NO327253B1 - Fremgangsmåte og system for kontroll av fluidnivå i en tank - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et nivåreguleringssystem for å kontrollere fluidnivået i en tank.

Nivåkontroll av store undervannsfartøy presenterer en måleutfordring. Å bygge kontinuerlige nivåsensorer med lang målerekkevidde og god oppløsning blir tungvindt, særlig i relativt aggressive miljøer i nedihulls- eller havbunnsutstyr. Både egenskapene til måleutstyret og prosedyrene for montering, f.eks. i tilfeller med reparasjoner, blir kompliserte.

En undervannstank (f.eks. en kompressorvæskeutskiller eller en gass/væskeseparator) har et væske/gass-grensesnittsnivå, som man ønsket å kontrollere innenfor grenser. Tradisjonelt bruker man da en nivåsensor som tilveiebringer en mer eller mindre kontinuerlig lesing, og opererer en regulator (f.eks. av typen proporsjonal/integrasjon/derivasjon PID) for å justere en reguleringsventil eller pumpe. Regulatoren er vanligvis implementert i en datamaskin.

Å være i stand til å forutsi på forhånd når en undervannsintervensjon er nødvendig krever store kostnadsbesparelser, hovedsakelig i å minimere avbruddstid i produksjonsenheten. Nivåbrytere er billigere sammenliknet med nivåtransmittere, slik at dersom man kunne regulere nivået ved å broke bare et få nivåbrytere ville instrumentinstalleringen i mange tilfeller bli mindre kostbare.

En enkel implementering som bruker bare to nivåbrytere posisjonert ved to nivåer i tanken er å sette den aktiverte anordningen (f.eks. en ventil som er helt åpen) i en ekstrem posisjon når den når den øvre nivåbryteren, og i den andre ekstreme posisjonen (f.eks. helt lukket ventil) ved aktivering av den nedre nivåbryteren. Et eksempel som viser et slikt system er fremlagt i US7087157.

Profilerende nivåsensorer basert på partikler er tilgjenglige, som typisk inneholder en stor mengde nivåbrytere (f.eks. en hver 30 mm). Hver "nivåbryter" består av en partikkeldetektor (f.eks. et Geiger-Muller-rør eller et fotomultiplikator+scintillator-krystall) og en partikkelkilde montert i en horisontal avstand unna. Det er derfor typisk en "detektorstav" med en stor mengde detektorer, og en kildestav med korresponderende antall partikkelkilder. Slike staver er typisk flere meter lange for kunne å dekke hele rekkevidden, og kan inneholde opp til 100 nivåbrytere. De er typisk installert vertikalt inn i fartøyet ved å bruke spesielle "setteverktøy" (running tool) for innsetting inn i tanken ovenifra. Profilerende nivåsensorer basert på konduktivitet eller kapasitans er også tilgjengelige. De fungerer også funksjonelt som en stor mengde nivåbrytere med en begrenset oppløsning (typisk i størrelsesorden 50 mm).

Nivåreguleringsskjemaet med to brytere H/L skissert i det amerikanske patentet over virker bra, men på bekostning av slitasje på den aktiverte anordningen. Nedstrømsprosess er også forstyrret i stor grad når utstrømningen fra tanken øyeblikkelig varierer mellom 0% og 100%.

De profilerende sensorene nevnt over blir lange og tungvinte å håndtere for lengre målespenn. Dersom regionen som er av interesse er f.eks. 7 meter lang blir den profilerende nivåsensoren like lang, og resulterer i en lang anordning som er vanskelig å installere eller vedlikeholde i undervannsanvendelser.

Dersom en standard PID-reguleringsalgoritme er brukt, er den typisk kjørt periodisk. Selv også dersom ingen ny informasjon har blitt oppnådd (nivået beveger seg mellom to nivåsensorer). Den aktiverte anordningen (ventil/pumpe) har noe slitasje avhengig av bruk, og man vil derfor ønske å endre output fra regulatoren så sjelden som mulig.

Patentpublikasjonene WO 01/16591 Al og DD 231669 Al omhandler systemer for å kontrollere nivået i en tank

En anordning for å måle endringsraten til et væskenivå er kjent fra patentpublikasjonen US 4642777.

