CN113280261B - 自动再熔化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动再熔化控制系统。一种系统可以自动控制管道加热系统以维持期望的温度和/或提供过程流体沿着管道的流动保证。该系统可以通过监测沿管道的温度并从监测的温度识别与给定过程流体的凝固或熔化相关联的潜热特征的发生和位置，来识别给定过程流体的凝固或给定过程流体的熔化的发生和位置。该系统可确定凝固过程流体沿管道的分布。该系统可以逐米地确定管道的给定区段被固态和/或液态过程流体填充的百分比。该系统可以执行自动再熔化操作以解决可能在管道中发生的凝固过程流体的堵塞。

Description

自动再熔化控制系统

本申请是申请人于2017年9月11日提交的申请号为201780068913.9(国际申请号PCT/US2017/051024)、发明名称为“自动再熔化控制系统”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请基于2016年9月9日提交的美国临时申请序列号62/385,718和2016年12月13日提交的美国临时申请序列号62/433,706，要求这两项申请的优先权，并通过引用全部合并于此。

技术领域

本发明涉及管道(pipeline)监测和管理系统，并且特别涉及用于自动控制管道加热系统以维持期望温度和/或提供过程流体(process fluid)沿管道的流动保证的系统。

背景技术

在通过管道输送期间管理过程流体(例如，油，天然气，熔融材料)的温度可能是关键问题，特别是当该过程流体是相对于温度表现出变化的粘度特性的材料时。例如，硫管道的性能和使用寿命中最关键的问题是凝固硫的安全可靠的再熔化以重建流动。历史上最受关注的是确保在正常操作期间实现所需的管道维持温度。液态硫管道的管理主要留给了轮班操作员，轮班操作员利用他的判断和经验做出适当的决策。这是一种高度手动且依赖于操作员的方法，其中用于驱动决策的实时数据有限或没有。它很多次成为管理管道的“最佳猜测”手动方法。由于人为错误，手动驱动的再熔化程序会失败，并且由于凝固过程流体的过度移动和/或管锚失效而造成的管道破裂或损坏，未能对管道中的凝固过程流体使用安全、可靠和可重复的再熔化方法的可能性会导致工厂停工。

因此，会希望提供改进的管道再熔化系统和方法。

发明内容

通过用于自动监测和管理管道的均匀热分布以便维持管道中的过程流体的期望特性(特别是温度)的方法、装置和/或系统来满足前述需求。在一些实施例中，用于管道的监测和管理系统可以包括：一根或多根跟踪加热线缆，例如趋肤效应热管，以向管道提供热量(例如，作为加热系统的一部分)；光纤线缆，用于沿管道进行分布式温度感测；多个传感器，用于检测和报告管道操作数据；预隔热管；隔离管支架和锚杆；以及在计算机化监测设备上实现的再熔化程序。沿着管道的组合仪器可用于收集关键的决策数据；本过程对这些数据进行操作，以确定是否改变加热系统的操作参数和/或响应于热分布的变化而生成警报。

特别是关于硫管道维护，本系统和方法结合了预测建模、瞬态分析和改进的软件解决方案的最新发展，为凝固硫创建动态的实时模型，因为凝固硫在管道内通过其相变转变为液态。由于存在在管道的各个部分中以不同速率发生再熔化的可能性，因此必须以不允许发生过压或其他管道故障模式的方式执行该活动。此外，可以通过减少或消除它们对硫的熔点和凝固点的依赖性来改善自动再熔化决策，硫的熔点和凝固点会由于材料纯度、管道压力和其他因素而变化。本公开尤其解决了在管道投入使用之前的初始测试、预调试、调试和/或初步再熔化测试活动期间收集数据的要求以及收集这些数据的必要程序。在一些实施例中，本公开提供了一种用于液态硫管道的数据驱动的自动再熔化/再加热方法，其组合了从各种集成技术生成的数据，并且使用定制的算法。结果是一个复杂的专有软件框架，其具有资产映射、参数基准测试、密集数据收集和专门数据处理技术，所有这些都通过管道管理显示控制台上的专用“仪表板”提供。

根据以下描述，本发明的这些和其他方面将变得清晰。在本描述中，参考了形成本发明的一部分的附图，并且在附图中示出了本发明的实施例。这些实施例不一定代表本发明的全部范围，因此，参考本文的权利要求来解释本发明的范围。

附图说明

以下将参照附图描述本公开，在附图中相同的附图标记表示相同的元件。

图1是根据实施例的具有光纤分布式温度感测(DTS)的趋肤效应跟踪加热系统的示意图。

图2是根据实施例的用于光纤DTS系统的主要工作部件的图。

图3是根据实施例的管道管理控制台屏幕的图。

图4是根据实施例的用于管理管道的决策逻辑流程图。

图5是用光纤DTS测量的沿管道的温度分布图(温度与距离)的图。

图6是根据实施例的管道中的过程流体流(阶段和管道填充)的示意性显示图。

图7是根据实施例的管道中的过程流体流(管道填充百分比)的另一种显示的图。

具体实施方式

在进一步详细描述本发明之前，应当理解本发明不限于所描述的特定方面。还应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定方面的目的，而不是限制性的。本发明的范围将仅受权利要求的限制。如本文所用，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一种”、“一个”和“该”包括复数方面。

