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衛(wèi)生型渦輪流量計(jì)在油水氣三相計(jì)量中應(yīng)用研究
點(diǎn)擊次數(shù)：1801 發(fā)布時(shí)間：2021-01-13 17:45:12
油井三相流的分離分相計(jì)量精度主要是受氣液分離程度和含水率計(jì)精度的影響。提出利用同軸線相位法環(huán)空找水儀和衛(wèi)生型渦輪流量計(jì)的響應(yīng)函數(shù)來控制氣液分離, 其控制是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自校正控制。含水率測量選用高精度的同軸線相位法含水率計(jì), 這滿足了油井三相流的精確計(jì)量要求。
在油田生產(chǎn)過程參數(shù) (如溫度、壓力等) 檢測中, 以流量和各相持率測量非常為復(fù)雜, 是較難測量的兩個(gè)參數(shù), 引起了工程技術(shù)人員的興趣。隨著油田的發(fā)展, 被測對象不再局限于單相流, 而要對多相流、混合狀態(tài)的流量進(jìn)行測量。測量多相流的技術(shù)難度要比單相流體的精確測量大的多, 知道單相流體的密度、粘度及測量裝置的幾何結(jié)構(gòu), 便可以對單相流進(jìn)行定量分析。如果能利用多相流中每一相的上述各物理量對多相流進(jìn)行測量的話, 就很方便。但很遺憾的是, 多相流體的特性遠(yuǎn)比單相流體的特性復(fù)雜的多, 如各組分之間不能均勻混合、混合流體的異常性、流型轉(zhuǎn)變, 相對速度、流體性質(zhì)、管道結(jié)構(gòu)、流動(dòng)方向等因素將導(dǎo)致渦輪流量傳感器響應(yīng)特性的改變。
在單相流的條件下, 渦輪的轉(zhuǎn)速和流經(jīng)它的體積流量成一單值線性函數(shù), 在油水兩相流中, 只要流量超過始動(dòng)流量, 在允許的誤差范圍內(nèi), 渦輪的響應(yīng)和體積流量也是成線性函數(shù)。
但在多相流動(dòng)中, 即使在總流量保持不變的情況下, 混合流體的密度發(fā)生變化, 也會引起渦輪轉(zhuǎn)速的很大變化?；旌狭黧w經(jīng)過氣液分離后, 利用成熟的單相流測量技術(shù)和相分率測量技術(shù)計(jì)量, 因此計(jì)量的不確定度主要受氣液分離程度的影響。基于此, 提出利用同軸線含水率計(jì)和衛(wèi)生型渦輪流量計(jì)的響應(yīng)函數(shù)混合控制氣液分離器方法。
1 工作原理
衛(wèi)生型渦輪流量計(jì)是一速度式流量計(jì), 它通過測定流體中渦輪的轉(zhuǎn)速來反映流量的大小。在管道中心放置一個(gè)渦輪, 當(dāng)流體通過管道時(shí)沖擊渦輪葉片, 對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩, 使渦輪克服阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在一定流量、黏度范圍內(nèi)的流體介質(zhì)中, 渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體的流速成正比。因此, 流體的流速可以通過渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度求得, 進(jìn)而通過換算可得出通過管道的流體流量。氣液兩相流時(shí), 由于相比液相的速度高, 所以測量結(jié)果增大。同軸線相位法環(huán)空找水儀是通過測量電磁波在油水混合介質(zhì)中傳播的相位差來測量含水率。當(dāng)有氣的時(shí)候, 氣液混合介質(zhì)的介電常數(shù)的增大, 使得同軸線相位法環(huán)空找水儀的響應(yīng)值比液體的時(shí)候, 下降很多。當(dāng)氣液分離完全的時(shí)候, 它的響應(yīng)值就又上升到純液的時(shí)候的值, 據(jù)此判定, 氣液分離完全。
氣在氣液分離時(shí)利用衛(wèi)生型渦輪流量計(jì)和同軸線相位法環(huán)空找水儀的響應(yīng)函數(shù)來控制氣液分離器將很好的減小測量的誤差。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自校正控制, 沒有參考模型, 而依靠在線遞推識別 (參數(shù)估計(jì)) 估計(jì)系統(tǒng)未知的參數(shù), 以此來在線控制設(shè)計(jì)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制。設(shè)單輸入單輸出線性系統(tǒng)為
