[工程科技]低壓下水平安裝文丘里濕氣測量特性實(shí)驗(yàn)研究.ppt

1、低壓下水平安裝文丘里濕氣測量特性實(shí)驗(yàn)研究,作者: 方立德 導(dǎo)師: 張 濤 教授,報(bào)告內(nèi)容 濕氣測量的虛高理論及測量模型簡介 低壓下文丘里濕氣測量特性的實(shí)驗(yàn)研究 低壓下文丘里濕氣測量模型的實(shí)驗(yàn)比較 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)文丘里濕氣測量模型,一、濕氣測量的虛高理論及 測量模型簡介 濕氣測量的虛高理論 文丘里流量計(jì)用于濕氣測量，由于氣相中夾帶液相使得流量計(jì)產(chǎn)生差壓值會(huì)比單純氣相時(shí)偏高，通常把這種現(xiàn)象稱為“虛高”（Over Reading）.,虛高定義式 :,X為LM（Lockhart Maretinelli）參數(shù),1,氣相弗勞得數(shù),2,3,氣相的虛高質(zhì)量流量,氣相真實(shí) 質(zhì)量流量 實(shí)際測量中 是未知量,4,5,氣相

2、真實(shí)質(zhì)量流量可通過虛高模型對(duì)虛高質(zhì)量流量修正得到 :,文丘里濕氣測量研究內(nèi)容之一就是對(duì)虛高模型的研究。,6,虛高模型簡介,1.均相流模型（Homogenous）,2.Murdock模型（1962年）,7,8,3.修正Murdock模型（1998年）,4.Chisholm模型（1977年）,9,10,實(shí)際應(yīng)用中C取值,11,5.Smith & Leang 模型（1975）,6.林宗虎模型（1979年）,12,13,7.De Leeuw模型（1994年）,14,15,.Steven模型 （2002）,16,此前已有多人在中高壓多相流實(shí)驗(yàn)裝置上，對(duì)水平安裝文丘里流量計(jì)濕氣測量的虛高特性進(jìn)行了研究，較

3、全面實(shí)驗(yàn)有R.N. Steven1999在英國國家工程實(shí)驗(yàn)室（NEL, National Engineering Laboratory）的試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)壓力26 MPa，LM參數(shù)（Lockhart-Martinell）為00.3；（1999-2002）NEL對(duì)幾種常規(guī)干式氣體流量計(jì)在濕氣條件下進(jìn)行了大量測試，其中包括文丘里，其測試壓力為1.56 MPa, LM參數(shù)為0.050.3，并在其研究報(bào)告中預(yù)言低LM參數(shù)下文丘里的虛高會(huì)趨于同一條曲線；此外，還有 Charles Britton(1997), Walt Seidl, Josh Kinney 和Thomas Kegel (2003)等人在美國科

4、羅拉多州工程實(shí)驗(yàn)中心（CEESI, Colorado Engineering Experiment Station, Inc.）的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)壓力在 1.47.6 MPa，LM參數(shù)為00.25。 而專門針對(duì)低壓下的實(shí)驗(yàn)還未見報(bào)道，因此我們?cè)诘蛪旱鸵合嗪氏聦?duì)文丘里濕氣測量的虛高特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與分析。,二、低壓下文丘里濕氣測量特性的實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)參數(shù),實(shí)驗(yàn)原理圖,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,氣相弗勞得數(shù)對(duì)虛高的影響 P=0.25MPa,壓力變化對(duì)虛高影響,孔徑比對(duì)虛高影響P=0.25MPa,氣液質(zhì)量比對(duì)虛高的影響,可見,低壓下LM參數(shù)、氣相弗勞德數(shù)、壓力和孔徑比對(duì)文丘里濕氣測量的虛高特性都有明顯影響。NEL在

5、高壓下的預(yù)言沒有得到證實(shí)，虛高隨LM參數(shù)的增大而增大，在相同的LM參數(shù)下,隨壓力的增大而減小，隨氣相弗勞得數(shù)的增大而增大，隨孔徑比的增大而減小.氣液質(zhì)量比包含了氣液密度比、滑差、截面含氣率等參數(shù)，也是虛高的主要影響因素.,三、低壓下文丘里濕氣測量模型的實(shí)驗(yàn)比較,R.N. Steven及NEL的工程師在中高壓下對(duì)前述模型的特性進(jìn)行了較全面的對(duì)比。 比較依據(jù)選擇均方根誤差。,Steven中高壓比較結(jié)果,低壓下的實(shí)驗(yàn)比較 比較圖形節(jié)選-孔徑比0.55，壓力0.15MPa,比較圖形節(jié)選-孔徑比0.55，壓力0.15MPa,比較圖形節(jié)選-孔徑比0.55，壓力0.25MPa,比較圖形節(jié)選-孔徑比0.55，