对于本领域技术人员来说应该清楚的是，在不脱离本发明构思的情况下，除了已经描述的那些修改之外的许多附加修改也是可能的。在解释本公开时，所有术语应该以与上下文一致的尽可能最广泛的方式解释。术语“包括”、“包含”或“具有”的变体应该被解释为以非排他性的方式提及元件、部件或步骤，因此所提及的元件、部件或步骤可以与未明确提及的其他元件、部件或步骤组合。除非上下文另有明确说明，否则作为“包括”、“包含”或“具有”某些元件提及的方面也被认为是“基本上由这些元件组成”和“由这些元件组成”。应该认识到，除非上下文另外明确说明，否则关于系统描述的本公开的方面适用于方法，反之亦然。

本文公开的数值范围包括它们的端点。例如，1到10之间的数值范围包括值1和10。当针对给定值公开一系列数值范围时，本公开明确地考虑包括那些范围的上限和下限的所有组合的范围。例如，1到10之间或2到9之间的数值范围旨在包括1到9之间以及2到10之间的数值范围。

本公开通过与硫管道中的液态硫的监测和凝固硫的再熔化相关的特定细节被呈示，但是这些细节也可以应用于其他管道和其他过程流体，其包括石油、各种类型的原油或加工油、天然和高挥发性气体、化学品等。因此，本文的描述不限于应用到硫管道。

管道故障可能由以下原因引起：由于缺乏压力管理而在管道中积聚压力；具有高热量损失的焊管鞋或有缺陷的锚设计；厚度不足和/或现场安装保温性差；无法监测沿管道的整个长度的管道温度；在局部热量损失沿管道产生冷区时的“紧急状况”期间没有任何额外的热传递能力；过度的管道移动；由于过程流体(例如硫)凝固而存在于管道中的空隙/空区的“失控加热(runaway heating)”；以及没有明确和有章法的再熔化程序。为了妥善解决这些问题，这些问题的动态性需要多学科方法和对过程流体(例如，硫)性质和管道操作行为的深入体验。在传统的加热系统中，不良的规划可能导致管道的非均匀的热分布，以及在未知位置处发生过程流体的凝固。

沿着整个构建的管道的100％均匀的热分布(即，关于过程流体的温度)是理想的，但通常是不现实的。局部热不连续性(从热传递角度来看)可以产生复杂和动态的环境。这些不连续性可以包括管道空隙空间(无液体区域)、过多的热量损失区域(例如管道支架/锚杆)和高度变化(峰/谷和/或垂直立管)的影响。为了对抗这些不连续性，密集网格、温度变化率的精确映射以及其他操作参数可以生成用于过程流体再熔化的更复杂和可预测的实时模型。开发基于在调试和初步启动期间的测量数据的趋势的专门算法，可以提供潜在故障模式的早期指示，并且可以用于更精确地监测和评估动态管道状况，这归因于成功实现了定制的自动再熔化程序。

在规划新管道时，在项目周期的早期考虑了关键方面，这将最终确定已完成资产的运营效益。这里，考虑硫管道的示例。硫的物理性质及其狭窄的工作温度区域带来了许多设计挑战。由于硫在约119℃的温度处开始冻结，因此大多数管道在135℃至150℃之间的温度操作。重要的是设计和实现适应在管道的使用寿命期间的启动期间和温度循环期间的大管道运动的管道几何结构。特别是，对于管道设计，应该理解并仔细考虑如下三类特性之间的共生关系：硫材料本身的物理特性；管道的机械配置，其包括支架、锚杆、膨胀环和计划的管道运动；以及管道加热系统的设计，其包括如本文进一步描述的可应用技术的集成。

同样重要的是要认识到，每个液态硫管道在其使用寿命期间几乎肯定会经历三种不同的流动状态：流动(即，移动，熔化)硫(高于冻结点的温度)；停滞的，即不流动但仍处于熔融状态的液态硫(需要恢复流动)；以及堵塞的(plugged)，其中部分管道经历了硫凝固(可能形成有空隙)，这在管道内形成一个或多个堵塞(plug)。每种流动状态通常由管道操作员利用从预调试测试活动开始收集到的预先计划的适当数据以相应不同的方式处理。

当试图重建流动时，堵塞的管道流动状态对于硫管道操作员来说是一个关键且麻烦的问题。因为管道中硫的再熔化可以在管道的不同部分中以不同的速率发生，所以必须以不使管道过压或允许其他管道故障模式发生的方式执行该再熔化活动。虽然可能涉及其他因素，但是在堵塞的管道中重建流动通常是困难的，因为硫的固液相变由于在固态硫熔化并变成液态硫时发生的体积增加而产生了膨胀力。如果没有正确考虑这些膨胀力，则这些膨胀力可能会使管道过压，从而可能损坏管道。例如，如果在管道中的凝固硫的堵塞后面施加足够的压力，则堵塞可能由于压力而松脱，并且不受控制地移动通过管道，可能在该过程中损坏管道(例如，通过强行与管道侧壁接触)。通过监测沿管道的温度趋势，可以预测和跟踪管道中自由移动的堵塞的运动。

