多相流检测技术.ppt

多相流检测技术 1 基本概念 相 通常指具有相同成分及相同物理 化学性 质的均匀物质成分 单相流 单相物质的流动 两相流 多相流 同时存在两种或多种不同相的 物质流动 2 多相流动的特点 多相流动其流动特性远比单相流动特性复杂 多相流相间存在着界面效应和相对速度 多相流动过程是一个复杂多变量的动态过程 其内部机理目前掌握还不够充分 3 应用领域 石油工业 能源工业 制药工业日用化工 化学工业中的流态化系统 微系统或微反应器多相流 工业萃取和色谱分离过程液夜两相流 具有中国特色的石油多相流 4 参数 流型 flowpattern flowregime 又称流态 即流体流动的形式或结构 分相含率 voidage voidfraction 有截面含 率 容积含率 质量含率之分 流量 flowrate 容积流量和质量流量 分相容积 流量和分相质量流量 速度 velocity 多相流动中存在相对速度 除混 合流体的平均速度描述外 还需分相流速描述 压力降 pressuredrop 混合物的多相流压力降 与各分相压力降间己建立了很多可供工程应用的理论的 实验的和半经验的关联式 密度 density 混合物的平均密度可以由各相密 度和分相含率计算求得 5 分类 气液两相流 气体和液体物质混在一起共同流动 气固两相流 气体和固体颗粒混合在一起共同流动 液固两相流 液体和固体颗粒混合在一起共同流动 液液两相流 两种互不相溶的液体混合在一起的流 动 气液液和气液固多相流 如石油和能源动力工程中 的油 气 水 油 水 砂和油 气 砂等三相流以及油 气 水 砂四相流等均是多相流的典型例子 6 水平管中的气液两相流典型流型 7 流 动 方 向 气泡流 弹状流乳沫状流环状流液丝环状流 垂直上升管中的气液两相流典型流型 8 流态化系统典型流型 9 水平管气固两相流的流型 10 水平管液固两相流流型 悬浮流 固体颗粒完全悬浮于液体中 此时固体颗粒不与管壁接触 管底流 固体颗粒在液体中的分布不均称 管道上部呈悬浮状流动 管道下半部具有更多的大颗粒 底部的颗粒与管壁发生冲击并回弹于液流中 动床流 固体颗粒堆积于管底形成连续的移动床层 淤积流 管道的底部存在固定的固体颗粒床层 11 多相流参数检测难点 多相流动的流动特性远比单相流动复杂 多相流相间存在着界面效应和相对速度 多相流动过程是一个复杂多变量的非线性动态 过程 其机理性研究目前还不够充分 12 现有的多相流参数检测技术 采用传统的单相流仪表和多相流测量模型组 合的测量方法 应用近代新技术 如辐射线 激光 光纤 核磁共振 超声波 微波 光谱 新型示踪 相关测量和过程层析成像等技术 成熟的硬件基础上 以计算机为平台 基于 软测量技术的测量方法 先进信号处理和智能方法的应用 13 多相流检测技术的现状 商品化的工业仪表或通用性测量方法还相当有 限 过程工业迫切需要解决而又长期未得以很好解 决 14 最新进展 coriolis质量流量计是近期的一个亮点 目前已 成为解决液夜 液固等两相流体测量问题的有效手段 但成本高 过程层析成像技术是目前研究探索的热点之一 单相流测量仪表在多相流中应用研究仍是多相流 检测技术的研究重点 基于自动控制的特种检测和监测装置大有可为 现代信息处理方法为故障诊断和状态检测提供很 好的解决途径 15 两相流的分析方法 扩散模型法 假定相互扩散作用是连续进行的 基本论点是 两相流混合物中每一点都同时由两相占据 混合物的热力学和传递特性取决于每一相的特性和浓 度 各相以自己的质量速度中心移动 相间相互扩散作用 反映在模型中 16 有限容积法 假定过程处于平衡状态 可用平衡方程式进行描 述 基本方法是 对一个有限容积写出质量 