式中:yk-1為對象輸出;uk為控制器輸出。
f (·) 和g (·) 未知, BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)算法可以逼近這些函數(shù)并重新自校正控制規(guī)律, 為簡單起見, 設(shè)被控制對象為一階系統(tǒng), 即
通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用模型得
去逼近對象模型, 其中W=W[W0, W1, ……, W2P], V=[V0, V1, ……, V2q], 且有
相應(yīng)的控制規(guī)律為
將式 (4) 代入式 (3) 可得
使得定義的輸出誤
為非常小, 于是有:小, 于是有:
未知, 但其符號已知, 可用sgn[g (yk) ]代替g (yk) , 這樣就可以得到調(diào)整W (k) 和V (k) 的學(xué)習(xí)規(guī)則為
式中:ηk, μk分別為學(xué)習(xí)效率。
2 應(yīng)用實(shí)例
水氣模擬環(huán)路中, 以清水模擬油井產(chǎn)出液, 以空氣模擬油井的分離氣。通過調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)流量渦輪獲得標(biāo)準(zhǔn)流量。標(biāo)準(zhǔn)流量的水和一定量的氣體混合, 即得到混合液?；旌弦和ㄟ^分離裝置, 經(jīng)分離, 即可得到分離后的水的流量。在試驗(yàn)中, 當(dāng)含水率計(jì)的響應(yīng)值為全水值時(shí), 即表示分離完全, 且實(shí)驗(yàn)選用的含水率計(jì)的全水值為4500Hz。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)選4-5-3, 學(xué)習(xí)速率ηk=0.78, μk=0.64, 加權(quán)系數(shù)初始值取區(qū)間[-0.5, 0., 5]上的隨機(jī)數(shù)。輸入指令信號為采樣得到的一路同軸線相位法找水率計(jì)信號, 輸出信號取衛(wèi)生型渦輪流量計(jì)的信號。
3 結(jié)束語
通過同軸線相位法含水率計(jì)和衛(wèi)生型渦輪流量計(jì)的響應(yīng)函數(shù)來控制氣液分離, 可以實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)整, 基本達(dá)到完全分離的目的。
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自校正控制, 可以有效的實(shí)現(xiàn)對氣液分離的實(shí)時(shí)控制。
此方法效果好, 現(xiàn)已在現(xiàn)場應(yīng)用, 前景廣闊。
在油田生產(chǎn)過程參數(shù) (如溫度、壓力等) 檢測中, 以流量和各相持率測量非常為復(fù)雜, 是較難測量的兩個(gè)參數(shù), 引起了工程技術(shù)人員的興趣。隨著油田的發(fā)展, 被測對象不再局限于單相流, 而要對多相流、混合狀態(tài)的流量進(jìn)行測量。測量多相流的技術(shù)難度要比單相流體的精確測量大的多, 知道單相流體的密度、粘度及測量裝置的幾何結(jié)構(gòu), 便可以對單相流進(jìn)行定量分析。如果能利用多相流中每一相的上述各物理量對多相流進(jìn)行測量的話, 就很方便。但很遺憾的是, 多相流體的特性遠(yuǎn)比單相流體的特性復(fù)雜的多, 如各組分之間不能均勻混合、混合流體的異常性、流型轉(zhuǎn)變, 相對速度、流體性質(zhì)、管道結(jié)構(gòu)、流動(dòng)方向等因素將導(dǎo)致渦輪流量傳感器響應(yīng)特性的改變。
在單相流的條件下, 渦輪的轉(zhuǎn)速和流經(jīng)它的體積流量成一單值線性函數(shù), 在油水兩相流中, 只要流量超過始動(dòng)流量, 在允許的誤差范圍內(nèi), 渦輪的響應(yīng)和體積流量也是成線性函數(shù)。
但在多相流動(dòng)中, 即使在總流量保持不變的情況下, 混合流體的密度發(fā)生變化, 也會引起渦輪轉(zhuǎn)速的很大變化?；旌狭黧w經(jīng)過氣液分離后, 利用成熟的單相流測量技術(shù)和相分率測量技術(shù)計(jì)量, 因此計(jì)量的不確定度主要受氣液分離程度的影響。基于此, 提出利用同軸線含水率計(jì)和衛(wèi)生型渦輪流量計(jì)的響應(yīng)函數(shù)混合控制氣液分離器方法。
1 工作原理