随着预测建模、瞬态分析和改进的软件解决方案的最近发展，现在可以产生用于检测和/或预测硫(或其他过程流体)在管道内进行相变时的凝固的动态的实时模型。该建模可以在用于输送过程流体的管道的自动再熔化系统中实现。特别地，可以使用一种或多种协作算法来基于硫相变期间的潜热而不是通常定义的硫的熔点和凝固点来确定任一或两个相变(即，固态到液体和液态到固态)的潜热特征。作为与硫的液态到固态相变相关联的潜热特征的一个示例，可以在沿着管道的硫从液态转变为固态(例如，冻结)的位置处检测到瞬时向上温度尖峰。作为与硫的固液相变相关联的潜热特征的一个示例，可以在沿着管道的硫从固态转变为液态(例如，熔化)的位置处检测到连续的温度降低。上述潜热特征的检测可以由耦合到管道的传感器网络执行，并且自动再熔化系统中的控制器(例如，中央处理单元)可以分析由传感器网络生成的时空温度数据(例如，分布式温度感测(DTS)数据)，以确定温度数据中存在潜热特征并确定沿管道的潜热特征的位置。使用与过程流体(在这种情况下为硫)的相变相关联的潜热特征来识别过程流体在沿管道的位置处的凝固或熔化，不依赖于特定的熔化或冻结温度。基于潜热特征的自动再熔化模型的这种性质在与承载诸如硫的过程材料的管道结合使用时可能是特别有益的，该过程材料不会在离散温度处冻结，而是在温度梯度上冻结(例如，在硫的情况下为114至120℃)。

当预测过程材料可能在管道内冻结的位置时，自动再熔化系统中使用的预测建模会考虑温度和高度因素。例如，由于管道的低高度区段的几何结构，管道的具有低高度水平且在前后相邻的管道区段具有相对较高的高度的区段将可能累积凝固的过程材料。考虑到硫的情况，当硫从固态转变为液态时，硫的体积增加。相反，当硫从液态转变为固态时，硫的体积减少。当管道的低高度区段的硫凝固时，该硫占据的体积的量减小，从而允许液态硫从管道的相邻区段流入由这种体积减小而产生的间隙中。以这种方式，管道的区段可以被固态硫完全填充(例如，堵塞)。当再熔化这些堵塞中的一个时，存在由于与硫的固液相变相关联的膨胀体积而导致包含堵塞的管道区段会变得过度加压的过压的风险，这会导致堵塞被推进，不受控制通过管道，或者可能导致管道本身破裂。

当诸如管支架和锚杆的部件被设计成仅使管道移动最小化而不考虑热量损失的影响时，可以发生热沉(heat sink)和其他不均匀的热量损失。此外，安装保温性差本身会危害管道的热量损失均匀性。例如，由于隔热不当，保温材料可能会暴露在湿气下。湿保温材料会导致管道中过度的热量损失。系统可以基于温度数据识别沿着管道的湿保温材料的位置，并且可以(例如，通过用户界面向用户)发出指示该位置处的保温材料需要被修理或更换的通知。当为任何服务加热管道时，尤其是对于非常高的工作温度，必须最大化管道周围的热封套的效率。这产生了“均匀的热分布”的概念，理想情况是，沿着管道没有会导致周围区域损失过多的热量的热沉。本文提供的“智能”硫管道寻求即使在堵塞和再熔化的情况下也沿管道保持均匀的热分布。

为了实现整个管道的均匀热分布，该系统集成了现有的管道加热技术、预隔热管道、沿着管道的整个长度监测管道温度的传感器网络(例如，基于光纤的分布式温度感测(DTS)系统)、最少化局部热量损失的工程管道支架和锚杆以及计算建模和瞬态分析。所有这些系统部件和定制程序一起在硫输送管道的操作中创造了协同效应。这五个关键部件将在下面进一步描述。

在一些实施例中，加热系统可以是趋肤效应热管理系统。图1示出了示例性管道温度管理系统，其包括如下面进一步描述的光纤DTS系统。管道温度管理系统100(例如，控制系统)包括预隔热管102，其可以被复合保温材料和包层114包围。例如，与非隔热管相比，预隔热管102可以提供更高的质量、施工进度改进、易于安装、较低的安装成本、耐用的结构和减少的维护。系统100还可包括沿预隔热管102的长度设置的一个或多个热管116。热管116可用作管102的加热器，并可通过变压器124和电源连接盒110从电源126接收电力。基于由控制面板122中的控制器生成的控制信号，可以通过电源连接盒110向热管116(例如，使用切换电路)选择性地施加电力。控制面板122还可以包括计算机可读的非暂态存储器，该存储器包括可以由控制面板122中的控制器执行以便执行本文描述的由控制器执行的操作的指令(例如，计算机可执行指令)。这些控制信号可以在将管102的温度保持在预定的设定点温度附近的常规过程中自动生成。该设定点温度可以超过过程流体的标称熔点预定的量。当确定过程流体在管102中开始凝固时，控制面板122中的控制器可以指示热管116(例如，通过向电源连接盒110提供控制信号)向其中检测到过程流体的凝固发生的管102的区段提供额外的热量(例如，超出将管102的温度保持在设定点温度处所需的热量)。例如，通过将存储在控制面板122的存储器中的潜热特征与由控制面板122中的控制器从传感器系统(例如，图2的DTS系统200)提取的(一段时间内的)温度数据进行比较，并识别所提取的温度数据中的与所存储的潜热特征匹配的一个或多个潜热特征，可以确定过程流体开始在管102中凝固。另外，如下面更详细描述的那样，控制面板122中的控制器可以指示热管116在完全或部分再熔化操作期间根据再熔化算法将热量(例如，额外的热能)施加到管102，以便熔化管道中的凝固过程流体。