6、壓力0.25MPa,低壓下的比較結(jié)果,低壓下，各模型的預(yù)測誤差均較中高壓下大，原因是低壓下實(shí)際的虛高值脈動(dòng)較強(qiáng)烈，而常規(guī)的數(shù)學(xué)模型難以預(yù)測出這種脈動(dòng)，因此，高壓下得到的文丘里濕氣測量模型在低壓不能直接應(yīng)用，需要考慮相關(guān)因素進(jìn)行修正，或是結(jié)合低壓與高壓數(shù)據(jù)重新擬合公式。 均相流模型在低壓（1）和高壓（3）下都有很好的表現(xiàn)，說明原理最簡單的均相流模型在一定程度上反映了兩相流的實(shí)際流動(dòng)特性，因此，可以考慮以均相流模型為基礎(chǔ)，結(jié)合試驗(yàn)修正來擬和虛高模型，可能會(huì)收到很好的效果。,四、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)文丘里濕氣測量模型,盡管低壓下均相流模型, Steven模型，De leeuw模型表現(xiàn)較好,但其相對(duì)誤差絕對(duì)值仍在

7、10%以上。 并且NEL在中高壓下的大量實(shí)驗(yàn)也表明各模型都不同程度上存在局限。 主要是因?yàn)闅庖簝上嗔鲃?dòng)的機(jī)理還沒有完全被掌握，現(xiàn)有模型對(duì)兩相流動(dòng)的影響因素考慮不全面所致，都是建立在一定假設(shè)基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)公式。 而另一方面，油氣工業(yè)中又迫切需要較準(zhǔn)確的、適用范圍寬的濕氣測量模型，這與當(dāng)前理論研究的不足形成矛盾。 為了解決這一矛盾,我們認(rèn)為在加深理論研究的同時(shí),還要積極嘗試建立更準(zhǔn)確的測量模型以滿足工業(yè)需求. 這里我們嘗試采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來擬和新的測量模型。 因?yàn)?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正適用于多參數(shù)、難用理論模型準(zhǔn)確描述的函數(shù)關(guān)系的曲線擬和。,將兩相流模型理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)論同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相結(jié)合。 針對(duì)文丘里濕氣測量的

8、特點(diǎn)，建立三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層、隱層(中間層)、輸出層。,模型中， 輸入節(jié)點(diǎn)取5個(gè)， 中間層節(jié)點(diǎn)14個(gè)， 輸出層節(jié)點(diǎn)1個(gè)。,模型輸入?yún)?shù)選取 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型成功與否的關(guān)鍵是輸入?yún)?shù)的選取是否合理. 根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)研究成果，虛高的主要影響因素有LM參數(shù)、氣相弗勞德數(shù)Frg、壓力P和孔徑比 又根據(jù)氣液兩相流的動(dòng)量方程及分相流動(dòng)理論可推得,上式說明，虛高的主要影響因素是,LM參 數(shù), 氣液密度比(即壓力P), 滑差S(氣液真實(shí)速度之比)。,綜合考慮理論與實(shí)驗(yàn)的成果，確定模型的輸入?yún)?shù)應(yīng)為 LM參數(shù) 壓力 P 氣相弗勞得數(shù) Frg 孔徑比 滑差 S,滑差S難于獲得,必需選一個(gè)替代參數(shù) De Leeu

9、w 定義了氣相弗勞得數(shù),用它反映滑差, 但由其定義可知,該參數(shù)只反映了氣相表觀速度,沒有反映液相流速. 能反映滑差的應(yīng)是氣液質(zhì)量比.它反映了滑差,氣液密度比,截面含氣率等因素.,最終確定模型的輸入?yún)?shù)為 LM參數(shù) 壓力 P 氣相弗勞得數(shù) Frg 孔徑比 氣液質(zhì)量比 x/(1-x),模型的最終訓(xùn)練結(jié)果,模型的訓(xùn)練誤差在3%以內(nèi) -訓(xùn)練集數(shù)據(jù),模型的預(yù)測誤差5%以內(nèi)-測試集數(shù)據(jù),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與經(jīng)典模型的對(duì)比,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與第1部分中提到的8個(gè)經(jīng)典模型, 在 壓力為 0.156.0MPa， 孔徑比為 0.4048、0.55、0.6、0.7、0.75，氣相弗勞德數(shù)為 0.5 5.5， LM參數(shù)為 0

10、.001 0.3下進(jìn)行對(duì)比。 其中高壓數(shù)據(jù)來自NEL。,比較圖形節(jié)選-NEL,=0.4，P=3.0MPa各模型對(duì)比,比較圖形節(jié)選- NEL,=0.4，P=3.0MPa各模型誤差,比較圖形節(jié)選- =0.55，P=0.25MPa各模型對(duì)比,比較圖形節(jié)選- =0.55，P=0.25MPa各模型誤差,總結(jié) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于文丘里濕氣測量，只要選擇合適的輸入?yún)?shù)，就能得到較理想的結(jié)果。而且誤差水平較穩(wěn)定，均在5%以內(nèi)。在目前人們對(duì)氣液兩相流動(dòng)特性還沒有完全掌握的情況下，是一種有效的建模方法。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)文丘里濕氣測量模型適用范圍寬。在壓力為0.156.0MPa，孔徑比為0.40.75，氣相弗勞德數(shù)0.55.5，LM參數(shù)0.0020.3，質(zhì)量含氣率0.50.99范圍均能得到滿意的預(yù)測結(jié)果. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)功能，在新的測量環(huán)境下如果模型預(yù)測誤差較大，可通過學(xué)習(xí)以適應(yīng)新的環(huán)境，減小測量誤差。并且，隨著微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法已能夠在現(xiàn)場儀表中實(shí)現(xiàn) 。據(jù)報(bào)道，英國石油軟件公司（Petroleum Softwar