)预先设定液位高度目标值H_aim、气相压力目标值P_aim、第一气动调节阀的开度初始值上限K_{1init_upper}、开度初始值下限K_{1init_lower}和第二气动调节阀的开度初始值上限K_{2init_upper}、开度初始值下限K_{2init_lower}；压力传感器实时检测气液分离器内的气相压力P，浮子液位计实时检测分离器内的液位高度H，气相压力P和液位高度H均传输至液位-压力运算控制模块；

3)判断气相压力P是否大于预设气相压力目标值P_aim，液位-压力运算控制模块根据接收到的气相压力信号和阀门开度初始值计算得到第一气动调节阀的阀门开度值K₁，并将计算得到阀门开度值K₁反馈给第一气动调节阀动作；

4)预设压力波动误差dP＝10％·P_aim，判断压力测量值最大值P_upper和最小值P_lower的差值ΔP与压力波动误差dP之间的关系：如果ΔP＜dP，则液位-压力运算控制模块通过控制第一气动调节阀的开度对气液分离器内的气相压力P进行简单控制；如果ΔP＞dP，则修正第一气动调节阀的阀门开度初始值；

5)重复步骤3)和步骤4)，利用修正后的第一气动调节阀的阀门开度初始值上限K′_{1init_upper}、下限K′_{1init_lower}和对开度值K₁进行下一个调节周期计算，调节开度，直到重新记录的压力测量值最大值P_upper和最小值P_lower的差值ΔP满足ΔP＜dP；

6)判断液位测量值H是否大于预设液位高度目标值H_aim，液位-压力运算控制模块根据接收到的液位高度信号和阀门开度初始值计算得到第二气动调节阀的阀门开度值K₂，并反馈给第二气动调节阀动作；

7)预设液位波动误差dH＝10％·H_aim，判断液位液位测量最大值H_upper和最小值H_lower的差值ΔH与液位波动误差dH之间的关系：如果ΔH＜dH，则液位-压力运算控制模块通过控制第二气动调节阀的开度对气液分离器内的液位高度H进行简单控制；如果ΔH＞dH，则修正第二气动调节阀的阀门开度初始值；

8)重复步骤6)和步骤7)，利用修正后的第二气动调节阀的阀门开度初始值上限K′_{2init_upper}、下限K′_{2init_lower}和对开度值K₂进行下一个调节周期计算，调节开度，直到重新记录的液位测量值最大值H_upper和最小值值H_lower的差值ΔH满足ΔH＜dH；

9)预设气相压力P的误差范围为(P_{err_lower},P_{err_upper})和液位高度H的误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，液位-压力运算控制模块对气液分离器内的气相压力P和液位高度H进行简单控制；

10)气液分离器内的气相压力P和液位高度H都进行简单控制后，预设液位高度调节范围为(H_min,H_max)，由液位-压力运算控制模块对接收到的液位高度H进行判断：

如果液位高度H满足H∈(H_min,H_max)，则液位-压力运算控制模块对气液分离器内的气相压力P和液位高度H都进行简单控制；

如果液位高度H满足H∈(H_{err_lower},H_min)，则液位-压力运算控制模块控制关闭第二气动调节阀，通过控制第一气动调节阀的开度K₁对气液分离器内的气相压力P简单控制控制，同时等待气液分离器内的液位恢复；

如果液位高度H满足H∈(H_max,H_{err_upper})，则液位-压力运算控制模块控制关闭第一气动调节阀，通过控制第二气动调节阀的开度K₂对气液分离器内的气相压力P和液位高度H进行联动控制；

11)液位-压力运算控制模块判断接收到的气相压力P是否超出误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})，并判断接收到的液位高度H是否超出误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，完成对气液分离器的液位-压力联动控制。

2.如权利要求1所述的一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述液位-压力联动控制装置中，所述第一气动调节阀与所述第一截止阀串联后，所述第一截止阀与所述气液分离器顶部的气相出口端连接；所述第二气动调节阀与所述第二截止阀串联后，所述第二截止阀与所述气液分离器底部的液相出口端连接；所述压力传感器设置在气液分离器的气液入口端，将实时检测的气液分离器内气相压力信号传输至所述液位-压力运算控制模块；所述浮子液位计设置在所述气液分离器内部，实时检测所述气液分离器内的液位高度信号并传输至所述液位-压力运算控制模块。

3.如权利要求1或2所述的一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，当气相压力P大于预设气相压力目标值P_aim，则阀门开度值K₁为：

$K_1=K_{1\mathrm{init}\_\mathrm{upper}}+\left[\frac{100(\stackrel{\‾}{P}-P_{\mathrm{aim}})}{P_{\mathrm{aim}}}\right]\×C,$

当气相压力P小于预设气相压力目标值P_aim，则阀门开度值K₁为：

$K_1=K_{1\mathrm{init}\_\mathrm{lower}}+\left[\frac{100(\stackrel{\‾}{P}-P_{\mathrm{aim}})}{P_{\mathrm{aim}}}\right]\×C,$

