CN109917642B - 一种原油三相分离器油水界面模糊优化控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种原油三相分离器油水界面模糊优化控制方法，其技术方案为：根据油水界面、出水量、出油量及人工化验含水率的历史数据建立三相分离器的出油含水率与平均油水界面、平均出水量、平均出油量的神经网络数学模型，建立根据平均油水界面、进液量变化调节出水量的模糊控制规则，利用实时采集的出油流量、出水流量、油室液位数据，以及三相分离器的物理尺寸，计算一段时间内的出油、出水累计值、油水界面变化量，根据模糊控制规则计算出水调节阀开度。本发明有益效果：出液含水率低并且波动小，生产运行平稳，降低了后续加热流程的热负荷及操作人员的工作强度。
Description
技术领域
本发明属于原油预处理技术领域，特别涉及一种原油三相分离器油水界面模糊优化控制方法。
背景技术
原油三相分离器油水界面控制主要有两种方式：一种是通过浮球连杆机构根据水室液位高低自动调节出水口凡尔开度，控制出水量，油水界面高度主要由出油堰板高度、出水口高度和油水密度差决定；另一种是采用PID控制算法通过油水界面仪检测油水界位，与控制器油水界面设定值比较、计算后调节出水调节阀开度，保持分离器内油水界面稳定，通过浮球连杆机构调节出水口凡尔开度，控制出水量的控制方式，油水界面高度调整比较困难，凡尔经常出现卡死现象，出现水带油或油室进水现象，当处理量发生变化时，分水效果更是难以保证，并且对稠油而言油水密度差很小，操作人员难以掌握实际的油水界面高度，仅适用于油水密度差较大的稀油生产。
三相分离器油水界面PID控制器容易出现调节大幅度波动甚至是控制不稳定的现象。首先，现有的油水界面仪适用于油水分界明显或者密度相差较大的测量对象，对于稠油生产，由于粘度大、密度差小、分水效果差、油水乳化层厚，并且上部沉降区有油水分层现象，一般的油水界面仪测量准确性差，会出现界面测量值突变的现象，即使其它生产参数没有变化的时候，受到油水界面仪的影响也会导致PID控制输出大幅度跳变，导致出水流量变化，进而分离器油水界面高度无法稳定；其次，PID控制参数在设备投运时需要人工整定，当三相分离器容积较大时，控制系统的时间常数较大，参数整定比较困难，一般只能适用于较为平稳的生产过程，实际油田生产是一个相对变化较大的生产过程，三相分离器生产负荷变化经常超过50%，油水界位出现偏差时，控制效果差，出油含水率较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种全新的模糊优化控制方法的设计，起到超前调节的作用，油水界面稳定，平均出油含水率低。
本发明是通过以下技术手段实现的：根据油水界面、出水量、出油量及人工化验含水率的历史数据建立三相分离器的出油含水率与平均油水界面、平均出水量、平均出油量的神经网络数学模型，建立根据平均油水界面、进液量变化调节出水量的模糊控制规则，利用实时采集的出油流量、出水流量、油室液位数据，以及三相分离器的物理尺寸，计算一段时间内的出油、出水累计值、油水界面变化量，根据模糊控制规则计算出水调节阀开度。
该方法包括如下步骤：（一）、建立三相分离器出油含水率神经网络模型：在出水量、出油量、油室液位平稳时化验出油含水率，计算分离器停留时间内的平均油水界位、出水量累计、出油量累计，作为样本数据，取多组数据，采用BP神经网络算法计算出油含水率与油水界位、出水量累计、出油量累计的神经网络模型，根据当前出水量、出油量、平均油水界面高度计算当前出油含水率；在油水界面高度上下限之间均匀选取n1个点，根据三相分离器出油含水率神经网络模型计算当前出水量、出油量条件下各油水界面高度对应的出油含水率，最小出油含水率对应的油水界面高度作为最优油水界面高度Hopt在出水量5%变化范围内均匀选取n2个点，根据三相分离器出油含水率神经网络模型计算当前油水界面高度、出油量条件下各出水量对应的出油含水率，最小出油含水率对应的出水量作为最优出水量Qopt，可以计算最优出水瞬时流量Fwopt。