基于文丘里管差压数据的气液两相流参数测量方法与流程

本发明属于流体测量技术领域，具体涉及到一种基于文丘里管差压数据的气液两相流参数测量方法。

背景技术：

多相流动是指由固、液、气(汽)三相中任何两相或者两相以上不相溶物质的混合流动，其中气液两相流动是多相流动中最常见、最复杂的流动形态，广泛存在于动力、化工、石油、冶金、管道运输、医药、制冷等领域。气液两相复杂多变的接触界面、两相介质的相对温度、相对含量、流动型态等因素复杂多变，导致气液两相流的流量、分相含率等参数的测量难度较大。

目前气液两相流参数检测技术及装置大多处于研究探索阶段，可以现场应用的技术以及工业型的仪器仪表还不多，这与气液两相流在工程领域的广泛存在极其不适应，因此气液两相流参数测量是一个急需研究、有待提高的领域。

目前气液两相流参数检测方法大体可分为三大类。第一类为分流分相的方法。在石油工业中常用油气水三相分离器实现多相流的测量。在计量时首先进行油气水分离，再通过多条管线分相计量，该计量方式设备昂贵、安装复杂，并需要建立专门的计量站和测试管线，不利于建设成本的节约以及管线各站点的管理。第二类是采用传统的单相流仪表与多相流参数测量模型相结合的测量方法。传统的单相流仪表技术成熟，工作可靠，被许多研究者所熟悉，在不同的应用领域，根据测量现场的具体情况，选择合适的测量模型，能在一定精度条件下解决气液两相流参数测量问题。三是采用现代信息处理方法来估计两相流参数。首先利用近代的新技术，如辐射线技术、激光技术、光纤技术、超声技术、相关技术、过程层析成像技术等，获取管道内气液两相流动信息，再在成熟的硬件基础上，以计算机技术为支撑平台，应用现代信息处理方法来解决两相流参数估计问题，可以提高两相流参数检测的实时性。

目前应用文丘里管等节流元件，采用节流法测量气液两相流参数时，主要基于节流式仪表测量原理与两相流模型来实现。根据不同的假设条件，国内外学者建立了均相流模型、分相流模型、Murdock关系式、Chisholm关系式、林宗虎关系式、漂移通量模型等两相流测量模型。部分模型中的参数需要通过实验数据确定，当实验装置或应用条件不同时，模型中的参数也略有不同。

气液两相流流经文丘里管时，管道内差压的波动特征与气液两相流的流型、两相间的相对运动、气液相间的相互作用等有关。有研究者报道了该差压波动信号的概率密度函数与气液两相流流型间的关系，应用该概率密度函数的特征来识别两相流流型。

技术实现要素：

本发明的目的是利用文丘里管的差压波动信号估计气液两相流参数。具有测量装置简单，测量过程中无需切断管道中流体的正常流动，实时性好，液体流量及含气率测量精度高的优点。

基于文丘里管差压数据测量气液两相流参数的测量装置，包括计量管道(1)、压力传感器(2)、文丘里管(3)、差压传感器(4)、A/D转换卡(5)和计算机(6)。

基于文丘里管差压数据测量气液两相流参数的测量装置如图1所示，在计量管道(1)上依次设有压力传感器(2)、文丘里管(3)，差压传感器(4)与文丘里管(3)相连，A/D转换卡(5)与压力传感器(2)、差压传感器(4)相连，计算机(6)与A/D转换卡(5)相连。

本发明基于文丘里管上部差压信号测量气液两相流参数，包括有如下步骤：

(1)差压信号测量：应用差压传感器测量T时间内文丘里管上部差压波动信号ΔP，其中T≥2秒，采样频率为1000Hz；

(2)差压信号分界：计算ΔP的概率密度函数，取概率密度函数的波谷为分界点S，将ΔP分为低差压部分ΔP_L与高差压部分ΔP_H；

(3)计算特征值：根据计算R_HL，其中N_H为高差压部分ΔP_H的数据点数，N_L为低差压部分ΔP_L的数据点数，并计算高差压部分ΔP_H的方差V_H；

(4)根据关系式计算液体流量Q_liq，根据关系式计算含气率α，其中β₀，β₁，θ₀，θ₁根据实验数据离线确定，根据计算气体流量Q_gas。

上述步骤(1)中所述的文丘里管上部差压波动信号ΔP在从水平方向倾斜向上45度的取压位置采集得到。

上述步骤(2)中的分界点S根据实验工况的差压信号的概率密度函数离线确定。差压信号的概率密度函数为双峰曲线，两峰之间的极小值点的横坐标即为分界点S。

本发明的优点是，仅需要一个文丘里管，根据差压数据的分布即可实现气液两相流参数的测量，测量装置成本低、测量精度高、实时性好。由于根据一段时间T内的差压数据进行参数估计，因此，减小了偶然性的干扰，提高了测量精度。本发明适用于气液两相流多参数的测量。