使用基于光纤的DTS系统(例如，其可包括一个或多个流体温度传感器)来测量管102上的温度。DTS系统包括处理电路120，其可包括频率发生器、激光源、光学模块、高频混频器、接收器和微处理器单元。处理电路120可以耦合到沿着管102设置的光纤线118，例如，通过光纤接头盒112。在处理电路120处产生的光信号可以沿着一段光纤线118向下行进到光纤端盒104。可以使用诸如光学频域反射计(OFDR)或光学时域反射计(OTDR)的反射计方法来分析当光信号沿光纤线118行进时产生的反向散射信号。可以通过分析这些反向散射信号来产生DTS数据(例如，管道的时空温度数据)，其中DTS数据的每个数据点表示管道的温度、测量温度的时间以及沿管道的测量该温度的位置。可选地，可以沿着管102包括电阻温度检测器(RTD)108。RTD 108可以生成与DTS系统生成的温度数据分开的RTD温度数据，其可以用于验证DTS数据(例如，以确保DTS数据合理地精确)。

图2中示出了可以与系统100结合使用的DTS系统的更详细的图。DTS系统200包括脉冲激光器202，其通过定向耦合器212耦合到光纤(例如，光纤线路)206。脉冲激光器202可以以高频率(例如，每10ns)产生激光脉冲208。由于密度和成分的变化以及分子和体振动，所以当每个脉冲208传播通过光纤206的芯时光被反向散射。可以使用镜子214或任何其他期望的反射表面来将反向散射光210引导到分析器204。在均匀光纤中，采样的反向散射光的强度随距离呈指数衰减。光纤206中光传播的速度被很好地定义和建模，并且脉冲208在作为反向散射光210(例如，部分地)被反射之前沿着光纤206行进的距离可以由分析器204使用反向散射光210的确定性收集时间来计算。因此，可以从反向散射光210同时确定管道的温度和与该温度相关联的沿管道的距离。

DTS系统200能够使用由激光器202和分析器204(例如，专门的光学时域反射仪)组成的询问电子器件来测量和分析反向散射光210，该电子器件包括用于分析分布式或点温度信息的特定光谱信号的软件。此外，DTS系统200使用光纤206作为感测元件来利用光反射率的拉曼光谱测量温度，以分析在脉冲208通过光纤206时产生的反向散射光210。DTS系统200可以沿着管道(例如，图1的管102)的整个长度安装。DTS系统200可以精确且及时地生成管道温度超出范围的通知。DTS系统200可以提供警报以向操作员指示可能危害管道中的过程流体流动的任何极端温度事件的位置和强度。DTS系统200可以进一步执行管道中的热沉或冷点的识别和故障排除，并且可以在1米精度内识别沿管道的这些热沉或冷点的位置(例如，通过使用DTS系统200逐米地监测管道的温度)。由DTS系统200生成的通知和警报可以被提供给诸如计算机或移动设备之类的一个或多个用户设备，其经由诸如因特网、广域网或局域网之类的通信系统连接到DTS系统200。由分析器204生成的DTS数据的分析可以在分析器204处执行，或者可以由通信地耦合到DTS系统200(例如，与其进行电子通信)的外部控制器(例如，图1的控制面板122中的控制器)执行。类似地，由DTS系统200生成的上述的通知和警报可以代替地由外部控制器生成并提供给操作员。

因此，DTS系统200通过沿整个管道监测温度来提供热智能。因此，可以使用DTS或类似的温度测量技术来生成沿整个管道的温度分布，这可有助于日常决策以有效且安全地操作管道。DTS系统200还可以在例行操作和偏移事件期间精确地记录历史过程流体温度。该历史温度数据可以例如存储在DTS系统200的非暂态存储器中。当DTS系统200生成新的温度数据时，可以基于可存储在DTS系统200的非暂态存储器中的预定范围来验证该新的温度数据，以确保测量的温度在合理范围内。在新温度数据在上述的分析器204处如上所述进行进一步分析之前，并且，在新温度数据作为历史温度数据的一部分存储在DTS系统200的非暂态存储器中之前，可以对新温度数据进行该验证。如果成功验证了新温度数据，则分析和存储继续正常进行。否则，如果新温度数据未通过验证(例如，新温度数据在预定范围之外)，则丢弃新温度数据并且不对其进行进一步处理或存储。

