CN103674139B - 基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体测量技术领域，公开了一种基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法，该方法应用科氏质量流量计测得的瞬时质量流量和瞬时密度及其统计特征，结合存储于计算机中的关联关系及各关系式系数，实现气液两相流含率及流量的测量。它具体包括以下步骤：（1）建立流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系；（2）建立密度降与质量降的关联关系；（3）建立科氏质量流量计密度示值与气液两相流混合密度的关联关系；（4）根据建立的各关联关系估计气液两相流含气率、气相质量流量和液相质量流量。本发明的有益效果在于：该测量方法无需采用高效气液分离器进行气液分离，成本低、流量检测精度高、实时性好、易于实现。适用于气液两相流的含气率及分相流量的测量。

Description

基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，具体涉及到一种基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法。

背景技术

气液两相流广泛存在于石油、化工、冶金、能源、动力、轻工等部门，其应用的普遍性及重要性促使该领域研究工作的迅速发展。流量是气液两相流系统中具有重要科学和工程意义的参数，对气液两相流应用系统的计量、控制、可靠性和效率等均具有重大影响，长期以来，一直是两相流领域的重要研究方向。

气液两相流量测量是一个亟待解决的问题，国内外学者对其进行了大量的研究，其中主要方法有分离计量法、单相流量计法、节流法、相关测量法等。

分离计量法采用庞大的分离设备，把两相流体流量测量转化成单相流体流量测量，具有工作可靠、测量精度高、测量范围宽且不受气液两相流流型变化影响等优点。这种方法的最大缺点是分离设备体积庞大，价格昂贵，并需要建立专门的计量站和测试管线，这在很大程度上增加了成本。

单相流量计法是将单相流流量测量仪表应用到两相流流量测量中的方法，由于这些单相流量计在理论研究和实际应用上都比较成熟，使得该方法在工业应用中更容易被接受。根据单相流量计组合的不同，该方法可以分为两个单相流量计组合法、单相流量计与密度计组合法和波动信号特征值法等。

应用节流法测量气液两相流量时，主要通过节流式仪表测量原理与两相流模型来实现。按照不同的假设条件，国内外研究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、漂移通量模型等数理模型。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。

相关测量法以相关技术为基础测量两相流流量。该方法测量流速范围宽，不需要预先建立数理模型，无需通过实验确定参数，因此，相关流量计法为解决两相流量测量提供了一种强有力的技术手段。该技术的优点是可以采用不同的传感器来获得流体流动信号，再结合信号及数据处理技术，构成流体流量测量系统，实现非接触式测量。但相关流量测量技术目前仍存在一些问题需要进一步探讨，例如相关速度的物理意义、互相关函数峰值的确定方法、相关流量计的标定等。

科氏质量流量计能够直接测量流体的质量流量而无需测量流体的密度，同时，科氏质量流量计测量单相流体介质时，测量精度很高，可靠性好，维护费用低，因此在一些计量领域得到了很好的应用。然而，在很多应用领域中都存在着大量的气液两相流。目前研究者普遍认为在较高的含气率情况下，管子震动不稳定，很难得到稳定的信号。鉴于科氏质量流量计测量气液两相介质时测量误差较大，测量结果不能很好的满足石油石化及其它工业生产领域的要求，科氏质量流量计很少被考虑应用于气液两相介质流量的测量。

当待测介质含有气体时，介质密度将减小，同时，待测介质中含有的气体影响科氏质量流量计测量管的震动，从而导致流量计解算的介质流量偏小。可通过待测介质密度及流量测量值的变化估计待测介质的实际流量。

发明内容

本发明的目的在于根据科氏质量流量计测量气液两相流的流量和密度波动的统计特征，实现气液两相流分相流量的测量。一种基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法，具体内容包括以下步骤：

步骤A：建立流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系；

步骤B：建立密度降与质量降的关联关系；

步骤C：应用流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系估计气液两相流含气率α；

步骤D：应用密度降与质量降的关联关系估计管道内气相质量流量M_g和液相质量流量M_l。

上述基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法，在步骤A建立流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系中，具体包括以下步骤：

