低压下水平安装文丘里湿气测量特性实验研究.ppt

低压下水平安装文丘里 湿气测量特性实验研究 作者 : 方立德 导师 : 张 涛 教授 报告内容 湿气测量的虚高理论及测量模型简介 低压下文丘里湿气测量特性的实验研究 低压下文丘里湿气测量模型的实验比较 神经网络文丘里湿气测量模型 一、湿气测量的虚高理论及 测量模型简介 湿气测量的虚高理论 文丘里流量计用于湿气测量，由于气相中夹 带液相使得流量计产生差压值会比单纯气 相时偏高，通常把这种现象称为“虚高” （ Over Reading） . 虚高定义式 : .),( SFrPXf P P m m g g tp g g g g l g l g l m m P P X gg g lg Fr gD X为 LM（ Lockhart Maretinelli）参数 1 气相弗劳得数 2 3 4 1 2 ggT g PAC m 4 1 2 tpgT g PAC m 气相的虚高 质量流量 气相真实 质量流量 实际测量中 是未知量 4 5 g g g m m 气相真实质量流量 可通过 虚高模型 对 虚高质量 流量 修正得到 : 文丘里湿气测量研究内容之一就是对虚高模型 的研究。 6 虚高模型简介 1.均相流模型（ Homogenous） x x l g g l g )1( 1 2.Murdock模型（ 1962年） Xg 26.11 7 8 3.修正 Murdock模型（ 1998年） 21 XCX g 4.Chisholm模型（ 1977年） Xg 5.11 9 10 1.)()( 1.)()( 2/12/1 4/14/1 X X C m g g m l g g l 实际应用中 C取值 11 5.Smith & Leang 模型（ 1975） 2 0 0 1 8 3.0 4 2 1.06 3 7.0 11 x x BF g 6.林宗虎模型（ 1979年） Xvg 1 2)(1 4 1 6 6)(33.2204 4 7 6.2 l g l g v 12 13 7.De Leeuw模型（ 1994年） 2)()(1 XXn l gn g l g 5.1) . . . . .1(6 0 6.0 5.15.0. . . . . . . . . . . . . . . . . .41.0 7 4 6.0 g Fr g Fre Fr n g 14 15 .Steven模型 （ 2002） g g g D F rCX B F rAX 1 1 26 1 . 6 9 5 ( / ) 8 . 3 4 9 ( / ) 0 . 2 2 3 g l g lB 22 4 5 4 . 5 1 ( / ) 3 8 9 . 5 6 8 ( / ) 1 8 . 1 4 6 g l g lA 21 7 2 2 . 9 1 7 ( / ) 2 7 2 . 9 2 ( / ) 1 1 . 7 5 2 g l g lC 25 7 . 3 8 7 ( / ) 7 . 6 7 9 ( / ) 0 . 1 9 5 g l g lD 16 此前已有多人在中高压多相流实验装置上，对水平安 装文丘里流量计湿气测量的虚高特性进行了研究，较全面 实验有 R.N. Steven1999在英国国家工程实验室（ NEL, National Engineering Laboratory）的试验，实验压力 2 6 MPa， LM参数（ Lockhart-Martinell）为 0 0.3； （ 1999-2002） NEL对几种常规干式气体流量计在湿气条 件下进行了大量测试，其中包括文丘里，其测试压力为 1.5 6 MPa, LM参数为 0.05 0.3，并在其研究报告中预言 低 LM参数下文丘里的虚高会趋于同一条曲线 ；此外，还有 Charles Britton(1997), Walt Seidl, Josh Kinney 和 Thomas Kegel (2003)等人在美国科罗拉多州工程实验中 心（ CEESI, Colorado Engineering Experiment Station, Inc.）的实验，其实验压力在 1.4 7.6 MPa， LM参数为 0 0.25。 而 专门 针对 低压 下的实验还 未见报道 ，因此我们在低 压低液相含率下对文丘里湿气测量的虚高特性进行了实验 研究与分析。 