随着本自动化系统和程序的引入，管道的再熔化过程可以变得更加可预测，留下更少的偶然性。可以基于管道的DTS数据和为管道收集的其他动态信息来执行自动再熔化。返回到图1，管道管理系统100还可以包括用于生成管道数据和其他动态信息(例如，其可以被发送到图1的控制面板122的控制器并由其接收)的若干不同类型的传感器输入中的每一种中的一个或多个。这些输入可以包括分布式测量结果和离散测量结果两者，并且可以生成描述过程流体及其流动以及诸如加热系统、保温材料、传感器和管道区段本身的不同系统部件的状态的数据。

该数据处理延伸到传统的管道温度监测之外，传统的管道温度监测通常限于在管道温度已经移出到管道的某一部分的可接受范围之外时提供预警或警报。相反，本系统100提供数据分析(或逻辑)模块，其用于支持管道的日常操作和维护。在一些实施例中，这些逻辑模块可根据其功能分为三类：操作模块，其可包括用于监测和报告过程流特性并检测堵塞、温度变化和其他异常的模块；维护模块，其可包括用于监测诸如加热器系统、保温材料、传感器、锚杆等管道部件的模块；以及“特殊情况”模块，用于执行特定任务，例如特定的预调试和调试测试以及再熔化过程管理。逻辑模块可以被实现为在系统100中的控制器(例如，控制面板122中的控制器)上运行的过程。

从在测试(预调试)、调试和管道启动期间测量的数据创建的定制算法的开发可以应用于创建管道行为预测模型，其可以在专门的软件框架中实现。这些算法应该是确定性的，其中与从系统100收集管道数据相关联的固有延迟作为算法的一部分。不确定性可能与管道数据的某些部分的收集相关联，这可以通过在算法中实现延迟窗口来做出解释。当处理未知数据延迟时，由系统100(例如，由系统100中的控制器)执行的处理可以被延迟，直到已经接收到预定量的管道数据为止。所有管道数据应当在时间上和空间上适当地排序，以便保持系统100执行的数据处理和分析的完整性。

当预测过程材料可能在管道内冻结的位置时，系统100的预测建模可以考虑温度和高度因素。例如，由于管道的低高度区段的几何结构，管道的具有低高度水平且在前后相邻的管道区段具有相对高的高度的区段将可能累积凝固的过程材料。管道的逐米高度数据可以存储在系统100的非暂态存储器中，并且可以用于识别这些低高度的区域。考虑到硫的情况，当硫从固态转变为液态时，硫的体积增加。相反，当硫从液态转变为固态时，硫的体积减少。当管道的低高度区段的硫凝固时，该硫占据的体积的量减小，从而允许液态硫从管道的相邻区段流入由这种体积减小而产生的间隙中。以这种方式，管道的区段可以被凝固硫完全填充(例如，堵塞)。当再熔化这些堵塞中的一个时，存在由于与硫的固液相变相关联的膨胀体积而导致包含堵塞的管道区段会变得过度加压的过压的风险，这会导致堵塞被推进，不受控制通过管道，或者可能导致管道本身破裂。通过使用预测建模来精确地预测在这些低高度区域(或确定可能发生硫凝固的其他区域)中的凝固过程流体的形成，系统100可以主动地将热量施加到这些区域以防止堵塞。

应当注意，虽然上述示例描述了基于高度的预测建模，但是可以将其他管道区域和状况识别为易于凝固过程流体累积和堵塞。例如，与管道的直线区段相比，管道中的曲线可能往往会累积更多凝固过程流体，并且沿着管道的锚点可能由于热量传递到支撑管道的锚杆而累积更多的凝固过程流体，这可能将锚点的温度降低到过程流体的凝固点以下。

通过以这种方式对管道进行预测建模，管道温度和泵速可以由系统100动态管理，以基于环境温度、输入产品温度和其他因素来平衡冻结风险和操作/维护成本。

参照图3，由上面概述的操作、维护和特殊情况算法模块生成的信息可以使用定制的“智能仪表板”用户界面300在管道管理控制台处组织和呈现。管道管理控制台可以在诸如计算机或移动设备的电子设备(例如，客户端设备)上实现，该电子设备通过通信网络(例如，本地网络或通过因特网)通信地连接到图1的管道管理系统100。

用户界面300允许控制室人员(例如，操作员)立即识别管道的当前状态并启动由软件推荐的适当响应或措施。使用导航工具，用户可以在各种高级数据汇总和分析画面之间切换。软件(例如，在图1的控制面板122中的控制器上运行的软件)根据需要向这些客户端系统中的一个或多个发送自动消息(例如，通过电子邮件或通过短消息服务(SMS))，以向人员通知管道上需要注意或干预的状况。图3示出了根据本公开的管道管理控制台的用户界面300的样例画面。该画面表明了可以在单个智能仪表板上一次显示许多关键操作参数。用户界面300可以显示在客户端系统的屏幕上。例如，可以通过使用用户ID和(可选地)对于单个操作员或操作员组唯一的密码登录到门户网站来访问其用户界面300是其一部分的管道管理控制台。管道控制台可以基于用于通过门户网站访问控制台的用户ID，为不同的操作员或操作员组启用不同的单独功能。

