CN114777855B - 基于加速度检测的涡街湿气分相流量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于加速度检测的涡街湿气分相流量测量方法,基于三轴加速度探头测量涡致加速度波动信号,利用涡街频率和加速度幅值信息进行建模,利用牛顿迭代算法进行湿气分相流量预测,包括下列步骤:采集压力p、温度T和三轴加速度探头输出的加速度时序信号;提取加速度幅值和涡街脱落频率;计算未进行过读修正的涡街流量计示值,将其作为气相体积流量Qg的迭代初值,代入牛顿迭代格式进行求解;设定收敛阈值,比较前后两次迭代得到的气相体积流量,判断是否满足收敛条件;若满足收敛条件,则迭代结束。
Description
技术领域
本发明属于气液两相流测量领域,涉及一种基于加速度检测的涡街湿气分相流量测量方法。
背景技术
湿气两相流动广泛存在于工业生产和日常生活中,如天然气、石油、化工、供热等,其中环雾状流是最重要的湿气流型。对湿气两相流的准确剂量对于安全生产和能源保护至关重要,直接关系到国民经济的发展。以天然气行业为例,无论是凝析天然气的开采、集输和贸易,都需要对湿气流量进行精确计量,以优化配井和生产、减少运营成本、有效增加经济效益。
针对湿气两相流测量,目前主要有两类测量方法。传统方法是分离之后再分相计量,设备昂贵、体积庞大、无法实现在线测量,而且应用场合受限[1]。另一种方法是利用传统单相流量仪表进行非分离的在线测量方法,由于其具有体积小、安装方便、可实现在线测量等优点,越来越多地受到国内外厂家和学者的重视。其中,涡街流量计因其运行稳健、压损小、量程比高、无可动部件等优势,被广泛用于湿气两相的在线测量。然而,受气相中少量液相加载的影响,涡街流量计的仪表特性发生改变,导致测得的气相流量偏高,引起过读问题[2]。如不进行必要修正,将严重影响涡街湿气两相计量精度的提高。
针对两相涡街过读问题,研究者提出了不同的过读关联式。文献[3]建立了涡街过读OR与洛马参数的关联式,文献[4]用五阶多项式对OR-体积含液率进行拟合,文献[5]结合两相涡量输运机制,提出了基于液滴参数的涡街过读物理模型。由上述研究可知,涡街过读与液相含量有关。因此要对涡街过读进行补偿,必须首先已知液相流量或液滴参数。对于液相流量参数,传统方法是利用微波法、射线法或等速采样法测量[6]。对于液滴参数测量,主要有光学法、超声法、电导法等。这些液相/液滴测量方法,往往受限于成本、测量环境和复杂度等,如微波法和射线法具有安全隐患,等速采样法无法实现在线测量,超声法信号处理过程复杂等,光学法一般要求管路透明且为低压,且光学元件造价高、成本高,因此难以推广使用。此外,湿气中液相含量较小,液相测量精度难以保证,有可能造成校正过度,引起更大的测量误差。目前仅通过一台涡街流量计还难以实现湿气流量的准确计量。
对于涡街流量传感器,除了传统的压电探头之外,基于加速度测量和MEMS技术的涡街探头也越来越多地应用到涡街流量测量中。专利201310694919.0和202010232329.6设计了一种基于三轴加速度测量的柔性涡街探头,专利202010235303.7提供了一种基于加速度测量的涡街信号检测方法,专利202010837885.6提供了一种基于涡街加速度探头的质量流量测量方法。专利201610829695.3设计了一种音速喷嘴气体实验装置,可用于涡街流量计单相测量特性标定,专利201810644726.7设计了一种多参数可调的环雾状流实验系统,可用于湿气两相测量特性标定。
参考文献
[1].林宗虎.气液两相流与沸腾传热[M].西安:西安交通大学出版社,2004.
[2].J.X.Li,C.Wang,H.B.Ding,Z.X,Zhang and H.J.Sun,“EMD and spectrum-centrobaric-correction-based analysis of vortex street characteristics inannular mist flow of wet gas”,IEEE Trans.Instrum.Meas.,vol.37,no.5,pp.1150–1160,May 2018.
