基於文丘裡管差壓數據的氣液兩相流參數測量方法與流程

2023-10-23 16:49:42

本發明屬於流體測量技術領域，具體涉及到一種基於文丘裡管差壓數據的氣液兩相流參數測量方法。

背景技術：

多相流動是指由固、液、氣(汽)三相中任何兩相或者兩相以上不相溶物質的混合流動，其中氣液兩相流動是多相流動中最常見、最複雜的流動形態，廣泛存在於動力、化工、石油、冶金、管道運輸、醫藥、製冷等領域。氣液兩相複雜多變的接觸界面、兩相介質的相對溫度、相對含量、流動型態等因素複雜多變，導致氣液兩相流的流量、分相含率等參數的測量難度較大。

目前氣液兩相流參數檢測技術及裝置大多處於研究探索階段，可以現場應用的技術以及工業型的儀器儀表還不多，這與氣液兩相流在工程領域的廣泛存在極其不適應，因此氣液兩相流參數測量是一個急需研究、有待提高的領域。

目前氣液兩相流參數檢測方法大體可分為三大類。第一類為分流分相的方法。在石油工業中常用油氣水三相分離器實現多相流的測量。在計量時首先進行油氣水分離，再通過多條管線分相計量，該計量方式設備昂貴、安裝複雜，並需要建立專門的計量站和測試管線，不利於建設成本的節約以及管線各站點的管理。第二類是採用傳統的單相流儀表與多相流參數測量模型相結合的測量方法。傳統的單相流儀表技術成熟，工作可靠，被許多研究者所熟悉，在不同的應用領域，根據測量現場的具體情況，選擇合適的測量模型，能在一定精度條件下解決氣液兩相流參數測量問題。三是採用現代信息處理方法來估計兩相流參數。首先利用近代的新技術，如輻射線技術、雷射技術、光纖技術、超聲技術、相關技術、過程層析成像技術等，獲取管道內氣液兩相流動信息，再在成熟的硬體基礎上，以計算機技術為支撐平臺，應用現代信息處理方法來解決兩相流參數估計問題，可以提高兩相流參數檢測的實時性。

目前應用文丘裡管等節流元件，採用節流法測量氣液兩相流參數時，主要基於節流式儀表測量原理與兩相流模型來實現。根據不同的假設條件，國內外學者建立了均相流模型、分相流模型、Murdock關係式、Chisholm關係式、林宗虎關係式、漂移通量模型等兩相流測量模型。部分模型中的參數需要通過實驗數據確定，當實驗裝置或應用條件不同時，模型中的參數也略有不同。

氣液兩相流流經文丘裡管時，管道內差壓的波動特徵與氣液兩相流的流型、兩相間的相對運動、氣液相間的相互作用等有關。有研究者報導了該差壓波動信號的概率密度函數與氣液兩相流流型間的關係，應用該概率密度函數的特徵來識別兩相流流型。

技術實現要素：

本發明的目的是利用文丘裡管的差壓波動信號估計氣液兩相流參數。具有測量裝置簡單，測量過程中無需切斷管道中流體的正常流動，實時性好，液體流量及含氣率測量精度高的優點。

基於文丘裡管差壓數據測量氣液兩相流參數的測量裝置，包括計量管道(1)、壓力傳感器(2)、文丘裡管(3)、差壓傳感器(4)、A/D轉換卡(5)和計算機(6)。

基於文丘裡管差壓數據測量氣液兩相流參數的測量裝置如圖1所示，在計量管道(1)上依次設有壓力傳感器(2)、文丘裡管(3)，差壓傳感器(4)與文丘裡管(3)相連，A/D轉換卡(5)與壓力傳感器(2)、差壓傳感器(4)相連，計算機(6)與A/D轉換卡(5)相連。

本發明基於文丘裡管上部差壓信號測量氣液兩相流參數，包括有如下步驟：

(1)差壓信號測量：應用差壓傳感器測量T時間內文丘裡管上部差壓波動信號ΔP，其中T≥2秒，採樣頻率為1000Hz；

(2)差壓信號分界：計算ΔP的概率密度函數，取概率密度函數的波谷為分界點S，將ΔP分為低差壓部分ΔPL與高差壓部分ΔPH；

(3)計算特徵值：根據計算RHL，其中NH為高差壓部分ΔPH的數據點數，NL為低差壓部分ΔPL的數據點數，並計算高差壓部分ΔPH的方差VH；

(4)根據關係式計算液體流量Qliq，根據關係式計算含氣率α，其中β0，β1，θ0，θ1根據實驗數據離線確定，根據計算氣體流量Qgas。

上述步驟(1)中所述的文丘裡管上部差壓波動信號ΔP在從水平方向傾斜向上45度的取壓位置採集得到。

上述步驟(2)中的分界點S根據實驗工況的差壓信號的概率密度函數離線確定。差壓信號的概率密度函數為雙峰曲線，兩峰之間的極小值點的橫坐標即為分界點S。

本發明的優點是，僅需要一個文丘裡管，根據差壓數據的分布即可實現氣液兩相流參數的測量，測量裝置成本低、測量精度高、實時性好。由於根據一段時間T內的差壓數據進行參數估計，因此，減小了偶然性的幹擾，提高了測量精度。本發明適用於氣液兩相流多參數的測量。

