WO2009074653A1 - Procédé de caractérisation de régime d'écoulement de fluide diphasique - Google Patents
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- WO2009074653A1 WO2009074653A1 PCT/EP2008/067339 EP2008067339W WO2009074653A1 WO 2009074653 A1 WO2009074653 A1 WO 2009074653A1 EP 2008067339 W EP2008067339 W EP 2008067339W WO 2009074653 A1 WO2009074653 A1 WO 2009074653A1
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- G01N9/24—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity by observing the transmission of wave or particle radiation through the material
Definitions
- the invention relates to a method for characterizing a two - phase fluid flow regime and to a method for determining a two - phase fluid flow regime that implements the method of characterizing the invention.
- a two-phase mixture can flow according to several topological organizations, called flow regimes or flow configurations, which are governed by different mechanisms.
- the macroscopic behavior (pressure losses, heat exchange with the walls, mechanical stress of pipes and structures) of the flow can vary very strongly from one regime to another. From an industrial point of view, it is essential for the safety and longevity of an installation, that it works with the flow configuration for which it was dimensioned.
- Optimal control of an installation can use an active control procedure. The latter requires - at a minimum - to identify in real time the configuration present in the pipe to be monitored, in order to detect a possible change of regime and to retroact on the piloting of the installation before reaching a damaging configuration.
- time-frequency and time-scale (wavelet) analysis methods have been applied with great success to a large number of problems. and, in particular, the mechanics of two-phase fluids.
- Type 1 methods suffer from two important shortcomings: they contain a significant amount of subjectivity and do not allow ambiguity to be distinguished between certain regimes whose signatures are similar (because they are global signals that are exploited). As a result, they require user interpretation and therefore do not allow automatic and reliable recognition.
- the type 2 method is intrinsically more objective. However, it only asserts that the flow is in a transition zone between two established regimes without diagnosing which are these two regimes.
- the Type 3 method takes advantage of the local flow characteristics, but the use of raw time signals at the input of the neural network considerably slows down the duration of the diagnosis, thereby precluding real-time use.
- the type 4 method is based on a spectral basis since it involves a time-frequency analysis (also expensive in computing time) but, again, it is used to process a global signal.
- the method of the invention does not have the disadvantages of the methods mentioned above.
- the invention relates to a method for characterizing a fluid flow regime two-phase dipole which flows in a pipe, characterized in that it comprises the following steps:
- Na measures m D (j 1, 2, ..., Na) representative of the two-phase flow regime flowing in the pipe, the Na measures being distributed according to a total or partial excursion of the perimeter of the pipe,
- a power spectral density PSD 11 (f) of the signal S 3 f is a frequency variable, and the calculation of a given representative of moy average position e of scheme two-phase flow, of a data of average frequency f moy representative of the two-phase flow regime and of an average spreading data in space and in frequency R dB representative of the two-phase flow regime, using the respective formulas following:
- the Na measurement points are distributed substantially uniformly over a total excursion of a perimeter of the pipe.
- the invention also relates to a method for determining a two-phase fluid flow regime, characterized in that it comprises:
- a characterization step of different types of two-phase fluid flow regime (smooth laminate, wave laminate, rough laminate and bubble) to construct a three-dimensional space (e moy , f m oy / R db) representative of different types of two-phase fluid flow regime, a first dimension (e avg ) of the three-dimensional space being constructed by a set of mean position data that result from the step of characterizing the different types of flow regime, a second dimension (f avm ) of the three-dimensional space being constructed by a set of average frequency data that result from the step of characterizing the different types of flow regime, the third dimension (R db ) of the three-dimensional space being constructed by a set of data of mean space and frequency spread resulting from the step of characterizing the different types of flow regime, and
- the flow regime determination method of the invention implements a signal analysis method for efficiently and quickly recognizing the configuration of a two-phase mixture flowing in a pipe.
- the flow regime determination method of the invention takes advantage, not only of spatial measurements of the flow, but also of the spectral characteristics of the flow, these spectral characteristics being present, to different degrees, in the measured signals.
- FIGS. 1A-1F represent different types of two-phase flows
- FIGS. 2A and 2B show an example of a two-phase fluid flow regime characterization device which implements the method of the invention
- FIG. 3 represents, in the case of an intermittent flow of two-phase fluid, an example of time signals which are delivered by the measuring device which forms part of the characterization device represented in FIGS. 2A and 2B
- FIGS. 4A-7A and 4B-7B represent, for didactic purposes, signals which illustrate the advantages of implementing the characterization method of the invention
- FIG. 8 represents, in a space of characteristic parameters obtained by the characterization method of the invention, the position of different diphasic fluid flow regimes;
- FIG. 9 represents a schematic diagram of a two-phase fluid flow regime determination method according to the invention;
- FIG. 10 represents a second example of measuring device used for the implementation of the method of the invention.
- a two-phase liquid / gas mixture for example a water / air mixture
- flow regimes These different flow regimes are shown in Figures 1A-1F.
- FIG. 1A represents the so-called “smooth stratified flow regime” which is characterized by a continuous and smooth interface between the two phases of mixing.
- the liquid E heavier than the gas A, flows down the pipe.
- FIG. 1B shows the so-called “stratified wave flow regime” which differs from the previous one by the shape of the interface between water and air which, here, waves in the form of periodic waves Vp. This is due to the speed of the gas which is faster than that of the liquid.
- Figure IC shows the regime called "rough stratified flow regime" which differs from the previous by its rough interface between the liquid and the gas.
