本發(fā)明屬于流體測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種基于文丘里管差壓數(shù)據(jù)的氣液兩相流參數(shù)測量方法。

背景技術(shù)：

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(zhì)的混合流動，其中氣液兩相流動是多相流動中最常見、最復(fù)雜的流動形態(tài)，廣泛存在于動力、化工、石油、冶金、管道運(yùn)輸、醫(yī)藥、制冷等領(lǐng)域。氣液兩相復(fù)雜多變的接觸界面、兩相介質(zhì)的相對溫度、相對含量、流動型態(tài)等因素復(fù)雜多變，導(dǎo)致氣液兩相流的流量、分相含率等參數(shù)的測量難度較大。

目前氣液兩相流參數(shù)檢測技術(shù)及裝置大多處于研究探索階段，可以現(xiàn)場應(yīng)用的技術(shù)以及工業(yè)型的儀器儀表還不多，這與氣液兩相流在工程領(lǐng)域的廣泛存在極其不適應(yīng)，因此氣液兩相流參數(shù)測量是一個急需研究、有待提高的領(lǐng)域。

目前氣液兩相流參數(shù)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(yè)中常用油氣水三相分離器實(shí)現(xiàn)多相流的測量。在計量時首先進(jìn)行油氣水分離，再通過多條管線分相計量，該計量方式設(shè)備昂貴、安裝復(fù)雜，并需要建立專門的計量站和測試管線，不利于建設(shè)成本的節(jié)約以及管線各站點(diǎn)的管理。第二類是采用傳統(tǒng)的單相流儀表與多相流參數(shù)測量模型相結(jié)合的測量方法。傳統(tǒng)的單相流儀表技術(shù)成熟，工作可靠，被許多研究者所熟悉，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，根據(jù)測量現(xiàn)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(shù)測量問題。三是采用現(xiàn)代信息處理方法來估計兩相流參數(shù)。首先利用近代的新技術(shù)，如輻射線技術(shù)、激光技術(shù)、光纖技術(shù)、超聲技術(shù)、相關(guān)技術(shù)、過程層析成像技術(shù)等，獲取管道內(nèi)氣液兩相流動信息，再在成熟的硬件基礎(chǔ)上，以計算機(jī)技術(shù)為支撐平臺，應(yīng)用現(xiàn)代信息處理方法來解決兩相流參數(shù)估計問題，可以提高兩相流參數(shù)檢測的實(shí)時性。

目前應(yīng)用文丘里管等節(jié)流元件，采用節(jié)流法測量氣液兩相流參數(shù)時，主要基于節(jié)流式儀表測量原理與兩相流模型來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)不同的假設(shè)條件，國內(nèi)外學(xué)者建立了均相流模型、分相流模型、Murdock關(guān)系式、Chisholm關(guān)系式、林宗虎關(guān)系式、漂移通量模型等兩相流測量模型。部分模型中的參數(shù)需要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置或應(yīng)用條件不同時，模型中的參數(shù)也略有不同。

氣液兩相流流經(jīng)文丘里管時，管道內(nèi)差壓的波動特征與氣液兩相流的流型、兩相間的相對運(yùn)動、氣液相間的相互作用等有關(guān)。有研究者報道了該差壓波動信號的概率密度函數(shù)與氣液兩相流流型間的關(guān)系，應(yīng)用該概率密度函數(shù)的特征來識別兩相流流型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是利用文丘里管的差壓波動信號估計氣液兩相流參數(shù)。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(shí)時性好，液體流量及含氣率測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

基于文丘里管差壓數(shù)據(jù)測量氣液兩相流參數(shù)的測量裝置，包括計量管道(1)、壓力傳感器(2)、文丘里管(3)、差壓傳感器(4)、A/D轉(zhuǎn)換卡(5)和計算機(jī)(6)。

基于文丘里管差壓數(shù)據(jù)測量氣液兩相流參數(shù)的測量裝置如圖1所示，在計量管道(1)上依次設(shè)有壓力傳感器(2)、文丘里管(3)，差壓傳感器(4)與文丘里管(3)相連，A/D轉(zhuǎn)換卡(5)與壓力傳感器(2)、差壓傳感器(4)相連，計算機(jī)(6)與A/D轉(zhuǎn)換卡(5)相連。

本發(fā)明基于文丘里管上部差壓信號測量氣液兩相流參數(shù)，包括有如下步驟：

(1)差壓信號測量：應(yīng)用差壓傳感器測量T時間內(nèi)文丘里管上部差壓波動信號ΔP，其中T≥2秒，采樣頻率為1000Hz；

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

(3)計算特征值：根據(jù)計算R_HL，其中N_H為高差壓部分ΔP_H的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，N_L為低差壓部分ΔP_L的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，并計算高差壓部分ΔP_H的方差V_H；

