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数量:15 (1)设计PID和模型预测控制器的三相流(原油+水+空气)通过螺旋线圈和控制阀门系列
- *通信:
- KrishnamoorthyEEE部门政府工程学院Sengipatti Thanjvur,泰米尔纳德邦,印度,电话:+ 919842285751;电子邮件:krishandkrish@yahoo.com
收到:2017年2月3日,接受:2017年3月6日发表:2017年3月13日,
引用:Krishnamoorthy P, Bharanikumar r . PID和设计模型为三相流预测控制器(原油+水+空气)通过螺旋线圈和控制阀门系列。Int J化学科学。2017;15 (1):114。
文摘
实验模型在实验室研究已经建立的压降特性对原油+水+气体流经螺旋线圈和控制阀门系列。这种三相流发生在石油行业特别是石油钻井平台。当原油从油井泵,它是作为一个混合的水和天然气井泵必须抽出这三相混合在一起。这种原油+水+气体混合物产生三相流。这种三相混合物注入油井泵和管道运输的进一步处理炼油厂。通常这些泵修理,因为密封舱,持枪抢劫,在油封漏油。所以,交通停止,这将导致重大损失的石油公司。所以,泵送系统必须小心设计合适的控制器在当下的工作实验设置已经构造测试上述三相流。原油和水混合在一辆坦克坦克通过一个电动搅拌器由压缩机和空气注入,所以这些三分量通过螺旋线圈和控制流阀系列,压降测量螺旋线圈和控制阀门不同空气流速和流量混合。压降与流量图绘制了使用实验数据。 Linearization method is used to obtain the second order equation for the above graph, using these equation proper MPC and PID controller is designed This controller will control the opening percentage of control valve, The MPC controller will control the three phases flow rate in the pipes by adjusting the valve and increase the crude oil flow rate. So, we can improve the extraction of crude oil rate from the oil rig and improve the efficiency rate of the oil rig system.
关键字
三相流;压降特性;多相流;PID控制器;MPC控制器;气动控制阀
介绍
原油+水+空气三相流动主要发生在石油钻塔和石油勘探行业;这三个组件都非混相,它发生在运输原油+水+天然气混合物的离岸生产。当我们钻地球内部原油、水和天然气经常与原油从油井;自然水在油井被称为原生水。将水注入油井在生产后期被称为注入水。所以,我们需要对三相流的流动特性,如压降特性,交通阻塞问题和不同的多相流流动模式设计和操作的石油泵和控制阀用于oilrig的管道。我们必须解决另一个问题是沙也出来的钻机在许多情况下,所以抽水系统必须设计承受四个阶段。管道系统的设计,泵水系统和控制器用于控制这样一个复杂的三相流是非常困难的。我们必须明白三种非混相流体系统中涉及。
从1960年到2005年为两相流提出了很多的研究论文,少量的研究论文发表关于三相流1石油水煤气)进行测试研究。他们的实验研究与三相流系统。
Wegmann et al。2]在三相liquid-liquid-gas流动实验仅在5.6毫米和7毫米内径Spedding et al。3和陈等。4]研究了水平并发流量和压降。他们已经鉴定出许多流模式。
Zhang et al。5)构建一个统一的模型对气液管流和他们研究了两相流的动力学不研究三相流动态Tran et al。6]研究了瞬态模拟两相流管道单独不使用三相系统,Desalis et al。7]研究了动态模拟多相泵和并发症的研究注入gas-oil-water pumb一起。在这个工作,还这样的并发症是降低适当的MPC控制器。彼得森et al。8)开发了一个通用模型多相流。通过使用这个模型操作在钻井、井控和干预对三相流进行了研究。但是在这这样的工作模型在实验室和构造适当的货币政策委员会,通过管道和PID控制的三相流控制阀没有设计。曼et al。9)时域分析的基础设计和新的PID调优规则。