- the interface is then composed of Vnp waves that are no longer periodic. This effect is caused by the increase of the velocity of the gas, which destroys the coherence of the waves.
- Figure ID represents the regime called "bubble flow regime” which is characterized by a dispersion of the gas phase within the liquid phase. This regime appears for a high flow of the liquid.
- the high velocity of the liquid causes severe turbulence in the liquid, leading to splitting and dispersing the gas in the form of bubbles b.
- the gas bubbles b naturally tend to migrate up the pipe under the effect of gravity.
- Figure IE represents the so-called “annular flow regime” regime.
- the annular flow is observed at high gas flow.
- the gas predominant in the center of the pipe, projects the liquid L on the walls of the pipe in the form of a film F which flows non-uniformly due to gravity.
- Figure IF represents the regime called "intermittent flow regime” which is characterized by a periodic alternation of water plugs B and P gas pockets. Its interface is unstable and discontinuous.
- FIGS. 2A and 2B show an example of a two-phase fluid flow regime characterization device which implements the method of the invention.
- the characterization device comprises a device for measurement consisting of a segmented ring conductimetric probe M1, M2, an electronic processing circuit E and a computer K.
- FIG. 2B shows a cross-sectional view of the measuring device of FIG. 2A at the level of the ring M2.
- the segmented rings Ml and M2 are flush with the internal wall of the pipe C in which the two-phase fluid flows.
- the first ring Ml is an excitation electrode connected to a generator G.
- the second ring M2 is segmented into Na distinct electrodes, for example sixteen electrodes, which are distributed over the entire internal perimeter of the pipe C.
- the conductimetric probe measures the azimuthal distribution of the electrical impedance of the two-phase fluid. "Azimuthal distribution" means a distribution according to the circular perimeter of the pipe. The distribution of the electrodes is preferably uniform over the perimeter of the pipe.
- the conductimetric probe has the advantages of being non-intrusive (the electrodes are flush with the inner wall) and offering a high bandwidth.
- Each electrode of the ring M2 takes a local measurement representative of the flow regime.
- the electronic processing circuit E comprises dedicated electronic circuits which process the m D measurements collected on the electrodes of the ring M2.
- the computer K comprises an analog / digital converter Ech, a power spectral density calculation module DSP and means for calculating characterization parameters M.
- the analog / digital converter Ech comprises sample-and-hold circuits which digitize each analog signal Sig D (t) while ensuring simultaneous sampling of the Na measurement signals which are taken at the same time by the Na electrodes.
- the signals S 3 are then transmitted to the power spectral density calculation module DSP which calculates, for each signal S 3 , the power spectral density DSP 11 (f) associated with the signal S 3 .
- the characterization parameter calculation module M then calculates the characterization parameters of the two-phase flow regime, namely: - an average w av position representative of the two-phase flow regime such that:
- the characterization parameters e moy , f moy and R dB unequivocally and exhaustively characterize the two-phase flow regime.
- this unambiguous and exhaustive nature of the characterization parameters makes it possible to implement, in a simple and rapid manner, a method capable of determining a flow regime of any kind. two-phase fluid.
- FIG. 3 represents, by way of nonlimiting example, for an intermittent flow similar to that represented in FIG. 1F, signals Sig D (t) delivered by the electronic processing circuit E, in the case where, for example, the measuring device comprises sixteen electrodes. Because of the symmetry of the pipe with respect to a vertical axis parallel to the axis of gravity, only eight signals out of sixteen are used (Sigi-Sigs corresponding to respective electrodes 1-8 of Figure 2B).
- FIGS. 4A-7A and 4B-7B represent, for didactic purposes, signals which illustrate the advantages of implementing the method of the invention. Since each electrode has a precise geometric position, it is possible to compare the spatial characteristics of the flow by juxtaposing all the time signals on the same three-dimensional space-time-amplitude diagram. The flow is thus visualized as a function of time and as a function of the different azimuthal positions in the pipe. Such a representation is illustrated for the different flow regimes in FIGS. 4A, 5A, 6A, 7A.
- Figures 4A-7A correspond to wave laminate flow, rough laminate flow, intermittent flow, and bubble flow, respectively.
- the method of the invention implements the calculation of the power spectral density for each signal.
- the use of the power spectral density of the signals collected on the different electrodes advantageously makes it possible to reveal the dominant frequencies of the signals.
- FIGS. 4B, 5B, 6B, 7B represent, in a same three-dimensional space-frequency-amplitude reference, the power spectral densities which correspond to the respective signals represented, in the three-dimensional space-time-amplitude reference, on the Figures 4A, 5A, 6A, 7A.
- Fig. 9 illustrates a block diagram of the two-phase fluid flow regime determining method of the invention.
- the method of the invention includes: a step E 1 of characterization, using the method of characterization of the invention, of all the different two-phase fluid flow regimes that are likely to exist, to construct a space of the fluid flow regimes two-phase phase, E2 characterization step, using the characterization method of the invention, the particular flow regime to calculate the characteristic parameters of the particular flow regime, and a calculation step E3 which positions the characteristic parameters from step E2 in the space of two-phase fluid flow regimes constructed at the end of step E1.
- the first step E1 of the method consists in constructing the three-dimensional space (e av , fmoyr R O B) in which the different diphasic fluid flow regimes are identified by the corresponding domains Dsr, Dsv, Db, Di. Moreover, from spatial measurements ms representative of the particular two-phase flow regime to be determined, the particular average spatial position e average p , the particular average frequency position f average p and the average space and frequency spread R dB p of the particular two-phase flow regime to be determined are calculated in step E2.
