（控制科学与工程专业论文）基于盲分离技术的凝析天然气测量数据处理.pdf

m e a s u r e m e n td a t ap r o c e s s i n go ft h ew e tg a sf l o w b a s e do nb l i n ds o u r c es e p a r a t i o nt e c h n i q u e s a t h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：x up e n g x i a s u p e r v i s o r ：p r o f g e n gy a n f e n g c o l l e g eo fi n f o r m a t i o n & c o n t r o le n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 主全旦虱霞 日期：】。，年6 月8 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：i 全旦旦盛 指导教师签名： 日期：二o ，年6 月艿日 日期：彦矽年万月8日 摘要 凝析天然气是一种低含液率的气液两相流，其流量计量属于多相计量的一个分支， 是石油天然气工业迫切需要解决的问题之一。目前，结合新型的信号处理技术，基于差 压等常规测量信号通过软件的方法解决计量问题，是凝析天然气流量计量发展的一个重 要方向。 本文基于课题组自行开发的凝析天然气流量计样机和大量的实验数据，从信号分离 的角度对槽式孔板差压信号进行处理。通过采用盲分离范畴内的两种基本方法一时频 分析盲分离( t f b s s ) 和独立成分分析( i c a ) ，来提取与两相流参数相关的特征量， 而后进行必要的分析与处理，完整地实现气液两相流量计量。 论文主要分为三部分，第一部分阐述了基于时频分析盲分离方法的两相流量计量过 程；第二部分描述了基于独立成分分析的两相流量计量方法；第三部分对两种分离方法 的运用进行对比和分析，以总结出更好的处理方式。 课题组开发的凝析天然气流量计属于双差压组合测量方式，针对上、下游槽式孔板 差压信号d p i 、d p 2 ，利用时频分析盲分离方法和独立成分分析方法两种方式，均可分 离出表征液相作用的分量，同时得到分离分量方差与液相折算速度的定量关系，关系式 准确度较高。而后分别基于通过分离方法得到的液相流量，利用槽式孔板相关式计算得 到气相流量，其计量准确度也较理想。 结果表明，对于从气液两相流槽式孔板差压信号中提取单相信息，时频分析盲分离 和独立成分分析都是较有效的分离方法，同时为凝析天然气各相流量计量提供了一种新 的思路。 关键词：槽式孔板，凝析天然气计量，盲分离，独立成分分析，差压相关式 m e a s u r e m e n td a t ap r o c e s s i n go ft h ew e tg a sf l o w b a s e do nb l i n ds o u r c es e p a r a t i o nt e c h n i q u e s x up e n g x i a ( c o n t r o ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rg e n g y a n f e n g a b s t r a c t w e tg a sf l o wi sat y p i c a lt w o - p h a s ef l o ww i t hl o wl i q u i df r a c t i o n s w e tg a sm e t e r i n gi sa s u b s e to fm u l t i p h a s ef l o wm e t e r i n g ，a n di ti so n eo ft h em a j o ru n s o l v e dp r o b l e m sf o ro i la n d g a si n d u s t r y r e c e n t l y , m o r ea n dm o r es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nu s e di nt h e d a t ap r o c e s s i n go fw e tg a sf l o w , a n di ti sa ni m p o r t a n ti s s u ef o rw e t g a sf l o wm e t e r i n g b a s e do nas e l fd e v e l o p e dp r o t o t y p eo fw e tg a sm e t e ra n da ne x p e r i m e n t a ld a t a s e t ， d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e ( d p ) s i g n a l sf r o ms l o t t e do r i f i c e sh a v eb e e np r o c e s s e df r o mav i e wo f s i g n a ls e p a r a t i n g t w ob l i n ds o u r c es e p a r a t i o n ( b s s ) t e c h n i q u e s ，w h i c ha r eb s sb a s e do n t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s ( t f b s s ) a n di n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ( i c a ) ，h a v eb e e n u s e dt oe x t r a c tc h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yo fw e tg a sf l o w g a sa n dl i q u i df l o wa r ea c q u i r e da tl a s t t h i st h e s i sc o n s i s t so ft h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r tm a i n l yf o c u s e so nt h et w o p h a s ef l o w m e t e r i n gb a s e do nt f b s sm e t h o d ；t h es e c o n dp a r te l a b o r a t e st h em e t e r i n gp r o c e s sb a s e do n i c am e t h o d ；t h et h i r dp a r ti sac o m p a r i s o na n da na n a l y s i so ft h e s et w ow a y s ，a n da c o n c l u s i o ni sg i v e ni nt h ee n d b a s e do nd p s i g n a l sf r o mac o u p l eo fs l o t t e do r i f i c e s ，t f - b s s ( t i f r o ma l g o r i t h m ) a n d i c a ( f a s t i c aa l g o r i t h m ) a r eu s e dt os e p a r a t ed i f f e r e n te f f e c t s r e s p e c t i v e l y ag o o d r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el i q u i df l o wr a t ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yo ft h es e p a r a t e ds i g n a l i se s t a b l i s h e d ，a n dad i f f e r e n t i a lp r e s s u r ec o r r e l a t i o nf o rs l o t t e do r i f i c ei sa p p l i e dt oc a l c u l a t e t h eg a sf l o wr a t e t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r eg o o dw i t h9 0 r e l a t i v ee r r o r sl e s st h a n 士lo t h er e s u l t ss h o wt h a tb s si sa l le f f e c t i v em e t h o dt oe x t r a c tt h ee f f e c to ft h el i q u i df l o w f r o md p s i g n a l so fw e tg a sf l o w , a n dt h i sp r o v i d e sa n e wa p p r o a c ho fw e tg a sf l o wm e t e r i n g k e yw o r d s ：s l o t t e do r i f i c e ；w e tg