NO311196B1 - Fremgangsmate for overvakning av parametre ved et multifase materiale - Google Patents

Description

Oppfinnelsen område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for overvåkning av parametre ved et multifasemateriale.

Nærmere bestemt vedrører den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for overvåkning av kvaliteten av et multifasemateriale, spesielt materialet i en undersjøisk separator som motar en blanding av råolje, gass og vann ved sitt inn-løp, og som avgir en oljekomponent gjennom et første utløp og en vannkomponent gjennom et andre utløp.

Oppfinnelsens bakgrunn

En separator er en enhet der to eller flere blandete fluid-faser separeres til individuelle faser. På innsiden av en gravitasjonsseparator danner hver fluidfase adskilte hori-sontale lag, og vanlig praksis er å holde hvert lag ved en konstant tykkelse (konstante nivåer) ved hjelp av nivåsty-ringselementer (for eksempel ventiler) på utløpsstrømmene. Med andre ord er det ingen produktsammensettningsstyring. Nivåsettpunktene kan i prinsipp justeres ofte på basis av hva som blir utregnet eller antatt å gi best separasjonsvirkningsgrad, men intet eksempel der dette gjøres for å respondere til raske forandringer i innløpvilkårene er kjent. Vanlig praksis er å opprettholde settpunktene så-fremt det ikke har oppstått betydelige forandringer i inn-løp svi lkår ene .

Denne fremgangsmåte har flere ulemper som kan sammenfattes i det følgende: -Den er avhengig av manuell justering av nivåsettpunktene og responderer derfor ikke til raske forandringer ved blan-dingssammensetningen og strømningshastigheten ved separa-torinnløpet. -Selv om nivåsettpunktene kan justeres manuelt kan frem-gangsmåten sies å gi nivåstyring med den hensikt å opprettholde høy separasjonsvirkningsgrad (eller rene produkter). Dette er imidlertid en indirekte fremgangsmåte og det er ikke nødvendigvis et lineært forhold mellom nivåene og produktkvalitetene. I noen tilfeller kan kvaliteten av et produkt til og med reduseres dersom tykkelsen av samme fase økes i separatoren. -De optimale nivåer vil være forskjellige for forskjellige separasjonsoppgaver, for eksempel ved forskjellige kvali-tetsspesifikasjoner. Når disse oppgavene endres, må de optimale nivåer justeres på grunnlag av erfaring.

Tidligere kjent teknikk

Fra US 5302294 (Schubert m.fl.) er det kjent en hydrosy-klonseparator som separerer en olje- og vannstrøm til en underløpsstrøm som i første rekke inneholder en relativt sett høyere oljekonsentrasjon enn underløpssstrømmen. Forskjellige overvåknings- og styringssystemer er tilveiebrakt for å.styre delingsforholdet av underløpet og underløps-strømmene av hydrosyklonseparatoren.

US 4844812 (Heynes m.fl.) vedrører en fremgangsmåte og et system for styring av operasjonen av en hydrosyklonvæskese-parasjonsenhet som pumper med en fast hastighet for å opprettholde et ønsket mottrykk. En trykkstyringsventil og en væskestyringsventil er forbundet med en adskilt væskeut-løpsledning som strekker seg fra minst en hydrosyklon.

US 5205310 (Kolpak m.fl.) vedrører et system og en fremgangsmåte for strømningsstyring eller oljeproduksjon med stor vannreduksjon, omfattende væskenivåfølere og en olje-detektor som måler tilstedeværelsen av et oljelag. Systemet tillater en syklisk operasjon av ventilen for å slippe ut vann fra beholderen gjentatte ganger inntil en relativt stor oljemengde samles opp og systemet slipper så ut all oljen før operasjonssyklusen gjenopptas.

US 482248 (Prendergast m.fl.) vedrører behandlingen av mul-tifaseblandinger der minst to av fasene er væsker og væske- fasen med minst tetthet er tilstede i mengder på minst 5%, for eksempel behandlingen av olje/vannblandingene som kan omfatte gassfaser og faste faser. Denne tidligere kjente teknikk har som formål å redusere vekten av behandlingsut-styret .

Oppfinnelsen formål

Et formål med den foreliggende fremgangsmåte er å tilveiebringe en olje/vann-separatorstyring som er basert på pro-duktkvalitet styring i stedet for vanlig grensesjiktstyring.

Et annet formål med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte der det anvendes en dynamisk separatorytelsesmodell.

Et ytterligere formål med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte der produktkvalitetene og separasjonsvirkningsgraden optimaliseres.