A1、根据计算科氏质量流量计密度示值的平均值，根据计算科氏质量流量计密度示值的标准差，根据计算科氏质量流量计流量示值的平均值，根据计算科氏质量流量计流量示值的标准差，根据计算科氏质量流量计流量示值的峰度，式中，N为采样点数，在实验中设置，ρ_i为科氏质量流量计测得的密度瞬时值，m_i为科氏质量流量计测得的流量瞬时值；

A2、建立关联关系 $\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}={\mathrm{\λ}}_1\×\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_1\\ {\mathrm{sd}}_{\mathrm{\ρ}}={\mathrm{\λ}}_2\×\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_2\\ {\mathrm{sd}}_m={\mathrm{\λ}}_3\×\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_3\\ {\mathrm{kur}}_m={\mathrm{\λ}}_4\×\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_4\end{array}\right.,$ 式中，α为气液两相流含气率，在实验中根据计算得到，ρ_l为液相密度，ρ_g为气相密度，m_l为液相流量参考值，在实验中设置，m_g为气相流量参考值，在实验中设置，λ₁、γ₁和R₁分别为根据实验数据α、建立关系式时的回归系数和相关系数，λ₂、γ₂和R₂分别为根据实验数据α、sd_ρ建立关系式sd_ρ＝λ₂×α+γ₂时的回归系数和相关系数，λ₃、γ₃和R₃分别为根据实验数据α、sd_m建立关系式sd_m＝λ₃×α+γ₃时的回归系数和相关系数，λ₄、γ₄和R₄分别为根据实验数据α、kur_m建立关系式kur_m＝λ₄×α+γ₄时的回归系数和相关系数，回归系数和相关系数由最小二乘法确定。

上述基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法，在步骤B建立密度降与质量降的关联关系中，具体包括以下步骤：

B1、建立密度降Δρ与科氏质量流量计质量降Δm之间的关联关系Δm＝c×Δρ+d，式中，ρ_t为气液两相流混合密度，由ρ_t＝ρ_g×α+(1-α)×ρ_l计算得到，α在步骤A2中得到，m_app为科氏质量流量计流量示值，由科氏质量流量计测量得到，c和d为根据实验数据Δρ、Δm建立关系式Δm＝c×Δρ+d时的回归系数，由最小二乘法确定；

B2、建立科氏质量流量计密度示值ρ_app与气液两相流混合密度ρ_t之间的关联关系ρ_app＝a×ρ_t+b，式中，ρ_app为科氏质量流量计密度示值，由科氏质量流量计测量得到，a和b为根据实验数据ρ_t、ρ_app建立关系式ρ_app＝a×ρ_t+b时的回归系数，由最小二乘法确定。

上述基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法，在步骤C应用流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系估计气液两相流含气率α中，具体包括以下步骤：

C1、根据计算估计值α₁，根据计算估计值α₂，根据计算估计值α₃，根据计算估计值α₄；

C2、计算式中，R₁、R₂、R₃、R₄分别为建立关联关系sd_ρ＝λ₂×α+γ₂、sd_m＝λ₃×α+γ₃、kur_m＝λ₄×α+γ₄的相关系数，在步骤A2中得到；

C3、根据计算气液两相流含气率α_mea。

上述基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法，在步骤D应用密度降与质量降的关联关系估计管道内气相质量流量M_g和液相质量流量M_l中，具体包括以下步骤：

D1、根据计算气液两相流混合密度ρ_t，式中，a和b在步骤B2中得到，ρ_app由科氏质量流量计在线测量得到；

D2、根据计算密度降Δρ；

D3、根据Δm＝c×Δρ+d计算质量降Δm，式中，c和d在步骤B1中得到；

D4、根据计算管道内液相质量流量M_l，式中，m_app由科氏质量流量计在线测量得到；

D5、根据计算管道内气相质量流量M_g，式中，α_mea在步骤C3中得到。

上述关联关系中，其特征在于根据实验数据，由最小二乘法离线确定a、b、c、d、λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、γ₁、γ₂、γ₃、γ₄、R₁、R₂、R₃和R₄，并存储于计算机中。