[3].Stewart D G.The evaluation of dry gas meters in wet gasconditions[J].National Engineering Laboratory,London,2002,33:58.
[4].Jia Y F,Kong D R.A study on measurement uncertainty of a vortexflow meter in discrete liquid phase[C].Advanced Materials Research.Trans TechPublications,2012,346:593-599.
[5].Jinxia Li,Chao Wang,Hongbing Ding,Hongjun Sun.A new overreadingmodel for wet gas vortex metering based on vorticity transportmechanism.Measurement,2020,162:107884.
[6].ASME,ASME MFC-19G-2008,Wet gas flowmetering guideline.AmericanSociety of Mechanical Engineers,USA,2008.
发明内容
本发明针对涡街流量计在湿气两相流中的测量过读问题,提出一种新的基于加速度检测和牛顿迭代的湿气分相流动测量方法,本发明具有安全可靠,预测精度较高的优点。本发明的技术方案如下:
一种基于加速度检测的涡街湿气分相流量测量方法,基于三轴加速度探头测量涡致加速度波动信号,利用涡街频率和加速度幅值信息进行建模,利用牛顿迭代算法进行湿气分相流量预测,包括下列步骤:
1)采集压力p、温度T和三轴加速度探头输出的加速度时序信号;
2)通过压力p和温度T分别计算气体密度ρg、液体密度ρl和液相表面张力σ;
3)通过加速度时序信号提取加速度幅值A和涡街脱落频率fVS;
4)根据涡街脱落频率fVS,计算未进行过读修正的涡街流量计示值Qg,apparent;将其作为气相体积流量Qg的迭代初值,即Qg,0=Qg,apparent,下标n=0代表初值;
5)代入牛顿迭代格式进行求解:
上式中相关参数说明如下:
Qg,n代表上次迭代结果,Qg,n+1代表本次迭代结果;
D为管道公称直径;
a1、a2为常数系数,在干气工况下按照函数A0=a1ρgexp(a2Usg)标定得到,其中,A0代表干气工况加速度幅值,气相表观流速Usg=4Qg/πD2;
b1、b2、b3和b4为常数系数,在湿气工况下按照函数A*=b1Weg 2+b2Weg+b3+b4Wel标定得到,其中,无量纲幅值A*=A/A0,气相韦伯数液相韦伯数液相表观流速Usl=4Ql/πD2;
c为常数系数,α和β为常数幂指数,在湿气工况下按照函数OR=1+cWeg αWel β标定得到,其中涡街过读因子OR=Qg,apparent/Qg;
6)设定收敛阈值,比较前后两次迭代得到的气相体积流量,判断是否满足收敛条件即|Qg,n+1-Qg,n|/Qg,n是否小于收敛阈值;若满足收敛条件,则迭代结束,进行下一步操作;若不满足收敛条件,则令n=n+1,跳到步骤5)继续进行迭代求解,直至计算收敛为止;
7)由最近一次的迭代计算结果,得到气相体积流量Qg,计算气相表观流速Usg=4Qg/πD2,计算气相韦伯数
8)计算涡街过读因子计算液相韦伯数/>计算液相表观流速/>计算液相体积流量/>
进一步地,所采用三轴加速度探头选取电容模拟式微硅KX220-1071芯片作为加速度传感器。
进一步地,所述的加速度时序信号为升力方向加速度分量s(t)。
进一步地,步骤4)中,Qg,apparent=3600fVS/Kv,其中,Kv为仪表系数,单位:m-3。
进一步地,所述的收敛阈值为0.1%。
进一步地,利用最小二乘法对常数系数a1、a2进行标定。