动量和能量平衡方程式 平衡方程式可按整个混合物或者按单独相列写 流动考虑成一维 17 平均法 假定过程处于平衡状态 以平均的平衡方程进行 描述 基本上是低通滤波的方法 18 两相流模型 均相流模型 homogeneousflowmodel 考虑两相是作为一个整体的均匀混合物 相间没有相对速度 适用于两相间存在强耦合的场合 例如微小气泡均匀混合在液体中的气泡流和两相流速高的雾状流 19 分相流模型 separatedflowmodel 考虑两相是完全分离的两种流体 两相间存在不同的速度和特性 适用于相间存在微弱耦合的场合 例如气液两相流中的分层流和环状流 20 漂移通量模型 drift fluxmodel 基本上是分相流模型 其重点是研究相间的相对运动 漂移通量与相间相对速度有关 适用于弹状流等 21 modelsbasedon 基于流型的模型 flowpattern 对于各类两相流中的各种流型 都建立了一些半经验公式 可供工程应用 22 流型 流型状态图 理论判据 检测方法 23 流型的理论预测 流型状态图 把流型变换的实验数据加以总结归纳后 按照 两个或多个主要的参数绘成曲线 这些曲线在坐标图中的分布则称为流型图 流型图确定了流型的分界 因此 在两相流量 物性 密度 粘度 表面张力等 流道几何形状 尺寸以及热负荷确定的条件下 根据流型图可以判断管道内的流型 24 25 26 流型转变的模型判据 分层流向波状流转变的判据 在分层流中 当气相速度增加到足够大又不太大时 分层流转变为波状流 气相速度增加过大时 将转变为间歇流或环状流 分层流中气液两相之间的表面张力对流型的形成与变 化起着重要的作用 必须在流型的判据中加以体现 27 波状流向间歇流转变的判据 在分层流中 若气液两相流界面上存在一个峰值较小 的液面波动 则在波峰的上方 因气相的流通截面积减小 流速增大 根据伯努利原理 气压下降 从而使液面波动加剧 直到作用在波面上的各个作用力互相平衡为止 当波面高达管道顶部时 便形成了弹状气泡 28 间歇流向环状流转变的判据 间歇流向环状流变化是由于气相速度增加 周期性的 气弹把液相全甩到管道内壁上而引起 间歇流向气泡流转变的判据 受浮力和湍流振荡的影响 当湍流振荡的作用力 湍 动力 大于气体的浮力时 将使流型向气泡流转变 29 直接测量方法 目测 目测法是通过透明管段或管段上的透明窗口 直接用 眼睛观察管内的两相流的流动状态 这是一种最简单 最经济的办法 采用这种方法的条件是在管道上必须装有透明管段或透明窗口 因此 一般只用于低压流体的测量 如果流体压力较高 则透明窗口可采用蓝宝石和石英玻璃等特殊材料 对于短期承受高压的透明窗口 可采用硼化玻璃 另外 由于是用眼睛直接观察 因此目测法一般只适用于流体流速较低的场合 30 高速摄影法 高速摄影法是利用高速照相机或摄像机 通过透明管 段或透明窗口拍摄流体的流动状态 照相机或摄像机的位置可以与管道垂直 也可以是轴向 拍摄方法可以是直接拍摄 也可以是逆光拍摄 平行光技术 高速摄影法的一个主要缺陷是 由于多相流具有复杂 的相界面 易产生多重的反射或折射而影响成像的清晰度 这一问题在观察管中心处的流动状态时尤为严重 高速摄影法的另一缺陷是 由于采用高速摄像 采集的数据信息太多 甚至对结果难以分析或处理 同时在判断流型时 也具有较大的主观性 31 射线法 32 电导探针法 33 光导探头 34 流型的间接测量法 流型的直接测量 其结果的描述都带有主观性 因此产生了流型的间接测量方法 流型间接测量方法是通过对反映两相流波动特性的参数的统计分析来获取流动状况的基本特征 从而确定流型 软测量技术 35 空隙率 质量流量含气率 容积流量含气率 截面含气率 