Enda et annet formål med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte der væskenivåstyring automatisk velges av en slik separasjonoptimaliseringsmodell.

Enda et ytterligere formål med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte for væskenivåovervåkning ved hjelp av inndata fra olje-i-vann-fraksjonsmålerne på utløpene fra separatoren.

Ytterligere et annet formål med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en ny fremgangsmåte for olje-vann-fraksjonsovervåkning ved automatisk kalibrering av parame-ter- inndata fra olje-vann-væskenivåmåleren.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Ovennevnte formål oppnås ved en fremgangsmåte ifølge in-gressen som ifølge den foreliggende oppfinnelse er særpre-get ved trekkene angitt i de vedføyde krav.

Ytterligere trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil komme frem av den følgende beskrivelse under hen-visning til den vedføyde tegning, så vel som av de vedføyde patentkrav.

Kort omtale av tegningen

Fig. 1 er et riss som illustrerer et typisk system der den foreliggende oppfinnelse kan anvendes.

Detaljert beskrivelse av utførelser av oppfinnelsen

Generell

Hovedpoenget med denne nye fremgangsmåte er at separatoren drives for å styre produktkvalitetsstyringen i stedet for bare nivået. Nivået kan i prinsippet variere fritt så len-ge som produktkvalitetskravene (dvs separasjonsvirkningsgraden) er optimalisert. Dette har aldri blitt gjort for-di: -De direktekoplede kvalitetovervåkningsanordningene ikke har vært tilgjengelige. -Man har vært meget opptatt av problemer som det å få hovedsakelig gass inn i pumpen eller hovedsakelig væske inn i gasskompressoren og de uønskede konsekvenser dersom dette skulle skje. Imidlertid kan slike problemer løses ved hjelp av robuste grensebrytere som for eksempel differensi-altrykkfølere.

Følgende direktekopledeovervåknings- og styrings-/optimaliseringssystemer brukes: -Overvåkningssystemer for sammensetning/kvalitet av inn-løps- og utløpsfluider, for eksempel olje-i-vann og vann-i-olje. -Overvåkningssystemer for fasefordeling i separatoren, for eksempel overvåkning av olje-i-vann-grensesjikt og overvåkning av konsentrasjonprofiler.

-Dynamisk separatorytelsesmodeller.

-Multivariable, direktekoplede optimaliseringsmodeller. -kaskadestyring ved automatisk valg av settpunkter av nivåer eller fasefordeling fra kvalitetsfølerne på produkt-strømmene.

Eksempler på styringselementer er:

-Styringsventiler på utløpsrørene.

-Pumpe med yariabel hastighet på væskeutløpet. -Styr ingsvent iler på innløpsrørene, for eksempel for styring av injeksjonshastigheten av eventuelle kjemikalier, trykkfallet av fluidblandingen gjennom innløpsventilene (som har virkning på dråpestørrelser og koalesens), eller strømningshastigheten for fluider som skal separeres.

Eksempler av styringsparametre er:

-Fasefordeling i separatoren (grensesjikthøyder og/eller tetthetsprofiler og/eller fase-/sammensetningsprofil).

-Konsentrasjon og type av injisert kjemikalie.

-Trykkfall av fluidblandingen gjennom innløpsventilene.

-Trykk og temperatur i separatoren.

Op t ima 1 i s er ing smode 11

En dynamisk modell for separatorytelsen brukes for automatisk valg av settpunkter for styringsparameterene og styringselementene. For å holde settpunktene for optimalisert separatorytelse kan styringselementer som de nevnt ovenfor anvendes. Styringsparameterene anvendes i separasjonytel-sesmodellen. Denne modell brukes for optimaliseringen av produktkvaliteten (tillater forskjellige vektfaktorer på de forskjellige produkter) ved å regne ut de følgende optimale vilkår: -Optimal fasefordeling i separatoren (eller grensesjikthøy-dene hvis disse er klart definert) . Denne kan anvendes for automatisk valg av settpunkter i en nivåstyringsplan.

-Optimal kjemisk injeksjonsrate.

-Optimalt trykkfall over innløpstyringsventilene (choker).

-osv.

Modellen kan være en vanlig multivariabel regressjonsmodus (kjemometrisk metode), mer eller mindre basert på fysiske modeller.