（二）、建立三相分离器模糊控制规则：原油三相分离器中油水分离过程是一个物理过程，分离前后的总质量不变，当进液含水率不变、出油含水率不变的前提下，油水界面高度、出油量和出水量的比例应当恒定，实际上受到进液量变化、进液含水率、含气量变化以及测量仪表精度的限制，油水分离过程是一个长周期、非平稳过程，采用模糊控制可以兼顾自动控制及人工控制的优点。
本发明有益效果：
本发明专利主要是根据人工控制经验设计一种模糊优化控制方案，根据三相分离器设计参数停留时间计算平均油水界面、平均出水量、平均出油量，根据模糊规则计算调节阀的流量，由于采用一段时间的平均值作为计算参数，参数变化较为平稳，调节过程平稳，对油品性质没有要求，控制策略中增加了油水比例影响，当进液量变化时可以提前调整出水量，起到超前调节的作用，油水界面稳定，平均出油含水率低；本发明专利设计的控制算法可以避免三相分离器油水界面测量信号波动造成的控制不稳定的现象，抑制三相分离器进液量波动造成的扰动，出液含水率低并且波动小，生产运行平稳，降低了后续加热流程的热负荷及操作人员的工作强度。
具体实施方式
实施例1
该方法包括如下步骤：（一）、建立三相分离器出油含水率神经网络模型：在出水量、出油量、油室液位平稳时化验出油含水率，计算分离器停留时间内的平均油水界位、出水量累计、出油量累计，作为样本数据，取多组数据，采用BP神经网络算法计算出油含水率与油水界位、出水量累计、出油量累计的神经网络模型，根据当前出水量、出油量、平均油水界面高度计算当前出油含水率；在油水界面高度上下限之间均匀选取n1个点，根据三相分离器出油含水率神经网络模型计算当前出水量、出油量条件下各油水界面高度对应的出油含水率，最小出油含水率对应的油水界面高度作为最优油水界面高度Hopt在出水量5%变化范围内均匀选取n2个点，根据三相分离器出油含水率神经网络模型计算当前油水界面高度、出油量条件下各出水量对应的出油含水率，最小出油含水率对应的出水量作为最优出水量Qopt，可以计算最优出水瞬时流量Fwopt。（二）、建立三相分离器模糊控制规则：原油三相分离器中油水分离过程是一个物理过程，分离前后的总质量不变，当进液含水率不变、出油含水率不变的前提下，油水界面高度、出油量和出水量的比例应当恒定，实际上受到进液量变化、进液含水率、含气量变化以及测量仪表精度的限制，油水分离过程是一个长周期、非平稳过程，采用模糊控制可以兼顾自动控制及人工控制的优点。
实施例2
本发明专利是设计一种模糊优化控制方案，根据油水界面、出水量、出油量及人工化验含水率的历史数据建立三相分离器的出油含水率与平均油水界面、平均出水量、平均出油量的神经网络数学模型。建立根据平均油水界面、进液量变化调节出水量的模糊控制规则，利用实时采集的出油流量、出水流量、油室液位数据，以及三相分离器的物理尺寸，计算一段时间内的出油、出水累计值、油水界面变化量，根据模糊控制规则计算出水调节阀开度，
国内外尚未见到利用神经网络建立三相分离器出油含水率数学模型，利用模糊控制调节油水界面的研究报道。
建立三相分离器出油含水率神经网络模型
在出水量、出油量、油室液位较为平稳时化验出油含水率，计算分离器停留时间内的平均油水界位、出水量累计、出油量累计，作为样本数据，取多组数据，采用BP神经网络算法计算出油含水率与油水界位、出水量累计、出油量累计的神经网络模型。
根据当前出水量、出油量、平均油水界面高度可以计算当前出油含水率；在油水界面高度上下限之间均匀选取n1个点，根据三相分离器出油含水率神经网络模型计算当前出水量、出油量条件下各油水界面高度对应的出油含水率，最小出油含水率对应的油水界面高度作为最优油水界面高度Hopt。