又称空隙率 36 两相流滑动比 37 通过实验回归或理论推导的方法得出空隙率的 计算式 该计算式往往是两相介质物性参数及压力等参数的函数 通过空隙率的测量装置测出空隙率的大小 38 直接测量方法 在气液两相流试验段的二端安装二个同时动作的快关阀 当两相混合物的流动达到稳定时 同时关闭这二个阀门 通过气液分离便可求出二阀门间的体积平均空隙率 这种方法准确 有效 目前主要用于实验室的两相流研究以及对空隙率测量装置的标定 39 射线吸收法 射线散射法 40 电学法 阻抗法 电阻探针法 41 光学法 热学法 微波法 核磁共振法 42 流量 传统单相流方法的延伸 传统方法的组合 分离法 软测量方法 43 传统单相流方法的延伸 应用孔板测量气液两相流量 湿蒸汽 两相流量公式murdockj w 两相流量公式jamesr 两相流量公式chisholmd 两相流量公式林宗虎公式 44 应用长喉颈文丘利管测量气固两相流量 应用长喉颈文丘利管进行直管段和扩大管段两处差压 的双参数测量 可以求出气相质量流量和固气比 科里奥利力式质量流量计 45 单相流量计与两相流流量模型组合 46 47 缺点 受限于流动状态 湍流 量程范围小 需对单相流的修正 混合均匀 速度滑移 仅适用于某种流型的流量测量 48 传统方法的组合 49 基于测量两相流混合物的流速和平均密度或分相含率来得到两相流量 力学法利用流体的动压 动量矩和离心力等测流速 相关法通过两点的相关函数测流速 光学法利用激光多普勒效应或光导纤维等技术测流速 声学法利用超声波原理测流速 热学法利用热线风速仪或量热计测流速 电磁法利用电磁感应原理测流速 核磁共振法利用核磁共振原理测流速 示踪法利用脉冲中子触发新型示踪技术测流速 50 s1 f1 qm x s2 f2 qm x qm 两相质量流量 x 分相质量流量含率 具体函数关系可以通过理论推导或实验测定 51 52 53 54 55 分离法 利用分离装置 将多相流进行分离后采用单相 流量计进行分相流量的计量 立式 卧式 56 57 现有的一些多相流量测量仪表 系统 美国mulfi fluid公 式 lp型多相流量 计 组分 微波检测器 射线密度计 速度 两个微波检测 计进行相关分析 求取相关速度 58 组分测量 测量范围 油为连续相的油气水混合物 油0 100 气0 100 水 所能保证的最大含水量 一般为 60 精度 2 灵敏度 油水0 01 气0 03 速度测量 测量范围 2 10m s 精度 5 59 framo公司 mpfm 型多相流量计 在线静态混合器 多源 组分计 文丘里管流量计 60 混合物进口 测量范围 0 100 油气水混合物 精度 6 61 英国 euromatic公司多 相流量计 精度 油水 0 5 2 0 气 0 5 3 0 62 agar公 司 mpfm 301型多 相流量计 建立模型 解方程组 63 德士古海底多相流量计 64 精度 5 测量范围 气10 90 水0 90 流量范围 480 2880m3 d 65 kos公司mcf351型多相流量计 66 fluenta公司的mpfm1900型和smfm 1000型 67 测量范围 水0 80 气0 90 精度 5 10 68 isa公司srollflo型多相流量计 69 精度 5 测量范围 气0 95 70 美国石油自 动系统公司 flocompii型多相流 量计 71 paul munrone公 司 wellcomp多相流量计 72 测量范围 3200 4000m3 d 水 1 99 气0 90 精度 总流量1 0 含水率5 73 软测量方法 软测量就是依据可测 易测的过程变量 称为辅助变量 与难以直接检测的待测变量 称为主导变量 