a sf l o wm e t e r i n g ；b l i n ds o u r c es e p a r a t i o n ；i n d e p e n d e n t c o m p o n e n ta n a l y s i s ；d i f f e r e n t i a lp r e s s u r ec o r r e l a t i o n 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 气液两相流概述l 1 2 1 水平管内气液两相流流型一2 1 2 2 气液两相流流动参数3 1 3 凝析天然气计量研究现状5 1 4 盲分离概述7 1 5 本文的研究内容8 1 6 本章小结9 第2 章凝析天然气的实验研究一1 0 2 1实验装置1o 2 1 1槽式孔板l0 2 1 2 流量计样机1 1 2 1 3 实验环道1 2 2 2 实验数据13 2 3 本章小结1 4 第3 章基于时频分析盲分离方法的两相流量计量1 5 3 1基于时频分析盲分离的液相提取1 5 3 1 1 基于时频分析的盲分离方法的原理与应用1 5 ， 3 1 2 基于时频分析盲分离的仿真信号处理1 9 3 1 3 实际差压信号处理与结果分析2 9 3 2 基于相关式的气相流量计量3 5 3 2 1 槽式孔板相关式介绍3 5 3 2 2 基于相关式的气相流量计算3 6 3 3 本章小结4 0 第4 章基于独立成分分析( i c a ) 的两相流量计量4 l 4 1 基于独立成分分析的液相提取一4 1 4 1 1独立成分分析的原理与应用4 1 4 9 6 0 6 4 6 5 6 7 6 9 7 5 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 近三十年来，国内外油气田开发逐步从内陆转移到海洋、沙漠以及其它边远地区， 由大型集中分布的油气田转向小型边际以及卫星油气田。运用多相混输、多相计量技术 等将成为石油与天然气工业的发展趋势。 在工业多相流领域，凝析天然气属于一种特殊的气液两相流形态，一般是指体积含 气率在9 0 以上的气井产出物。近十多年来，随着石油天然气工业的发展，凝析天然气 计量引起了国内外研究者的广泛关注。纵观国内外计量现状，现有多相流量计不适于低 含液率的凝析气计量，而单相气体计量仪表又因为凝析气中夹带液相而产生测量误差。 目前，油气田工业中主要采用分离装置预先将气液分离而后进行单相计量，该方法生产 流程复杂、耗能耗时、成本较高。因而，开发高精度、低成本的凝析天然气在线计量技 术显得尤为重要。 国内外不少机构相继着手凝析天然气流量计的开发。其中，中国石油大学( 华东) 自动化系借鉴国外学者的设计思路，研制了一种新型的凝析天然气流量传感器槽式 孔板，设计完成了基于双槽式孔板的凝析天然气流量计样机，并且在校内及大港油田进 行了大量室内及现场实验，随后基于获取的实验数据进行了槽式孔板气液两相流流量特 性及压降倍率特性的研究并取得一定成果。 本文的研究目的是运用信号处理领域的盲分离方法，对课题组已有的凝析天然气测 量数据进行处理，从而提取单相流量等相关流动特性，为实现凝析天然气的准确计量及 参数检测提供思路与方法。 1 2 气液两相流概述 由任意两种存在分界面的独立物质组成的系统称为两相系统，其流动称为两相流。 也可定义为存在变动分界面的两种独立物质组成的物体的流动。两相流中，气体与液体 共同存在的两相流动即为气液两相流【2 j 。 气液两相流中，气相与液相的流速不同，在流动时两相介质的流动结构、分布状况 多种多样且带有一定随机性。两相间分界面也有多种形状，通常表面张力的作用有助于 产生弯曲的界面，导致呈球形，而在连续相中央带的不连续相愈大，则与球形相差愈远。 第1 章绪论 多变的相分界面正是其区别于单相流的主要特征之一。流速不同是另一个重要特征。综 上要准确并全面地描述气液两相流体的流动状况是有一定困难的，必须从气液两相流的 流动形式及一些重要流动参数入手t 2 。 1 2 1 水平管内气液两相流流型 气液两相流体在管道中流动时，因各相工质物性的不同，以及压力、各相流量、受 热状况和管道布置方式及几何形状的不同会形成各种流动形式，也就是两相界面分布状 况，称其为流型；由于不同的流型具有不同的传热特性和流体动力学特性，因而，在实 际的工业生产与设备运行中，对两相流流型的研究是十分必要的【3 1 。 由于实验主要涉及水平管道，这里主要介绍水平管中流型。气液两相在水平管中流 动时，重力影响使得气液两相有分开流动的倾向，较重的液相偏向于管子下部流动，这 一特点造成所有流型非轴对称。