- Step E3 identifies the flow regime particular I by positioning the characteristic parameters of the particular flow regime delivered at the end of step E2 in the three-dimensional space constructed at the end of step E1.
- Step E3 is implemented by a calculator, for example a computer.
- the step E1 of the method of the invention can be carried out once and the data relating to the space of the flow regimes and to the different domains Dsr, Dsv, Db, Di are recorded in a memory, for example a computer memory.
- the step E3 of positioning the flow regime to be determined is implemented by a neural algorithm that can be supervised or not.
- the three parameters e average p , f 771oy p and R dB p are then provided at the input of a network of two-layer perceptrons.
- the last layer of perceptrons activates Boolean indicators which correspond to indicators of the various previously identified flow regimes.
- a neural algorithm requires a learning phase.
- seventy real tests are sufficient to drive the perceptron network, by using a back propagation procedure, with a maximum learning depth of 4000 epochs.
- the method of the invention described above is based on the exploitation of local and spectral information obtained using measurements from a conductimetric probe.
- the measurements come from a multi-pixel X-ray detector. This other embodiment is represented in FIG. 10.
- the measuring device comprises:
- an X-ray source 1 which generates, in the direction of the duct, a collimated X-ray beam FX in the form of a sheet in fan geometry, and
- a multi-pixel detector 2 placed in the beam field on the other side of the pipe.
- the FX beam illuminates and is attenuated by a cross section of the flow.
- Each pixel of the detector measures, at each moment, the attenuation undergone by X-rays, thus revealing the thicknesses of fluid and gas traversed in an azimuthal direction in the pipe.
- the multi-pixel detector used is, for example, a commercial detector which integrates, over a chosen duration (for example a few tenths of a second), the photonic flux received by each pixel, converts the information thus integrated into an electrical signal and digitizes this electrical signal.
- This device consequently delivers local time measurement signals from which a two-phase flow regime can be identified according to a procedure identical to the procedure described above.
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Abstract
L' invention concerne un procédé de détermination de régime d'écoulement de fluide diphasique qui s'écoule dans une conduite, le procédé comprenant : - la construction (E1) d'un espace à trois dimensions (emoy, fmoy, Rdb) dans lequel différents domaines de régimes d'écoulement de fluide diphasique sont identifiés (Dsr, Dsv, Db, Di), les trois dimensions de l'espace étant respectivement, la position spatiale moyenne, la position fréquentielle moyenne et l'étalement moyen en espace et en fréquence d'un régime d'écoulement, - le calcul (E2), à partir de signaux de mesures (ms), de paramètres (emoyp, fmoyp, Rdbp) représentatifs du régime d'écoulement diphasique à déterminer, et - le positionnement (E3) du régime d'écoulement diphasique à déterminer dans l'espace à trois dimensions (emoy, fmoy, Rdb) à partir des paramètres calculés.
Description
PROCEDE DE CARACTERISATION DE REGIME D'ECOULEMENT DE FLUIDE DIPHASIQUE
Domaine technique et art antérieur
L' invention concerne un procédé de caractérisation de régime d'écoulement de fluide diphasique ainsi qu'un procédé de détermination de régime d'écoulement de fluide diphasique qui met en œuvre le procédé de caractérisation de l'invention.
La manipulation et le transport des fluides diphasiques représentent actuellement un enjeu technologique important dans un grand nombre de domaines industriels : génie pétrolier, génie chimique, génie des procédés, génie énergétique, etc.
Un mélange diphasique peut s'écouler selon plusieurs organisations topologiques, appelées régimes d'écoulement ou configurations d'écoulement, qui sont régies par des mécanismes différents. Le comportement macroscopique (pertes de pression, échange thermique avec les parois, sollicitation mécanique des conduites et des structures) de l'écoulement peut varier très fortement d'un régime à un autre. D'un point de vue industriel, il est primordial, pour la sécurité et la longévité d'une installation, que celle-ci fonctionne avec la configuration d'écoulement pour laquelle elle a été dimensionnée . Le pilotage optimal d'une installation peut faire appel à une procédure de contrôle actif. Cette dernière requiert - a minima - d' identifier en temps réel la configuration présente dans la conduite à surveiller, afin de détecter un éventuel changement de
régime et de rétroagir sur le pilotage de l'installation avant d'atteindre une configuration dommageable .
Traditionnellement, l'identification des régimes et de leurs transitions se fait visuellement avec, de façon complémentaire, une analyse directe de signaux tels que, par exemple, des signaux de pression ou de taux de présence. Les résultats sont représentés sous forme de carte. Dans ce domaine, les méthodes de traitement du signal constituent également un outil indispensable car elles étendent la capacité d'observation et d'analyse de l'écoulement. Ainsi, par exemple, est-il possible de caractériser des régimes d'écoulement par analyse spectrale de signaux de pression. Cependant, si cette méthodologie permet de caractériser les régimes d'écoulement, l'identification des frontières entre ces derniers manque d'objectivité. Plusieurs tentatives ont été réalisées pour combler cette lacune. Plusieurs travaux ont également été effectués dans le cadre des méthodes paramétriques appliquées à l'estimation de dimensions fractales. Malgré l'éventail de possibilités ouvertes par ces techniques, leur efficacité doit toutefois encore être démontrée sur une base de données suffisamment représentatives .
Dans le cadre des approches non- paramétriques, les méthodes d'analyse temps-fréquence et temps-échelle (ondelettes) ont été appliquées avec beaucoup de succès à un grand nombre de problèmes
scientifiques et, en particulier, à la mécanique des fluides diphasiques.
