CN100587411C - 采用主导相判别器的液液两相流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用主导相判别器的液液两相流测量方法和装置。包括计量管道、电导传感器、节流元件、体积流量计、差压变送器、温度变送器、电导测量及采集电路、数据采集电路和计算机，电导传感器经电导测量及采集电路接计算机，各变送器和流量计经数据采集电路接计算机。根据体积流量计获取的总体积流量、节流元件处获取的差压、温度变送器获取的温度得到两相流混合密度、总质量流量和分相流量等。不需使用混流器对流体预先混合，同时利用以电导传感器为主体的主导相判别器判别两相流的主导相，依此为节流元件选择两相流流量系数，提高了测量精度。本发明结构简单、可靠性好、成本低、适用范围广，可用于石油、化工等领域中液液两相流的测量。

Description

采用主导相判别器的液液两相流测量方法

技术领域

本发明属于计量技术领域，尤其涉及采用主导相判别器的液液两相流测量方法和装置。

背景技术

液液两相流在石油和化工等工业领域中广泛存在。现有的计量方法有密度计结合单相流量计的方法获得分相流量，但实际使用时测量精度不理想、成本高，常用的振动管密度计对介质的温度、压力等现场状态十分敏感，介质条件的变化直接影响密度和流量的测量，而射线密度计又存在安全问题，对操作条件要求高。先将液液两相分离，然后使用单相流量计分别计量也是经常使用的方法，但分离器体积庞大且分离需要一定的时间，计量实时性受到影响。近几年出现的科里奥利质量流量计也可以用来进行分相测量，但存在成本昂贵、使用条件苛刻、安装维修不方便等缺点。另外，先用混流器将两相流混合均匀成为均相流，再利用单相流量计如节流式流量计、容积式流量计等的组合来进行测量的方法，测量精度尚需进一步提高，且混流器也引入了额外的压损。

本发明采用单相流仪表的组合和主导相判别器进行液液两相流的测量，不需使用混流器对流体进行预先混合，既简化了系统结构又减少了压损，同时利用以电导传感器为主体的液液两相流主导相判别器来提高两相流测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用主导相判别器的液液两相流测量方法和装置。

包括如下步骤：

1)利用电导传感器获取液液两相流的电导信号，利用体积流量计获取液液两相流的总体积流量Q_v，利用差压变送器获取节流元件处的差压Δp，利用温度变送器获取液液两相流的温度T；

2)主导相判别器根据电导信号，结合最小二乘支持向量机分类技术判别液液两相流主导相，根据主导相选择节流元件的两相流流量系数，若流体1为主导相，则其两相流流量系数选择为用单相流体1标定的流量系数K₁，若流体2为主导相，则节流元件的两相流流量系数选择为用单相流体2标定的流量系数K₂，若液液两相流处于过渡状态，则其两相流流量系数选择为K₁和K₂的平均值；

3)基于节流元件的不可压缩流体体积流量计算公式和流量信号Q_v、差压信号Δp、温度信号T获得混合密度、总质量流量和分相流量，液液两相流混合密度为 $\mathrm{\ρ}=\frac{K^2\mathrm{\Δp}}{{Q_v}^2},$ 总质量流量为Q_m＝ρQ_v，流体1的体积含率为 $x_1=\frac{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2},$ 流体2的体积含率为 $x_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1-\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2},$ 流体1的体积流量为Q_v1＝x₁Q_v，流体2的体积流量为Q_v2＝x₂Q_v，流体1的质量流量为Q_m1＝ρ₁Q_v1流体2的质量流量为Q_m2＝ρ₂Q_v2，其中：ρ₁，ρ₂——分别为流体1、流体2在温度T时的密度，K——节流元件的流量系数。

所述的判别液液两相流主导相的方法包括如下步骤：

1)由电导测量及采集电路获取管道内两相流的电导值；

2)计算机主导相判别模块使用由最小二乘支持向量机建立的分类器，根据电导信号将液液两相流的流动状态分成三类：流体1为主导相、流体2为主导相、过渡状态。

采用主导相判别器的液液两相流测量装置具有计量管道，在计量管道上依次安装电导传感器、节流元件、体积流量计、温度变送器，电导传感器经电导测量及采集电路与计算机相连接，节流元件与差压变送器相连接，差压变送器、体积流量计、温度变送器经数据采集电路与计算机相连接，电导传感器、电导测量及采集电路与计算机构成主导相判别器。

所述的电导传感器的传感管段采用有机玻璃材料，两端通过连接法兰与被测管道相连，传感管段内壁四周等间距地安装有n个电极，其中n≥6，电极通过高频屏蔽线与电导测量及采集电路相连。

节流元件为文丘里管，体积流量计为容积式流量计。

本发明利用简单的单相流量计解决了工程上一直难以很好解决的液液两相流测量问题。不需要使用混流器进行流体的预先混合，既简化了系统结构又减少了测量装置的压损，并且利用主导相的判别克服了采用单一的节流元件流量系数引起的较大误差，提高了测量精度，同时具有不需要液液两相分离、带温度补偿、可靠性好、成本低、适用范围广等优点，可用于石油、化工等诸多领域中的液液两相流系统的测量。