研究表明，气液两相流体在水平管中流动时流型可分为 以下6 种，情形如下图所示： 泡状流 塞状流 层状流 波状流 段塞流 环状流 图1 - 1 水平管内气液两相流的典型流型 f i g1 - 1 t y p i c a lf l o wr e g i m e so fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wi nt h eh o r i z o n t a lp i p e 在细泡状流型中，液相流量相对较高，气相非连续，以小气泡形式分布于连续液相 流中，并趋于管道上部流动，并且气泡的分布与流体流速相关，流速越低其分布越不均 匀；随着气相流量的增加，气泡量增加并在管道上部聚结成较长的气塞，形成塞状流型； 在气液流量都较小时会形成光滑分层流，是重力分离效应的极端情况，此时气相在上液 相在下，二者分丌流动且之间存在一平滑交界面；当光滑分层流状态下的气相流量增加 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 到一定程度时，气液相交界面上产生沿流动方向传播的扰动波，形成波状分层流；当气 相流量继续增大时，扰动波由于剧烈的波动接触到管道上部内壁形成气弹，大的气弹在 管道上部高速运动而下部是波状分层流的底层；当气相流量相当高时，气相在管道中心 流动而液相贴管道壁流动，中心气核会夹带液滴，同时由于重力影响周向液膜厚度不均 匀，管道底部的液膜比顶部厚，且粗糙壁面有可能造成液膜不连续。 气液两相流的流型也可以通过相应的流型图来确定。纯经验方法确定的曼德汉流型 t 图、应用半理论半经验方法确定各种流型的转换界限建立的泰特尔流型图，都可用于判 别水平管中气液两相流的流型。经验证两者基本一致，具有一定可靠性。 凝析天然气作为一种特殊的气液两相流流动形态，因其工作条件下体积含液率小于 1 0 ，其流型也只包括光滑分层流、波状分层流以及环状流三种。 1 2 2 气液两相流流动参数 由于两相流动的微观不稳定性，包括两相界面及各相流速在时间、空间分布上的随 机性，故气液两相流动过程中的流动特性是非常复杂的，因而较之单相流，气液两相流 的流动参数也相应增加了许多，下面仅介绍本文所涉及到的一些基本参数【3 1 ： 1 质量流量g 和体积流量q 质量流量g 为管道内单位时间内流过的流体质量，k g s ，包括气相质量流量g g 与液 相质量流量g ，并有 g = g g + g ， ( 1 1 ) 体积流量q 为管道内单位时间内流过的流体体积，m 3 s ，包括气相体积流量q g 与液 相体积流量9 ，并有 q = q g + q ， ( 1 2 ) 。2 质量含气率x 和质量含液率1 吖 质量含气耘为两相流整体中气相质量所占的比例，计算式为 x 专= 击 m 3 ， 质量含气率对单组分气液两相流而言也称为干度； 质量含液率l 吖为两相流整体中液相质量所占的比例，计算式为 h = 罟2 毒 m 4 ， ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) 道流通截面积 ( 1 - 7 ) = = 鲁= 品 ( 1 - 8 ) 式中，彳一管道流通截面积，r n 2 。 5 f r o u d e 数 气体f r o u d e 数是在建立相关式过程中被定义用来表达两相流中气相流量的大小，其 形式如式( 1 - 9 ) 所示，以同样形式定义液体f r o u d e 数，见式( 1 - 1 0 ) ： ( 1 9 ) 凡2 参厩2 南丘南 m ，。， 式中：y 厂折算气速，m s ；b 厂折算液速，m s ；彳一管道流通截面积，m 2 ；d 一管道 内径，m ；厂重力加速度。 6 l o c k h a r t m a r t i n e l l i 参数 l m 参数( x l m ) 是单相液体与单相气体流经节流件的压降比值的平方根，一定程 度上反映出气液相对流速。定义及计算式如下： = 蜃= 毒厝= 导厝 m 式中：肝单相液体流过节流件的压降，p a ；肾单相气体流过节流件的压降，p a ； 第1 章绪论 管 的形式；p e c o 公司的流量计，采用加长文丘里管。二者都是通过其特定的结构保 证管道截面的气液两相尽可能均匀地分布，并使液相速度与气相速度接近，基于此通过 测量流体的温度、压力和双差压信号等参数，结合多相流模型得到气相质量含率，进而 实现气液两相流量测量。 此外，不少研究机构采用多种常规传感器组合，基于信号处理技术对测量数据进行 分析，实现凝析天然气计量。如采用文丘里内锥与y 射线微波技术相结合( 其缺点是 放射性测量价格昂贵、工业过程中难以大规模推广使用) ，电容电感传感器( 包括电阻 电容层析成像系统) 与文丘罩管组合的方式，而后基于测量数据，运用各种信号处理 方法，更深入地分析两相流动。 以上对国内外凝析天然气流量计相关产品及技术路线进行了简单介绍，主要分为部 分分离型多相流量计和在线多相流量计。部分分离型流量计是先用小型分离器进行气液 分离，再利用单相仪表分别计量得到气液两相流量；在线多相流量计是通过对多相流参 数进行测量，结合多相计量模型得到各相流量。前者体积庞大，结构复杂，测量精度高； 后者体积小且结构简单，测量精度较前者低。 