附图说明

图1为基于文丘里管差压数据测量气液两相流参数的结构示意图；

图2为文丘里管差压信号采集位置示意图；

图3为文丘里管差压信号采集位置剖面图；

图4为水流量为15.09m³/h，气流量为17.21m³/h工况下差压信号分界示意图，左侧为该工况的原始差压信号，右侧为该差压信号的概率密度函数曲线与分界线；

图5为液体流量变化时差压信号的概率密度函数；

图6为气体流量变化时差压信号的概率密度函数；

图7为液相流量Q_liq与特征值R_HL的曲线拟合关系图；

图8为含气率α与特征值V_H的曲线拟合关系图；

图9为液体流量测量结果；

图10为含气率测量结果；

图11为气体流量测量结果。

具体实施方式

本发明的气液两相流测量装置，包括计量管道(1)、压力传感器(2)、文丘里管(3)、差压传感器(4)、A/D转换卡(5)和计算机(6)。本实施例实现液体体积流量为5.91～14.28m³/h，气体体积流量为9.62～59.72m³/h，含气率为0.55～0.88的气液两相流液体流量、气体流量和含气率的测量。

(1)测量装置安装

气液两相流的测量装置如图1所示，计量管道(1)为内径40mm的测试管段，计量管道(1)上依次安装有压力传感器(2)、文丘里管(3)，差压传感器(4)与文丘里管(3)相连，A/D转换卡(5)与压力传感器(2)、差压传感器(4)相连，计算机(6)与A/D转换卡(5)相连。

(2)差压信号测量

应用差压传感器测量文丘里管上部的差压波动信号ΔP，文丘里管如图2所示，其取压口方向如图3所示：取压口与水平方向夹角为45°，斜向上方。

文丘里管的差压信号由差压传感器采集之后经A/D转换卡送入计算机。采样频率为1000Hz，采样时间为8秒。水流量为15.09m³/h，气流量为17.21m³/h工况下测得的差压波动信号如图4左侧图所示。

(3)计算差压波动信号的概率密度函数

根据核密度估计方法计算差压波动信号的概率密度函数，核密度估计的核函数采用高斯(Gaussian)函数，窗口宽度为差压数据极差的百分之一。

图4右侧的曲线为在水流量为15.09m³/h，气流量为17.21m³/h工况下差压波动信号的概率密度函数。

(4)计算差压信号分界点S

计算ΔP的概率密度函数，取概率密度函数的波谷为分界点S，将ΔP分为低差压部分ΔP_L与高差压部分ΔP_H。

图5为液相流量几乎不变，气相流量增大工况下，差压波动信号的概率密度函数。

图6为气相流量几乎不变，液相流量增大工况下，差压波动信号的概率密度函数。

低差压部分ΔP_L与高差压部分ΔP_H的分界点S为两波峰之间的波谷，根据实验数据确定分界点S为1.1Kpa。

(5)计算特征值

根据计算R_HL，其中N_H为高差压部分ΔP_H的数据点数，N_L为低差压部分ΔP_L的数据点数，并计算高差压部分ΔP_H的方差V_H。

(6)根据实验数据离线确定β₀，β₁，θ₀，θ₁

根据实验中的参考液相流量与对应的特征值R_HL，应用最小二乘法拟合中的参数β₀，β₁；根据实验数据离线确定参数β₀＝0.0255，β₁＝0.2972，图7为液相流量Q_liq与特征值R_HL的曲线拟合关系图。

根据实验中的参考含气率与对应的特征值V_H，应用最小二乘法拟合中的参数θ₀，θ₁；根据实验数据离线确定参数θ₀＝8.2924×10^-4，θ₁＝11.1910，图8为含气率α与特征值V_H的曲线拟合关系图。

(7)气液两相流参数估计

根据关系式计算液体流量Q_liq，根据关系式计算含气率α，其中β₀，β₁，θ₀，θ₁根据实验数据离线确定，根据计算气体流量Q_gas。

在本实施例中，参数β₀＝0.0255，β₁＝0.2972，θ₀＝8.2924×10^-4，θ₁＝11.1910。图9为液体流量估计结果，其相对误差在10％以内。图10为含气率估计结果，有98.82％的工况相对误差在10％以内，所有工况的相对误差都在20％以内。图11为气体流量估计结果，大部分工况的相对误差在20％以内。