基于文丘里管雙差壓的氣液兩相流參數測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于流體測量技術領域，具體設及到一種基于文丘里管雙差壓的氣液兩相 流參數測量方法。
【背景技術】
[0002] 氣液兩相流廣泛存在于石油、化工、醫藥、動力等工業領域，其空隙率、干度、流量 等參數的在線檢測對氣液兩相流系統的控制、可靠運行和效率等均具有重要的意義，長期 W來，一直是兩相流領域的重要研究內容。例如，在石油工業中，油氣計量時首先進行油氣 水分離，再通過多條管線分相輸送并計量，運種計量方式采用的油氣分離設備體積龐大，價 格昂貴。若能采用一條管線進行多相混輸，并配W具有在線、實時、不分離計量功能的多相 流量計，將極大地節約基礎設施的建設成本，對于簡化地面生產設備、提升輸油管線各站點 的管理，優化油氣井生產過程都具有重要意義。但是氣液兩相流動復雜，多相混輸時參數檢 測難度很大。
[0003] 在氣液兩相流參數中，空隙率的測量方法主要包括直接測量法和間接測量法。在 直接測量法中最常用的是快關閥法。實驗中，當測量管段的流體流動穩定時，同時迅速關閉 安裝在實驗管路上的兩個快關閥口，然后排出管道中的氣體并測量剩余液體的體積，結合 測量管段的總體積求出兩閥口間的體積平均空隙率。該方法測量空隙率準確有效，但測量 時需要人為切斷管道中流體的正常流動，且無法實現實時在線測量，運限制了該方法在實 際工業生產中的應用，目前主要用于實驗室對空隙率的研究W及對空隙率測量裝置的標 定。間接測量法主要包括阻抗法、超聲波透射法、過程/電阻層析成像法、射線法、核磁共振 法等。文丘里管差壓信號的均值和瞬時值、水平管道中差壓波動信號的方差及均值都可用 來間接測量至隙率。
[0004] 氣液兩相流流量測量方法主要包括單相流量計法、相關測量法、節流式流量計法 等。單相流量計法是將單相流流量測量儀表應用到氣液兩相流流量測量中的方法，由于運 些單相流量計在理論研究和實際應用上都比較成熟，使得該方法在工業應用中更容易被接 受。根據單相流量計組合的不同，該方法可W分為兩個單相流量計組合法、單相流量計與密 度計組合法和波動信號特征值法等。
[000引相關測量法是W相關技術為基礎構成的兩相流流量測量方法。理論上該方法可用 于測量任何流體系統的流量，而且測量流速的范圍很寬，因此，相關流量計法為解決兩相流 量測量提供了一種強有力的技術手段。該技術的優點是可構成各種流體流量測量系統，實 現非接觸式測量。但相關流量測量技術目前仍存在一些問題需要進一步探討，例如相關速 度的物理意義仍不甚明確，互相關函數峰值較難確定，相關流量計標定仍有一定難度等。
[0006]應用節流法測量氣液兩相流流量時，需建立兩相流測量模型，該模型是對單相流 基本測量模型的校正，校正因子一般為兩相流密度。根據不同的假設條件，國內外研究者建 立了均相流模型、分相流模型、Murdock關系式、畑isholm關系式、林宗虎關系式等數理模 型。運些數理模型結合兩相流混合密度和節流式流量計測出的差壓來計算氣液兩相流流 量，有時需要由其他元件測出干度或空隙率等參數。均相流模型和分相流模型比較簡單，但 測量精度較低。Murdock關系式、Chisholm關系式、林宗虎關系式中的密度修正公式相對復 雜，其中的系數主要通過實驗數據確定。氣液兩相流經節流元件時差壓波動很大，運導致W 上數理模型的預測精度較低。
[0007] 目前，差壓式兩相流參數測量技術應用局部的單一差壓信號來計算兩相流空隙 率、干度和流量等參數，但局部的單一差壓信號并不能全面、準確的反映管道中流體的分布 和流動特征。鑒于重力和浮力對水平管道中氣液兩相的相分布存在明顯的影響，本發明從 水平安裝的文丘里管傾斜朝上和傾斜朝下兩個方向采集差壓信號，公開了一種基于文丘里 管差壓信號結合經驗模態分解與神經網絡的氣液兩相流參數測量裝置與方法。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的是提供一種基于文丘里管2個取壓方向上的差壓波動信號測量氣液 兩相流參數的方法。本發明提供的方法檢測參數多，實時性好，測量裝置簡單，易于實現。適 用于氣液兩相流多參數的測量。
[0009] 本發明采用如下的技術方案：
[0010] 基于文丘里管雙差壓的氣液兩相流參數測量裝置，包括計量管道（1)、壓力傳感器 (2) 、文丘里管(3)、差壓傳感器(4)、差壓傳感器(5)、A/D轉換卡(6)、計算機(7)，在計量管道 (1)上依次設有壓力傳感器(2)、文丘里管(3)，差壓傳感器(4)和差壓傳感器巧)與文丘里管 (3) 相連，A/D轉換卡(6)與壓力傳感器(2)、差壓傳感器(4)、差壓傳感器巧)相連，計算機(7) 與A/D轉換卡(6)相連。
[0011] 本發明基于文丘里管雙差壓信號測量氣液兩相流參數，其特征在于，包括有如下 基本步驟：
[0012] (1)測量差壓波動信號：應用差壓傳感器DPSi測量文丘里管朝上傾斜方向的差壓 波動信號A Pi，應用差壓傳感器DPS2測量文丘里管朝下傾斜方向的差壓波動信號Δ P2;