图1的系统100的基本操作可以遵循图4中所示的逻辑图的过程400。在402处，可以从传感器和其他系统部件(例如图2的DTS系统200)收集管道数据，并且，可以聚合管道数据。在404处，管道数据可以由系统100在404处管理。在406处，在任何数据分析之前，管道数据可以(例如，通过控制面板122中的控制器或通过分析器204)使用任何合适的验证过程来被验证为来源正确且完整。例如，可以将DTS数据中的温度测量结果与存储在存储器中的预定温度范围进行比较，以验证这些温度测量结果是合理的，这可以降低噪声并且可以确保系统100的精度。在408处，系统内的控制器100(例如，控制面板122中的控制器或分析器204)可以分析数据，以在410处确定是否需要向操作员发出任何通知，并且在414处进一步确定操作员或者系统100本身是否应该采取任何措施。如果不需要通知或措施，则过程400返回到408以分析任何新的输入管道数据。如果确定需要通知，则在412处，可以向操作员提供通知消息(例如，通过电子邮件或SMS)，并且过程400然后返回到408。如果确定需要措施，则在416处可以向操作员(例如，通过电子邮件或SMS)提供请求采取所需的措施的消息，或者系统100可以自动地采取所需的措施而无需用户干预，并且过程400然后返回到408。例如，所需的措施可以包括(例如，利用系统100中的控制器)响应于检测到管道中的凝固过程流体而启动部分或全部再熔化程序。

当操作模块算法(例如，硬编码算法)检测并响应管道中的堵塞或冻结区段时，可以使用自动再熔化管理器，其可以是如上所述的“特殊情况”模块。管道中的凝固过程流体可以通过两种技术中的一种来检测：尽管事实上泵正在操作，仍然检测到阻止流动的管道中的堵塞；或者，(例如，基于与过程流体的凝固相关联的潜热特征)检测到管道的区段中的过程流体已经进行了到固态的相变。

图5示出了当局部凝固硫堵塞阻止管道被填充时测量的温度分布。为了产生图示的图500，空管道被预热，第一次填充，然后排空。在将液态硫再次引入管道后不久，流量计数据显示流动已在位置502处停止，尽管泵正在运行且泵出口压力正常。

含有液态硫的管道区段的温度数据的空间变化(图的左侧)非常低，且噪声很小。这与空管道区段的数据(图的右侧)中看到的相对较高的变化形成鲜明对比。这种输入组合(泵在运行，压力正常，流动停止，DTS温度变化显示双峰行为)允许逻辑模块确定堵塞的存在(例如，发生)和精确位置。在这种情况下，系统100评估管道中固态硫相的分布，因为要利用的再熔化过程的类型和程度取决于硫已冻结的程度。

图6示出了当管道管理系统100将关键参数的历史数据与管道的分析模型组合以对管道中存在的凝固和液态硫进行评估时生成的示意图。该示意图可以显示给操作员以用于分析系统100的当前状态(例如，并且可以通过图3的用户界面300访问)。虽然本示意图与硫有关，但是应该注意，示意性的对应过程可以与任何其他所需的过程流体结合使用。

在示意图中，液态硫显示为具有对角线阴影标记，凝固硫显示为具有垂直和水平的交叉阴影线，并且空管显示为没有图案。管道600在四个地方604、606、608和610经历了局部堵塞。一些液态硫存在于紧接堵塞604、606和608的下游，并且，液态硫填充第一堵塞604之前的管道的区段602。由于堵塞或由于在这些区域中有意排出液态硫，区段612、614、616和618可以基本上是空的(没有液态硫或凝固硫)。管道可以在概念上被划分为多个加热区，并且这些加热器区中的每一个中的加热线缆可以是独立可控的。当凝固硫局域于在几米跨度的管道内时(如上例所示)，可以通过使用部分再熔化例程再熔化，该例程暂时最大化受影响的区域中的加热器功率(从而对应的热输出)。在这种情况下，系统100可以激活包含冻结硫的加热区并识别堵塞的确切位置，以便在必要时可以目视检查堵塞位点并进行外部加热。所有未受影响的加热区将被设置为在其停滞线设定点温度处正常循环。一旦系统100收集到验证堵塞再熔化已经完全完成的热证据(例如，DTS数据)，系统100就可以让激活的加热区返回到正常操作。

当算法检测到硫在管道的较长区段(例如，大于预定长度)上凝固时，系统100可以转换到完全再熔化模式。此过程开始向操作人员发出通知，建议采取某些措施。例如，管道管理控制台可以告知操作人员哪里的通风口和排出口与可以排出的液态硫的口袋对齐以简化再熔化。在这些措施之后，操作人员可以确认推荐措施的管道管理系统100提供的提示，并且加热系统将开始自动再熔化。在待再熔化的管道区段部分下降到低于硫的冻结点之后，管道排出和冷却逻辑模块可以通过监测沿管道的不同位置处的冷却速率或加热速率(例如，通过监测温度随时间的变化率)来生成凝固硫填充分布数据。冷却速率或加热速率可以根据沿管道的给定位置处存在的固态或液态硫(或者固态和液态硫两者)的量而变化。硫的这种位置和填充百分比数据(凝固和液体填充百分比)可以提供监测再熔化活动的基线。图7示出了这样的示例性情况，其中，整个运输管道已经冷却到硫冻结点以下，并且在相变之前排出量最少。在图700中，管702几乎完全被凝固硫填充。管道填充分布704的该图形表示可以通过通信地连接到管道管理系统100的客户端系统的图形用户界面(例如，可通过图3的用户界面300访问)而呈现给操作员。