Fordeler sammenliknet med eksisterende separatorstyrings-fremgangsmåter

Den nye fremgangsmåte har de følgende fordeler sammenliknet med eksisterende fremgangsmåter: -Kvaliteten av produktene styres automatisk ved hjelp av en optimaliseringsmodell for separatorytelsen. Modellen reg-ner ut forholdet mellom inndatavariabler, så som nivåer, inndatafluidsammensetning og strømningshastigheter innbefattet kjemikalier. -Kvaliteten av noen av produktene styres direkte, ikke indirekte som ved nivåstyring. -Dersom kvaliteten av noen av produktene ikke er viktig, så får produktene som er viktige prioritet, dvs forskjellige vektfaktorer brukes i optimaliseringsmodellen. -Settpunktet for forskjellige parametre, så som grense-sjiktsnivå, oppdateres automatisk for å respondere raskt til hurtige forandringer i operasjonsvilkårene (for eksempel innløpstrømningshastighet eller sammensetning). -Kvalitetsfølerne kan anvendes i perioder når overvåkningssystemet for fasefordeling svikter. -Overvåkningssystemet for fasefordeling kan brukes i perioder når kvalitetsfølerne svikter. -De to overvåkningssystemene (kvalitets- og fasefordeling) kan danne gjensidige reservesystemer. -Overvåkningssystemet for fasefordeling kan kalibreres ved hjelp av produktkvalitetsmålere, slik at disse kan overvåke produktkvalitetene i korte perioder dersom kvalitetsmålerne ikke virker.

Brukseksempel

Vedføyde figur 1 viser en typisk anvendelse. Strømen Sl er en blanding av de tre faser olje, vann og gass. Vannet separeres fra de andre faser og strømmer ut i strømen S2. Ventil V2 styrer strømningshastigheten av strømen S2. En pumpe med variabel hastighet kan anvendes i stedet for V2 . Fraksjonen av olje-i-vann (dvs kvaliteten av produktstrøm S2) overvåkes av AI2, og fraksjonen av vann i olje/gass (dvs kvaliteten av produktstrømmen S4) overvåkes av AI4. Overvåkningen av fasefordeling utføres av Lic.

Vanlig praksis er å bruke V2 som en nivåstyringsventil for å holde vannfasen ved en konstant forhåndsbestemt tykkelse uavhengig av produktkvalitetene. I denne foreslåtte fremgangsmåte styres V2 (og de andre styringspatametre dersom de er tilgjengelige) for å oppnå de påkrevde produktkvalitetene og den maksimale vannhastigheten i S2. Alternativt anvendes kvalitetsmålerne for å automatisk velge (ved hjelp av optimaliseringsmodellen) nivå- eller fasefordelingssett-punktene. Dersom overvåkningssystemet fasefordeling svikter, kan lav-lav og høy-høy nivåbeskyttelse av nedstrøms fasiliteter oppnås ved å overvåke trykkforskjellen fra toppen til bunnen av separatoren.

Figur 1 viser separasjon av olje og vann fra en multifase olje-/vann-/gassblanding. Det er to utløp eller produkter, en for fremskaffet vann og en for olje og gass. Da det ba-re er et utløp for olje og gasskombinasjonen, er det ikke noe behov for en gass/olje-gensesjiktsstyring. Oljen strømmer over overløpsplaten som bestemmer oljenivået.

Hovedformålet er å maksimere vannhastigheten i S2, mens man møter kvalitetskravet. Mengden av vann i S4 er ikke så viktig, men bør være under en bestemt prosentandel.

Følgende variabler kan måles/overvåkes:

-Trykkfall over innløpschokeventilen(e).

-Trykket i separatoren.

-Temperaturen i separatoren.

-Fraksjon av olje i vannproduktet.

-Fraksjon av vann i olje/gass-utløpet.

-Vann/olje-fraksjon versus høyden i separatoren. -Hastigheten av separatorforøkning inn i sparatoren. -Strømningshastigheten av vannproduktet.

-Strømningshastigheten av oljeproduktet.

Det følgende er en liste av styringsfremgangsmåter og as-pekter vedrørende foreliggende oppfinnelse som alle følger hovedprinsippet av denne, dvs å styre produktkvaliteten ved hjelp av forskjellige optimaliseringsmodeller i stedet for normal nivåstyring:

-Styr vannkvaliteten (strøm S2) ved å justere V2.