本发明的有益效果在于：无需采用高效气液分离器进行气液分离，应用科氏质量流量计测得的瞬时质量流量和瞬时密度及其统计特征，结合存储于计算机中的关联关系及各关系式系数，实现气液两相流流量的测量。利用离线实验数据建立流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系、建立密度降—质量降关联关系，利用已建立的各关联关系估计气液两相流含气率、气相质量流量和液相质量流量。该测量方法成本低、流量检测精度高、实时性好、易于实现。适用于两相流含气率及流量的测量。

附图说明

图1为科氏质量流量计测量含气率8％气液两相流时的密度瞬时波动图；

图2为科氏质量流量计测量含气率8％气液两相流时的流量瞬时波动图；

图3为根据气液两相流实验数据建立的测量值统计特征关联关系；

图4为密度降与科氏质量流量计质量降之间的关联关系图；

图5为科氏质量流量计密度示值与气液两相流混合密度之间的关联关系图；

图6为含气率预测结果图；

图7为气相质量流量预测结果图；

图8为液相质量流量预测结果图。

具体实施方式

本发明首先利用离线实验数据建立流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系、并建立科氏质量流量计密度降—质量降关联关系，然后，应用科氏质量流量计测得的瞬时质量流量和瞬时密度及其统计特征，结合已建立的存储于计算机中的各关联关系及各关系式系数，估计气液两相流含气率、气相质量流量和液相质量流量。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本实施例实现气相体积流量从0.25m³/h到3.25m³/h，液相体积流量从3m³/h到10m³/h的气液两相流的含气率、气相质量流量和液相质量流量的测量，其中，气相为空气，液相为实验柴油。

步骤A：建立流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系。首先，根据计算科氏质量流量计密度示值的平均值，根据计算科氏质量流量计密度示值的标准差，根据计算科氏质量流量计流量示值的平均值，根据计算科氏质量流量计流量示值的标准差，根据计算科氏质量流量计流量示值的峰度，式中，N为采样点数，在实验中设置，ρ_i为科氏质量流量计测得的密度瞬时值，m_i为科氏质量流量计测得的流量瞬时值。

在本实施例中，气液两相流的含气率变化范围为2.4％到52％，采样点数N设置为1000，图1和图2分别为科氏质量流量计测量含气率8％气液两相流时的密度瞬时波动和流量瞬时波动。

然后，建立关联关系 $\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}={\mathrm{\λ}}_1\×\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_1\\ {\mathrm{sd}}_{\mathrm{\ρ}}={\mathrm{\λ}}_2\×\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_2\\ {\mathrm{sd}}_m={\mathrm{\λ}}_3\×\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_3\\ {\mathrm{kur}}_m={\mathrm{\λ}}_4\×\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_4\end{array}\right.,$ 式中，α为气液两相流含气率，在实验中根据计算得到，ρ_l为液相密度，ρ_g为气相密度，m_l为液相流量参考值，在实验中设置，m_g为气相流量参考值，在实验中设置，λ₁、γ₁和R₁分别为根据实验数据α、建立关系式时的回归系数和相关系数，λ₂、γ₂和R₂分别为根据实验数据α、sd_ρ建立关系式sd_ρ＝λ₂×α+γ₂时的回归系数和相关系数，λ₃、γ₃和R₃分别为根据实验数据α、sd_m建立关系式sd_m＝λ₃×α+γ₃时的回归系数和相关系数，λ₄、γ₄和R₄分别为根据实验数据α、kur_m建立关系式kur_m＝λ₄×α+γ₄时的回归系数和相关系数，回归系数和相关系数由最小二乘法确定。

若关联关系为y＝β₀+βx，那么，按照最小二乘法原理，回归系数计算式如下：

$\mathrm{\β}=\frac{N\underset{t=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_t{y}_t-\left(\underset{t=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_t\right)\left(\underset{t=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_t\right)}{N\underset{t=1}{\overset{N}{\Σ}}{x_t}^2-{\left(\underset{t=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_t\right)}^2}$

${\mathrm{\β}}_0=\frac{\left(\underset{t=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_t^2\right)\left(\underset{t=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_t\right)-\left(\underset{t=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_t\right)\left(\underset{t=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_t{y}_t\right)}{N\underset{t=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_t^2-{\left(\underset{t=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_t\right)}^2}$