就目前看来，结合经典及新兴的信号处理技术，利用差压、电阻、电容等常规传感 器测量信号，通过软件的方法解决凝析天然气计量问题，是凝析气流量计量发展的一个 重要方向。理论分析与现场实验均表明，差压信号蕴涵着两相流流型、流速等参数变化 的重要信息。飞速发展的信号处理技术恰为差压信号的分析与处理提供了强有力的工 具。近年来，越来越多的研究工作倾向于将各种经典或新型的信号处理方法应用于两相 流测量信号中，并取得了一定进展，其技术路线主要集中于以下：将各种信号处理方法， 如主成分分析( p c a ) 、独立成分分析( i c a ) 、小波分析、h i l b e r t h u a n g 变换( h h t ) 、 分形理论、高阶谱分析等运用于两相流测量信号( 差压、电容层析成像信号、电阻层析 成像信号等) 中，研究信号的非线性、时频特性以及非高斯性，而后方向大致有两种： 一种是提取相关特征量而后结合神经网络、支持向量机或聚类分析等进行流型识别；另 一种是提取有关两相流的重要参数，如界面波动、单相流速、相含率等，建立动态模型， 从而实现两相流参数检测。具体如下： 丁浩等i l o 】将h i l b e r t h u a n g 变换( h h t ) 应用于水平管气液两相流差压波动信号中， 提取了反映流动状态和流型变迁的特征量；一种自适应小波网络被应用于v 锥差压信号 中并实现了质量流速的软测量i i i 】；y a n b i nx u 等1 1 2 】应用独立成分分析( i c a ) 对电阻层 析成像系统中的电阻信号进行处理，得到了流型以及两相界面波动的重要信息；杜运成 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 等【1 3 】基于电容层析成像系统，采用小波包能量信息熵直接提取不同流型的特征参数，进 而结合模糊c 均值聚类( f u z z yc m e a i l s ，f c m ) 算法实现流型识别；主成分分析( p c a ) 与支持向量机( s v m ) 方法应用于气液两相流电容信号并成功检测出四种流型( 1 4 】；张宏 建等【1 5 】基于文丘里管差压信号，建立了差压均方根与空隙率间的动态模型，为仅利用一 个文丘里管实现气液两相流流量计量提供一种思路；孙斌等l l6 】通过小波变换、 h i l b e r t - h u a n g 变换以及自适应最优核三种时频方法对气液两相流动态差压信号进行处 理，得到不同流型的动态特性，为流型智能识别和在线识别奠定了基础。 1 4 盲分离概述 盲分离( b l i n ds o u r c es e p a r a t i o n ，b s s ) 是信号处理领域的一个热点问题，其主要任 务是在源信号和传输通道的先验信息未知的情况下，仅根据源信号的统计特性由观测信 号恢复出源信号。“盲包含两层含义：源信号不可观测和混合方式未知。所谓“鸡尾 酒会 问题就是一个典型的例子，具体描述如下：将每个人的语音信号视为源信号，利 用不同位置的多个麦克风采集同时讲话的多个人的语音，得到多通道混合后的语音信 号，视为观测信号，而后仅利用观测信号恢复出每个人的语音，就是语音信号的盲分离。 盲分离问题早在上个世纪中期就已提出，但是长期未受到关注，直至1 9 9 1 年h 6 r a u l t 和j u t t e n 在一个神经生理学背景下提出了基于反馈神经网络的盲源分离方法。法国 c a r d o s o 1 7 l 于1 9 9 3 年提出了一类基于高阶统计量的联合对角化盲源分离方法( j a d e 算 法) ，并用于波束形成。1 9 9 4 年c o m o n 1 8 】明确了独立成分分析( i c a ) 的概念，指出它 是主分量分析( p c a ) 的扩展与延伸并作了严密的讨论，提出了基于最小互信息的i c a 方法。b e l l 和s e j n o w s k i 于1 9 9 5 年提出了基于信息极大原理的盲源分离方法，进一步发展 t i c a 方法。至w j l 9 9 7 年，h y v l i r i n e n 1 9 。2 3 】等人根据峭度的概念，提出了独立成分分析的快 速算法叫a s t l c a 算法，可算i c a 发展史上的一重要里程碑。随着盲分离问题的深入研 究，研究范围不断拓展，一些学者开始研究相关源信号的盲分离问题，提出了基于时频 分析的盲分离方法。近年来，状态空间法得到了逐步的发展，它从控制工程的角度重新 描述混合矩阵和解混矩阵，转换了盲分离分析的研究思路。 从不同角度看待盲分离问题可以有以下几种分类【2 4 】：( 1 ) 按源信号的混合过程有无 时间延迟，可以将盲分离分为瞬时混合和卷积混合模型；( 2 ) 按混合系统输入与输出间 的映射关系，可以将混合方式分为线性和非线性两种；( 3 ) 按源信号和混合信号数目的 差别，可以将盲分离分为欠定、适定和超定三类；( 4 ) 按源信号特性的不同，可以分为 7 第1 章绪论 平稳、非平稳、超高斯、亚高斯以及超高斯和亚高斯混合分离等等。 