衛(wèi)生型渦輪流量計(jì)是一速度式流量計(jì), 它通過測定流體中渦輪的轉(zhuǎn)速來反映流量的大小。在管道中心放置一個(gè)渦輪, 當(dāng)流體通過管道時(shí)沖擊渦輪葉片, 對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩, 使渦輪克服阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在一定流量、黏度范圍內(nèi)的流體介質(zhì)中, 渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體的流速成正比。因此, 流體的流速可以通過渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度求得, 進(jìn)而通過換算可得出通過管道的流體流量。氣液兩相流時(shí), 由于相比液相的速度高, 所以測量結(jié)果增大。同軸線相位法環(huán)空找水儀是通過測量電磁波在油水混合介質(zhì)中傳播的相位差來測量含水率。當(dāng)有氣的時(shí)候, 氣液混合介質(zhì)的介電常數(shù)的增大, 使得同軸線相位法環(huán)空找水儀的響應(yīng)值比液體的時(shí)候, 下降很多。當(dāng)氣液分離完全的時(shí)候, 它的響應(yīng)值就又上升到純液的時(shí)候的值, 據(jù)此判定, 氣液分離完全。
氣在氣液分離時(shí)利用衛(wèi)生型渦輪流量計(jì)和同軸線相位法環(huán)空找水儀的響應(yīng)函數(shù)來控制氣液分離器將很好的減小測量的誤差。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自校正控制, 沒有參考模型, 而依靠在線遞推識別 (參數(shù)估計(jì)) 估計(jì)系統(tǒng)未知的參數(shù), 以此來在線控制設(shè)計(jì)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制。設(shè)單輸入單輸出線性系統(tǒng)為
式中:yk-1為對象輸出;uk為控制器輸出。
f (·) 和g (·) 未知, BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)算法可以逼近這些函數(shù)并重新自校正控制規(guī)律, 為簡單起見, 設(shè)被控制對象為一階系統(tǒng), 即
通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用模型得
去逼近對象模型, 其中W=W[W0, W1, ……, W2P], V=[V0, V1, ……, V2q], 且有
相應(yīng)的控制規(guī)律為
將式 (4) 代入式 (3) 可得
使得定義的輸出誤
為非常小, 于是有:小, 于是有:
未知, 但其符號已知, 可用sgn[g (yk) ]代替g (yk) , 這樣就可以得到調(diào)整W (k) 和V (k) 的學(xué)習(xí)規(guī)則為
式中:ηk, μk分別為學(xué)習(xí)效率。
2 應(yīng)用實(shí)例
水氣模擬環(huán)路中, 以清水模擬油井產(chǎn)出液, 以空氣模擬油井的分離氣。通過調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)流量渦輪獲得標(biāo)準(zhǔn)流量。標(biāo)準(zhǔn)流量的水和一定量的氣體混合, 即得到混合液?；旌弦和ㄟ^分離裝置, 經(jīng)分離, 即可得到分離后的水的流量。在試驗(yàn)中, 當(dāng)含水率計(jì)的響應(yīng)值為全水值時(shí), 即表示分離完全, 且實(shí)驗(yàn)選用的含水率計(jì)的全水值為4500Hz。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)選4-5-3, 學(xué)習(xí)速率ηk=0.78, μk=0.64, 加權(quán)系數(shù)初始值取區(qū)間[-0.5, 0., 5]上的隨機(jī)數(shù)。輸入指令信號為采樣得到的一路同軸線相位法找水率計(jì)信號, 輸出信號取衛(wèi)生型渦輪流量計(jì)的信號。
3 結(jié)束語
通過同軸線相位法含水率計(jì)和衛(wèi)生型渦輪流量計(jì)的響應(yīng)函數(shù)來控制氣液分離, 可以實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)整, 基本達(dá)到完全分離的目的。
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自校正控制, 可以有效的實(shí)現(xiàn)對氣液分離的實(shí)時(shí)控制。
此方法效果好, 現(xiàn)已在現(xiàn)場應(yīng)用, 前景廣闊。