Plus récemment, l'utilisation de méthodes neuronales a fait l'objet de plusieurs tentatives, dont la première peut être attribuée à Mi et al.
(cf. référence (I]), qui ont entraîné un réseau à partir de quelques moments statistiques d'un signal de taux de vide, dans le but de reconnaître les différents régimes d'un écoulement vertical. Crivelaro et al. (cf. référence [2]) ont tenté de mettre au point une méthode neuronale différente, en exploitant de manière brute des mesures de signaux temporels.
En résumé de ce qui précède, il ressort de l'analyse de l'art antérieur que, pour tenter de caractériser un écoulement diphasique, des auteurs ont mis en œuvre différentes méthodes, à savoir :
1) l'analyse statistique ou spectrale de signaux issus de mesures globales (pression, taux de vide, vibration) pour reconnaître le régime de l'écoulement,
2) l'analyse temps-fréquence de signaux issus de mesures locales (sonde à impédance) pour détecter la transition entre deux régimes d'écoulement, sans se préoccuper de ce que peuvent être ces régimes, 3) l'analyse neuronale de signaux temporels bruts issus de mesures locales (impédance) pour reconnaître automatiquement le régime de l'écoulement,
4) l'analyse neuronale de signatures temps-fréquence de signaux issus de mesures globales (pression) , pour reconnaître automatiquement le régime de l' écoulement .
Les méthodes de type 1) souffrent de deux lacunes importantes : elles contiennent une part importante de subjectivité et ne permettent pas de distinguer l'ambiguïté entre certains régimes dont les signatures sont ressemblantes (du fait que ce sont des signaux globaux qui sont exploités) . En conséquence, elles requièrent une interprétation de l'utilisateur et ne permettent donc pas une reconnaissance automatique et fiable. La méthode de type 2) est intrinsèquement plus objective. Cependant, elle permet seulement d'affirmer que l'écoulement est dans une zone de transition entre deux régimes établis sans diagnostiquer quels sont ces deux régimes. La méthode de type 3) tire parti des caractéristiques locales de l'écoulement, mais l'utilisation des signaux temporels bruts en entrée du réseau neuronal ralentit considérablement la durée du diagnostic, interdisant de ce fait une utilisation en temps réel.
La méthode de type 4) repose sur un fondement spectral puisqu'elle implique une analyse temps-fréquence (également coûteuse en temps de calcul) mais, là aussi, elle est utilisée pour traiter un signal global.
Le procédé de l'invention ne présente pas les inconvénients des méthodes mentionnées ci-dessus.
Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un procédé de caractérisation d'un régime d'écoulement de fluide
diphasique qui s'écoule dans une conduite, caractérisé en ce qu' il comprend les étapes suivantes :
Na mesures mD (j=l, 2, ..., Na) représentatives du régime d'écoulement diphasique qui s'écoule dans la conduite, les Na mesures étant distribuées selon une excursion totale ou partielle du périmètre de la conduite,
Pour chaque mesure m-,, le calcul d'un signal numérique S3 (j=l, 2, ..., Na) constitué d'une pluralité d'échantillons temporels,
Pour chaque signal numérique S3, le calcul d'une densité spectrale de puissance DSP11 (f) du signal S3, f étant une variable de fréquence, et Le calcul d'une donnée de position moyenne emoy représentative du régime d'écoulement diphasique, d'une donnée de fréquence moyenne fmoy représentative du régime d'écoulement diphasique et d'une donnée d'étalement moyen en espace et en fréquence RdB représentative du régime d'écoulement diphasique, à l'aide des formules respectives suivantes :
RdB=20 log( fσ / eσ ),
avec
et
Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, les Na points de mesure sont distribués de façon sensiblement uniforme sur une excursion totale d'un périmètre de la conduite.
L' invention concerne également un procédé de détermination de régime d'écoulement de fluide diphasique, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une étape de caractérisation du régime d'écoulement à déterminer pour former, conformément au procédé de caractérisation de l'invention, une donnée de position moyenne (emoy p) , une donnée de fréquence moyenne (fmoy p) et une donnée d'étalement moyen en espace et en fréquence (RdBP) du régime d'écoulement à déterminer,
- une étape de caractérisation, conformément au procédé de caractérisation de l'invention, de différents types de régime d'écoulement de fluide diphasique
(stratifié lisse, stratifié à vagues, stratifié rugueux et à bulles) pour construire un espace à trois dimensions (emoy, fmoy/ Rdb) représentatif des différents types de régime d'écoulement de fluide diphasique, une première dimension (emoy) de l'espace à trois dimensions étant construite par un ensemble de données de position moyenne qui résultent de l'étape de caractérisation des différents types de régime d'écoulement, une deuxième dimension (fmoy) de l'espace à trois dimensions étant construite par un ensemble de données de fréquence moyenne qui résultent de l'étape de caractérisation des différents types de régime d'écoulement, la troisième dimension (Rdb) de l'espace à trois dimensions étant construite par un ensemble de données d'étalement moyen en espace et en fréquence qui résultent de l'étape de caractérisation des différents types de régime d'écoulement, et
- une étape de calcul qui positionne, dans l'espace à trois dimensions (emoy, fmoy, Rdb) t la donnée de position moyenne (emoy p) , la donnée de fréquence moyenne (fmoy p) et la donnée d'étalement moyen en espace et en fréquence (RdBP) du régime d'écoulement à déterminer . Le procédé de détermination de régime d'écoulement de l'invention met en œuvre une méthode d'analyse de signaux permettant de reconnaître efficacement et rapidement la configuration d'un mélange diphasique s' écoulant dans une conduite. Le procédé de détermination de régime d'écoulement de l'invention tire parti, non seulement
de mesures spatiales de l'écoulement, mais également de caractéristiques spectrales de l'écoulement, ces caractéristiques spectrales étant présentes, à des degrés différents, dans les signaux mesurés.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles : les figures 1A-1F représentent différents types d'écoulements diphasiques ; les figures 2A et 2B représentent un exemple de dispositif de caractérisation de régime d'écoulement de fluide diphasique qui met en œuvre le procédé de l' invention ; la figure 3 représente, dans le cas d'un écoulement intermittent de fluide diphasique, un exemple de signaux temporels qui sont délivrés par le dispositif de mesure qui fait partie du dispositif de caractérisation représenté aux figures 2A et 2B; les figures 4A-7A et 4B-7B représentent, à des fins didactiques, des signaux qui illustrent les avantages qu' il y a mettre en œuvre le procédé de caractérisation de l'invention; la figure 8 représente, dans un espace de paramètres caractéristiques obtenus par le procédé de caractérisation de l'invention, la position de différents régimes d'écoulement de fluide diphasique;
la figure 9 représente un schéma de principe de procédé de détermination de régime d'écoulement de fluide diphasique selon l'invention ; la figure 10 représente un deuxième exemple de dispositif de mesure utilisé pour la mise en œuvre du procédé de l'invention.