附圖說明

圖1為基於文丘裡管差壓數據測量氣液兩相流參數的結構示意圖；

圖2為文丘裡管差壓信號採集位置示意圖；

圖3為文丘裡管差壓信號採集位置剖面圖；

圖4為水流量為15.09m3/h，氣流量為17.21m3/h工況下差壓信號分界示意圖，左側為該工況的原始差壓信號，右側為該差壓信號的概率密度函數曲線與分界線；

圖5為液體流量變化時差壓信號的概率密度函數；

圖6為氣體流量變化時差壓信號的概率密度函數；

圖7為液相流量Qliq與特徵值RHL的曲線擬合關係圖；

圖8為含氣率α與特徵值VH的曲線擬合關係圖；

圖9為液體流量測量結果；

圖10為含氣率測量結果；

圖11為氣體流量測量結果。

具體實施方式

本發明的氣液兩相流測量裝置，包括計量管道(1)、壓力傳感器(2)、文丘裡管(3)、差壓傳感器(4)、A/D轉換卡(5)和計算機(6)。本實施例實現液體體積流量為5.91～14.28m3/h，氣體體積流量為9.62～59.72m3/h，含氣率為0.55～0.88的氣液兩相流液體流量、氣體流量和含氣率的測量。

(1)測量裝置安裝

氣液兩相流的測量裝置如圖1所示，計量管道(1)為內徑40mm的測試管段，計量管道(1)上依次安裝有壓力傳感器(2)、文丘裡管(3)，差壓傳感器(4)與文丘裡管(3)相連，A/D轉換卡(5)與壓力傳感器(2)、差壓傳感器(4)相連，計算機(6)與A/D轉換卡(5)相連。

(2)差壓信號測量

應用差壓傳感器測量文丘裡管上部的差壓波動信號ΔP，文丘裡管如圖2所示，其取壓口方向如圖3所示：取壓口與水平方向夾角為45°，斜向上方。

文丘裡管的差壓信號由差壓傳感器採集之後經A/D轉換卡送入計算機。採樣頻率為1000Hz，採樣時間為8秒。水流量為15.09m3/h，氣流量為17.21m3/h工況下測得的差壓波動信號如圖4左側圖所示。

(3)計算差壓波動信號的概率密度函數

根據核密度估計方法計算差壓波動信號的概率密度函數，核密度估計的核函數採用高斯(Gaussian)函數，窗口寬度為差壓數據極差的百分之一。

圖4右側的曲線為在水流量為15.09m3/h，氣流量為17.21m3/h工況下差壓波動信號的概率密度函數。

(4)計算差壓信號分界點S

計算ΔP的概率密度函數，取概率密度函數的波谷為分界點S，將ΔP分為低差壓部分ΔPL與高差壓部分ΔPH。

圖5為液相流量幾乎不變，氣相流量增大工況下，差壓波動信號的概率密度函數。

圖6為氣相流量幾乎不變，液相流量增大工況下，差壓波動信號的概率密度函數。

低差壓部分ΔPL與高差壓部分ΔPH的分界點S為兩波峰之間的波谷，根據實驗數據確定分界點S為1.1Kpa。

(5)計算特徵值

根據計算RHL，其中NH為高差壓部分ΔPH的數據點數，NL為低差壓部分ΔPL的數據點數，並計算高差壓部分ΔPH的方差VH。

(6)根據實驗數據離線確定β0，β1，θ0，θ1

根據實驗中的參考液相流量與對應的特徵值RHL，應用最小二乘法擬合中的參數β0，β1；根據實驗數據離線確定參數β0＝0.0255，β1＝0.2972，圖7為液相流量Qliq與特徵值RHL的曲線擬合關係圖。

根據實驗中的參考含氣率與對應的特徵值VH，應用最小二乘法擬合中的參數θ0，θ1；根據實驗數據離線確定參數θ0＝8.2924×10-4，θ1＝11.1910，圖8為含氣率α與特徵值VH的曲線擬合關係圖。

(7)氣液兩相流參數估計

根據關係式計算液體流量Qliq，根據關係式計算含氣率α，其中β0，β1，θ0，θ1根據實驗數據離線確定，根據計算氣體流量Qgas。

在本實施例中，參數β0＝0.0255，β1＝0.2972，θ0＝8.2924×10-4，θ1＝11.1910。圖9為液體流量估計結果，其相對誤差在10％以內。圖10為含氣率估計結果，有98.82％的工況相對誤差在10％以內，所有工況的相對誤差都在20％以內。圖11為氣體流量估計結果，大部分工況的相對誤差在20％以內。