进一步地,利用最小二乘法对常数系数b1、b2、b3和b4进行标定。
进一步地,利用最小二乘法对常数系数c、常数幂指数α和β进行标定。
以上方法,利用基于加速度测量的涡街流量计,通过单相标定、两相建模、迭代算法构建,最终校正了涡街流量计在湿气两相测量中的过读问题,实现了湿气分相流量测量。该方法具有以下优势:
(1)可同时测量湿气中的气相和液相体积流量,实现湿气分量流量的在线测量;
(2)仅利用一台涡街流量计,即可实现涡街过读校正和湿气分相流量测量,无需借助其他复杂、昂贵的液相流量测量仪器和测量方法,成本低、安全、可靠;
(3)预测精度较高。气相体积流量预测误差在±1.0%以内,液相体积流量全量程预测误差在±15%以内。
附图说明
图1:实验装置示意图
图2:三轴加速度探头安装示意图
图3:信号采集流程图
图4:基于加速度测量的涡街仪表系数标定(干气工况)
图5:干气中加速度幅值建模
图6:湿气中加速度幅值-液相韦伯数图
图7:湿气中加速度幅值建模结果
图8:湿气中涡街过读系数-液相韦伯数图
图9:湿气中涡街过读建模结果
图10:基于加速度测量和牛顿迭代的湿气分相测量算法
图11:湿气中气相体积流量预测误差分布图
图12:湿气中液相体积流量全量程误差误差分布图
具体实施方式
现结合附图和实施对本发明做进一步说明。
本实例是基于加速度检测的湿气分相流量测量方法的具体实施。湿气工况压力p=(300~400)kPa,气相体积流量Qg=(18~24)m3/h,液相体积含量LVF=(0.4~1.2)‰,介质为压缩空气和水。管道内径公称直径D=0.015m。
实验装置如附图1所示,由压力传感器1、涡街流量计2和温度传感器3组成,4为三轴加速度探头,其安装方式如附图2所示。其中,X轴测量流向阻力信号,Y轴测量垂相振动信号,Z轴测量展向升力信号。实验表明,Z轴频率即为涡街脱落频率,且较其他两轴,Z轴信号质量好、强度高,故选择Z轴加速度信号进行单相和两相流测量。信号采集流程图如附图3所示:采集工况压力p,工况温度T以及涡街加速度探头信号s(t)。其中s(t)对应Z轴升力方向加速度分量。加速度传感器采用KX220-1071芯片,传感器测得的加速度信号经放大电路后,经过低通滤波,最后经过相敏解调转换为电信号。由NI-USB采集卡进行信号采集,采样率为20kHz,采样时间为7s,由Labview软件进行显示和存储。
涡街流量计是一种速度式流量计,通过测量旋涡街脱落频率fVS即可得到流体体积流量。在湿气流动中,少量液相的存在使得在应用涡街流量计测量湿气的过程中,测得的气相体积流量高于实际气体的流量,称为“过读”现象。为对过读进行修正,引入量纲为1的修正系数OR,表示为
其中,St0,mean为单相干气中的平均斯特劳哈儿数,在一定雷诺数范围内近似为常数,St0=fVSd/U;St为湿气中的斯特劳哈儿数,St=fVSd/Usg,d为发生体迎流面宽度,Usg为气相表观流速,Usg=4Qg/πD2。
为准确测量湿气两相流中的气相流量,必须对过读OR进行准确建模并进行合理修正。本专利提出一种基于加速度检测的涡街湿气过读补偿与流量测量方法,以实现湿气分相流量测量。方法分为四步:
第一步,基于加速度检测的单相测量特性标定
以三轴加速度计为涡街探头,利用专利201610829695.3中的音速喷嘴气体实验装置,在不同干气工况(压力p、流量Qg)下进行涡街实流实验,采集升力方向(本例中为Z轴)加速度信号s(t)。利用FFT算法从信号s(t)中提取涡街频率fVS,根据公式提取干气加速度幅值A0,其中N为周期个数,/>和/>分别代表加速度信号峰值和谷值。
根据式(1)标定得到涡街仪表系数Kv,根据式(2)标定得到单相幅值特性
A0=a1ρgexp(a2Usg) (2)
其中,Qg(m3/h)为干气体积流量;Usg为平均流速,ρg为干气密度,加速度幅值A0单位:g。