Description détaillée de modes de mise en œuvre de 1' invention Dans une conduite horizontale, un mélange diphasique liquide/gaz, par exemple un mélange eau/air, peut s'écouler selon différentes configurations communément appelées régimes d'écoulement. Ces différents régimes d'écoulement sont représentés sur les figures 1A-1F.
La figure IA représente le régime dit « régime d'écoulement stratifié lisse » qui est caractérisé par une interface continue et lisse entre les deux phases du mélange. Le liquide E, plus lourd que le gaz A, coule en bas de la conduite.
La figure IB représente le régime dit « régime découlement stratifié à vagues » qui se distingue du précédent par la forme de l'interface entre l'eau et l'air qui, ici, ondule sous la forme de vagues périodiques Vp. Cela est dû à la vitesse du gaz qui est plus rapide que celle du liquide.
La figure IC représente le régime dit « régime d'écoulement stratifié rugueux » qui se distingue du précédent par son interface rugueuse entre le liquide et le gaz. L'interface est alors constituée de vagues Vnp qui ne sont plus périodiques. Cet effet
est causé par l'augmentation de la vitesse du gaz, laquelle détruit la cohérence des vagues.
La figure ID représente le régime dit « régime d'écoulement à bulles » qui est caractérisé par une dispersion de la phase gazeuse au sein de la phase liquide. Ce régime apparait pour un fort débit du liquide. La vitesse élevée du liquide engendre de fortes turbulences au niveau du liquide, conduisant à fractionner et à disperser le gaz sous la forme de bulles b. Les bulles de gaz b ont naturellement tendance à migrer vers le haut de la conduite sous l'effet de la gravité.
La figure IE représente le régime dit « régime d'écoulement annulaire ». L'écoulement annulaire est observé à fort débit gazeux. Le gaz, prépondérant au centre de la conduite, projette le liquide L sur les parois de la conduite sous la forme d'un film F qui ruisselle de manière non uniforme du fait de la gravité. Il peut y avoir des gouttelettes d'eau g qui se déplacent à grande vitesse, au cœur de la conduite, dans l'écoulement de gaz.
La figure IF représente le régime dit « régime d'écoulement intermittent » qui est caractérisé par une alternance périodique de bouchons d'eau B et de poches de gaz P. Son interface est instable et discontinue.
Les figures 2A et 2B représentent un exemple de dispositif de caractérisation de régime d'écoulement de fluide diphasique qui met en œuvre le procédé de l'invention. En référence à la figure 2A, le dispositif de caractérisation comprend un dispositif de
mesure constitué d'une sonde conductimétrique à anneaux segmentés Ml, M2, un circuit électronique de traitement E et un calculateur K. La figure 2B représente une vue en coupe transversale du dispositif de mesure de la figure 2A au niveau de l'anneau M2.
Les anneaux segmentés Ml et M2 affleurent la paroi interne de la conduite C dans laquelle le fluide diphasique s'écoule. Le premier anneau Ml est une électrode d'excitation reliée à un générateur G. Le deuxième anneau M2 est segmenté en Na électrodes distinctes, par exemple seize électrodes, qui sont réparties sur tout le périmètre intérieur de la conduite C. La sonde conductimétrique mesure la répartition azimutale de l'impédance électrique du fluide diphasique. Par « répartition azimutale », il faut entendre une répartition selon le périmètre circulaire de la conduite. La répartition des électrodes est préférentiellement uniforme sur le périmètre de la conduite. La sonde conductimétrique présente les avantages d'être non intrusive (les électrodes affleurent la paroi interne) et d'offrir une bande passante élevée. Chaque électrode de l'anneau M2 prélève une mesure locale représentative du régime d'écoulement. Ainsi, Na mesures mD (j=l, 2, ..., Na) représentatives du régime d'écoulement diphasique sont- elles prélevées par les Na électrodes.
