工程科技低压下水平安装文丘里湿气测量特性实验研究

1、低压下水平安装文丘里湿低压下水平安装文丘里湿气测量特性实验研究气测量特性实验研究报告内容 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一、湿气测量的虚高理论及测量模型简介测量模型简介 湿气测量的虚高理论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 :.),(SFrPXfPPmmggtpgggglglglmmPPXggglgFrgDX为LM（LockhartMa

2、retinelli）参数1 气相弗劳得数 2 3 412ggTgPACm412tpgTgPACm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 gggmm 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 虚高模型简介虚高模型简介1.均相流模型（Homogenous）xxlgglg)1 (12.Murdock模型（1962年）Xg26. 117 8 3.修正Murdock模型（1998年）21XCXg4.Chisholm模型（1977年）Xg5 . 119 10 1.)()(1.)()(2/12/14/14/1XXCmg

3、gmlggl实际应用中C取值11 5.Smith & Leang 模型（1975）200183. 0421. 0637. 011xxBFg 6.林宗虎模型（1979年） Xvg12)(14166)(33.2204476. 2lglgv12 137.De Leeuw模型（1994年） 2)()(1XXnlgnglg5 . 1).1 (606. 05 . 15 . 0.41. 0746. 0gFrgFreFrng14 15 .Steven模型 （2002）gggDFrCXBFrAX11261.695(/)8.349(/) 0.223glglB22454.51(/)389.568(/) 18

4、.146glglA21722.917(/)272.92(/) 11.752glglC257.387(/)7.679(/) 0.195glglD 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26 MPa，LM参数（Lockhart-Martinell）为00.3；（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1.56 MPa, LM

5、参数为0.050.3，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 1.47.6 MPa，LM参数为00.25。 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二、低压下文丘里湿气测量

6、特性的实验研究实验研究 实验参数孔径比孔径比压力压力(MPa)FrgLM参数（参数（X）范围）范围0.4048(0.55, 0.7)0.15.0.00220.0338.0.00220.0472.0.00220.04950.20.0.00220.0572.0.00220.0431.0.00220.05140.25.0.00240.0480.0.00250.0525.0.00270.0576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 1.1lglgSxxmm 可见,低压下LM参数、气相弗劳德数、压力

7、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( )1ng p ig e iig 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

8、.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模型均方根误差均方根误差排序排序Homogenous0.110211Steven 0.147872Deleeuw0.148543Smith and Leng 0.188214Chisholm0.195975Murdock1.50.206586Lin0.207427Murdock0.210788 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

9、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

10、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

11、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 21XCXg 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.xxmmlg1Sxxlg

12、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 ( 145 权值矩阵权值矩阵) -0.4616-0.0698-0.6845-1.14220.5050.47620.07280.68641.0262-0.50760.548-0.0124-0.2766-0.76820.016-0.37223.335-14.5217-4.6175-1.69390.5952-0.0128-0.2828-0.62760.0159-18.243235.6086-25.2704-20.10662.49743.1767-0.10080.18661.0901-0

13、.0615.5793-0.18740.1708-3.73640.10754.20297.8482-5.3112-1.61940.0904-3.63770.0733-0.2641.88040.0425-0.72690.1233-0.0068-8.12340.18910.51060.0904-0.0954-0.680.64344.4463-0.26161.61780.56550.4288-0.37163.1937-14.09-4.0604-1.663模型的最终训练结果i ( 141 矩阵矩阵) Tj ( 114 矩阵矩阵)转置转置 ( 11 矩阵矩阵) 2.2187-3.602115.3793-2

14、.2353-3.59561.4293-4.615516.47034.34051.43134.508712.9241-0.0046-1.73160.0567-2.0387-0.0178-19.524-0.00382.9180.0853-0.172-0.041.9043-10.962-0.1976-3.252616.1247-4.3391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 0.156.0MPa，孔径比为 0.4048、0.55、0.6、0.7、0.75，气相弗劳德数为 0.5

15、 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0.156.0MPa，孔径比为0.40.75，气相弗

16、劳德数0.55.5，LM参数0.0020.3，质量含气率0.50.99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。结束结束欢迎各位老师和同学欢迎各位老师和同学给予指导给予指导 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

17、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。gggmm 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 孔径比对虚高影响P=0.25MPa 气液质量比对虚高的影响 1.1lglgSxxmm低压下的实验比较比较图形节选-孔径比0.55，压力0.15MPa低压下的比较结果模型模型均方根误差均方根误差排序排序Homogenous0.110211Steven 0.147872Deleeuw0.148543Smith and Leng 0.188214Chisholm0.195975Murdock1.50.206586Lin0.207427Murdock0.210788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 0.156.0MPa，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。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