[0013] (2)差壓波動信號分解：應用經驗模態分解方法分解Δ Pi，得到固有模態函數 /V巧I、/IV如....、/娜和殘差ri，其中m為由ΔΡι分解得到的固有模態函數的個數;應用經驗模 態分解方法分解ΑΡ2,得到固有模態函數/Mf、/Mf、…、和殘差n，其中η為由ΔΡ2分解 得到的固有模態函數的個數；
[0014] (3)計算相對能量:分別針對APi和A Ρ2,根據
計算每個固有模態函數的相對 能量ei，其4
%固有模態函數JMFf的能量
為固有模態函數的總能量，1 = 1，2,對于 Δ Pi，k=m;對于 Δ P2，k = n;
[001引（4)信號去噪:剔除信號中的噪聲成分/Mf;
[0016] (5)判斷偽成分:如果ei含0.05，那么e擁應的/嘩<為偽成分，其中，1 = 1，2，對于Δ Pl，i = 6,7,...,m;對于ΔP2，i = 6,7,...,n;
[0017] (6)提取特征量:對于Δ Pi，計算
其中，Di、化和山為Δ Pi的特征量，虹為步驟(5)確定的Δ Pi中含有的偽成分的個數，/Μ巧表示 …、中去掉7Μ巧和m 1個偽成分后剩余的固有模態函數，化的表示 城皆泌盡…、順;中的mi個偽成分;對于Δ P2，計莫
其中，D2、R2和cb為Δ P2的特征量，m為步驟(5)確定的Δ P2中含有的偽成分的個數，/'Λ/巧表 示/Mf、1?巧、…、./M巧中去掉η 1個偽成分后剩余的固有模態函數，/M巧表示 /Λ巧2、/.W與、…、/Mf中的ni個偽成分.
[001引（7)預測空隙率、干度和總質量流量:將dl、d2、Rl和R2輸入神經網絡，預測氣液兩相 流的空隙率α、干度X和總質量流量M;
[0019] (8)計算氣相與液相質量流量:根據Mg = x · Μ計算氣相質量流量Mg，根據Μι=(1- X) · Μ計算液相質量流量Ml。
[0020] 上述步驟（1)中所述的文丘里管取壓位置分別為從水平方向傾斜向上45度和從水 平方向傾斜向下45度。
[0021] 上述步驟（1)中所述的差壓傳感器DPSi和DPS2具有相同的差壓測量原理、相同的頻 率響應特性。
[0022] 上述步驟(7)中的神經網絡權值根據實驗數據離線訓練獲得，并存儲于計算機中， 在上述步驟(7)預測空隙率、干度和總質量流量時，神經網絡權值直接從計算機中獲取用于 在線預測至隙率、干度和總質量流量。
[0023] 上述步驟(7)中的神經網絡為Ξ層前饋型網絡，輸入層節點數為4,隱層節點數為 20,輸出層節點數為1，隱層采用S型激活函數，輸出層采用線性激活函數。
[0024] 本發明的有益效果及優點是，無需采用高效氣液分離器進行氣液分離，僅基于一 個文丘里管的2個差壓波動信號結合經驗模態分解技術和人工神經網絡來測量氣液兩相流 參數。2個差壓波動信號從文丘里管的上部和下部采集。經驗模態分解技術用來分解差壓波 動信號和提取特征量，人工神經網絡用于預測氣液兩相流參數。
[0025] 本發明提供的方法檢測參數多，實時性好，測量裝置簡單，易于實現。適用于氣液 兩相流多參數的測量。
【附圖說明】
[0026] 圖1為基于文丘里管雙差壓的氣液兩相流測量裝置結構示意圖；
[0027] 圖2為文丘里管差壓信號采集位置示意圖；
[002引圖3為水流量3.9727πΜι，氣流量2.5364mVh工況下的差壓波動信號Δ Pi和Δ P2;
[0029] 圖4為Δ Pi和Δ P2的經驗模態分解結果；
[0030] 圖5為Δ Pi和Δ P2各固有模態函數的相對能量；
[0031 ] 圖6為Δ Pi和Δ P2中提取的山和d2與空隙率α的關系；
[0032] 圖7為Δ Pi中提取的Ri和山與干度的關系；
[0033] 圖8為Δ Pi中提取的Ri和di與總質量流量的關系；
[0034] 圖9為神經網絡結構；
[0035] 圖10為氣液兩相流空隙率預測結果；
[0036] 圖11為氣液兩相流干度預測結果；
[0037] 圖12為氣液兩相流總質量流量預測結果；
[0038] 圖13為氣相質量流量預測結果；
[0039] 圖14為液相質量流量預測結果。
【具體實施方式】
[0040] 基于文丘里管雙差壓的氣液兩相流測量裝置，包括計量管道（1)、壓力傳感器(2)、 文丘里管(3)、差壓傳感器(4)、差壓傳感器(5)、A/D轉換卡(6)、計算機(7)，在計量管道（1) 上依次設有壓力傳感器(2)、文丘里管(3)，差壓傳感器(4)和差壓傳感器巧)與文丘里管(3) 相連，A/D轉換卡(6)與壓力傳感器(2)、差壓傳感器(4)、差壓傳感器(5)相連，計算機(7)與 A/D轉換卡(6)相連。
[0041 ]本實施例在內徑為40mm的測試管段，水質量流量為1.02~4.22Kg/s，空氣質量流 量為0.003~0.02化g/s，空隙率為0.12-0.75,干度為0.00114~0.0197的氣液兩相流參數 測量上應用本發明的方法。
[0042] (1)測量差壓