Le circuit électronique de traitement E comprend des circuits électroniques dédiés qui traitent les mesures mD recueillies sur les électrodes de l'anneau M2. Chaque électrode de rang j (j=l, 2, ..., Na) de l'anneau M2 est ainsi reliée à un circuit
d'amplification et de redressement double alternance A3 qui est lui-même relié à un filtre passe-bas F3 destiné à éliminer le bruit de haute fréquence. En sortie du système de filtrage, sont ainsi délivrés Na signaux analogiques SigD (t) j (j=l, 2, ..., Na) dont les niveaux sont ajustés lors d'un étalonnage de telle sorte que, par exemple, chaque signal analogique est sensiblement égal à OV lorsque la sonde ne contient pas de liquide et sensiblement égal à 10V lorsque la sonde est pleine de liquide. Les signaux analogiques SigD (t) j (j=l, 2, ..., Na) sont ensuite transmis à un calculateur K, par exemple un ordinateur.
Le calculateur K comprend un convertisseur analogique/numérique Ech, un module de calcul de densité spectrale de puissance DSP et des moyens de calcul de paramètres de caractérisation M.
Le convertisseur analogique/numérique Ech comprend des circuits échantillonneurs-bloqueurs qui numérisent chaque signal analogique SigD (t) en garantissant la simultanéité de l'échantillonnage des Na signaux de mesure qui sont prélevés, au même instant, par les Na électrodes. Na signaux numériques S3 (j=l, 2, ..., Na) sont ainsi délivrés par le convertisseur analogique-numériques Ech. Les signaux S3 sont alors transmis au module de calcul de densité spectrale de puissance DSP qui calcule, pour chaque signal S3, la densité spectrale de puissance DSP11 (f) associée au signal S3. Le module de calcul de paramètres de caractérisation M calcule alors les paramètres de caractérisation du régime d'écoulement diphasique, à savoir :
- une position moyenne emoy représentative du régime d'écoulement diphasique telle que :
une fréquence moyenne fmoy représentative du régime d'écoulement diphasique telle que :
J ' mmooyv
- une donnée d' étalement moyen en espace et en fréquence RdB représentative du régime d' écoulement diphasique telle que :
RdB=20 log ( fσ avec
Avantageusement, les paramètres de caractérisation emoy, fmoy et RdB caractérisent de manière univoque et exhaustive le régime d'écoulement diphasique. Comme cela sera décrit plus en détail ultérieurement, en référence aux figures 8 et 9, ce caractère univoque et exhaustif des paramètres de caractérisation permet de mettre en œuvre, de façon simple et rapide, un procédé apte à déterminer un régime d'écoulement quelconque de fluide diphasique.
La figure 3 représente, à titre d'exemple non limitatif, pour un écoulement intermittent similaire à celui représenté sur la figure IF, des signaux SigD (t) délivrés par le circuit électronique de traitement E, dans le cas où, par exemple, le dispositif de mesure comprend seize électrodes. En raison de la symétrie de la conduite par rapport à un axe vertical parallèle à l'axe de la pesanteur, seuls huit signaux sur seize sont exploités (Sigi-Sigs correspondant aux électrodes respectives 1-8 de la figure 2B) .
Cette contribution de la seule moitié des mesures à la mise en œuvre du procédé de l'invention est bien sûr possible, de façon plus générale, pour tout type de régime d'écoulement diphasique et pour toute configuration d'électrodes dès lors que N électrodes sont uniformément réparties sur le périmètre de la conduite.
Les figures 4A-7A et 4B-7B représentent, à des fins didactiques, des signaux qui illustrent les avantages qu' il y a à mettre en œuvre le procédé de 1' invention . Chaque électrode ayant une position géométrique précise, il est possible de comparer les caractéristiques spatiales de l'écoulement en juxtaposant tous les signaux temporels sur un même diagramme à trois dimensions espace-temps-amplitude. On visualise ainsi l'écoulement en fonction du temps et en fonction des différentes positions azimutales dans la conduite. Une telle représentation est illustrée, pour les différents régimes d'écoulement, sur les figures 4A, 5A, 6A, 7A. Les figures 4A-7A correspondent, respectivement, à l'écoulement stratifié à vagues, à l'écoulement stratifié rugueux, à l'écoulement intermittent et à l'écoulement à bulles.
Comme cela a été mentionné ci-dessus, à partir des signaux de mesure prélevés sur les électrodes, le procédé de l'invention met en œuvre le calcul de la densité spectrale de puissance pour chaque signal. L'utilisation de la densité spectrale de puissance des signaux recueillis sur les différentes électrodes permet avantageusement de révéler les fréquences dominantes des signaux.
Les figures 4B, 5B, 6B, 7B représentent, dans un même repère à trois dimensions espace- fréquence-amplitude, les densités spectrales de puissance qui correspondent aux signaux respectifs représentés, dans le repère à trois dimensions espace- temps-amplitude, sur les figures 4A, 5A, 6A, 7A.
Les représentations des figures 4B, 5B, 6B,
7B permettent de localiser la présence ou l'absence de fréquences dominantes dans les différents régimes d'écoulement, en fonction de la position azimutale du fluide dans la conduite.