在本实施例中，根据含气率从2.4％到52％，气相体积流量从0.25m³/h到3.25m³/h，液相体积流量从3m³/h到10m³/h的气液两相流实验数据建立的上述关联关系如图3所示，其中，图3(a)为关联关系图3(b)为关联关系sd_ρ＝λ₂×α+γ₂，图3(c)为关联关系sd_m＝λ₃×α+γ₃，图3(d)为关联关系kur_m＝λ₄×α+γ₄。根据实验数据，由最小二乘法确定的回归系数为 $\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_1=-0.5824,& {\mathrm{\γ}}_1=0.8358\\ {\mathrm{\λ}}_2=0.2622,& {\mathrm{\γ}}_2=0.0491\\ {\mathrm{\λ}}_3=80.591,& {\mathrm{\γ}}_3=2.8256\\ {\mathrm{\λ}}_4=46.859,& {\mathrm{\γ}}_4=3.6439\end{array}\right.,$ 相关系数为 $\left\{\begin{array}{c}{R}_1=0.9989\\ R_2=0.9787\\ R_3=0.9643\\ R_4=0.9525\end{array}\right..$

步骤B：建立密度降与质量降的关联关系。首先，建立密度降Δρ与科氏质量流量计质量降Δm之间的关联关系Δm＝c×Δρ+d，式中，ρ_t为气液两相流混合密度，由ρ_t＝ρ_g×α+(1-α)×ρ_l计算得到，α根据实验设置的ρ_l、ρ_g、m_l、m_g和公式计算得到，m_app为科氏质量流量计流量示值，由科氏质量流量计测量得到，c和d为根据实验数据Δρ、Δm建立关系式Δm＝c×Δρ+d时的回归系数，由最小二乘法确定。

在本实施例中，建立的密度降Δρ与科氏质量流量计质量降Δm之间的关联关系如图4所示。回归系数为c＝1.5124,d＝2.4229。

然后，建立科氏质量流量计密度示值ρ_app与气液两相流混合密度ρ_t之间的关联关系ρ_app＝a×ρ_t+b，式中，ρ_app为科氏质量流量计密度示值，由科氏质量流量计测量得到，a和b为根据实验数据ρ_t、ρ_app建立关系式ρ_app＝a×ρ_t+b时的回归系数，由最小二乘法确定。

在本实施例中，建立的科氏质量流量计密度示值与气液两相流混合密度之间的关联关系如图5所示。回归系数为a＝0.6689,b＝0.2815。

步骤C：应用流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系估计气液两相流含气率α。首先，根据计算估计值α₁，根据计算估计值α₂，根据计算估计值α₃，根据计算估计值α₄；然后，计算最后，根据计算气液两相流含气率α_mea。

含气率测量相对误差err计算式如下：

$err=\frac{{\mathrm{\α}}_{mea}-\mathrm{\α}}{\mathrm{\α}}$

图6为含气率预测结果。

步骤D：应用密度降与质量降的关联关系估计管道内气相质量流量M_g和液相质量流量M_l。首先，根据计算气液两相流混合密度ρ_t；然后，根据计算密度降Δρ，根据Δm＝c×Δρ+d计算质量降Δm，最后，根据计算管道内液相质量流量M_l，根据计算管道内气相质量流量M_g，式中，m_app由科氏质量流量计在线测量得到。

图7和图8分别为气相质量流量和液相质量流量的预测结果。

Claims (6)

1.一种基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法，其特征包括如下步骤：

步骤A：建立流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系；

步骤B：建立密度降与质量降的关联关系；

步骤C：应用流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系估计气液两相流含气率α；

步骤D：应用密度降与质量降的关联关系估计管道内气相质量流量M_g和液相质量流量M_l。

2.根据权利要求1所述的一种基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法，其特征在于上述步骤A建立流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系中，具体包括以下步骤：

A1、根据计算科氏质量流量计密度示值的平均值，根据计算科氏质量流量计密度示值的标准差，根据计算科氏质量流量计流量示值的平均值，根据计算科氏质量流量计流量示值的标准差，根据计算科氏质量流量计流量示值的峰度，式中，N为采样点数，在实验中设置，ρ_i为科氏质量流量计测得的密度瞬时值，m_i为科氏质量流量计测得的流量瞬时值；