盲分离在生物医学工程、语音信号处理、通信系统、计量经济学以及地震信号检测 等诸多领域有着广泛而诱人的前景。鉴于盲分离问题的理论价值和应用前景，此问题的 研究受到越来越多学者的重视。 1 5 本文的研究内容 鉴于盲分离技术在各领域的广泛应用尤其对于信号分离的优良处理性能，本文基于 气液两相流槽式孔板差压信号，从信号分离的角度对差压信号进行处理。通过采用盲分 离范畴内的两种基本方法一时频分析盲分离( t f b s s ) 和独立成分分析( i c a ) ，来 提取与两相流参数相关的特征量，而后进行必要的分析与处理，完整地实现气液两相流 量计量。技术路线如下： 仿真信号处理 千 愕( t 撕f - b 酚s s ) 离h 差警h 裟盖h 鬻| 不 同比 分较 _ - 离与 1 粒( 鼢i c a ) 撕h 差警h 黛羞h 馏 _ 方结 法论 的 + 。 仿真信号处理 图l - 2 技术路线示意图 f i g1 - 2 t e c h n i c a lr o u t em a p 具体研究内容如下： 1 研究基于时频分析的盲分离( t f b s s ) 方法，根据原理编写t i f r o m 算法程序；运 用该算法对各类仿真信号进行处理，检验算法有效性并进一步确定算法的适用条件和参 数设置依据。 2 将t i f r o m 算法应用于气液两相流孔板差压信号d p i 、d p 2 中，得到分离分量，对其 进行进一步的分析与处理，提取特征量以建立与两相流流动参数间的定量关系，而后通 过后续处理，结合两相差压相关式方面的内容，完善气、液两相计量。 3 基于独立成分分析( i c a ) 方法，引入f a s t i c a 算法程序，运用该算法对各种仿真信 号进行处理，验证算法分离有效性并进一步确定该算法适用范围。 8 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 4 基于气液两相流差压信号d p i 、d p 2 ，应用f a s t i c a 算法进行分离，对分离分量作进 一步分析，提取与两相流流动参数有关的特征量，并通过结合两相流量相关式，最终完 整实现气液两相计量。 5 对不同分离方法的处理结果进行对比和总结，以找到其中更好的处理方法。 1 6 本章小结 本章首先给出课题的研究背景及意义，其次详细介绍了气液两相流的定义、基本流 型及流动参数，而后阐述了凝析天然气的计量研究现状，随后介绍了盲分离的含义、分 类以及发展与应用，最后阐述了本文的主要研究工作。 9 第2 章凝析天然气的实验研究 2 1实验装置 第2 章凝析天然气的实验研究 2 1 1槽式孔板 凝析天然气是一类特定形式的气液两相流，其特征是具有较低的液相含率。在水平 管中流动时其基本以分层流和环状流流型出现。研究表明：当气液两相流以环状流流经 孔板等标准节流元件时，由于两相流动的微观不稳定性( 时间、空间分布的随机性) 以 及相分离作用，气相自由通过，液相被阻滞、累积，然后喷发，产生明显的差压脉动及 附加阻力。故使用标准节流元件测量凝析天然气流量时，两相流动形式的特殊性以及节 流元件本身的结构使得测量精度受到一定影响。就各类标准节流元件而言，孔板最不适 于凝析天然气的差压测量，喷嘴其次，文丘里管相对最为合适1 2 5 1 。 基于此，现有的多相流量计主要是利用文丘里管作为一次传感元件，并且为提高精 度也作了多项改进。对比其他标准节流元件而言，虽然文丘里管压降低、附加阻力小， 流量系数对流型变化不敏感、通用性更强，但是其流量系数明显受到本身结构精密性的 影响，因而加工要求高且需避免磨损。 故研究一种新型的节流元件，使其结构更适用于凝析天然气测量，不失为一种更好 的思路与方法。槽式孔板的开发正是基于这样的研究现状，借鉴m o r r i s o n 2 6 - 2 8 1 在流量测 量中将其用作差压传感元件的设计思路，利用c f d 仿真研究其流场特征从而对其进行结 构优化，并结合数字信号处理技术、基于多相流动模型，最终研制生成一种新型的凝析 天然气流量传感器槽式孔板【2 9 1 ，结构见图2 1 。 图2 - 1 槽式孔板 f i g2 - 1 s l o t t e do r i f i c e 由图可见，槽式孔板的流通面是由若干圈径向分布的小孔构成，其工作原理与标准 孔板f 3 0 】相同，其流量方程参见下式： 1 0 中国石油大学( 华东) 硕 j 学位论文 g = ；每- 要( f l d ) r - - - - - - - - p 2 正啄 ( 2 1 ) l ，= = = 、，z ，pi z l ， l 一4 - r 。、。 p = 0 a 蚰l a g 一流体的质量流量，k g s ；c - 一流出系数；r 气体可膨胀性系数；d 一管道内径，m ； 9 一流体的密度，k g m 3 ；p _ 节流元件产生的差压，p a ；产节流元件孔径比；么幽广所 有槽式小孔的总面积，m 2 ；彳一管道流通截面积，m 2 。 