孫欽　安維崢　吳露　左信　徐世江　岳元龍

摘 要 為了提高水下油氣田生產(chǎn)化學(xué)藥劑注入計(jì)量閥的可靠性，防止出現(xiàn)計(jì)量不準(zhǔn)確甚至無(wú)法計(jì)量的情況，提出流量計(jì)與輔助流量計(jì)量的雙冗余計(jì)量方法，通過數(shù)據(jù)融合方式實(shí)時(shí)整合流量計(jì)和輔助流量計(jì)量流量，輸出高精度的化學(xué)藥劑流量。針對(duì)流量計(jì)和輔助流量計(jì)量的采樣速率不同且采樣速率之比為正有理數(shù)的情況，提出一種分布式狀態(tài)估計(jì)融合算法，首先建立每種計(jì)量方式的狀態(tài)空間模型；然后將兩種計(jì)量方式的觀測(cè)信息采用分布式融合結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合，進(jìn)而將雙率數(shù)據(jù)融合問題轉(zhuǎn)換為同速率數(shù)據(jù)融合問題；最后的仿真結(jié)果表明：基于本算法獲得的最高采樣率下的狀態(tài)估計(jì)值優(yōu)于單一計(jì)量方式的狀態(tài)估計(jì)值，算法具有很好的可行性、實(shí)時(shí)性和有效性。

關(guān)鍵詞 雙冗余計(jì)量 水下生產(chǎn)系統(tǒng) 流量 數(shù)據(jù)融合 雙率 分布式狀態(tài)估計(jì) Kalman濾波

中圖分類號(hào) TP214? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 1000?3932（2023）02?0175?06

水下生產(chǎn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于深水油氣田以及邊際油田的開發(fā)過程，具有流動(dòng)性保障的需求?；瘜W(xué)藥劑對(duì)海洋油氣資源的開采以及保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)流動(dòng)性安全起著非常重要的作用，它們主要用來(lái)提高水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的工作效率，同時(shí)保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備和井口管線的正常運(yùn)作，以及延長(zhǎng)設(shè)備的耐用性等。水下化學(xué)藥劑注入計(jì)量閥是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，具有為水下油氣田開發(fā)提供化學(xué)藥劑注入、計(jì)量及流量控制等功能。

為了獲得準(zhǔn)確的化學(xué)藥劑注入流量，降低單一數(shù)據(jù)源給系統(tǒng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，水下化學(xué)藥劑計(jì)量閥的流量計(jì)量通常采用流量計(jì)與輔助流量計(jì)量方法的兩級(jí)流量計(jì)量冗余設(shè)計(jì)方案，即在水下化學(xué)藥劑注入計(jì)量閥內(nèi)部的化學(xué)藥劑注入沿程串聯(lián)接入流量計(jì)，然后接入調(diào)節(jié)閥，在調(diào)節(jié)閥上、下游安裝壓力變送器，通過當(dāng)前調(diào)節(jié)閥閥芯位移信息和前、后壓差信息計(jì)算流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量，實(shí)現(xiàn)輔助流量計(jì)量。

隨著設(shè)備安裝使用時(shí)長(zhǎng)的增加，流量計(jì)與各傳感器的性能逐漸下降，測(cè)量誤差和設(shè)備故障率逐漸增大，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。為了獲得高精度的流量計(jì)量數(shù)值，避免因傳感器性能問題導(dǎo)致的計(jì)量不準(zhǔn)確問題，水下化學(xué)藥劑注入計(jì)量閥采用流量數(shù)據(jù)融合方法實(shí)時(shí)融合流量計(jì)測(cè)量流量與輔助流量計(jì)量計(jì)算流量，從而獲取高精度的流量計(jì)量數(shù)值。