和壮族等。10)自动调谐的最优PID控制器,略有修改,这里使用三相流控制器。Nikolaoo et al。11]研究关于模型预测控制器为关键的工业应用,他没有为三相流系统设计。加西亚et al。12]研究了强健的多模型分布参数系统预测控制器,他们没有设计一个控制器系统三相oil-water-air Acikgoz et al。13]发现一些流政权对多相流在他们没有研究多相流动的货币政策委员会和PID控制器。所有提到的作品是关于多相流仅通过管道。少量的研究工作对三相流特别是原油oil-water-air系统。在现代工业和核反应堆锅炉,使用螺旋线圈。在这个工作我们包括线圈为目的的研究MPC和PID控制器设计为多相流研究工作没有进行。在这个工作我们试图设计这样的原油oil-water-air系统控制器。
当前工作的目的是设计一个MPC和PID控制器控制多阶段系统以一种有效的方式。原油的压降特性和流型特征oil-water-air三相混合物在不同气流速度和混合流率和不同阀门开度水平(25%开放,开放50%,75%开放,开放100%)收集使用所示的实验装置图。1。合并后的原油密度+水是通过混合不同在不同的比率。电动搅拌器的设计混合这两个柜合并后的原油密度+水是不同的从0.81公斤/升到0.97公斤/升。在实验压降在螺旋线圈和控制阀由数字压力计和压力计测量。
图1:实验装置对原油价格+水+空气(三相流)通过螺旋线圈和控制阀门系列。
在本试验研究、数字压力传感器测量压力降穿过螺旋线圈和控制阀门。大量的数据收集的不同空气流量。图表绘制流量和压降之间的关系。看到的是曲线在本质上是非线性的。适当的线性化技术是用于获得相应的方程。从线性方程MPC和PID控制器参数如Kp、Kd, Ki得到。通过使用上面的参数,设计合适的控制器。通过操作上面的控制器,我们可以增加原油提取速率的石油钻井平台,因此我们可以提高系统的整体效率(图。1)。
实验装置
一个实验模型建造在实验室获得原油oil-water-air三相流使用这个模型。的压降测量螺旋线圈和控制阀门使用该实验装置收集的。在这个实验中使用的管有3.3米长,直径15厘米线圈内部直径22.6毫米,实验模型所示图。1。
它具有以下配件:
•压缩机泵(空气)
•储罐(混合水和原油)
•螺旋盘管
•离心泵(泵水和原油混合物)
•气动控制阀
•数字压力传感器(在阀和螺旋线圈)
•电动搅拌器
上面的配件的简要描述如下所示
空气压缩机:3 HP 650 RPM两级往复式空气压缩机在这个实验装置用于压缩空气。长管携带的压缩空气压缩机是用于将空气注入系统。轮值表计是用来测量空气流量控制阀是用来调节空气流量。
离心泵:惠普2800 RPM和四分之一的原版操作主管单相230 v, 50赫兹。本实验装置中使用C供应离心泵泵原油和水混合水箱通过管道,螺旋盘管和控制阀门。
电磁流量计:这种类型的流量计是根据法拉第的工作法律电磁力。在这个实验装置用于测量原油+水混合流量在一个更简单的方法。
轮值表计:两个轮值表米在这个实验装置是用于测量空气流量和另一个是对原油+水混合流量。都受到区域流量计类型。
控制价值(气动):本实验设置中使用气动控制价值类型。这将驱动的压缩空气压缩机。我们可以调整阀门开度从百分之零到100%通过调整阀以适当的方式。所示的气动控制阀图。2。
图2:气动控制阀。
以下方程用于计算卸料阀的升/分钟
Q =简历ΔPv/ G
Q =放电率升每分钟,
ΔP =压降之间的阀门(磅/平方英寸)
G =比重(假定一个水)
简历=阀容量的因素
数字压力传感器:使用两个数字压力传感器在螺旋盘管和控制阀来测量压降在螺旋线圈和控制阀门。这些压力信号发送到MPC控制器控制流量。
搅拌器:使用搅拌器在原油储罐挑起和水。搅拌器是由金属有0.5米的长度。它是由一个马达。通过改变电机速度,我们可以调整搅拌器的速度。在这个实验模型,在每分钟1250转搅拌器速度是恒定的。
实验的程序
连接的图。1。原油和水在储罐和这两个混合使用电动搅拌器。这种混合物被运送到离心泵连接的测试区模型;轮值表计连接在这个混合物管测量流量。空气压缩机提供的测试区和空气轮值表计连接在空中线是用来测量空气的流量。两个数字压力传感器是用来测量压降在控制阀和螺旋线圈部分。空气锁线和航空公司了。空气流速保持不变在30液体变阻器在空中通过调整阀线(图。3)。混合流量变化到30液体变阻器,60液体变阻器,90液体变阻器和120液体变阻器。压力降穿过螺旋线圈和控制阀门现在记下了空气流量改为60液体变阻器。混合物流速变化30液体变阻器120液体变阻器,通过阀门的压降和螺旋线圈都记下了。
