CN114993392B - 基于加速度幅值建模的涡街湿气流量测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于加速度幅值建模的涡街湿气流量测量方法，包含以下步骤：采集压力p、温度T和加速度计输出的加速度时序信号；分别计算气体密度、液体密度和液相表面张力；通过加速度时序信号提取升力方向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即是否小于收敛阈值，若满足收敛条件，则迭代结束；若不满足收敛条件，继续进行迭代求解，直至计算收敛为止；由最近一次的迭代计算结果，得到气相体积流量Qg。

Description

基于加速度幅值建模的涡街湿气流量测量方法
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幅值建模的涡街湿气流量测量方法。
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计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
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发明内容
本发明以三轴加速度探头为传感器，提出一种新的基于加速度幅值建模的涡街湿气流量测量方法。本发明的技术方案如下：
一种基于加速度幅值建模的涡街湿气流量测量方法，以三轴加速度探头为传感器测量涡致加速度波动信号，利用牛顿迭代算法进行湿气流量预测，包含以下步骤：
1)采集压力p、温度T和加速度计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升力方向加速度幅值A和涡街脱落频率fVS；
4)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，A0代表干气工况加速度幅值，气相表观流速Usg＝4Q'g/πD2，Q’g为干气工况下的气相体积流量；b1、b2和b3为常数系数，在湿气工况下按照函数A*＝b1Weg 2+b2Weg+b3标定得到，其中，无量纲幅值A*＝A/A0，气相韦伯数
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；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。
进一步地，所采用三轴加速度探头选取电容模拟式微硅芯片作为加速度传感器。
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和b3进行标定。
本发明主要利用加速度探头的幅值信息进行建模，结合涡街频率给定初值，利用牛顿迭代算法进行求解，实现了湿气流量的准确预测。不同于基于频率法和涡街过读校正的湿气测量方案，本方法无需借助其他复杂、昂贵的仪器和方法进行液相流量，无需进行过读校正，因此具有成本低、安全、可靠的优势。
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：湿气中无量纲加速度幅值-液相体积含率图
图7：湿气中无量纲加速度幅值建模
图8：基于加速度幅值建模和牛顿迭代的湿气流量测量算法
图9：湿气中气相体积流量预测误差分布图
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建模的涡街湿气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，严重影响湿气流量测量精度。为避免过读现象，本申请提出一种新的基于加速度幅值建模的湿气流量测量方法，无需进行过读建模和校正。该方法以三轴加速度计为传感器，主要利用涡街发生体下游的涡致加速度波动幅值信息进行建模，利用牛顿迭代算法进行湿气流量预测。该方法分为四步：
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，Ai max和Ai min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，仪表系数Kv单位：m-3；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＝337510.5 m-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。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*，如式(3)所示
不同载气工况(压力、流量)下A*-液相体积流量LVF关系如附图6所示，根据式(4)建立两相加速度幅值模型
A*＝b1Weg 2+b2Weg+b3 (4)
其中，气相韦伯数气相表观流速Usg＝4Qg/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＝2.224×10-8，b2＝-3.408×10-4，b3＝2.390。幅值预测确定系数R2＝0.928，相对均方根误差rRMSE＝2.442％。
第三步，基于牛顿迭代的湿气分相流量测量模型
联立式(2)、式(3)和式(4)，建立以气相体积流量Qg为未知数的方程，如式(5)所示
将气相韦伯数Weg定义、Usg＝4Qg/πD2代入式(5)，整理如式(6)所示
其中，参数
为快速求解方程(6)，利用牛顿迭代进行求解。构建牛顿迭代格式如式(7)所示
其中，
f′(Qg,n)为f(Qg,n)的一阶导数，如式(9)所示
利用式(7)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。
第四步，基于加速度测量的湿气流量预测。
基于加速度测量和牛顿迭代的湿气分相测量算法如附图8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和涡脱落频率fVS；
4)根据式(1)计算未进行过读修正的涡街流量计示值Qg,apparent＝3600fVS/Kv，并将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(7)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(7)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，得到最终湿气中的气相体积流量Qg。
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9所示，误差PE(％)＝(预测值-真实值)/真实值×100。利用涡街频率进行湿气测量，本例中由于涡街过读现象引起的测量误差最大为8％。本申请通过加速度幅值建模，预测得到湿气中气相体积流量的预测误差均在±2.0％以内，平均绝对误差为0.847％，测量精度大大提高。

Claims (8)

1.一种基于加速度幅值建模的涡街湿气流量测量方法，以三轴加速度探头为传感器测量涡致加速度波动信号，利用牛顿迭代算法进行湿气流量预测，包含以下步骤：
1)采集压力p、温度T和加速度计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升力方向加速度幅值A和涡街脱落频率fVS；
4)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，A0代表干气工况加速度幅值，气相表观流速Usg＝4Q'g/πD2，Q’g为干气工况下的气相体积流量；b1、b2和b3为常数系数，在湿气工况下按照函数A*＝b1Weg 2+b2Weg+b3标定得到，其中，无量纲幅值A*＝A/A0，气相韦伯数
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；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。
2.根据权利要求1所述的涡街湿气流量测量方法，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。
4.根据权利要求1所述的涡街湿气流量测量方法，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)。
5.根据权利要求1所述的涡街湿气流量测量方法，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。
6.根据权利要求1所述的涡街湿气流量测量方法，其特征在于，所述的收敛阈值为0.1％。
7.根据权利要求1所述的涡街湿气流量测量方法，其特征在于，利用最小二乘法对常数系数a1、a2进行标定。
8.根据权利要求1所述的涡街湿气流量测量方法，其特征在于，利用最小二乘法对常数系数b1、b2和b3进行标定。
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