Par exemple, pour l'écoulement stratifié à vagues illustré sur la figure 4B, il apparaît, au niveau de l'électrode n°5, un pic localisé à la fréquence de 5 Hertz. En effet, dans le mode d'écoulement stratifié à vagues, les fluctuations les plus importantes se produisent à l'interface eau/liquide qui est en contact avec les électrodes « équatoriales » et, pour ce régime, les vagues ont une structure périodique bien marquée. L'écoulement stratifié rugueux (cf. figure
5B) met en évidence un étalement spectral au niveau de l'électrode n°7. Le déploiement énergétique sur une large plage fréquentielle que révèle ce régime d'écoulement, montre bien que, pour ce régime, la structure périodique des vagues a disparu. Par ailleurs, le fait que le maximum de la densité spectrale de puissance soit obtenu sur l'électrode n°7 révèle que le niveau d'eau est plus bas dans la conduite qu'en écoulement à vagues. Pour le régime intermittent (cf. figure
6B), on retrouve la valeur de la fréquence d'alternance poches-bouchons, mais la forme de « dorsale » qui apparaît dans le plan électrode-fréquence de cette représentation est significative car elle exprime la concentration fréquentielle ainsi que la délocalisation spatiale des composantes spectrales. Ainsi, ce régime
est-il bien caractérisé par une fréquence dominante très marquée à une fréquence inférieure à l'Hertz, fréquence qui est présente sur toutes les électrodes.
Enfin, l'écoulement à bulles (cf. figure 7B) révèle un étalement spectral sur une large plage fréquentielle qui semble le rapprocher de celui de l'écoulement stratifié rugueux. Cependant, on voit que le maximum d'amplitude est obtenu au niveau des électrodes n°3 et n°4, ce qui s'explique par le fait que les bulles s'écoulent plutôt en partie haute de la conduite. Ainsi, c'est grâce à l'information spatiale que l'on peut discriminer le régime à bulles du régime rugueux .
Dans le cadre de l'invention, un grand nombre de mesures sont effectuées pour chacun des quatre régimes d'écoulement mentionnés ci-dessus. Il est alors possible de délimiter entièrement le domaine de chaque régime dans un espace à trois dimensions emoy, fmoyr RdB- La figure 8 illustre cette délimitation des domaines. Les domaines respectifs des quatre régimes d'écoulement sont clairement disjoints : il apparaît le domaine stratifié rugueux Dsr, le domaine stratifié à vagues Dsv, le domaine à bulles Db et le domaine intermittent Di. La figure 9 illustre un schéma de principe du procédé de détermination de régime d'écoulement de fluide diphasique de l'invention.
Ainsi, pour déterminer un régime d'écoulement particulier de fluide diphasique, le procédé de l'invention comprend-il :
une étape El de caractérisation, à l'aide du procédé de caractérisation de l'invention, de l'ensemble des différents régimes d'écoulement de fluide diphasique qui sont susceptibles d'exister, pour construire un espace des régimes d'écoulement de fluide diphasique, une étape E2 de caractérisation, à l'aide du procédé de caractérisation de l'invention, du régime d'écoulement particulier pour calculer les paramètres caractéristiques du régime d'écoulement particulier, et une étape de calcul E3 qui positionne les paramètres caractéristiques issus de l'étape E2 dans l'espace des régimes d'écoulement de fluide diphasique construit à l'issue de l'étape El.
A partir d'un ensemble MS de mesures effectuées pour l'ensemble des régimes d'écoulement diphasiques (typiquement, les régimes mentionnés précédemment) , la première étape El du procédé consiste à construire l'espace à trois dimensions (emoy, fmoyr ROB) dans lequel les différents régimes d'écoulement de fluide diphasique sont identifiés par les domaines Dsr, Dsv, Db, Di qui leur correspondent. Par ailleurs, à partir de mesures spatiales ms représentatives du régime d'écoulement diphasique particulier à déterminer, la position spatiale moyenne particulière emoy p, la position fréquentielle moyenne particulière fmoy p et l'étalement moyen en espace et en fréquence particulier RdB p du régime d'écoulement diphasique particulier à déterminer sont calculés lors de l'étape E2. L'étape E3 identifie alors le régime d'écoulement
particulier I en positionnant les paramètres caractéristiques du régime d'écoulement particulier délivrés à l'issue de l'étape E2 dans l'espace à trois dimensions construit à l'issue de l'étape El. L'étape E3 est mise en œuvre par un calculateur, par exemple un ordinateur. Avantageusement, l'étape El du procédé de l'invention peut être effectuée une seule fois et les données relatives à l'espace des régimes d'écoulement et aux différents domaines Dsr, Dsv, Db, Di sont enregistrées dans une mémoire, par exemple une mémoire d'ordinateur. Lorsqu'un procédé de détermination de régime d'écoulement particulier est mis en œuvre, il est alors fait appel, lors de l'étape E3, aux données ainsi enregistrées. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'étape E3 de positionnement du régime d'écoulement à déterminer est mise en œuvre par un algorithme neuronal qui peut être supervisé ou non. Les trois paramètres emoy p, f771oy p et RdB p sont alors fournis en entrée d'un réseau de perceptrons à deux couches. En sortie du réseau, la dernière couche de perceptrons active des indicateurs booléens qui correspondent à des indicateurs des différents régimes d'écoulement préalablement identifiés. Comme cela est connu de l'homme de l'art, un algorithme neuronal nécessite une phase d'apprentissage. Avantageusement, dans le cadre du procédé de l'invention, soixante-dix essais réels suffisent pour entraîner le réseau de perceptrons, en utilisant une procédure de rétro-propagation, avec une profondeur d'apprentissage maximale de 4000 epochs .