(4)根據(jù)關(guān)系式計算液體流量Q_liq，根據(jù)關(guān)系式計算含氣率α，其中β₀，β₁，θ₀，θ₁根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離線確定，根據(jù)計算氣體流量Q_gas。

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

上述步驟(2)中的分界點(diǎn)S根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況的差壓信號的概率密度函數(shù)離線確定。差壓信號的概率密度函數(shù)為雙峰曲線，兩峰之間的極小值點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為分界點(diǎn)S。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，僅需要一個文丘里管，根據(jù)差壓數(shù)據(jù)的分布即可實(shí)現(xiàn)氣液兩相流參數(shù)的測量，測量裝置成本低、測量精度高、實(shí)時性好。由于根據(jù)一段時間T內(nèi)的差壓數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計，因此，減小了偶然性的干擾，提高了測量精度。本發(fā)明適用于氣液兩相流多參數(shù)的測量。

附圖說明

圖1為基于文丘里管差壓數(shù)據(jù)測量氣液兩相流參數(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為文丘里管差壓信號采集位置示意圖；

圖3為文丘里管差壓信號采集位置剖面圖；

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(cè)為該工況的原始差壓信號，右側(cè)為該差壓信號的概率密度函數(shù)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(shù)；

圖6為氣體流量變化時差壓信號的概率密度函數(shù)；

圖7為液相流量Q_liq與特征值R_HL的曲線擬合關(guān)系圖；

圖8為含氣率α與特征值V_H的曲線擬合關(guān)系圖；

圖9為液體流量測量結(jié)果；

圖10為含氣率測量結(jié)果；

圖11為氣體流量測量結(jié)果。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的氣液兩相流測量裝置，包括計量管道(1)、壓力傳感器(2)、文丘里管(3)、差壓傳感器(4)、A/D轉(zhuǎn)換卡(5)和計算機(jī)(6)。本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)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(nèi)徑40mm的測試管段，計量管道(1)上依次安裝有壓力傳感器(2)、文丘里管(3)，差壓傳感器(4)與文丘里管(3)相連，A/D轉(zhuǎn)換卡(5)與壓力傳感器(2)、差壓傳感器(4)相連，計算機(jī)(6)與A/D轉(zhuǎn)換卡(5)相連。

(2)差壓信號測量

應(yīng)用差壓傳感器測量文丘里管上部的差壓波動信號ΔP，文丘里管如圖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。

文丘里管的差壓信號由差壓傳感器采集之后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換卡送入計算機(jī)。采樣頻率為1000Hz，采樣時間為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(cè)圖所示。

(3)計算差壓波動信號的概率密度函數(shù)

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

圖4右側(cè)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(shù)。

(4)計算差壓信號分界點(diǎn)S

計算ΔP的概率密度函數(shù)，取概率密度函數(shù)的波谷為分界點(diǎn)S，將ΔP分為低差壓部分ΔP_L與高差壓部分ΔP_H。

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(shù)。

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(shù)。

低差壓部分ΔP_L與高差壓部分ΔP_H的分界點(diǎn)S為兩波峰之間的波谷，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定分界點(diǎn)S為1.1Kpa。

(5)計算特征值

根據(jù)計算R_HL，其中N_H為高差壓部分ΔP_H的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，N_L為低差壓部分ΔP_L的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，并計算高差壓部分ΔP_H的方差V_H。

(6)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離線確定β₀，β₁，θ₀，θ₁

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的參考液相流量與對應(yīng)的特征值R_HL，應(yīng)用最小二乘法擬合中的參數(shù)β₀，β₁；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離線確定參數(shù)β₀＝0.0255，β₁＝0.2972，圖7為液相流量Q_liq與特征值R_HL的曲線擬合關(guān)系圖。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的參考含氣率與對應(yīng)的特征值V_H，應(yīng)用最小二乘法擬合中的參數(shù)θ₀，θ₁；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離線確定參數(shù)θ₀＝8.2924×10^-4，θ₁＝11.1910，圖8為含氣率α與特征值V_H的曲線擬合關(guān)系圖。

(7)氣液兩相流參數(shù)估計

根據(jù)關(guān)系式計算液體流量Q_liq，根據(jù)關(guān)系式計算含氣率α，其中β₀，β₁，θ₀，θ₁根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離線確定，根據(jù)計算氣體流量Q_gas。

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