-Styr fasefordelingen ved å justere V2. Settpunktene for fasefordelingen eller fasenivåene er automatisk valgt med separasjonsoptimaliseringsmodellen. Typiske systemer for fasefordelingsovervåkning er oppfinnelser av Knut Asskildt (o/124061), Bjørn Tore Hjertaker (o/l24060) og et gamma-tetthetprofilovervåkningssystem. -Juster V3 (kjemisk injeksjonshastighet) og fasefordelingen ved hjelp av optimaliseringsmodellen inntil produksjonskva-liteten og den maksimale separasjonvirkningsgrad oppnås. -Optimaliser produktkvalitetene innenfor de gitte begrensninger ved å justere VI, V2, V3 og fasefordelingen. -Rett/kalibrer fasefordelingovervåkningssystemet ved kvalitetsmålerne. Forutsatt for eksempel at vannfraksjonsprofi-len eksisterer i separatoren (gradvis forandring fra meget liten eller intet vann på toppen til hovedsakelig vann i bunnen). Endepunktene på denne kurve/profil er da kjent fra kvalitetsmålerne. -I motsatt fall, dersom de absolutte verdier av kvalitetsmålerne driver, kan disse rettes ved å bruke overvåkningssystemene for fasefordeling. -Dersom det ikke er noe klart grensesjikt mellom fasene, kan separatorytelsen og optimaliseringsmodellen likevel brukes til å velge den optimale fordeling. Dette er i seg selv en ny fremgangsmåte for nivåstyring. Nivå er her definert som en posisjon for en valgt fraksjon av vann/olje. -Dersom det ikke er noe kvalitetsovervåkning av strøm S4, kan optimaliseringen oppnås ved å minimalisere innholdet av olje-i-vann i S2.

Hovedtrekk ved den foreliggende oppfinnelse

1) En ny fremgangsmåte for olj e/vann-separatorstyring er foreslått som anvender produktkvalitetsstyring i stedet for vanlig grensesjiktstyring. Hovedformålet er å optimalisere produktkvalitetene og separasjonsvirkningsgraden som beskrevet i punkt 2. 2) Anvendelse av en dynamisk separatorytelsesmodell for å minimalisere a) olje-i-vann-utløp og b) vann-i-olje-utløp innen et sett av begrensninger (for eksempel strømningshastigheter og produktspesifikasjoner). Denne modell brukes for å justere styringselementene, for eksempel styringsventilene på innløpet og utløpet. Parametre som nivåhøyder, strømningshastigheter, type og hastighet av kjemikalier, trykkfall over innløps-choker osv. kan omfattes. Optimaliseringsrutinen tillater forskjellige vektfaktorer for redusert kvalitet av noen produkter for å møte kravene til det viktigste produkt. 3) Et nytt prinsipp for væskenivåstyring ifølge optimali-seringsprinsippet ovenfor. Settpunktene for fasefordelingen eller nivåene velges automatisk med separa-sjonoptimaliseringsmodellen som optimaliserer produktkvalitetene innenfor gitte begrensninger (for eksempel strømningshastigheter og produktspesifikasjoner). 4) En ny fremgangsmåte for væskenivåovervåkning ved å bruke inndata fra olje-i-vann-fraksjonsmålere på utlø-pene fra separatoren, å rette/kalibrere nivået som le-ses av. For eksempel, dersom det er en gradvis overgangssone (emulsjonslag) mellom oljen og vannet, må nivåavlesningen velges mer eller mindre tilfeldig et sted mellom rent vann og ren olje (som i mange tilfeller ikke eksisterer). Ved å bruke vannfraksjonsmålere kan automatisk valg av nivåstedet mellom de to fasene<g>jøres.

Alternativt eller i tillegg kan målingene av olje-vann-fraksjonsmålerne automatisk overføres til nivåmåleren for automatisk kalibrering av nivåovervåknings-følerene.5) En ny fremgangsmåte for olje-vann-fraksjonsovervåkning ved automatisk kalibrering eller parameterinndata fra olje-vann-væskenivåmåleren, for eksempel måles tettheten av hver rene fase ved hjelp av nivåmåleren for innmating til olje-vann-fraksjonsmåleren. 6) Kombinert overvåkning av væskenivåer i en gravitasjonsseparator og vann-olje-fraksjon i separatorutgan-gene og styring av gravitasjonsseparatorer som angitt i punkt 3 og 4. 7)Reservesystem for fasefordelingssysternet ved hjelp av Kvalitetsmålerne og hvis nødvendig lav-lav eller høy-høy grenser eller nivåer. 8) Reservesystem for kvalitetsmålerne ved hjelp av fase-fordelingssystemet. 9) Ny anvendelse av følere for kvalitetsmåling av det fremskaffede vann. 10) Ny anvendelse av overvåkningssystemene for fasefordeling. 11) Ny anvendelse for kaskadestyring ved automatisk valg settpunkter av nivåer eller fasefordeling fra kvali-tetsfølere på produktstrømmene.