數(shù)據(jù)融合是將多個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以獲得比單個(gè)數(shù)據(jù)源更加接近真實(shí)值的方法，目前已廣泛應(yīng)用于故障診斷、目標(biāo)識(shí)別及智能交通等領(lǐng)域［1～4］。當(dāng)前對(duì)于多個(gè)數(shù)據(jù)融合的研究一般都假設(shè)各個(gè)數(shù)據(jù)源具有相同的采樣速率，但化學(xué)藥劑注入計(jì)量閥的流量計(jì)量過程存在數(shù)據(jù)獲取周期不同步的問題。一般情況下，流量計(jì)可以實(shí)時(shí)測(cè)量介質(zhì)的流量，采樣速度較快，但輔助流量計(jì)量方法需要通過調(diào)節(jié)閥兩端的壓差信息和閥芯位移信息計(jì)算通過調(diào)節(jié)閥的流量，計(jì)算過程較慢，需要消耗一定的時(shí)間，因此存在流量采樣速率不一樣的問題。如何將具有不同采樣速率的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合成為亟待解決的問題。

目前，在多率傳感器系統(tǒng)的融合估計(jì)理論中，大多數(shù)學(xué)者采用兩種處理方法：一種是基于多尺度系統(tǒng)理論的方法，另一種是基于濾波器設(shè)計(jì)的方法。多尺度系統(tǒng)理論最早提出是在1989年［5，6］，并且已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)踐中［7］?；跒V波器設(shè)計(jì)的方法是在設(shè)計(jì)過程中融合不同采樣速率的觀測(cè)值以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)估計(jì)［7～11］。針對(duì)水下化學(xué)藥劑注入計(jì)量閥的流量計(jì)量這一典型的多率系統(tǒng)，本研究通過將狀態(tài)和觀測(cè)值采用分布式數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)，進(jìn)而將雙率數(shù)據(jù)融合問題轉(zhuǎn)換為同速率的數(shù)據(jù)融合問題，并給出一種雙率融合狀態(tài)估計(jì)算法。

1 問題描述

化學(xué)藥劑計(jì)量閥采用流量計(jì)與調(diào)節(jié)閥緊密串聯(lián)集成的方式將流量計(jì)量與流量調(diào)節(jié)這兩種功能集合于一體，通過使用齒輪流量計(jì)計(jì)量化學(xué)藥劑的實(shí)時(shí)流量，同時(shí)使用輔助流量計(jì)量方法計(jì)算化學(xué)藥劑流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量，把兩種流量計(jì)量方法對(duì)應(yīng)的流量數(shù)據(jù)融合輸出高精度的流量計(jì)量值。

水下化學(xué)藥劑計(jì)量閥的工作原理如圖1所示。

流量計(jì)可以實(shí)時(shí)測(cè)得化學(xué)藥劑的流量值，但輔助流量計(jì)量算法需要通過位移傳感器檢測(cè)的閥芯位移和高精度壓力變送器測(cè)量的調(diào)節(jié)閥前、后壓差數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流體流量，計(jì)算過程需消耗一定的時(shí)間，存在兩個(gè)流量采樣周期不一樣的問題。

針對(duì)流量計(jì)和輔助流量計(jì)量的采樣速率不同步問題，本課題展開以下研究。

利用流量計(jì)和輔助流量計(jì)量方式對(duì)同一化學(xué)藥劑的注入量進(jìn)行觀測(cè)，已知這兩種計(jì)量方式的觀測(cè)方程及其在最高采樣率下的狀態(tài)方程，并假設(shè)兩種計(jì)量方式之間的采樣時(shí)間呈任意整數(shù)倍關(guān)系。系統(tǒng)模型為：

4 仿真實(shí)例

現(xiàn)采用兩種計(jì)量方式對(duì)水下化學(xué)藥劑注入流量進(jìn)行計(jì)量，一個(gè)是來(lái)自流量計(jì)實(shí)時(shí)計(jì)量的流量數(shù)據(jù)，另一個(gè)是根據(jù)調(diào)節(jié)閥閥芯位移信息和前后壓差信息計(jì)算流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)描述如第1節(jié)所述，取N=2，n=1即數(shù)據(jù)源相關(guān)系統(tǒng)模型參數(shù)A（2，k）=1，C（i，k）=1（i=1，2）。初始條件x=10.8，p（2，0）=2。系統(tǒng)誤差方差Q（3）=2。

設(shè)兩種計(jì)量方式的觀測(cè)誤差方差分別為

R（2）=1，R（1）=1，兩種計(jì)量方式的數(shù)據(jù)源之間的采樣速率關(guān)系如圖2所示，對(duì)流量計(jì)和輔助流量計(jì)量的流量分別采樣100、50個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。