二、低压下文丘里湿气测量特性的 实验研究 实验参数 孔径比 压力 (MPa) Frg LM参数（ X）范围 0.4048 (0.55, 0.7) 0.15 . 0.0022 0.0338 . 0.0022 0.0472 . 0.0022 0.0495 0.20 . 0.0022 0.0572 . 0.0022 0.0431 . 0.0022 0.0514 0.25 . 0.0024 0.0480 . 0.0025 0.0525 . 0.0027 0.0576 实验原理图 实验结果 气相弗劳得数对虚高的影响 P=0.25MPa 压力变化对虚高影响 孔径比对虚高影响 P=0.25MPa 气液质量比对虚高的影响 1.1 l g l g S x x m m 可见 ,低压下 LM参数、气相弗劳德数、压力 和孔径比对文丘里湿气测量的虚高特性都 有明显影响。 NEL在高压下的预言没有得 到证实，虚高随 LM参数的增大而增大，在 相同的 LM参数下 ,随压力的增大而减小，随 气相弗劳得数的增大而增大，随孔径比的 增大而减小 .气液质量比包含了气液密度比、 滑差、截面含气率等参数，也是虚高的主 要影响因素 . 三、低压下文丘里湿气测量模型的 实验比较 R.N. Steven及 NEL的工程师在 中高压 下对前述模 型的特性进行了较全面的对比。 比较依据选择均方根误差。 2 ( ) ( ) 1 () 1 n g p i g e i i g e in Steven中高压 比较结果 低压下的实验比较 比较图形节选 -孔径比 0.55，压力 0.15MPa 比较图形节选 -孔径比 0.55，压力 0.15MPa 比较图形节选 -孔径比 0.55，压力 0.25MPa 比较图形节选 -孔径比 0.55，压力 0.25MPa 低压下的比较结果 模型 均方根误差 排序 Homogenous 0.11021 1 Steven 0.14787 2 Deleeuw 0.14854 3 Smith and Leng 0.18821 4 Chisholm 0.19597 5 Murdock1.5 0.20658 6 Lin 0.20742 7 Murdock 0.21078 8 低压下 ，各模型的预测误差均较中高压下大， 原因是低压下实际的虚高值脉动较强烈，而常规的 数学模型难以预测出这种脉动，因此，高压下得到 的文丘里湿气测量模型在低压不能直接应用，需要 考虑相关因素进行修正，或是结合低压与高压数据 重新拟合公式。 均相流模型在低压（ 1）和高压（ 3）下都有很 好的表现，说明原理最简单的均相流模型在一定程 度上反映了两相流的实际流动特性，因此，可以考 虑以均相流模型为基础，结合试验修正来拟和虚高 模型，可能会收到很好的效果。 四、神经网络文丘里湿气测量模型 尽管低压下均相流模型 , Steven模型， De leeuw模 型表现较好 ,但其相对误差绝对值仍在 10%以上。 并且 NEL在中高压下的大量实验也表明各模型都不 同程度上存在局限。 主要是因为气液两相流动的机理还没有完全被掌握， 现有模型对两相流动的影响因素考虑不全面所致，都是 建立在一定假设基础上的半经验公式。 而另一方面，油气工业中又迫切需要较准确的、适 用范围宽的湿气测量模型，这与当前理论研究的不足形 成 矛盾 。 为了解决这一矛盾 ,我们认为在加深理论研究的同时 , 还要积极尝试建立更准确的测量模型以满足工业需求 . 这里我们尝试采用神经网络来拟和新的测量模型。 因为 ,神经网络正适用于多参数、难用理论模型准确 描述的函数关系的曲线拟和。 将两相流 模型理论 及 实验结论 同 神经网络方法 相结合。 针对文丘里湿气测量的特点，建立三层 BP神 经网络，输入层、隐层 (中间层 )、输出层。 i 模型中， 输入节点取 5个， 中间层节点 14个， 输出层节点 1个。 模型输入参数选取 神经网络模型成功与否的关键是输入参数的选取是否合 理 . 根据已有的 实验 研究成果，虚高的主要影响因素有 LM参 数、气相弗劳德数 Frg、压力 P和孔径比 又 根据气液两相流的动量方程及分相流动 理论 可推得 21 XCX g 上式说明，虚高的主要影响因素是 ,LM参 数 , 气液 密度比 (即压力 P), 滑差 S(气液真实速度之比 )。 