Claims (15)

1. Fremgangsmåte for overvåkning av kvaliteten av et multifasemateriale, nærmere bestemt materialet av en under-sjøisk separator som mottar en blanding (Sl) av råolje, gass og vann ved sitt innløp (VI) og avgir en oljekomponent (S4) gjennom et første olje/vann-utløp og en vannkomponent (S2) gjennom et andre vann/olje-utløp (V2) ,karakterisert vedat det anvendes optimaliseringsorganer (OM) basert på direktekoplet, automatisk produktkvalitetsstyring.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat nevnte optimalise-ringsorgan (OM) er tilpasset optimalisering av kvalitetene og separasjonsvirkningsgraden av utløpsproduktet (S2, S4) , for eksempel ved å justere parametre vedrørende nevnte komponenter .

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat nevnte optimalise-ringsorgan (OM) er tilpasset det å minimalisere a) olje i vannutløpet (S2) , b) vann i oljeutløpet (S4) innenfor et sett av begrensninger.

4. Fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte optimalise-ringsorgan (OM) er tilpasset det å justere en eller flere innløp (VI, V3) og minst en utløpstyringsventil (V2) , idet nevnte justering overvåkes av parametre omfattende høyt ni-vå, lave hastigheter, type og hastighet av kjemikalier, trykkfall over innløpschoker, osv..

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4,karakterisert vedat nevnte optimalise-ringsorgan (OM) er tilpasset det å tillate forskjellige vektfaktorer for å få redusert kvalitet av noen produkter (S4) for dermed å møte kravene til det viktigste produkt (S2) .

6. Fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte optimalise-ringsorgan (OM) er tilpasset direktekoplet, automatisk justering av et passende nivå mellom nevnte komponenter av blandingen.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6,karakterisert vedat nevnte optimalise-ringsorgan (OM) er tilpasset det å automatisk velge settpunktene for fasefordelingen eller nivåer, for derved å optimalisere produktmengdene innenfor gitte begrensninger, for eksempel strømningshastigheter og produktspesifikasjoner .

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6 eller 7,karakterisert vedat nevnte automatiske fasefordeling eller nivåjustering gjøres i respons til -a) vannkomponentkvaliteten i vann/olje-utløpet (S2), dvs tillatt olje-i-vann-intervall, eller -b) oljekomponentkvaliteten i olje/vann-utløpet (S4), dvs tillatt vann-i-olje-intervall, eller -c) en kombinasjon av a) og b).

9. Fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav,karakterisert vedat det brukes optimaliseringsorganer (OM) omfattende olj e-i-vann-fraksjonsmålere (AI2, AI4) som responderer til kvaliteten av vann/olje-utløpskomponenten (S4) og som brukes til å rette/kalibrere nivåavlesningsorganer, dvs rette/kalibrere nivået ifølge en eller flere forhåndsbestemte kvalitetsintervaller.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9,karakterisert vedat nevnte olje-i-vann-fraksjonsmålere (AI2, AI4) brukes for automatisk valg av nivåer mellom hovedsakelig rent vann og hovedsakelig ren olje, uavhengig av den mulige, gradvise overgangssone (emulsjonslag) derimellom.

11. Fremgangsmåte ifølge kravene 9 eller 10,karakterisert vedat utdataen fra nevnte olje-i-vann-fraksjonsmålere (AI2, AI4) overføres til nivå-overvåkningsfølere for automatisk kalibrering derav.

12 . Fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte optimalise-ringsorgan (OM) omfatter olje-vann-væskenivåmålere tilpasset for overvåkning av olje-vann-fraksjonen av nevnte kom-ponent .

13 . Fremgangsmåte ifølge krav 12,karakterisert vedat nevnte olje-vann-væskenivåmålere er spesielt tilpasset for å måle tettheten av hver rene fase av nevnte komponenter, idet utdataen fra nevnte nivåmålere brukes for kalibrering av parameterinndata til nevnte ene eller flere olje-i-vann-fraksjonsmålere.

14. Fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte optimalise-ringsorgan (OM) brukes for kombinert overvåkning av væskenivåer i en gravitasjonsseparator og/eller vann-olje-fraksjon i separatorutløpene og/eller styring av relativ strømningsuttak mellom nevnte komponenter.

15. Fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte optimalise-ringorgan (OM) omfatter detektorelementer for måling av ol-jeinnholdet i prosessvann basert på dielektriske, optiske eller akustiske organer, innbefattet UV-fluorescens og ab-sorpsjon eller en kombinasjon av optiske og akustiske meto-der ved det fotoakustiske måleprinsipp, for eksempel ved kapasitive/induktive måleorganer.