图3:一个离散的MPC方案。
重复这个过程,直到空气流量达到120液体变阻器的水平。原油和水混合物的密度不同,通过调整搅拌器速度和通过不同比例的原油储罐和水。对各种混合物的密度相结合,重复上面的过程和压降数据。
PID和MPC控制器的设计
七种不同的组合密度混合物(原油+水)是用于测试。如0.89千克/点燃,0.91公斤/点燃,0.93公斤/点燃等。上述不同密度的混合使用以获得不同的粘度和密度,超过五十多的表准备上述七种不同的混合物(原油和水的混合物在不同密度)和相应的压降在螺旋线圈和混合流量和压降控制阀诗句混合流量图也画。一些数量的表等表1(结合密度0.89公斤/点燃),表2(结合密度0.93公斤/点燃)表3(结合密度095 kg /点燃)如下所示。为每个表两个图,一个用于通过螺旋线圈压降与流量和其他混合物,混合物通过阀门控制压降与流量。超过二百数量的图形被吸引,一些图表图。4和5(结合密度0.89公斤/点燃)图6。和7(结合密度0.91公斤/点燃)图8。和9(结合密度0.93公斤/点燃)如下所示。通过使用相对应的二阶曲线拟合线性方程内(见图)获得通过使用这些线性方程从图形设计合适的PID控制器马(4 - 20 mA)。PID控制器的输出用于控制气动控制阀,空气流量最大化输出石油质量流率。
图4:图之间的压降在阀门开度为100%时螺旋线圈和空气流量是90液体变阻器原油+水+空气系统(结合密度910克每升)。
图5:图之间的压降在阀门开度为100%时控制阀和空气流量是90液体变阻器原油+水+空气系统(结合密度910克/升)。
图6:图之间的压降在阀门开度为75%时螺旋线圈和空气流量是120液体变阻器原油+水+空气系统(结合密度是930克每升)。
图7:图之间的压降在阀门开度为75%时控制阀和空气流量是120液体变阻器原油+水+空气系统(结合密度是930克每升)。
图8:图之间的压降在螺旋线圈,当阀门开度50%,空气流量是60液体变阻器原油+水+空气系统(结合密度是950克每升)。
图9:图之间的压降在阀门开度为50%时控制阀和空气流量是60液体变阻器原油+水+空气系统(结合密度是950克每升)。
| 空气流量Iph | 混合流量液体变阻器 | Δh线圈厘米 | Δh阀厘米 | 实验 | 最适合 | %的错误 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ΔP线圈N / m2 | ΔP阀N / m2 | ΔP总N / m2 | ΔP线圈N / m2 | ΔP阀N / m2 | ΔP)总N / m2 | 线圈 | 阀 | ||||
| 60 | 6.2 | 0.3 | 7458.5 | 158.2 | 7616.7 | 7584.2 | 162.4 | 7746.6 | 1.66 | 2.58 | |
| 90年 | 6.8 | 0.45 | 7924.6 | 178.4 | 8103年 | 8003.2 | 181.2 | 8184.4 | 0.98 | 1.55 | |
| 90年 | 120年 | 7.3 | 0.75 | 8294.8 | 194.5 | 8489.3 | 8394.5 | 192.4 | 8586.9 | 1.19 | -1.09 |
| 150年 | 7.9 | 0.98 | 8745.1 | 238.8 | 8983.9 | 8684.2 | 242.1 | 8926.3 | -0.70 | 1.36 | |
| 180年 | 8.24 | 1.18 | 9028.23 | 272.8 | 9301.03 | 9145.2 | 276.5 | 9421.7 | 1.28 | 1.33 | |
表1。阅读来自原油oil-water-air(结合密度= 0.91(910克/升))系统的阀门开度百分比是100%和空气流量- 90液体变阻器。
| 空气流量Iph | 混合流量液体变阻器 | Δh线圈厘米 | Δh阀厘米 | 实验 | 最适合 | %的错误 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ΔP线圈N / m2 | ΔP阀N / m2 | ΔP总N / m2 | ΔP线圈N / m2 | ΔP阀N / m2 | ΔP总N / m2 | 线圈 | 阀 | ||||
| 60 | 4.9 | 0.2 | 6984.5 | 141.4 | 7125.9 | 7065.8 | 143.2 | 7209年 | 1.15 | 1.26 | |