Derfor er det et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et system som reduserer slitasje og belastning på pumpene og regulatorene som regulerer fluidnivået i tanken. Derfor er et system og en fremgangsmåte tilveiebrakt som oppnår et forenkelt nivåreguleirngssystem, men uten ulempene med å bruke full stopp/åpning av regulatorene og dermed redusere belastningen på pumpene og/eller ventilene. Dette er oppnådd ved et system som beskrevet over, og karakterisert som beskrevet i de selvstendige kravene.

I henhold til en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er bare fire nivåbrytere brukt for å være i stand til å detektere plutselige endringer i fluidet.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet under med referanse til de vedlagte figurene som illustrerer oppfinnelsen som et eksempel.

Fig. 1 illustrerer en tank med fire nivåbrytere.

Fig. 2 illustrerer fluidnivået i en tank som funksjon av tid.

Fig. 3 illustrerer pumpeaktiviteten som funksjon av tid.

Fig. 4 illustrerer fluidnivået i en tank som en funksjon av tid i en tilleggsløsning.

Fig. 5 illustrerer pumpeaktiviteten som en funksjon av tid i en tilleggsløsning.

I fig. 1 er det vist et system som innbefatter en tank 1 som har en innstrømning Fi og en utstrømning Fo. Et antall nivåindikerende brytere LL, L2, LI, Hl, H2, HH er posisjonert ved ulike høyder i tanken 1 for å tilveiebringe et signal som detekterer tilstedeværelsen eller ikke-tilstedeværelse av et fluid ved posisjonen til bryteren. På denne måten kan man f.eks. vite at fluidnivået er mellom LI og Hl. Nivåbryterne er koblet til et nivåovervåkende instrument 2 som er koblet til en regulator 3 ved utstrømningen Fo for å regulere nivået i tanken 1. Regulatoren 3 kan også være posisjonert i en innstrømning Fi, og på denne måten muligens utgjøres av en ventil som er i stand til å stoppe eller redusere strømningen inn i tanken.

Bryterne LL, L2, LI, Hl, H2, HH kan være av hvilken som helst tilgjengelig type, f.eks. som beskrevet over, for eksempel i stand til å detektere en endring i tettheten til fluidet eller hvorvidt tettheten er over eller under en terskelverdi som korresponderer til differansen mellom fluidene i tanken.

Mer enn én regulator 3 kan være posisjonert på hvilken som helst eller begge rørene Fi, Fo koblet til tanken 1, f.eks. som har en ukjent innstrømning og justerbar utstrømning, som i den illustrerte utførelsesformen.

I henhold til den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen er fire nivåbrytere (L2, LI, Hl, H2) arrangert som vist i fig. 1, mellom valgfri topp- og bunnbryter (HH, LL). Reguleringsalgoritmen i overvåkingsinstrumentet er bare aktivert dersom noen av nivåbryterne (H2, Hl, LI, L2) endrer status. Mellom disse hendelsene er output fra reguleringsalgoritmen konstant. Topp- og bunnbryterne HH, LL kan bli brukt som en ekstra sikkerhet for å detektere ekstrem hendelse i tanken.

Når en nivåbryter endrer status er tiden for denne hendelsen lagret, og tiden for den forrige hendelsen er funnet i overvåkingsinstrumentet. Dersom f.eks. Hl-bryteren skrus PÅ (indikerer at nivået stiger forbi Hl-bryteren) og den forrige hendelsen var at Ll-bryteren ble skrudd AV (indikerer at nivået stiger forbi LI-bryteren) kan gjennomsnittsubalansen mellom innstrømning og utstrømning bli beregnet fra det følgende:

• tiden når nivået steg forbi LI -bryteren (tid tO)

• tiden når nivået steg forbi H1 -bryteren (tid 11)

• det kjente volumet VHl i tanken mellom LI og Hl-bryterne (fra diameteren av tanken og avstanden mellom Hl - og LI-nivåbrytere)

• den gjennomsnittlige ubalansestrømningen er da Fimb = V/(tl -tO)

Dersom vi øker ustrømningen med eksakt denne mengden vil innstrømningen og utstrømningen bli balansert, og nivået vil slutte å stige. Imidlertid, vi vil at nivået skal snu ned igjen, og derfor ønsker vi å øke ustrømningen med en ytterligere mengde. Dersom vi øker ustrømningen med 50 % ekstra

(dvs. Utstrømningny = Utstrømninggammei + l,5<*>V/(tl-t0)), da vil nivået begynne å synke, men saktere enn det opprinnelig steg.