理论研究与仿真实验表明：由于槽式孔板的槽孔均匀分布于整个管道截面，削弱了 相分离作用，使得液相成分能够更加顺畅地通过孔板，极大地减少了液相阻滞、累积、 与喷发现象，且流体速度分布更加均匀稳定。故与标准孔板的测量特性相比，气液相自 由通过使得槽式孔板所产生的差压脉动较小，速度的稳定性使得孔板下游流体压力恢复 较快，且由于其本身的结构具有调整流束的功能，使得实际应用时无需特别考虑孔板上 游流体漩涡和速度分布情况，并且重复性较好。总体而言，槽式孔板是一种高性能的凝 析天然气流量传感器。 2 1 2 流量计样机 基于双槽式孔板的凝析天然气流量计样机【3 l 】【3 2 】结构参见图2 2 。该流量计的节流元 件采用两块不同孔径比( 分别为o 7 5 和0 5 ) 的槽式孔板，以间距1 5 d ( d 为管道内径， 0 0 5 2 m ) 并排安置于管路中，分别连接差压变送器( r o s e m o u n t ，精度0 5 ) 获取 差压测量数据。上游孔板前端1 0 d 处安装压力变送器( i 的s e m o u n t ，精度0 5 ) 用来 获取流体压力数据( 用于流体流量测量条件下向标准状况的转换并进行实时监测管道压 力) ，下游孔板后端5 d 处安装温度变送器( 热电阻，精度0 5 ) 获取管路流体温度( 同 样用于流体流量测量条件下向标况的转换) 。 所有测量数据导入基于l a b v i e w 的数据采集系统采样并处理。实验中采用n i 公司数 据采集卡，采样频率设为1 0 0 0 h z 。用l a b v i e w 软件编写数据采集程序以支持数据采集 卡。为高速存储数据，将采集的数据以二进制格式保存，并用l a b v i e w 编写数据转换程 序，将二进制数据转化为文本文档以便后期处理。 第2 章凝析天然气的实验研究 图2 2 凝析天然气流量计结构示意图 f i g2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ew e t g a sm e t e r 2 1 3 实验环道 空气水气液两相流实验是在中国石油大学( 华东) 大型多相流实验环道上进行的。 实验环道主体由3 寸不锈钢钢管构成，总长度3 5 0 米，其中为尽可能减小弯管对气液相 流动的影响，弯管部分的曲率半径在1 0 0 d ( d 为管径) 以上。在构建循环流动系统( 包 括气液相供应装置、混合器、分离器、搜集器等) 的基础上，在环道上安装必要的测量 变送器以实时监测并调整实验参数。有关实验装置的详细信息可参考文献 3 3 - 3 5 1 。多相 流实验环道框图如下所示： 图2 - 3 多相流实验环道框图 f i g2 - 3 b l o c kd i a g r a mo f t h em u l t i p h a s et e s t i n gl o o p 实验工质为空气和水。气相工质由空气压缩机经缓冲罐稳定、调节阀调压、金属浮 子流量计( 精度1 5 ) 计量后进入气液混合器；液相工质由双螺杆泵增压后经调节阀 调压、科氏质量流量计( 精度o 5 ) 计量一同进入气液混合器。而后以混合相形式进 入实验环道，经流型发展段后进入实验段。实验段安装槽式孔板，并连接必要的测量变 送器测量孔板前端压力、两块孔板差压信号即上游孔板差压d p i 和下游孔板差压d p 2 以及流体温度。气液两相介质经过实验段后通过分离器分离，气相排入空气中，液相重 1 2 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 回环道循环使用。实验过程中同时对计量间内管路的压力、温度实时计量。 2 2 实验数据 本文是针对气液两相流双槽式孔板流量计样机的测量数据进行处理，实验中流型以 波状分层流和环状流为主，主要参数范围见表2 1 。 表2 - 1 气液两相流实验参数范围 t a b l e2 - 1 e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r so fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w p ( k p a )t ( )8 r a t i o 绕( m 3 h ) x 组一 4 0 0 - 4 2 05 1 7o 5 0l5 0 - - 7 0 0o 0 5 d 7 0 组二4 0 m 4 2 05 1 70 7 51 5 0 7 0 0o 0 5 旬7 0 通过以下实验过程获取测量数据：维持孔板前端压力不变，首先在一固定气相流量 下，按照流量递增的顺序调整液相流量，得到若干组测量数据；而后增大气相流量为另 一固定值，对液相按之前方式调节。