圖4為流量計(jì)實(shí)時(shí)計(jì)量的流量數(shù)據(jù)仿真示意圖，采樣速率為1 s，紅色數(shù)據(jù)為流量計(jì)計(jì)量的流量值，黑色曲線代表擬合的流量變化曲線。

圖5為根據(jù)調(diào)節(jié)閥閥芯位移信息和前后壓差信息計(jì)算流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥流量數(shù)據(jù)仿真示意圖，采樣速率為2 s，紅色數(shù)據(jù)為計(jì)算獲取的流量值，黑色曲線代表擬合的流量變化曲線。

圖6為利用筆者所述分布式融合估計(jì)算法融合結(jié)果仿真示意圖，結(jié)合圖4可以看出，兩種計(jì)量方式的融合結(jié)果相比于單種計(jì)量方式而言更加貼近真實(shí)值，紅色數(shù)據(jù)為融合輸出的流量值，黑線為擬合流量曲線。

圖7為單一流量計(jì)和融合兩種計(jì)量方式所得的狀態(tài)估計(jì)誤差的絕對(duì)值曲線，可以看出，融合兩種計(jì)量方式的估計(jì)誤差絕對(duì)值曲線與單一計(jì)量方式的誤差曲線相比更接近于零，也就是說兩種計(jì)量方式的融合結(jié)果優(yōu)于單一計(jì)量方式的融合結(jié)果。

仿真結(jié)果表明，筆者提出的融合估計(jì)算法是有效的，并且提出的雙率融合算法解決了水下化學(xué)藥劑注入計(jì)量閥存在流量計(jì)量采樣速率不同步問題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本課題研究了流量計(jì)和輔助流量計(jì)量?jī)煞N方法采樣速率不同步的數(shù)據(jù)融合問題，在速率之比為正有理數(shù)的前提下，提出一種分布式狀態(tài)融合估計(jì)算法，即雙率估計(jì)融合算法。通過將雙率估計(jì)融合算法應(yīng)用到水下化學(xué)藥劑注入計(jì)量閥的流量計(jì)量中，解決了流量計(jì)采樣速率不同步問題。仿真實(shí)驗(yàn)表明：融合兩種計(jì)量方式獲得的最高采樣率下的狀態(tài)估計(jì)值優(yōu)于單一計(jì)量方式的狀態(tài)估計(jì)值，提高了水下化學(xué)藥劑注入流量計(jì)量的精確性與可靠性。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-08-02，修回日期：2022-12-16）

Flow Measurement Method for Underwater Chemical InjectionBased on Dual?rate Fusion

SUN Qin1， AN Wei?zheng1， WU Lu1， ZUO Xin2， XU Shi?jiang2， YUE Yuan?long2

（1. CNOOC Institute Co.， Ltd.； 2. College of Information Science and Engineering，

China University of Petroleum （Beijing） ）

Abstract? ?For purpose of improving reliability of the metering valve in subsea chemical injection and preventing both inaccuracy and unmeasurable operation there， a dual redundant metering method was proposed， which has the flowmeter and auxiliary flow metering flow integrated at real time through data fusion to output high?accuracy chemical flow； meanwhile， a distributed state estimation fusion algorithm was proposed， in which， having the state space model of each metering method established and the observations of the two metering methods fused with a distributed fusion structure， as well as the dual?rate data fusion problem converted into a same?rate data fusion problem. Simulation results show that， the state estimates obtained based on this algorithm at the highest sampling rate outperforms that with a single measurement and this algorithm has better feasibility， real?time performance and validity.

Key words? ?dual redundant metering， underwater production system， flow， data fusion， dual rate， distributed state estimation， Kalman filtering

作者簡(jiǎn)介：孫欽（1975-），高級(jí)工程師，從事水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與通信研究。

通訊作者：岳元龍（1984-），副教授，高級(jí)工程師，從事數(shù)據(jù)融合、控制系統(tǒng)可靠性理論研究，yueyuanlong@cup.edu.cn。

引用本文：孫欽，安維崢，吳露，等.基于雙率融合的水下化學(xué)藥劑注入計(jì)量閥的流量計(jì)量方法［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2023，50（2）：175-180.