Når nivået senere når LI-nivåbryteren bør strømningsubalansen være mindre enn før. Algoritmen vil da minske utstrømningen slik at fluidnivået begynner å stige igjen ved en til og med langsommere rate.

Nivået vil derfor oscillere mellom Hl - og Ll-nivåbryterne ved en enda langsommere rate (tidsperiode øker). Denne oppførselen er illustrert i fig. 2, som viser en enkel simulering av en tank med 3500mm indre diameter, og med nivåbryterne lokalisert som følger (relativt til bunnen av sylindrisk del av tank): H2 = 8100mm

Hl = 6540 mm

LI = 1860 mm

L2 = 300 mm

Nivået er derfor oscillerende mellom 1860 og 6540 mm med stadig stigende periodetid.

Pumpehastigheten som regulerer utstrømningen er holdt konstant mesteparten av tiden. Den er bare endret når nivået når Hl - eller LI-nivåbryteren som vist under, som det er illustrert i fig. 3, som viser pumpehastigheten som en funksjon av tid i den samme situasjonen illustrert i figur 2. Derfor er det åpenbart hvordan endringsraten i fluidnivået i tanken er avhengig av pumpehastigheten.

Ettersom algoritmen beregner gjennomsnittlig strømningsubalanse vil den bli narret dersom f.eks. innstrømningen øker plutselig rett før nivået når f.eks. Hl-nivåbryteren. Den vil da underkompensere, og nivået vil etter hvert nå H2-nivåbryteren. Algoritmen har en back-up algoritme som er brukt dersom nivået noen gang når H2- eller L2-nivåbryterene for å håndtere slike hendelser. Dette er illustrert i figurene 4 og 5.

Simuleringen starter på et nivå mellom LI og Hl, med velbalansert innstrømning og ustrømning.

Ved tid = 100 s, øker innstrømningen 15 %, og nivået begynner å stige.

Ved tid = 110 s, er Hl-bryteren aktivert. En mindre økning i pumpehastigheten er gjort (når algoritmen øker den gjennomsnittlige strømningsubalansen, og strømningsendringen var svært fersk vil beregningen for strømningsubalansen være ukorrekt). Nivået fortsetter derfor

å øke.

Ved tid = 680 s er H2-bryteren aktivert. Pumpehastigheten er satt til

maksimum (100 %), og nivået synker raskt.

Ved tid = 910 s passerer nivået H1 -nivåbryteren når det går ned.

Pumpehastigheten er noe redusert slik at nivået faller raskere, og når nivået når Ll-nivåbryteren etter en stund er den normale perioden mellom LI - og Hl-bryterene med stadig økende periodetid gjenopprettet.

I beregninger av strømningsubalansen kan de følgende punktene bli vurdert. Når en nivåbryter endrer tilstand er det 8 mulige endringer som kan inntreffe:

- H2 er satt (nivå stiger forbi H2)

- H2 er tilbakestilt (nivå synker forbi H2)

- Hl er satt (nivå stiger forbi Hl)

- Hl er tilbakestilt (nivå synker forbi Hl)

- LI er satt (nivå synker forbi LI)

- LI er tilbakestilt (nivå stiger forbi LI)

- L2 er satt (nivå synker forbi L2)

-L2 er tilbakestilt (nivå stiger forbi H2)

Kombinert med den forrige endringen er det derfor 64 mulige kombinasjoner av hendelser som algoritmen trenger å vurdere. I praksis er ikke alle av dem fysisk mulige. Det ville for eksempel være merkelig dersom den forrige hendelsen var "nivå synker forbi L2" og den nåværende hendelsen er "nivå stiger forbi H2".

Hendelseskombinasjonene er listet opp under med handlingene utført av algoritmen.