管道与排出冷却模型将凝固硫管道填充百分比分解为四类：0％填充(无图案)；1％-25％填充(右上对角线阴影标记图案)；26％-50％填充(交叉阴影图案)；51％-75％填充(右下对角线阴影标记图案)；以及76％-100％填充(实心填充图案)。在再熔化期间利用填充分布信息来预测空管容积可用于在其相变期间适应硫膨胀的位置。为了开始再熔化，系统100利用各种加热器区和可用的功率水平来实现恰好低于硫熔点的均匀管道温度。如果这是不可实现的，则系统100将恢复到温度维持模式，在该温度维持模式下，加热器区将管道温度维持在预定的设定点温度，并且向操作和维护人员通知现有的非均匀性问题。在允许进行自动再熔化之前，应该解决任何此类问题。

一旦实现了均匀的预熔温度分布，管道管理系统100就可以向操作员提供提示(例如，在操作员使用的客户端系统处)，以验证所有管道阀门、通风口和排出口是否被设置为打开位置。这将提供最大可用的膨胀体积，以适应在再熔化期间从固态到液态的硫相变。例如，系统100可以仅在操作人员确认该提示之后才开始将管道的温度升高到硫熔点。随着管道温度的升高，硫熔化算法可以跟踪从固态到液态的硫相变的进度(例如，逐米地)。针对在如排出和冷却算法所识别的关键管道区段(具有低可用膨胀体积的区段)处的均匀性，(例如，通过图1的控制面板122中的控制器)分析该相变数据(例如，管道再熔化数据)。管道管理系统100控制加热器区和可用的功率水平，以使沿着这些关键管道区段的相变同步。

在一些实施例中，所提出的算法可以在管道加热和控制系统的初始部署和测试期间使用，以确定在沿着管道的不同点处当过程材料在管道内进行其相变时产生的过程材料特有的潜热特征。然后，系统100可以使用如DTS系统测量的关于任一相变(固态到液态或液态到固态)的潜热特征，而不是利用硫的熔点和凝固点(这可能是模糊的，并且可能缺乏定义)，来管理再融化。例如，在管道中的液态硫的冷冻期间，DTS数据可以(逐米地)显示当液态硫冻结(即，凝固)时释放的热量。这允许系统100基于沿着管道的整个长度的分布来检测从液态硫到固态硫的变化。类似地，在管道中的凝固硫熔化的过程中，DTS数据(逐米地)显示当凝固硫熔化时发生的每固定单位热输入的温度升高量的下降。对DTS数据的分析允许系统100基于沿着管道的整个长度的分布来检测从固态硫到液态硫的变化。因此，系统100从DTS数据解释与硫的测量温度无关的实际相变的潜热特征，以便在管道中发生硫相变时识别到硫相变。在一些实施例中，该识别可以以一米或甚至更小的分辨率执行，即，系统100可以从管道的每米处的传感器接收DTS数据，并且可以以大约一米的精度识别潜在的硫凝固。应当注意，虽然这里描述的处理任务已经针对DTS数据的处理，但这是说明性的而非限制性的。可以使用任何其他所需的数据类型，例如监督控制和数据采集(SCADA)来代替DTS数据或与DTS数据结合使用。

如果在自动再熔化过程中的任何点处算法不能实现空间均匀的相变，则系统100将把管道温度保持在硫的熔点以下，并且向操作和维护人员通知不能实现所需均匀性的管道位置(通过特定的仪表标记)。例如，算法(例如，在控制面板122中的控制器上执行)可以确定，在沿管道的一些位置处的加热速率(例如，温度的变化速率)指示凝固过程流体在这些位置处正在按给定速率进行从固态到液态的相变，而在沿管道的其他位置处的加热速率指示凝固过程流体在所述其他位置处以不同于给定速率的速率进行从固态到液态的相变。该确定可以指示在管道内发生的空间非均匀相变，这可能需要部分的操作和维护人员(例如，操作员)的干预，如上所述。只有在控制室人员已经验证系统100识别出的均匀性问题已经解决之后，系统100才会再次启动自动再熔化过程引擎。当系统100已经验证再熔化完成时，将指示操作人员关闭管道的通风口和排出口。加热器设定点温度将增加到停滞液态硫目标值。一旦管道加热器在停滞的液态硫设定点处正常循环，泵就可以启动并且控制软件回到其正常的操作和维护模式。

本领域技术人员将会认识到，尽管以上结合特定实施例和示例描述了本发明，但是本发明并不一定受此限制，并且许多其他实施例、示例、使用、修改以及对这些实施例、示例和使用的偏离旨在被所附权利要求所涵盖。在所附权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种用于输送过程流体的管道和向管道施加热能的加热系统的控制系统，所述控制系统包括：