| 90年 | 5.4 | 0.42 | 7458.4 | 154.6 | 7613年 | 7356.4 | 156.8 | 7513.2 | -1.39 | 1.40 | |
| 120年 | 120年 | 6.1 | 0.68 | 7856.8 | 181.4 | 8038.2 | 8024.5 | 183.4 | 8207.9 | 2.09 | 1.09 |
| 150年 | 6.9 | 0.79 | 8345.6 | 214.2 | 8559.8 | 8495.7 | 213.4 | 8709.1 | 1.77 | -0.37 | |
| 180年 | 7.4 | 0.98 | 8862.1 | 250.8 | 9112.9 | 8985.3 | 253.7 | 9239年 | 1.36 | 1.14 | |
表2。阅读来自原油oil-water-Air(结合密度= 930克每升)系统的阀门开度百分比是75%和空气流量- 120液体变阻器。
| 空气流量Iph | 混合流量液体变阻器 | Δh线圈厘米 | Δh阀厘米 | 实验 | 最适合 | %的错误 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ΔP线圈N / m2 | ΔP阀N / m2 | ΔP总N / m2 | ΔP线圈N / m2 | ΔP阀N / m2 | ΔP总N / m2 | 线圈 | 阀 | ||||
| 60 | 3.8 | 0.12 | 5643.6 | 131.7 | 5775.3 | 5784.3 | 132.4 | 5916.7 | 2.43 | 0.52 | |
| 90年 | 4.6 | 0.32 | 6121.8 | 142.5 | 6264.3 | 6249.3 | 144.5 | 6393.8 | 2.04 | 1.38 | |
| 60 | 120年 | 5.3 | 0.52 | 6432.4 | 172.8 | 6605.2 | 6589.2 | 170.4 | 6759.6 | 2.37 | -1.41 |
| 150年 | 5.9 | 0.72 | 6954.7 | 201.2 | 7155.9 | 7046.5 | 204.2 | 7250.7 | 1.30 | 1.4 | |
| 180年 | 6.6 | 0.87 | 7451.3 | 241.4 | 7692.7 | 7384.2 | 243.4 | 7627.6 | -0.91 | 0.82 | |
表3。阅读来自原油oil-water-air(结合密度950克每升)系统的阀门开度百分比-50%,气流rate-60LPH
MPC控制器
模型预测控制是一个复杂的和有效的方法现在每天在许多工业过程。模型预测控制器总是计算优化当前时间槽和商店未来时间段的记忆。这些是通过优化技术模型预测控制器使未来的计算和控制动作,另一个控制器是没有这个特征。MPC控制器计算出因变量的变化由系统中独立变量。在当前模型中,自变量是设定值(混合流量)因变量是开放水平的阀门和空气流量。
的模型预测控制器措施目前动态过程的通过这将进一步计算未来因变量的变化。根据约束的依赖和独立变量计算因变量的变化。它首先在自变量变化时需要进一步的改变,它将再次计算(图6。)。
流量与压降曲线在我们的系统不是线性的。但通过使用二阶曲线拟合方法的压降曲线的线性化。因此,线性MPC方法本实验模型中使用。在目前的工作模型,预测控制器使用叠加原理来计算未来独立变量的变化这在一种更简单的方法简化了控制方法。
MPC是基于迭代优化方法。总是变化的植物采样,实现短时间(通过在线或——飞计算)。状态轨迹计算了在线计算,利用成本最小化的功能。这些计算实现,然后测量植物的变化状态。通过使用上面的新计算方法和实施完成。重复上述过程,直到达到所需的输出值。上面的方法称为滚动时域方法。一个离散的MPC计划所示图。3。
MPC的原则
模型预测控制器是使用以下
•动态模型过程的
•它利用先前的控制动作
•优化代价函数J后退预测地平线计算优化控制动作。在这项工作中,我们使用一个非线性成本函数给出了优化
x我=我th控制变量(流量)
r我=我th引用变量(压降)
U我=我th操纵变量(打开控制阀)
W习=重公司有效反映x的相对重要性我
W用户界面ui =加权系数惩罚相对大的改变等。
结果和讨论
在目前的工作,很多数据关于螺旋线圈之间的压降和控制阀串联不同空气流速(30 LPHM, 60液体变阻器,90液体变阻器和120液体变阻器)和不同开放程度的控制阀(25%,50%,75%,100%)是测量各种原油+水系统。