附图说明

图1是采用主导相判别器的液液两相流测量装置的结构框图；

图2是主导相判别器的组成结构框图；

图3(a)是电导传感器的纵向剖面图(以16个针状电极为例)；

图3(b)是电导传感器的横向剖面图(以16个针状电极为例)；

图4是主导相判别器中计算机主导相判别模块的工作步骤示意图；

图5是采用主导相判别器的液液两相流测量方法的工作步骤示意图。

具体实施方式

如图1所示，采用主导相判别器的液液两相流测量装置具有计量管道，在计量管道上依次安装电导传感器、节流元件、体积流量计、温度变送器，电导传感器经电导测量及采集电路与计算机相连接，节流元件与差压变送器相连接，差压变送器、体积流量计、温度变送器经数据采集电路与计算机相连接。电导传感器、电导测量及采集电路与计算机构成主导相判别器。所述的节流元件为文丘里管，体积流量计为容积式流量计(包括齿轮流量计、腰轮流量计、刮板流量计等)。

测量时，液液两相流进入计量管道，流经电导传感器、节流元件和体积流量计。电导测量及采集电路与电导传感器相连，测量得到管道内两相流的多个电导值，并将其送入计算机。差压变送器与节流元件配套安装，差压信号转变为标准电信号经数据采集电路送入计算机。体积流量计获取管路中液液两相流的总体积流量，并将流量信号转变为标准电信号经数据采集电路送入计算机。温度变送器用来测量两相流的温度T，并将温度信号转变为标准电信号经数据采集电路送入计算机。在计算机中设有存储模块，存储两相流体在不同温度下的密度和节流元件的流量系数(包括用单相流体1标定的系数K₁和用单相流体2标定的系数K₂)等数据，计算机进行实时处理，进行液液两相流主导相的判别，并获取混合密度、总质量流量和分相流量等。

需要指出的是，相对于孔板、喷嘴等其他节流元件，文丘里管所产生的管路压损最小，因此节流元件选用文丘里管。体积流量计之所以选用容积式流量计，是因为容积式流量计的测量精度较高，且液液两相流流型的变化对其精度的影响很小。

不论本装置采用的是何种节流元件，都可利用不可压缩流体体积流量计算公式：

$q_v=K\sqrt{\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

其中：Δp——液液两相流流经节流元件产生的差压，

      ρ——液液两相流混合密度，

      K——节流元件的流量系数。

由于液体的不可压缩性和连续性方程，体积流量计测得的总体积流量Q_v即为流经节流元件的体积流量q_v，所以得到：

$Q_v=K\sqrt{\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(2\right)$

对式(2)进行变换，得到液液两相流的混合密度为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{K^2\mathrm{\Δp}}{{Q_v}^2}---\left(3\right)$

以上各式中，节流元件的流量系数K是一个重要的参数，但由于目前对液液两相流中节流元件的流量系数的研究还比较少，因此测量中使用节流元件的单相流流量系数。而用单相流体1标定的流量系数K₁和用单相流体2标定的流量系数K₂是有所不同的，在流量较小的情况下这种差异会更大。因此为了克服采用单一流量系数引起的较大误差，提高液液两相流的测量精度，利用主导相判别器对液液两相流的主导相进行判别，依据判别结果选择合适的流量系数作为节流元件的两相流流量系数。若流体1为主导相(流体1含率x₁≥60％)，则其两相流流量系数选择为用单相的流体1标定的流量系数K₁，若流体2为主导相(流体2含率x₂≥60％)，则节流元件的两相流流量系数选择为用单相流体2标定的流量系数K₂，若液液两相流处于过渡状态(40％＜x₁＜60％)，则其两相流流量系数选择为K₁和K₂的平均值，即：

如图2所示，主导相判别器具有相连接的电导传感器、电导测量及采集电路、计算机主导相判别模块。电导传感器如图3所示，具有传感管段1，传感管段1采用有机玻璃材料，两端通过连接法兰2与被测管道相连，传感管段内壁四周等间距地安装有n个电极3(n≥6，图中n＝16)，电极可以为点状、矩形或其他形状(图中电极为针状)，电极通过高频屏蔽线4与电导测量及采集电路相连。电导测量及采集电路采用“相邻电极注入激励电流、非激励的相邻电极检测电压”的方式获取管道内两相流的电导值(共n(n-3)/2个)，并将其送入计算机。

由于两相流不同主导相下电导值存在差异，主导相判别器基于此差异进行主导相的判别，判别方法包括如下步骤：

1)电导测量及采集电路获取管道内两相流的电导值；

2)计算机主导相判别模块使用由最小二乘支持向量机(LS-SVM)建立的分类器，根据电导信号将液液两相流的流动状态分成三类：流体1为主导相(流体1的体积含率x₁≥60％)、流体2为主导相(流体2的体积含率x₂≥60％)、过渡状态(40％＜x₁＜60％)。

分类器的建立可以采用支持向量机多类分类问题中的One-versus-Rest算法，建立多个两类分类器分别将每一类与其他两类区分开来，因此共需三个子分类器，每个子分类器的表达式如下：