Som beskrevet over, den nødvendige endringsmengden i utstrømningen er kjent.

Utstrømningen er vanligvis kontrollert via en reguleringsventil eller en pumpe. 1 tilfellet med ventilen er forholdet mellom ventilposisjonen og strømning kjent fra ventilkarakteristikker. I tilfellet med pumpen er forholdet mellom pumpehastighet og strømning likeledes kjent fra pumpekarakteristikker.

Disse forholdene varierer over tid, og er aldri kjent med perfekt presisjon. Algoritmen er imidlertid nokså tolerant for avvik i disse parametrene. Dersom ventil-/pumpekarakteristikkene endres for mye trenger regulatoren å bli omjustert. Denne justeringen kan bli utført ved standard kommunikasjonskanaler inkorporert i systemet.

Regulatorjustering er utført ved å justere koeffisientene i formelen som beskriver forholdet mellom strømning og pumpehastighet/ventilposisjon. Disse er avhengig av typen aktivert anordning, og kan f.eks. være

Forholdet mellom f.eks. ventilposisjon og utstrømning kan også være avhengig av trykket i tanken. Dersom dette er kjent kan man inkludere slike faktorer også i beregningen av hvilke nye signaler som skal sendes til den aktiverte anordningen.

Bryterne HH og LL illustrert i figur 1 kan bli brukt til å detektere funksjonsfeil og systemfeil. De kan også bli brukt til mer komplekse tilfeller, f.eks. ved å bruke mer enn ett reguleringsmiddel, for eksempel en på innstrømningen og en på ustrømningen, eller dersom de andre bryterne H2, L2 ikke er tilpasset til å få 100 % strømning eller stopp, men bare en økt økning/reduksjon av strømningen. Andre utførelsesformer kan også være tiltenkt, slik som deteksjonen av ulike typer fluider ved de ulike bryterne, og å regulere den relative mengden av dem med et antall brytere, f.eks. dersom det er flere rør for å ekstrahere eller tilføre ulike typer fluider. Et annet eksempel er reguleringen av et vann/oljegrensesnittsnivå i en tank. I et mer komplekst system som innbefatter mer enn ett fluidgrensesnitt, f.eks. gass/olje/vann, kan være tilstede og muligens kan et antall rør bli brukt for å tilføre eller trekke tilbake de ulike fluidene. I det tilfellet kan antallet brytere bli økt for å tilveiebringe kontroll over hvert fluidnivå i tanken.

Systemet kan i tillegg inkludere nivåbrytere brukt for nivåregulering, det er ofte separate og uavhengige nivåsensorer/brytere brukt til driftsstopp av prosessen. Disse er ikke diskutert videre i denne teksten (men er normalt tilstede).

Oppsummert, den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte og system for å kontrollere nivået i en tank ved å bruke bare 4 nivåbrytersensorer basert på beregningen av strømningsubalanse (fra kjent volum mellom nivåbrytere, og tiden når nivå passerte dem), og justere utstrøning fra tank basert på logisk beslutningstabell vist over, og beregning av ny pumpehastighet eller ventilinnstillinger, også beskrevet over. Tanken kan være av flere ulike typer, f.eks. en rørseksjon som virker som en buffer i et strømningssystem eller en akkumulator for fluider i et undervannssystem for olje- og/eller gassproduksjon. Fler enn 4 brytere kan bli brukt i noen tilfeller, f.eks. for mer komplekse fluider slik som multifasefluider. Bryterne eller detektorene kan bli tilveiebrakt på tankveggen eller i et forlenget element eller stav tilpasset til å bli introdusert inn i tanken fra toppen, f.eks. som utgjør en forenklet stav av typen brukt i noen applikasjoner i dag som innbefatter et stort antall sensorer.