A2、建立关联关系 $\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}={\mathrm{\λ}}_1\×\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_1\\ {\mathrm{sd}}_{\mathrm{\ρ}}={\mathrm{\λ}}_2\×\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_2\\ {\mathrm{sd}}_m={\mathrm{\λ}}_3\×\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_3\\ {\mathrm{kur}}_m={\mathrm{\λ}}_4\×\mathrm{\α}+{\mathrm{\γ}}_4\end{array}\right.,$ 式中，α为气液两相流含气率，在实验中根据计算得到，ρ_l为液相密度，ρ_g为气相密度，m_l为液相流量参考值，在实验中设置，m_g为气相流量参考值，在实验中设置，λ₁、γ₁和R₁分别为根据实验数据α、建立关系式时的回归系数和相关系数，λ₂、γ₂和R₂分别为根据实验数据α、sd_ρ建立关系式sd_ρ＝λ₂×α+γ₂时的回归系数和相关系数，λ₃、γ₃和R₃分别为根据实验数据α、sd_m建立关系式sd_m＝λ₃×α+γ₃时的回归系数和相关系数，λ₄、γ₄和R₄分别为根据实验数据α、kur_m建立关系式kur_m＝λ₄×α+γ₄时的回归系数和相关系数，回归系数和相关系数由最小二乘法确定。

3.如权利要求2所述的一种基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法，其特征在于上述步骤B建立密度降与质量降的关联关系中，具体包括以下步骤：

B1、建立密度降Δρ与科氏质量流量计质量降Δm之间的关联关系Δm＝c×Δρ+d，式中，ρ_t为气液两相流混合密度，由ρ_t＝ρ_g×α+(1-α)×ρ_l计算得到，α在步骤A2中得到，m_app为科氏质量流量计流量示值，由科氏质量流量计测量得到，c和d为根据实验数据Δρ、Δm建立关系式Δm＝c×Δρ+d时的回归系数，由最小二乘法确定；

B2、建立科氏质量流量计密度示值ρ_app与气液两相流混合密度ρ_t之间的关联关系ρ_app＝a×ρ_t+b，式中，ρ_app为科氏质量流量计密度示值，由科氏质量流量计测量得到，a和b为根据实验数据ρ_t、ρ_app建立关系式ρ_app＝a×ρ_t+b时的回归系数，由最小二乘法确定。

4.如权利要求3所述的一种基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法，其特征在于上述步骤C应用流量和密度的统计特征与气液两相流含气率的关联关系估计气液两相流含气率α中，具体包括以下步骤：

C1、根据计算估计值α₁，根据计算估计值α₂，根据计算估计值α₃，根据计算估计值α₄；

C2、计算式中，R₁、R₂、R₃、R₄分别为建立关联关系sd_ρ＝λ₂×α+γ₂、sd_m＝λ₃×α+γ₃、kur_m＝λ₄×α+γ₄的相关系数，在步骤A2中得到；

C3、根据计算气液两相流含气率α_mea。

5.如权利要求4所述的一种基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法，其特征在于上述步骤D应用密度降与质量降的关联关系估计管道内气相质量流量M_g和液相质量流量M_l中，具体包括以下步骤：

D1、根据计算气液两相流混合密度ρ_t，式中，a和b在步骤B2中得到，ρ_app由科氏质量流量计在线测量得到；

D2、根据计算密度降Δρ；

D3、根据Δm＝c×Δρ+d计算质量降Δm，式中，c和d在步骤B1中得到；

D4、根据计算管道内液相质量流量M_l，式中，m_app由科氏质量流量计在线测量得到；

D5、根据计算管道内气相质量流量M_g，式中，α_mea在步骤C3中得到。

6.如权利要求3所述的一种基于质量流量计参数统计特征的两相流流量测量方法，其特征在于根据实验数据，由最小二乘法离线确定a、b、c、d、λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、γ₁、γ₂、γ₃、γ₄、R₁、R₂、R₃和R₄，并存储于计算机中。