利用专利202010837885.6中的方法进行单相标定,如附图4所示,得到涡街单相仪表系数Kv=337510.5m-3,以三轴加速度探头为传感器的涡街流量计,在Qg=(7.67~35.03)m3/h范围内,测量精度为±1.0%。利用最小二乘法对干气加速度幅值进行拟合,如附图5所示,得到常数系数a1=0.0163,a2=0.0956,幅值预测确定系数R2=0.994,相对均方根误差rRMSE=4.374%。
第二步,两相加速度幅值和涡街过读建模
利用专利CN201810644726.7中的多参数可调的环雾状流实验系统,在不同湿气工况(压力p、气相流量Qg和液相流量Ql)下进行涡街实流实验,分别从Z轴加速度信号s(t)中提取涡街频率fVS和湿气两相加速度幅值A。
一)湿气两相加速度幅值建模
利用式(2)预测干气工况(相同压力和气速)下的加速度幅值A0,并将两相幅值A进行无量纲化,得到无量纲幅值A*=A/A0。不同载气工况(压力、流量)下A*-Wel关系如附图6所示。根据式(3)建立两相加速度幅值模型
A*=b1Weg 2+b2Weg+b3+b4Wel (3)
其中,气相韦伯数液相韦伯数/>气相表观流速Usg=4Qg/πD2,液相表观流速Usl=4Ql/πD2,ρl为液相密度,σ为液相表面张力系数,D为管道公称直径。
利用最小二乘法进行参数拟合,如附图7所示,得到常数系数b1=2.86×10-8,b2=-4.27×10-4,b3=2.71,b4=-0.55。幅值预测确定系数R2=0.981,相对均方根误差rRMSE=1.573%。
二)湿气两相涡街过读建模
根据式(4)计算两相涡街过读系数OR
其中,Qg为实际气相体积流量(m3/h),利用式(5)计算涡街流量计示值Qg,apparent(m3/h)
涡街过读因子OR随液相韦伯数Wel的变化如附图8所示。利用式(6)建立两相涡街过读模型
OR=1+cWeg αWel β (6)
利用最小二乘法进行参数拟合,如附图9所示,得到c=1.131×104,α=-1.443,β=0.1664。过读预测确定系数R2=0.911,相对均方根误差rRMSE=0.432%。
第三步,基于牛顿迭代的湿气分相流量测量模型
联立式(3)和式(6),建立以气相体积流量Qg为未知数的方程,如式(7)所示
根据式(6)得液相韦伯数Wel=[(OR-1)/cWeg α]1/β,将左式、气相韦伯数Weg定义、涡街过读定义式(4)、Usg=4Qg/πD2代入式(7),整理如式(8)所示
其中,参数
为快速求解方程(8),利用牛顿迭代进行求解。构建牛顿迭代格式如式(9)所示
其中,
f′(Qg,n)为f(Qg,n)的一阶导数,如式(11)所示
利用式(9)中的牛顿迭代格式,给定合理初值,即可得到湿气中真实的气相体积流量Qg,进而得到过读系数OR和气相韦伯数Weg。利用式(6)计算得液相韦伯数,如式(12)所示
利用液相韦伯数定义,即可得到液相体积流量Ql,如式(13)所示
第四步,进行湿气分相流量预测。
基于加速度测量和牛顿迭代的湿气分相测量算法如附图10所示:
1)采集压力p、温度T和三轴加速度传感器输出的升力方向涡街时序信号s(t);
2)通过p和T分别计算气体密度ρg、液体密度ρp和液相表面张力σ;
3)通过加速度信号s(t)提取升力方向加速度幅值A和涡街脱落频率fVS;
4)根据式(5)计算未进行过读修正的涡街流量计示值Qg,apparent,并讲其作为气相体积流量的迭代初值,即Qg,0=Qg,apparent;
5)代入牛顿迭代格式(9)进行求解,比较前后两次迭代得到的气相体积流量值,判断是否满足收敛条件|Qg,n-Qg,n-1|/Qg,n-1<0.1%,其中Qg,n代表本次迭代结果,Qg,n-1代表上次迭代结果。若满足收敛条件,则迭代结束;若不满足收敛条件,则令n=n+1,继续代入式(9)进行迭代求解,直至计算收敛为止;
6)由最近一次的迭代计算结果,得到最终的湿气中气相体积流量Qg,进而得到气相表观流速Usg;由式(12)计算液相韦伯数,由式(13)计算液相体积流量Ql。