式中，C为比例增益系数，取3.0；[]表示取整；为t时间内气相压力P的平均值，1s≤t≤4s。

4.如权利要求1或2所述的一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，对所述气相压力P进行简单控制的过程为：当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P＞P_upper时，液位-压力运算控制模块将第一气动调节阀的开度控制在开度上限值K_1upper；当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P＜P_lower时，液位-压力运算控制模块将第一气动调节阀的开度控制在开度下限值K_1lower，当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P_lower＜P＜P_upper时，液位-压力运算控制模块将第一气动调节阀的开度控制在(K_1upper+K_1lower)/2。

5.如权利要求1或2所述的一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，其特征在于：所述步骤6)中，当液位测量值H大于预设液位高度目标值H_aim时，则第二气动调节阀2的阀门开度值K₂为：

$K_2=K_{2\mathrm{init}\_\mathrm{upper}}+\left[\frac{100(\stackrel{\‾}{H}-H_{\mathrm{aim}})}{H_{\mathrm{aim}}}\right]\×C,$

当液位测量值H小于预设液位高度目标值H_aim，则第二气动调节阀2的阀门开度值K₂为：

$K_2=K_{2\mathrm{init}\_\mathrm{lower}}+\left[\frac{100(\stackrel{\‾}{H}-H_{\mathrm{aim}})}{H_{\mathrm{aim}}}\right]\×C,$

式中，C为比例增益系数，取3.0；[]表示取整；为t时间内液位测量值H的平均值，1s≤t≤4s。

6.如权利要求1或2所述的一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，其特征在于：所述步骤7)中，所述液位高度H进行简单控制的过程为：当液位-压力运算控制模块接收到的液位高度H满足H＞H_upper时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀的开度控制在开度上限值K_2upper；当液位-压力运算控制模块接收到的液位高度H满足H＜H_lower时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀的开度控制在开度下限值K_2lower，当液位-压力运算控制模块接收到的液位高度H满足H_lower＜H＜H_upper时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀的开度控制在(K_2upper+K_2lower)/2。

7.如权利要求1或2所述的一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，其特征在于：所述步骤9)中，所述液位-压力运算控制模块判断接收到的气相压力P与误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})之间的关系：

如果P∈(P_{err_lower},P_{err_upper})，继续对气液分离器内的气相压力进行简单控制，直到气液分离器内的气相压力P和液位高度H都进行简单控制；

如果则将当前第一气动调节阀的开度值K_1now传递给开度初始值,即K_{1init_upper}＝K_1now、K_{1init_lower}＝K_1now，重复步骤3)和步骤4)。

8.如权利要求1或2所述的一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，其特征在于：所述步骤9)中，所述液位-压力运算控制模块判断接收到的液位高度H与误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})之间的关系：

如果H∈(H_{err_lower},H_{err_upper})，继续对气液分离器内的液位高度H进行简单控制，直到气液分离器内的气相压力P和液位高度H都进行简单控制；

如果则将当前第二气动调节阀的开度值K_2now作为开度初始值，即K_{2init_upper}＝K_2now、K_{2init_lower}＝K_2now，重复步骤6)和步骤7)。

9.如权利要求1或2所述的一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，其特征在于：所述步骤10)中，所述联动控制过程为：预设第二气动调节阀的开度上下限值K′_2upper和下限值K′_2lower，当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P＞P_upper时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀的开度控制在新设开度上限值K′_2upper；当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P＜P_lower时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀的开度控制在新设开度下限值K′_2lower，当液位-压力运算控制模块接收到的气相压力P满足P_lower＜P＜P_upper时，液位-压力运算控制模块将第二气动调节阀的开度控制在(K′_2upper+K′_2lower)/2。

10.如权利要求1或2所述的一种用于气液分离器的液位-压力联动控制方法，其特征在于：所述步骤11)中，如果气相压力P超出误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})且液位高度H属于误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，则将当前第一气动调节阀的开度值K′_1now传递给开度初始值,即K_{1init_upper}＝K′_1now、K_{1init_lower}＝K′_1now，重复步骤3)和步骤4)，同时第二气动调节阀按照简单控制方法对液位高度H进行控制；

如果液位高度H超出误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})且气相压力P属于误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})，则将当前第二气动调节阀的开度值K′_2now作为开度初始值，即K_{2init_upper}＝K′_2now、K_{2init_lower}＝K′_2now，重复步骤6)和步骤7)，同时第一气动调节阀按照简单控制方法对气相压力P进行控制；

如果气相压力P超出误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})且液位高度H超出误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，则将当前第一气动调节阀的开度值K′_1now传递给开度初始值,即K_{1init_upper}＝K′_1now、K_{1init_lower}＝K′_1now，重复步骤3)和步骤4)，同时将当前第二气动调节阀的开度值K′_2now作为开度初始值，即K_{2init_upper}＝K′_2now、K_{2init_lower}＝K′_2now，重复步骤6)和步骤7)；

如果气相压力P属于误差范围(P_{err_lower},P_{err_upper})且液位高度H属于误差范围(H_{err_lower},H_{err_upper})，则返回步骤10)。