如此循环操作，一共得到所设计的8 4 组不同气液流 量的工况点数据，具体流动参数变化情况如下图所示： 0 5 0 1 星0 9 5 d 0 9 01 0 2 0 3 0 4 0 5 06 07 08 09 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0 01 0 2 0 3 04 05 0 6 07 08 09 0 d a t ap o i n t s 图2 _ 4 实验工况参数的变化 f i g2 - 4 v a r i a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s 如前所述，实验中设定的差压信号采集频率为1 0 0 0 h z ，通过对测量信号进行频谱分 析，发现气液两相流差压信号的频率一般在5 0 h z 以下，所以本文对原始数据每l o 个采样 点取平均，得到了1 0 0 h z 的实验数据作为本文后续处理的原始数据。 1 3 咖 湖 。 釉 o ， 1 5 c6iv西oc6yvo 第2 章凝析天然气的实验研究 2 3 本章小结 本章主要介绍了气液两相流实验的基本情况，包括槽式孔板的结构与工作原理、流 量计样机的结构、多相流实验环道上的实验流程以及实验参数、实验数据等内容。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章基于时频分析盲分离方法的两相流量计量 基于时频分析的盲分离方法( t f b s s ) ，是盲分离( b l i n ds o u r c es e p a r a t i o n ，b s s ) 问题解决方法的其中一种。其基本思路是根据源信号以及混合信号的时频特性，来寻 找有效的信号分离办法。目前，时频分析盲分离主要有以下三类：一是来源于经典b s s ， 包含联合对角化以及在其基础上的修e t 3 6 - 3 8 ；二是基于不同混合信号时频变换值之比 衍生出的方法，包括d u e t l 3 9 - 4 3 1 方法和t i f r o m l 4 4 - 4 7 1 方法，其e ? d u e t 要求源信号在所 有的时频域内无交迭，而t i f r o m 对源信号的要求则相对宽泛很多；三是基于时频变 换值的相关性、一致性及其他参数的盲分离【4 8 巧1 1 。在这些方法中，t i f r o m 是一种典 型的时频分析盲分离方法，它是利用时频信息从多个源信号的线性瞬时混合信号中去 掉其中一个源信号的作用。此方法只要求所考虑的各源信号在时频分布中有所不同， 即在一个小的时频区间里只存在一个源信号的作用。在此基础上通过利用混合信号的 时频比可以自动寻找只有一个源存在的时频区间并且确定源信号在混合信号中所占比 例。与经典的i c a 方法不同，该方法是为了解决相关源的分离问题而产生的，对源信 号的平稳性、独立性以及非高斯性都没有限制，可以实现部分的或者完全的盲分离， 尤其对于欠定系统( 混合信号数目小于源信号数目) 也同样适用。 本章系统介绍了t i f r o m 方法的基本原理与算法实现，并在此基础上编写算法程 序；而后应用该算法对仿真信号进行分离，得到较好的分离效果并得到算法参数的设 置依据；然后研究了t i f r o m 算法对两相流差压信号的处理，得到分离信号特征量与 两相流中液相流量的对应关系；最后对槽式孔板相关式作基本介绍，并应用相关式计 算得到气相流量，从而实现两相流量计量。 3 1基于时频分析盲分离的液相提取 3 1 1基于时频分析的盲分离方法的原理与应用 一种基于时频分析的盲分离方法t i f r o m 【4 刀算法基本原理如下： 1 基本形式： 考虑线性瞬时混合模型： 球x 2 ( d t ) 珊a 2s i 翟t ) + a 2 嚣 ( 3 1 ) = l ( 2 s 2 ( ，) 、7 1 5 第3 章基时频分析盲分离方法的两相流量计量 其中s 表征源信号，x 表征混合信号，系数是非零实数。基于源信号可表示为混合 信号的一种线性组合： y ( ，) = 玉( f ) 一( ，) ( 3 - 2 ) 结合上述两式可得： 焉o ) 2 五( 7 ) 一q x 2 ( 7 ) ( 3 - 3 ) s 2 ( t ) = 而( f ) 一岛屯( f ) q = q 2 口2 2 ，c 2 = a l l 口2 1 理论上得到分离系数c 并得到源信号( 虽然与真实源信号存在一定的比例关系，但这 种差别对于盲分离问题是可以忽略的) 。 实际处理中做如下考虑：如果存在这样的时域区间，在这个区间内只存在一个源 信号的作用，那么我们便可以得到分离系数c 从而实现分离。例如，在厶时刻只存在源 信号s ，的作用，即墨( 乙) 0 ，s 2 也) = 0 ，则结合式( 3 一1 ) 可得 毛曼璺s t ( ，t 。：( 3 - 4 ) 而也) = 0 2 1 墨( 乙) 作比可直接得到c 2 ，从而得到s ：；对s l 同理。而实际情况中，由于源信号的瞬时性很 强f 。很难确定，且即使存在这样的时亥l j t ，也会由于持续时间很短很难被检测到。也 就是说这种方法对数据稀疏性要求较高，因此通常运用时频分析对原始数据进行预先 处理。