$y\left(r\right)=\mathrm{sign}(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{y}_i\mathrm{\ψ}(r,r_i)+b)---\left(5\right)$

其中，r——n(n-3)/2个电导值组成的向量；

      y——类别标号；

      N——训练集中样本的个数；

      (r_i，y_i)——训练集中的电导值向量和相应的类别标号，i＝1，2，……，N；

      α_i，b——分类器参数，i＝1，2，……，N；

      ψ(·)——LS-SVM分类器的核函数， $\mathrm{\ψ}(r,r_i)=\exp (-\frac{{|r-r_i|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}),$ σ为其参数。

分类器中的各参数α_i，b，σ由训练数据集和LS-SVM算法经优化计算获得。

计算机主导相判别模块的工作步骤如图4所示，将测量得到的电导值送入三个子分类器中进行分类，根据三个分类结果对此时的流动状态进行推断，归入最可能的一类。然后根据判别结果和式(4)确定节流元件的流量系数K，进而由式(3)计算得到液液两相流的混合密度ρ。

由于整个计量管路比较短，可以认为整个管路的温度是一致的，计算机根据温度测量值T从存储模块中提取出两相流体在温度T时的密度ρ₁和ρ₂。设x₁和x₂分别是两流体的分相体积含率，根据ρ＝x₁ρ₁+x₂ρ₂和x₁+x₂＝1，可以得到：

总质量流量：Q_m＝ρQ_v；(6)

流体1的体积含率： $x_1=\frac{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2};---\left(7\right)$

流体2的体积含率： $x_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1-\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2};---\left(8\right)$

流体1的体积流量：Q_v1＝x₁Q_v；(9)

流体2的体积流量：Q_v2＝x₂Q_v；(10)

流体1的质量流量：Q_m1＝ρ₁Q_v1；(11)

流体2的质量流量：Q_m2＝ρ₂Q_v2。(12)

综上，采用主导相判别器的液液两相流测量方法的步骤如图5所示：

1)由各个测量仪表获得液液两相流的电导信号、总体积流量Q_v、差压信号Δp和温度T；

2)主导相判别器根据电导信号判别液液两相流的主导相，依此由式(4)确定节流元件的流量系数K；

3)由温度T查得各流体的密度ρ₁和ρ₂，然后将差压信号Δp、总体积流量Q_v、流量系数K、各流体密度ρ₁、ρ₂代入式(3)、式(6)～(12)计算得到两相流混合密度、总质量流量和各流体分相流量等数据。

已针对柴油-水两相流在内径为15mm、25mm和40mm的水平管上进行了试验，电导传感器采用16个针状电极，容积式流量计采用椭圆齿轮流量计，油水总体积流量为1.2～5.5m³/h，分相含率覆盖0％到100％。试验结果表明，若文丘里管采用单一的单相水标定的流量系数，两相流混合密度和总质量流量的测量相对误差可分别达到8.2％、8.3％，若采用单相柴油标定的流量系数，混合密度和总质量流量的测量相对误差则分别达到了7.9％、8.0％，而使用本方法和装置，两相流混合密度和总质量流量的测量相对误差均在±4％以内。

Claims (2)

1.一种采用主导相判别器的液液两相流测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)利用电导传感器获取液液两相流的电导信号，利用体积流量计获取液液两相流的总体积流量Q_v，利用差压变送器获取节流元件处的差压Δp，利用温度变送器获取液液两相流的温度T；

2)主导相判别器根据电导信号，结合最小二乘支持向量机分类技术判别液液两相流主导相，根据主导相选择节流元件的两相流流量系数，若流体1为主导相，则其两相流流量系数选择为用单相流体1标定的流量系数K₁，若流体2为主导相，则节流元件的两相流流量系数选择为用单相流体2标定的流量系数K₂，若液液两相流处于过渡状态，则其两相流流量系数选择为K₁和K₂的平均值；

3)基于节流元件的不可压缩流体体积流量计算公式和液液两相流的总体积流量Q_v、差压信号Δp、温度信号T获得混合密度、总质量流量和分相流量，液液两相流混合密度为 $\mathrm{\ρ}=\frac{K^2\mathrm{\Δp}}{{Q_v}^2},$ 总质量流量为Q_m＝ρQ_v，流体1的体积含率为 $x_1=\frac{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2},$ 流体2的体积含率为 $x_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1-\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2},$ 流体1的体积流量为Q_v1＝x₁Q_v，流体2的体积流量为Q_v2＝x₂Q_v，流体1的质量流量为Q_m1＝ρ₁Q_v1，流体2的质量流量为Q_m2＝ρ₂Q_v2，其中：ρ₁，ρ₂——分别为流体1、流体2在温度T时的密度，K——节流元件的两相流流量系数。

2.根据权利要求1所述的一种液液两相流测量方法，其特征在于所述的判别液液两相流主导相的方法包括如下步骤：

1)由电导测量及采集电路获取管道内两相流的电导值；

2)计算机主导相判别模块使用由最小二乘支持向量机建立的分类器，根据电导信号将液液两相流的流动状态分成三类：流体1为主导相、流体2为主导相、过渡状态。

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