气水两相流流量测量新方法研究

摘要

气液两相流广泛存在和应用于动力、石油、化工等工业领域，其流量的在线测量具有重要的科学和工程意义。由于气液两相流固有的复杂性，导致两相流参数检测的难度很大，其流量的测量一直是国内外未能得到很好解决的难题。本文以气水两相流为研究对象，以实现两相流流量的在线测量为最终目标，基于文丘里管和ERT电导传感器，结合最小二乘支持向量机(LS-SVM)方法，进行了两相流流型辨识、空隙率测量、质量含气率测量和流量测量方法的研究。
　　 本学位论文的主要工作和创新点如下：
　　 1.基于文丘里管流量计和16电极ERT电导传感器的组合，结合最小二乘支持向量机(LS-SVM)方法和气液两相流流量测量关系式，提出了一种气水两相流流量测量的新方法。实验结果表明该方法能够有效地实时在线测量气水两相流流量。
　　 2.基于16电极ERT电导传感器，利用最小二乘支持向量机(LS-SVM)分类方法，提出了一种气水两相流流型辨识新方法。该方法直接利用ERT电导传感器输出的两相流电导信号构建流型分类器进行流型的判别，省去了传统ERT流型辨识方法中的图像重建过程。实验结果表明，该流型辨识方法是有效的，对层状流、环状流、段塞流、泡状流四种典型流型的辨识准确率较高。
　　 3.基于16电极ERT电导传感器，利用最小二乘支持向量机(LS-SVM)回归方法，提出了一种气水两相流空隙率测量新方法。该方法针对水平管气水两相流的各种典型流型分别建立相应的空隙率测量模型，实际测量时根据流型辨识结果选择相应的空隙率测量模型，由两相流电导信号计算空隙率值。研究结果表明，该空隙率测量方法是有效的，由于回避了传统ERT空隙率测量中的图像重建而提高了测量速度，而且由于流型辨识的引入减小了流型对空隙率测量的影响，从而提高了测量精度。静态试验表明，该方法测量空隙率的最大绝对误差为6.0％。
　　 4.在借鉴已有的空隙率-质量含气率关系式的基础上，在实验工况下针对不同流型对空隙率-质量含气率关系式进行了优化改进，实际测量时根据流型辨识结果选择合适的关系式由空隙率测量值计算质量含气率，从而实现了质量含气率的测量，解决了节流式流量计测量气液两相流需要预知质量含气率的难题。而且由于引入了流型辨识，减小了流型对质量含气率测量的影响，实验结果表明层状流、环状流、段塞流和泡状流下质量含气率测量的均方根误差分别为0.219、0.177、0.097、0.150。
　　 5.对现有的节流元件测量气液两相流流量的关系式进行了实验对比研究，在实验工况下针对不同流型分别进行了参数优化，并进而根据各关系式测量性能的比较结果，得到了基于流型的气水两相流流量测量优化关系式。
　　 6.综合流型分类器、空隙率测量模型、空隙率.质量含气率关系式和流量测量关系式，对气水两相流流量进行了在线测量。首先根据ERT电导传感器测量得到的两相流电导信号，由流型分类器辨识当前流型；然后根据流型辨识结果选择合适的空隙率测量模型计算得到空隙率；再根据流型辨识结果选择相应的空隙率-质量含气率关系式，由空隙率测量值计算获得质量含气率；最后利用该流型下的流量测量优化关系式，由文丘里管的差压信号和质量含气率测量值计算获得两相流流量，从而实现了气水两相流流量的在线测量。实验结果表明，所提出的气水两相流流量测量新方法是有效的，在层状流、环状流、段塞流、泡状流四种典型流型下获得了较高的流量测量精度。