基于双率融合的水下化学药剂注入计量阀的流量计量方法

孙钦　安维峥　吴露　左信　徐世江　岳元龙

摘 要 为了提高水下油气田生产化学药剂注入计量阀的可靠性，防止出现计量不准确甚至无法计量的情况，提出流量计与辅助流量计量的双冗余计量方法，通过数据融合方式实时整合流量计和辅助流量计量流量，输出高精度的化学药剂流量。针对流量计和辅助流量计量的采样速率不同且采样速率之比为正有理数的情况，提出一种分布式状态估计融合算法，首先建立每种计量方式的状态空间模型；然后将两种计量方式的观测信息采用分布式融合结构进行融合，进而将双率数据融合问题转换为同速率数据融合问题；最后的仿真结果表明：基于本算法获得的最高采样率下的状态估计值优于单一计量方式的状态估计值，算法具有很好的可行性、实时性和有效性。

关键词 双冗余计量 水下生产系统 流量 数据融合 双率 分布式状态估计 Kalman滤波

中图分类号 TP214   文献标识码 A   文章编号 1000?3932（2023）02?0175?06

水下生产系统广泛应用于深水油气田以及边际油田的开发过程，具有流动性保障的需求。化学药剂对海洋油气资源的开采以及保障水下生产系统流动性安全起着非常重要的作用，它们主要用来提高水下生产系统相关生产设备的工作效率，同时保护生产设备和井口管线的正常运作，以及延长设备的耐用性等。水下化学药剂注入计量阀是水下生产系统的关键设备，具有为水下油气田开发提供化学药剂注入、计量及流量控制等功能。

为了获得准确的化学药剂注入流量，降低單一数据源给系统带来的风险，水下化学药剂计量阀的流量计量通常采用流量计与辅助流量计量方法的两级流量计量冗余设计方案，即在水下化学药剂注入计量阀内部的化学药剂注入沿程串联接入流量计，然后接入调节阀，在调节阀上、下游安装压力变送器，通过当前调节阀阀芯位移信息和前、后压差信息计算流经调节阀的流量，实现辅助流量计量。

随着设备安装使用时长的增加，流量计与各传感器的性能逐渐下降，测量误差和设备故障率逐渐增大，导致测量数据不准确。为了获得高精度的流量计量数值，避免因传感器性能问题导致的计量不准确问题，水下化学药剂注入计量阀采用流量数据融合方法实时融合流量计测量流量与辅助流量计量计算流量，从而获取高精度的流量计量数值。

数据融合是将多个来源的数据进行融合以获得比单个数据源更加接近真实值的方法，目前已广泛应用于故障诊断、目标识别及智能交通等领域［1～4］。当前对于多个数据融合的研究一般都假设各个数据源具有相同的采样速率，但化学药剂注入计量阀的流量计量过程存在数据获取周期不同步的问题。一般情况下，流量计可以实时测量介质的流量，采样速度较快，但辅助流量计量方法需要通过调节阀两端的压差信息和阀芯位移信息计算通过调节阀的流量，计算过程较慢，需要消耗一定的时间，因此存在流量采样速率不一样的问题。如何将具有不同采样速率的流量数据进行融合成为亟待解决的问题。

目前，在多率传感器系统的融合估计理论中，大多数学者采用两种处理方法：一种是基于多尺度系统理论的方法，另一种是基于滤波器设计的方法。多尺度系统理论最早提出是在1989年［5，6］，并且已经应用于实践中［7］。基于滤波器设计的方法是在设计过程中融合不同采样速率的观测值以实现状态估计［7～11］。针对水下化学药剂注入计量阀的流量计量这一典型的多率系统，本研究通过将状态和观测值采用分布式数据融合结构，进而将双率数据融合问题转换为同速率的数据融合问题，并给出一种双率融合状态估计算法。

1 问题描述

化学药剂计量阀采用流量计与调节阀紧密串联集成的方式将流量计量与流量调节这两种功能集合于一体，通过使用齿轮流量计计量化学药剂的实时流量，同时使用辅助流量计量方法计算化学药剂流经调节阀的流量，把两种流量计量方法对应的流量数据融合输出高精度的流量计量值。

水下化学药剂计量阀的工作原理如图1所示。

流量计可以实时测得化学药剂的流量值，但辅助流量计量算法需要通过位移传感器检测的阀芯位移和高精度压力变送器测量的调节阀前、后压差数据计算出当前流经调节阀的流体流量，计算过程需消耗一定的时间，存在两个流量采样周期不一样的问题。

针对流量计和辅助流量计量的采样速率不同步问题，本课题展开以下研究。

利用流量计和辅助流量计量方式对同一化学药剂的注入量进行观测，已知这两种计量方式的观测方程及其在最高采样率下的状态方程，并假设两种计量方式之间的采样时间呈任意整数倍关系。系统模型为：

4 仿真实例

现采用两种计量方式对水下化学药剂注入流量进行计量，一个是来自流量计实时计量的流量数据，另一个是根据调节阀阀芯位移信息和前后压差信息计算流体流经调节阀的流量数据。系统描述如第1节所述，取N=2，n=1即数据源相关系统模型参数A（2，k）=1，C（i，k）=1（i=1，2）。初始条件x=10.8，p（2，0）=2。系统误差方差Q（3）=2。

设两种计量方式的观测误差方差分别为

R（2）=1，R（1）=1，两种计量方式的数据源之间的采样速率关系如图2所示，对流量计和辅助流量计量的流量分别采样100、50个数据进行仿真。

图4为流量计实时计量的流量数据仿真示意图，采样速率为1 s，红色数据为流量计计量的流量值，黑色曲线代表拟合的流量变化曲线。

图5为根据调节阀阀芯位移信息和前后压差信息计算流体流经调节阀流量数据仿真示意图，采样速率为2 s，红色数据为计算获取的流量值，黑色曲线代表拟合的流量变化曲线。

图6为利用笔者所述分布式融合估计算法融合结果仿真示意图，结合图4可以看出，两种计量方式的融合结果相比于单种计量方式而言更加贴近真实值，红色数据为融合输出的流量值，黑线为拟合流量曲线。

图7为单一流量计和融合两种计量方式所得的状态估计误差的绝对值曲线，可以看出，融合两种计量方式的估计误差绝对值曲线与单一计量方式的误差曲线相比更接近于零，也就是说两种计量方式的融合结果优于单一计量方式的融合结果。

仿真结果表明，笔者提出的融合估计算法是有效的，并且提出的双率融合算法解决了水下化学药剂注入计量阀存在流量计量采样速率不同步问题。

5 结束语

本课题研究了流量计和辅助流量计量两种方法采样速率不同步的数据融合问题，在速率之比为正有理数的前提下，提出一种分布式状态融合估计算法，即双率估计融合算法。通过将双率估计融合算法应用到水下化学药剂注入计量阀的流量计量中，解决了流量计采样速率不同步问题。仿真实验表明：融合两种计量方式获得的最高采样率下的状态估计值优于单一计量方式的状态估计值，提高了水下化学药剂注入流量计量的精确性与可靠性。

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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

作者简介：孙钦（1975-），高级工程师，从事水下生产控制系统的设计与通信研究。

通讯作者：岳元龙（1984-），副教授，高级工程师，从事数据融合、控制系统可靠性理论研究，yueyuanlong@cup.edu.cn。

引用本文：孙钦，安维峥，吴露，等.基于双率融合的水下化学药剂注入计量阀的流量计量方法［J］.化工自动化及仪表，2023，50（2）：175-180.