在出水量5%变化范围内均匀选取n2个点，根据三相分离器出油含水率神经网络模型可以计算当前油水界面高度、出油量条件下各出水量对应的出油含水率，最小出油含水率对应的出水量作为最优出水量Qopt，可以计算最优出水瞬时流量Fwopt。
实施例3
建立三相分离器模糊控制规则
原油三相分离器中油水分离过程是一个物理过程，分离前后的总质量不变，当进液含水率不变、出油含水率不变的前提下，油水界面高度、出油量和出水量的比例应当恒定。实际上受到进液量变化、进液含水率、含气量变化以及测量仪表精度的限制，油水分离过程是一个长周期、非平稳过程，常规的自动控制方案效果不佳，甚至不如人工控制的分离效果好，采用模糊控制可以兼顾自动控制及人工控制的优点。
（1）根据出油流量计、油室液位计和出水流量计数值可以计算一天的出油量、出水量,设计停留时间Ts内的出油量、出水量，平均油水界面高度、油水界面变化量。
1）一天出油量
Qod=Qot-Qo(t-1)-S*(Hot-Ho(t-1))
其中：Qot表示当前t时刻出油流量计累计流量值m3；Qo(t-1) 表示1天前的出油流量计累计流量值m3；S表示油室横截面积m2；Hot表示当前t时刻油室液位高度值m；Ho(t-1) 表示1天前的油室液位高度值m。
2）一天出水量
Qwd=Qwt-Qw(t-1)
其中：Qwt表示当前t时刻出水流量计累计流量值m3；Qw(t-1) 表示1天前的出水流量计累计流量值m3。
3）Ts出油量
QoTs=Qot-Qo(t-Ts)-S*(Hot-Ho(t-Ts))
其中：Qot表示当前t时刻出油流量计累计流量值m3；Qo(t-Ts) 表示t-Ts时刻的出油流量计累计流量值m3；S表示油室横截面积m2；Hot表示当前t时刻油室液位高度值m；Ho(t-Ts)表示t-Ts时刻的油室液位高度值m。
4）Ts出水量
QwTs=Qwt-Qw(t-Ts)
其中：Qwt表示当前t时刻出水流量计累计流量值m3；Qw(t-Ts) 表示t-Ts时刻之前的出水流量计累计流量值m3。
5）平均油水界面高度
其中：N表示最近T时间内油水界面高度的采样次数；
表示第i次油水界面高度
测量值。
6）油水界面变化估计量
其中：Sa表示沉降室在
高度处的横截面积。
（2）建立模糊控制规则：
1）油水比例模糊控制
对于特定油区的油品，在短期内油品性质基本稳定，在原油三相分离器处理能力范围内出油量和出水量的比例也应当是稳定的，因此可以设定油水比例范围[Rmin,Rmax]，用最近一天的出油量与出水量比值作为油水比例均值Ravg=Qod//Qwd，计算停留时间内的出油量与出水量比例R= QoTs / QwTs。设定出水量油水比例调整系数范围[CRmin，CRmax]。
当R<Rmin时，出水量油水比例调整系数CR= CRmin；
当R>Rmax时，出水量油水比例调整系数CR= CRmax；
当Rmin<R<=Ravg<Rmax时，出水量油水比例调整系数CR=(R-Rmin)/( Ravg- Rmin)*( 1-CRmin)+ CRmin;
当Rmin<Ravg<R<Rmax时，出水量油水比例调整系数CR=(R- Ravg)/( Rmax-Ravg)*( CRmax-1)+ 1;
其它情况CR=1。
2）油水界面变化量模糊控制
原油三相分离器运行过程中需要保持油水界面稳定，设定停留时间内油水界面变
化上下限[Hcmin，Hcmax]，根据当前平均油水界面高度
、最优油水界面高度Hopt、油水
界面变化估计量
修正出水量。设定出水量油水界面调整系数范围[CHmin，CHmax]。
当Hc<Hcmin时，油水界面下降过快，设定出水量油水界面调整系数CH= CHmin；
当Hc>Hcmax时，油水界面上升过快，设定出水量油水界面调整系数CH= CHmax；
当
时，Hc>0，油水界面变化趋势与期望变化趋势相反，