传感器网络，被配置为记录管道数据，该传感器网络包括位于沿着管道的多个位置的多个温度传感器；以及

控制器，与传感器网络进行电子通信，该控制器包括处理器和存储特定计算机可执行指令的存储器，所述特定计算机可执行指令在由处理器执行时使控制器：

从传感器网络接收管道数据；

基于管道数据，确定随着时间位于沿着管道的多个位置的多个温度的多个变化率；

基于所述多个变化率中的一个或多个，确定凝固过程流体的堵塞位于管道中第一位置处，并且

经由与客户端系统的电子通信使得客户端系统的图形用户界面显示位于所述第一位置处的堵塞的表示。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，传感器网络包括基于光纤的分布式温度感测(DTS)系统。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述指令由处理器执行还使控制器：

基于管道数据生成凝固过程流体沿着管道的包括所述堵塞的所述第一位置的区段的分布；以及

经由与客户端系统的通信使得所述分布经由客户端系统的图形用户界面显示。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其中，控制器生成凝固过程流体的分布，计算分别表示出现在被包括在管道的所述区段中的多个位置的子集中的每个位置处的过程流体量的多个填充百分比。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其中所述指令由处理器的执行还使控制器：

控制加热系统以将管道的所述区段均匀加热到预熔温度，该预熔温度比凝固过程流体的熔点低预定度数；以及

使加热系统启动再熔化过程，其中加热系统将管道的所述区段的温度至少升高到凝固过程流体的熔点。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其中，所述指令由处理器的执行还使控制器：

从传感器网络接收再熔化过程中的管道数据的子集；

基于管道数据的子集，确定位于管道的所述区段的凝固过程流体的至少一部分经历了空间不均匀的相变；以及

使加热系统停止再熔化过程，并使管道的所述区段的温度恢复到凝固过程流体的熔点的附近。

7.一种用于管道的热管理的方法，包括：

记录与管道的温度特性相对应的管道数据；

确定随着时间与沿着管道的多个位置相对应的多个管道温度变化率；

基于所述多个管道温度变化率中的第一管道温度变化率，确定凝固过程流体的堵塞位于管道中第一位置处；以及

显示位于所述第一位置处的堵塞的表示。

8.根据权利要求7所述的方法，其中管道数据由包括基于光纤的分布式温度感测(DTS)系统的传感器网络记录。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括：

指示加热系统向与第一位置相对应的管道的第一加热区中的加热器供电；以及

指示加热系统将管道的第二加热区保持在停滞线设定点温度处。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

基于管道数据，生成凝固过程流体沿着管道的包括所述第一位置的区段的分布；以及

显示凝固过程流体沿着管道的所述区段的分布的图形表示。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：

基于管道数据确定堵塞的长度大于预定长度；

指示加热系统将管道的所述区段均匀加热到预熔温度，该预熔温度比凝固过程流体的熔点低预定度数；以及

指示加热系统启动再熔化过程，其中加热系统将管道的所述区段的温度至少升高到凝固过程流体的熔点。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

在再熔化过程中，基于管道数据中的潜热特征确定管道的所述区段中的凝固过程流体正在进行空间不均匀的相变，所述管道数据中的潜热特征对应于当凝固过程流体进行固液相变时发生的加热速率的下降。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

在再熔化过程中，响应于确定管道的所述区段中的凝固过程流体正在进行空间不均匀的相变，指示加热系统停止再熔化过程，并将管道的所述区段的温度保持在凝固过程流体的熔点附近。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，生成凝固过程流体沿管道的所述区段的分布包括：

计算表示在管道的所述第一位置被凝固过程流体填充的量的填充百分比。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，计算表示在管道的所述第一位置被凝固过程流体填充的量的填充百分比包括：

基于第一管道温度变化率，计算表示在管道的所述第一位置被凝固过程流体填充的量的填充百分比。

16.一种用于输送过程流体的管道和向管道施加热能的加热系统的系统，所述系统包括：

传感器网络，被配置为记录管道的温度数据，该温度数据包括沿管道的多个位置中的每个位置的随着时间的温度测量结果；以及

控制器，与传感器网络进行电子通信，该控制器包括处理器和存储计算机可执行指令的存储器，所述计算机可执行指令在由处理器执行时使控制器：

从传感器网络接收温度数据；

基于温度数据，确定管道的多个位置中的第一位置处的温度变化率；

基于所述温度变化率，确定凝固过程流体存在于管道中第一位置处；

基于温度数据，确定表示被估计存在于所述第一位置处的凝固过程流体的量的填充百分比；

与客户端系统电子通信，使得客户端系统的图形用户界面显示表示在管道的所述第一位置处的填充百分比的图形表示。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，传感器网络包括基于光纤的分布式温度感测(DTS)系统。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述图形表示还包括沿着管道的管道填充分布，其中管道填充分布包括第一位置的填充百分比和管道的多个位置的额外位置的多个额外填充百分比。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，计算机可执行指令在由处理器执行时还使控制器：

基于温度数据中的潜热特征确定第一位置处的凝固过程流体对应于堵塞。

20.根据权利要求19所述的系统，还包括：

加热系统，被配置为向管道施加热能，其中计算机可执行指令在由处理器执行时使控制器：

向客户端系统提供请求向靠近管道中的堵塞的第一位置的加热系统的一个或多个加热器施加额外的电力的提示。

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