综合考虑理论与实验的成果，确定模型的 输入参数应为 LM参数 压力 P 气相弗劳得数 Frg 孔径比 滑差 S 滑差 S难于获得 ,必需选一个替代参数 De Leeuw 定义了气相弗劳得数 ,用它反映滑差 , 但由其定义可知 ,该参数只反映了气相表观速度 ,没 有反映液相流速 . 能反映滑差的应是 气液质量比 .它反映了滑差 ,气 液密度比 ,截面含气率等因素 . x x m m l g 1 S x x l g 11 最终确定模型的输入参数为 LM参数 压力 P 气相弗劳得数 Frg 孔径比 气液质量比 x/(1-x) Wij ( 14 5 权值矩阵 ) -0.4616 -0.0698 -0.6845 -1.1422 0.505 0.4762 0.0728 0.6864 1.0262 -0.5076 0.548 -0.0124 -0.2766 -0.7682 0.016 -0.3722 3.335 -14.5217 -4.6175 -1.6939 0.5952 -0.0128 -0.2828 -0.6276 0.0159 -18.2432 35.6086 -25.2704 -20.1066 2.4974 3.1767 -0.1008 0.1866 1.0901 -0.061 5.5793 -0.1874 0.1708 -3.7364 0.1075 4.2029 7.8482 -5.3112 -1.6194 0.0904 -3.6377 0.0733 -0.264 1.8804 0.0425 -0.7269 0.1233 -0.0068 -8.1234 0.1891 0.5106 0.0904 -0.0954 -0.68 0.6434 4.4463 -0.2616 1.6178 0.5655 0.4288 -0.3716 3.1937 -14.09 -4.0604 -1.663 模型的最终训练结果 i ( 14 1 矩阵 ) Tj ( 1 14 矩阵 )转置 ( 1 1 矩阵 ) 2.2187 -3.6021 15.3793 -2.2353 -3.5956 1.4293 -4.6155 16.4703 4.3405 1.4313 4.5087 12.9241 -0.0046 -1.7316 0.0567 -2.0387 -0.0178 -19.524 -0.0038 2.918 0.0853 -0.172 -0.04 1.9043 -10.962 -0.1976 -3.2526 16.1247 -4.3391 模型的训练误差在 3%以内 -训练集数据 模型的预测误差 5%以内 -测试集数据 神经网络模型与经典模型的对比 将神经网络模型与第 1部分中提到的 8个经典 模型 , 在 压力 为 0.15 6.0MPa， 孔径比为 0.4048、 0.55、 0.6、 0.7、 0.75， 气相弗劳德数为 0.5 5.5， LM参数为 0.001 0.3下进行对比。 其中高压数据来自 NEL。 比较图形节选 -NEL,=0.4， P=3.0MPa各模型对比 比较图形节选 - NEL,=0.4， P=3.0MPa各模型误差 比较图形节选 - =0.55， P=0.25MPa各模型对比 比较图形节选 - =0.55， P=0.25MPa各模型误差 总结 神经网络用于文丘里湿气测量，只要选择合适的输入参数， 就能得到较理想的结果。而且误差水平较稳定，均在 5%以内。 在目前人们对气液两相流动特性还没有完全掌握的情况下，是 一种有效的建模方法。 神经网络文丘里湿气测量模型适用范围宽。在压力为 0.15 6.0MPa，孔径比为 0.4 0.75，气相弗劳德数 0.5 5.5， LM 参数 0.002 0.3，质量含气率 0.5 0.99范围均能得到满意的 预测结果 . 神经网络具有学习功能，在新的测量环境下如果模型预测误 差较大，可通过学习以适应新的环境，减小测量误差。并且， 随着微计算机技术的发展，神经网络算法已能够在现场仪表中 实现 。据报道，英国石油软件公司（ Petroleum Software Limited） 推出的 ESMER智能化多相流量计 就采用了神经网 络建模方法。 结束 欢迎各位老师和同学 给予指导 倒 U型管确定质量含气率 x研究 差压脉动信号分析与处理 由于多相流的流动特性，各参数均是脉动 的，差压脉动包含了丰富的多相流动信息， 如何从脉动信号中提取这些有用信息有待 进一步研究。 倒 U型管测量模型建立，验证与修正。