设定出水量油水界面调整系数CH=（Hcmax –Hc）/ Hcmax* CHmax；
当
时，Hc<0，油水界面变化趋势与期望变化趋势相反，
设定出水量油水界面调整系数CH=（Hc –Hcmin）/ (-Hcmin)* CHmax；
其它情况时，设定出水量油水界面调整系数CH=1。
3）停留时间模糊控制
停留时间的大小对原油三相分离器的分离效果有重要的影响，当进液量大于设计处理量时实际停留时间小于设计停留时间，通过适当增加出水量，延长原油的停留时间，降低出油含水率。可以根据出油量、出水量累计值可以计算实际的停留时间Tst=V/（（QoTs +QwTs）/Ts）。设定出水量停留时间调整系数范围[CTmin，CTmax]，其中CTmin=1。
当Tst>=Ts时，设定停留时间调整系数CT= CTmin；
当Tst<Ts/2时，设定停留时间调整系数CT= CTmax；
其它情况时，设定停留时间调整系数CT=（Ts -Tst）/（Ts/2）* CTmax。
4）最优流量模糊控制
记当前出水瞬时流量测量值为Fwt，根据三相分离器出油含水率神经网络模型计算最优出水瞬时流量Fwopt，经过前面步骤的修正后出水瞬时流量Fw’=（QoTs +QwTs）*（1-CR）/Ts*CH*CT,设定流量调节死区Fd。
当Fw’>Fwopt>Fwt或Fwt >Fwopt>Fw’,并且|Fwt-Fwopt|>Fd，控制出水调节阀，出水瞬时流量达到Fwopt；
当Fwopt>Fw’>Fwt或Fwt>Fw’>Fwopt, 并且|Fwt- Fw’|>Fd，控制出水调节阀，出水瞬时流量达到Fw’；
其它情况时,保持出水调节阀开度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (1)
1.一种原油三相分离器油水界面模糊优化控制方法，其特征在于：
（1）、建立三相分离器出油含水率神经网络模型，在出水量、出油量、油室液位较为平稳时化验出油含水率，计算分离器停留时间内的平均油水界位、出水量累计、出油量累计，作为样本数据，取多组数据，采用BP神经网络算法计算出油含水率与油水界位、出水量累计、出油量累计的神经网络模型；
根据当前出水量、出油量、平均油水界面高度可以计算当前出油含水率；在油水界面高度上下限之间均匀选取n1个点，根据三相分离器出油含水率神经网络模型计算当前出水量、出油量条件下各油水界面高度对应的出油含水率，最小出油含水率对应的油水界面高度作为最优油水界面高度；
在出水量5%变化范围内均匀选取n2个点，根据三相分离器出油含水率神经网络模型可以计算当前油水界面高度、出油量条件下各出水量对应的出油含水率，最小出油含水率对应的出水量作为最优出水量，可以计算最优出水瞬时流量；
（2）、建立三相分离器模糊控制规则，根据出油流量计、油室液位计和出水流量计数值可以计算一天的出油量、出水量,设计停留时间Ts内的出油量、出水量，平均油水界面高度、油水界面变化量；
建立模糊控制规则：
油水比例模糊控制，对于特定油区的油品，在短期内油品性质基本稳定，在原油三相分离器处理能力范围内出油量和出水量的比例也应当是稳定的，因此可以设定油水比例范围，用最近一天的出油量与出水量比值作为油水比例均值，计算停留时间内的出油量与出水量比例；
油水界面变化量模糊控制，原油三相分离器运行过程中需要保持油水界面稳定，设定停留时间内油水界面变化上下限，根据当前平均油水界面高度、最优油水界面高度、油水界面变化估计量修正出水量；
停留时间模糊控制，根据出油量、出水量累计值可以计算实际的停留时间；
最优流量模糊控制，根据三相分离器出油含水率神经网络模型计算最优出水瞬时流量，经过前面步骤的修正后出水瞬时流量,设定流量调节死区，控制出水调节阀。
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