图得到混合流量和压降之间的关系。他们的特点是学习利用线性化方法(二阶)关系方程获得了相应的图表(他们是显示在数字)。通过使用线性方程控制器参数(Kp、Kd、Ki)获得,通过使用这些参数合适的MPC和PID控制器设计。控制器将系统中调节控制阀以及空气流量。因此,通过使用控制器混合流量增加到所需的值。如果我们实现这些控制器在石油钻井平台原油萃取率将增加,石油钻井平台的总体效率将会增加。在先前的研究研究三相油水气水平有限公司电流由超速等。3)没有设计这种MPC和PID控制器原油流量最大化。
一个通用的模型钻井,单一和多相流操作完成,控制和干预提出了一般模型仅供多相流。他们工作的质量流率和油井的操作和控制。他们没有设计一个MPC控制器或任何控制过程。
一个健壮的多模型预测控制器为分布参数系统设计工作模型分布参数系统预测控制器。他们没有设计这样的原油勘探系统控制器。在这个工作MPC控制器是专为这种多相流系统。
现今,许多石油和原油领域有一种天然的gas-crude油分离器的输出端安装在每个单独的原油的天然气。分离后的气体运输原油在岸上。但是这个过程需要很长时间,气液分离器分离是非常昂贵的设备。通过正确设计MPC和PID控制器在该系统中我们可以抽出这些原油井筒在一起,我们可以增加的原油开采石油钻塔。石油和石油公司投资数十亿所以改善原油提取一个或两个的速度比例将有效地为公司节省数百万美元。如果公司的开销费用减少石油和天然气价格将会减少,世界经济将会改善
结论
七种不同的组合密度(原油+水)的混合物中使用这个测试方法获取各种数据,如压降之间的螺旋线圈和控制阀门。适当的模型预测控制器和PID控制器的设计。控制器将控制系统的空气流量,它会控制的开放水平总体混合控制阀的流量增加。通过使用这些控制器在石油钻井平台,我们可以增加原油萃取率,从而可以提高石油钻井平台的效率。
使用压降曲线和线性方程获得测试正确模型预测控制器和PID控制器设计和所示图10。控制阀门开度和空气流量,提高萃取率从钻井平台原油。
图10:显示的提议设计PID和MPC控制器控制三相流经螺旋线圈和控制阀门。
引用
- Decarre年代,Duret E, Tran心不在焉。320年石油天然气研究水管、纸。国际会议在多相流,新奥尔良。2001。
- Wegmann, Melke J,罗尔房车。三相liquid-liquid-gas f低点5.6毫米和7毫米内径管道。Int J Multiph流。2007;33:484 - 97。
- geoffrey Spedding PL,唐纳利GF,科尔JS。三相oil-water-gas水平顺流流程:即Eexperimental和政权的地图。化学Eng Res设计。2005;83:401-11。
- 陈X,郭l .流模式和压降oil-air-water三相流经螺旋盘管。Int J Multiph流。1999;25:1053 - 72。
- 王张总部,Q, Sarica C, et al .统一模式通过蛞蝓dynamics-part气液管流1:模型发展。J能源resour抛光工艺。2003;125:266 - 73。
- Tran QH Masella JM,费雷D, et al .瞬态模拟的两相流管道。Int j multiph流。1998;24:739-55。
- Desalis J, Heintze e .多相pumbs的动态模拟。9th BHRG multiphase international conference, cannes, France. 1999;11-43.
- 彼得森J, Rommetveit R, Bjerkevoll KS等。一般的动态模型单在钻井和多相流操作,完成,控制和干预。:IAPC / SPE亚太钻探技术会展。石油工程师学会,印度尼西亚雅加达。1999。
- 曼金长科国际,胡锦涛BG, Gosine RG。时域分析的基础设计和新的PId调优规则。Proc本月选出Eng控制理论:。2001;148:251 - 61。
- 壮族M,阿瑟顿DP。自动调谐的最优PID控制器。IEE Proceedings-Part D;控制理论和应用程序。1993;140:216。
- Nikolaou M。模型预测控制器:一个关键的合成理论和工业需求,化学工程的发展,学术出版社。2001;26:131 - 204。
- 加西亚先生,维拉斯C,桑托斯。一个健壮的分布参数系统的多模型预测控制器。J Proc控制。2012;22:60 - 71。
- Acikgoz M,语言F, Lahey rt,三相流机制的实验研究。Int j multiph flow.1992; 18:327-36。