Claims (7)

1. Nivåreguleirngssystem for å kontrollere fluidnivået i en tank (1), tanken innbefatter minst et rør (Fi,Fo) som inkluderer en strømningsregulator (3) som justerer fluidnivået deri ved å regulere mengden fluid som strømmer inn og ut av tanken (1), systemet innbefatter minst to brytere (LL,L2,L1,H1,H2,HH) som omfatter en første øvre bryter (Hl) og en første nedre bryter (LI), hver er tilpasset til å detektere fluid tilstede ved et valgt nivå i nevnte tank (1), og sende et forhåndsbestemt signal til et nivåovervåkende instrument, nevnte overvåkingsinstrument (2) er tilpasset til å regulere fluidstrømningen gjennom nevnte rør (Fi,Fo) ved å regulere nevnte strømningsregulator (3) for å redusere input og/eller øke outputstrømning ved deteksjonen av fluider ved nevnte første øvre bryter (Hl) og å øke input og/eller redusere outputstrømning ved deteksjon av mangel på fluid ved nevnte første nedre bryter (LI), karakterisert ved at overvåkingsinstrumentet (2) innbefatter tidsmålermiddel for å måle tidsrommet mellom deteksjonen av endringer ved hver bryter, og beregner endringsraten for fluidnivået i tanken, og justerer nevnte regulator (3) for å justere strømningen gjennom nevnte rør i henhold til nevnte endringsrate, nevnte justering er tilpasset til å redusere endringsraten i tankens fluidnivå, og redusere og snu retningen til endringsraten.

2. Kontrollsystem i henhold til krav 1, hvori tanken (1) innbefatter minst to rør (Fi,Fo), en for å tilveiebringe fluider til nevnte tank og en for å trekke tilbake fluider fra nevnte tank, minst en av hvilke innbefatter en regulator (3).

3. Kontrollsystem i henhold til krav 1, hvori bryterne (LL,L2,L1,H1,H2,HH) innbefatter en andre øvre bryter (H2) som er over nevnte første øvre bryter (Hl), overvåkingsinstrumentet (2) er tilpasset til å stoppe strømningen inn i tanken (1) eller maksimere strømningen ut av tanken når nivået når den andre øvre bryteren (H2), for å redusere fluidnivået i tanken ved deteksjon av fluid ved nevnte andre øvre bryter (H2).

4. Kontrollsystem i henhold til krav 1, hvori bryterne innbefatter en andre nedre bryter (L2) som er under nevnte første nedre bryter, overvåkingsinstrumentet er tilpasset til å maksimere strømningen inn i tanken eller stoppe strømningen ut av tanken når nivået når den andre nedre bryteren (L2), for å øke fluidnivået i tanken ved deteksjon av fluid ved nevnte andre nedre bryter (L2).

5. Fremgangsmåte for å kontrollere fluidnivået i en tank (1), tanken innbefatter minst et rør (Fi,Fo) for å lede fluid inn i eller ut av tanken, og minst to fluiddetekterende brytere (LL,L2,L1,H1,H2,HH) ved ulike nivåer i tanken og koblet til et overvåkingsinstrument (2) for å tilveiebringe et signal til overvåkningsintrumentet for å indikere tilstedeværelsen av et fluid ved nevnte bryter, der fremgangsmåten innbefatter å detektere endringen i fluidkarakteristikkene ved en av bryterne, og enten; o ved deteksjon av et valgt fluid ved en første øvre bryter (Hl) å redusere nivået i tanken ved å justere strømningen inn i eller ut av tanken, eller o ved deteksjon av det valgte fluidet som ikke er tilstede ved en første nedre bryter (LI) å øke nivået i tanken ved å justere strømningen inn i eller ut av tanken, karakterisert ved at fremgangsmåten også omfatter trinnet å lagre tidsintervallet mellom endringene ved bryterne og beregne endringsraten i nivået i tanken og justerer strømningen i samsvar med nevnte endringsrate, hvori justeringen er valgt for å redusere endringsraten i fluidnivået, og å redusere og snu retningen til endringsraten.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 5, hvori ved deteksjon av et fluidnivå ved en andre øvre bryter (H2) som er over nevnte første øvre bryter (Hl), maksimerer fluidnivåreduksjonen ved å stanse strømningen inn i tanken eller maksimere strømningen ut av tanken (1).

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 5, hvori ved deteksjon av et fluidnivå ved en andre nedre bryter (L2) som er under nevnte første nedre bryter LI) maksimerer fluidnivåøkningen ved å stoppe strømningen ut av tanken eller maksimere strømningen inn i tanken (1).