利用本发明提出的测量方法进行气液两相体积流量预测。对于湿气中的气相测量,预测误差如附图11所示,误差PE(%)=(预测值-真实值)/真实值×100。气相体积流量的预测误差均在±1.0%以内,平均绝对误差为0.34%,测量不确定度为0.46%,预测精度已达到单相测量精度。由于液相流量很小、量程比较大,因此利用全量程预测误差评估液相预测精度,如附图12所示,其中FSPE=(预测值-真实值)/真实值最大值×100。92.7%的点在±15%以内,液相FSPE的测量不确定度为10.04%,测量精度在工程领域可接受。
本发明利用基于加速度测量的涡街流量计,通过单相标定、两相建模、迭代算法构建,最终校正了涡街流量计在湿气两相测量中的过读问题,实现了湿气分相流量测量。该方法安全、可靠、成本低、精测精度较高,仅通过一台涡街流量计即可实现湿气分相流量的在线测量。
Claims (8)
1.一种基于加速度检测的涡街湿气分相流量测量方法,基于三轴加速度探头测量涡致加速度波动信号,利用涡街频率和加速度幅值信息进行建模,利用牛顿迭代算法进行湿气分相流量预测,包括下列步骤:
1)采集压力p、温度T和三轴加速度探头输出的加速度时序信号;
2)通过压力p和温度T分别计算气体密度ρg、液体密度ρl和液相表面张力σ;
3)通过加速度时序信号提取加速度幅值A和涡街脱落频率fVS;
4)根据涡街脱落频率fVS,计算未进行过读修正的涡街流量计示值Qg,apparent;将其作为气相体积流量Qg的迭代初值,即Qg,0=Qg,apparent,下标n=0代表初值;
5)代入牛顿迭代格式进行求解:
上式中相关参数说明如下:
Qg,n代表上次迭代结果,Qg,n+1代表本次迭代结果;
D为管道公称直径;
a1、a2为常数系数,在干气工况下按照函数A0=a1ρg exp(a2Usg)标定得到,其中,A0代表干气工况加速度幅值,气相表观流速Usg=4Qg/πD2;
b1、b2、b3和b4为常数系数,在湿气工况下按照函数A*=b1Weg 2+b2Weg+b3+b4Wel标定得到,其中,无量纲幅值A*=A/A0,气相韦伯数液相韦伯数液相表观流速Usl=4Ql/πD2;
c为常数系数,α和β为常数幂指数,在湿气工况下按照函数OR=1+cWeg αWel β标定得到,其中涡街过读因子OR=Qg,apparent/Qg;
6)设定收敛阈值,比较前后两次迭代得到的气相体积流量,判断是否满足收敛条件即|Qg,n+1-Qg,n|/Qg,n是否小于收敛阈值;若满足收敛条件,则迭代结束,进行下一步操作;若不满足收敛条件,则令n=n+1,跳到步骤5)继续进行迭代求解,直至计算收敛为止;
7)由最近一次的迭代计算结果,得到气相体积流量Qg,计算气相表观流速Usg=4Qg/πD2,计算气相韦伯数
8)计算涡街过读因子计算液相韦伯数/>计算液相表观流速计算液相体积流量/>
2.根据权利要求1所述的涡街湿气分相流量测量方法,其特征在于,所采用三轴加速度探头选取电容模拟式微硅KX220-1071芯片作为加速度传感器。
3.根据权利要求1所述的涡街湿气分相流量测量方法,其特征在于,所述的加速度时序信号为升力方向加速度分量s(t)。
4.根据权利要求1所述的涡街湿气分相流量测量方法,其特征在于,步骤4)中,Qg,apparent=3600fVS/Kv,其中,Kv为仪表系数,单位:m-3。
5.根据权利要求1所述的涡街湿气分相流量测量方法,其特征在于,所述的收敛阈值为0.1%。
6.根据权利要求1所述的涡街湿气分相流量测量方法,其特征在于,利用最小二乘法对常数系数a1、a2进行标定。
7.根据权利要求1所述的涡街湿气分相流量测量方法,其特征在于,利用最小二乘法对常数系数b1、b2、b3和b4进行标定。
8.根据权利要求1所述的涡街湿气分相流量测量方法,其特征在于,利用最小二乘法对常数系数c、常数幂指数α和β进行标定。
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