Le procédé de l'invention décrit ci-dessus repose sur l'exploitation d'informations locales et spectrales obtenues à l'aide de mesures issues d'une sonde conductimétrique . Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les mesures sont issues d'un détecteur de rayons X multi-pixels . Cet autre mode de réalisation est représenté en figure 10. Le dispositif de mesure comprend :
- une source 1 de rayonnement X qui génère en direction de la conduite un faisceau FX de rayons X collimaté sous forme d'une nappe en géométrie d'éventail, et
- un détecteur multi-pixels 2 placé, dans le champ du faisceau, de l'autre côté de la conduite. Le faisceau FX illumine une section transversale de l'écoulement et est atténué par ce dernier. Chacun des pixels du détecteur mesure alors, à chaque instant, l'atténuation subie par les rayons X, révélant ainsi les épaisseurs de fluide et de gaz traversées selon une direction azimutale dans la conduite. Le détecteur multi-pixels utilisé est, par exemple, un détecteur du commerce qui intègre, sur une durée choisie (par exemple quelques dixièmes de seconde) , le flux photonique reçu par chaque pixel, convertit l'information ainsi intégrée en un signal électrique et numérise ce signal électrique. Ce dispositif délivre en conséquence des signaux de mesure temporels locaux à partir desquels un régime d'écoulement diphasique peut être identifié selon une procédure identique à la procédure décrite précédemment .
Références
[1] Crivelaro K. C. O.,Seleghim Jr. P. & Hervieu E., 2002, "Détection of horizontal two-phase flow patterns through a neural network model", Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences ,
Vol. XXIV, N0I, pp.70-75.
[2] Mi Y., Ishii M. & Tsoukalas L. H., 1998, "Vertical two-phase flow identification using advanced instrumentation and neural networks", Nuclear Engineering and Design, vol. 184, pp. 409-420.
Claims
1. Procédé de caractérisation d'un régime d'écoulement de fluide diphasique qui s'écoule dans une conduite, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- Na mesures mD (j=l, 2, ..., Na) représentatives du régime d'écoulement diphasique qui s'écoule dans la conduite, les Na mesures étant distribuées selon une excursion totale ou partielle d'un périmètre de la conduite,
- Pour chaque mesure m-,, le calcul d'un signal numérique S3 (j=l, 2, ..., Na) constitué d'une pluralité d'échantillons temporels, - Pour chaque signal numérique S3, le calcul d'une densité spectrale de puissance DSP11 (f) du signal S3, f étant une variable de fréquence, et
- Le calcul d'une donnée de position moyenne emoy représentative du régime d'écoulement diphasique, d'une donnée de fréquence moyenne fmoy représentative du régime d'écoulement diphasique et d'une donnée d'étalement moyen en espace et en fréquence RdB représentative du régime d'écoulement diphasique, à l'aide des formules respectives suivantes :
J ' mmooyv 
RdB=20 log( fo / eo ) ,
avec
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les Na points de mesure sont distribués de façon sensiblement uniforme sur une excursion totale du périmètre de la conduite.
3. Procédé de détermination de régime d'écoulement de fluide diphasique, caractérisé en ce qu' il comprend : - une étape de caractérisation (El) du régime d'écoulement à déterminer pour former, conformément au procédé de l'une des revendications 1 ou 2, une donnée de position moyenne (emoy p) , une donnée de fréquence moyenne (fmo P' et une donnée d' étalement moyen en espace et en fréquence (RdBP) du régime d'écoulement à déterminer,
- une étape de caractérisation (E2), conformément au procédé de l'une des revendications 1 ou 2, de différents types de régime d'écoulement de fluide diphasique (stratifié lisse, stratifié à vague, stratifié rugueux et à bulles) pour construire un espace à trois dimensions (emoy, fmoy, Rdb) représentatif des différents types de régime d'écoulement de fluide diphasique, une première dimension (emoy) de l'espace à trois dimensions étant construite par un ensemble de données de position moyenne qui résultent de l'étape de caractérisation des différents types de régime d'écoulement, une deuxième dimension (fmoy) de l'espace à trois dimensions étant construite par un ensemble de données de fréquence moyenne qui résultent de l'étape de caractérisation des différents types de régime d'écoulement, la troisième dimension (Rdb) de l'espace à trois dimensions étant construite par un ensemble de données d'étalement moyen en espace et en fréquence qui résultent de l'étape de caractérisation des différents types de régime d'écoulement, et
- une étape de calcul (E3) qui positionne, dans l'espace à trois dimensions, la donnée de position moyenne (emoy p) t la donnée de fréquence moyenne (fmoy p) et la donnée d'étalement moyen en espace et en fréquence (RdBP) du régime d'écoulement à déterminer.
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape de calcul qui positionne, dans l'espace à trois dimensions, la donnée de position moyenne, la donnée de fréquence moyenne et la donnée d'étalement moyen en espace et en fréquence du régime d'écoulement à déterminer est mise en œuvre par un algorithme neuronal .
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la donnée de position moyenne, la donnée de fréquence moyenne et la donnée d'étalement moyen en espace et en fréquence sont fournis en entrée d'un réseau de perceptrons à plusieurs couches, une couche de perceptrons activant des indicateurs booléens en sortie du réseau, les indicateurs booléens correspondant à des indicateurs des domaines de régime d'écoulement de fluide diphasique.
6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel l'algorithme neuronal est supervisé.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les Na mesures sont délivrées par une sonde conductimétrique (Ml, M2 ) qui comprend un anneau segmenté (M2) constitué d'électrodes réparties sur la paroi intérieure de la conduite (C) .
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les Na mesures sont délivrées par un détecteur (2) qui détecte une atténuation d'un rayonnement provenant d'une source à rayons X qui traverse la conduite et l'écoulement.
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