工作职务：多相流工程师
单位名称：Shell全球解决方案国际有限公司

应用领域：
石油/化工

使用产品：
LabVIEW、LabVIEW RT(实时模块)、CompactFieldPoint等

挑战：
减少开发工作，并对因操作变化（如启动、产量提高或流条件改变等）而在流线/升管系统中形成的大规模段塞流加以控制。

介绍：
利用LabVIEW实时模块与FieldPoint分布式I/O，开发一个段塞流抑制系统（S3），它由一个位于升管顶端和常见的首阶段分离装置之间的微型隔离装置组成。

管线的段塞现象
管线或流线/升管系统将液态炭氢化合物、燃气和水从各个卫星矿井传送至一个中央生产平台。由于经济因素，我们倾向于使用单个管线。理想状况下，一条管线将产生稳定数量的燃气和液体。然而，在单个管线中，隔离的液流与气流可能会引发问题。因为气相的实际速度快于液相的实际速度。液相趋向于在倾斜处和倾斜的管道部分累积，从而引发不规则流的现象。结果，大量的液体需要通过管线流出。这样的液体阻塞便称作段塞流，或称水力段塞流，也叫由升管引发的段塞现象和。而且，操作的变化如启动和增产，会引发大量的段塞液流。在管线或流线升管系统出口处的段塞液流可能会导致石油与燃气产量的大量损失。下游分离装置的不良使用、使用过程的不稳定、耗时的启动过程和（特别适用于流线/升管系统的）为避免段塞现象而采取的顶端阻塞，都会导致生产的延缓。段塞现象带来的另一个问题是段塞流后面的气相压缩。段塞流的传送需要在该段塞流后面施加更大的压力，以使该段塞流通过管线。这一压力增长取决于段塞液流的大小尺寸。当该段塞流到达管线或生产平台的出口时，被压缩的气体将引发一阵强大的气涌，这可能会再次引起顶端设施的混乱。

段塞流的抑制与控制
S3由Shell全球解决方案公司开发并授权Dril-Quip公司进行市场推广、销售和制造过程，它由一个位于升管顶端和常见的首阶段分离装置之间的微型分离装置组成。该微型分离装置包含两个出口，分别用于气流和液流。阀门接受来自控制系统的信号对两个出口流进行控制。该控制系统使用LabVIEW实时软件和FieldPoint分布式I/O，所开发的产品不仅可以抑制严重段塞现象，而且可以控制没有气涌伴随的瞬态段塞流。

精确的控制系统
S3控制系统中所用的电路包含NI FieldPoint 2010实时控制器的一个冗余备份。FieldPoint 2010提供信息用于收集与控制，同时包括与现有控制系统（ECS）的串口通信。我们也可以通过串口通信，远程控制设置点与操作模式。通过这样的内置冗余，假定每次故障需要4个小时的修复时间，那么系统的可靠性高达99.95%，。我们使用NI LabVIEW编写整个应用程序。对于控制算法，我们使用标准的LabVIEW PID控制工具箱模块，并结合其它算法，以确保当控制模式改变时正确而又快速地控制段塞流抑制系统。鉴于这些额外的控制算法的复杂度，凭借现有的PLC和DCS工具完成这些实现并非易事，但是LabVIEW提供了一套合适的工具与抽象。在应用的开发过程中，我们可以通过LabVIEW方便快捷地检验新的创意并分析其可用性。这样一个过程显著地改进了S3的研发速度。此外，无需聘请专业人员，我们可以仅仅通过两天的培训就实现在LabVIEW中构建应用程序。

从测试到生产
我们通过一个由一条100米的长管线与一根15米高的升管组成的空气-水测试环路，对该系统进行第一次测试。基于该环路我们开发了完整的测量与控制系统。在完成这些测试之后，我们在Shell U.K. E&P Gannet-Alpha平台（中北海）成功地在现场条件下评估了该系统。虽然首批测试系统包含标准的LabVIEW软件、数据采集硬件和SCXI，但我们计划在首批可商用系统中，使用LabVIEW实时模块与FieldPoint 2010系列的分布式I/O。那是因为这些系统可以将LabVIEW代码直接下载到FieldPoint模块，以确保实时、可靠的操作。控制环路能独立于PC上的OS，从而进一步优化了该控制系统。

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