的数学关系 根据某种最优准则 采用各种计算方法 用软件实现对待测变量的测量或估计 软测量技术主要包括四个方面 1 辅助变量的选取 2 数据预处理 3 软测量模型的建立 4 软测量模型的在线校正 74 到 利用所有可获得的信息 求取主导变量的 最佳 估计值 即构造从可测信息集 的映射 y y 75 主要是运用化学反应简单可靠 工 动力学 物料平 程背景清 衡 能量平衡等 晰和便于 原理通过对过程 实际应用 对象的机理分析 但应用效 找出不可测主导 果依赖于 变量与可测辅助 对工艺机 变量之间的关系 理的了解 建立机理模型 程度 回归分析是一种 以最小二乘原理进行 建模的基本 一元和多元回归 方法 应用 有线性回归分析 范围相当广 和非线性回归分 泛 析两大类 建模方法 软测量方法 建模原理 特点 应用场合 备注 工艺机理分析 对于工艺机理较为清楚的工艺过程 该方法能构造出性能较好的软仪表 但是对于机理研究不充分尚不完全清楚的复杂工业过程 难以建立合适的机理模型 需要与其他方法相结合才能构造软仪表 工程中常用的方法 建立在对工艺过程机理深刻认识的基础上的 建模的难度较大 回归分析 简单实用 但工程中最常用的方法之一 需要大量一般情况下 获得软的样本 测量模型是先通过机对测量误理分析建立模型框架 差较为敏再用回归分析获得模感 型参数 76 状态估计 将软测量问题就转化为典型的状态观测和状态估计问题 采用kalman滤波器和luenberger观测器是解决问题的有效方法 软仪表可以反映主导变 量和辅助变量之间的动态关系 有利于处理各变量间动态特性的差异 和系统滞后等情况 应用于系统主导变量作 为系统的状态变量关于辅助变量是完全可观的场合 已从线性系统推 对于复杂的工业过程 常常难以建立有效的状态空间模型 这在一定程度上限制了该方法的应用 模式识别 采用模式识别的方法对工业过程的操作数据进行处一种与传统理 从中提取系统的特征 数学模型不构成以模式描述分类为基同的模式描础的模式识别式软测量模述式模型 型 广到了非线性系统 该方法的优 势在于它可适用于缺乏系统先验知识的场合 可利用日常操作数据来实现软测量 建模 在应用中 该方法常常和人工神经网络以及模糊技术结合在一起 77 人工神经网络 利用人工神经网络具有 的自学习 联想记忆 自适应和非线性逼近等功能 将辅助变量作为人工神经网络的输入 而主导变量则作为网络的输出 通过网络的学习来解决不可测变量的软测量问题 通过学习而生成的人工神经网络 即为软测量模型 解决复杂系统参数的软测量问题的一条有效途径 近年来发展很快 应用范围很广泛 可在不具备对象的先验知识的条件下建模 并能适用于高度非线性和不确定性系统 具有巨大的潜力和工业应用价值 在实际应用中网络训练样本的数量和质量 学习算法 网络的拓扑结构和类型等的选择对所构成软仪表的性能都有重大影响 模糊数学 用模糊数学方法来建立软测量模型 所建立的相应软测量模型是一种知识性模型 模糊数学模仿人脑逻辑思维特点 是处理复杂信息的有效手段 得到了较多的应用 特别适合应用于复杂工业过程中被测对象呈现亦此亦彼的不确定性难以用常规数学定量描述的场合 实际应用中常和人工神经网和模式识别技术等相结合以提高软仪表的效能 过程层析成像 以医学层析成像 ct 技 术为测量原理的软测量技术 可采用基于电容 电导 电磁 光学和核辐射等传感机理的传感器获取所需的投影数据 信息 不仅可在线 获得变量的宏观信息 还可获取参数二维或三维的实时分 布信息 目前主要应用于难测流体的参数测量 例如两相流 多相流分相流量和含率 以及装置的状态监控等 检测领域中的研究热点之一 具有巨大的潜力和工业应用价值 78 相关分析 以随机过程中的相关分析理论为基础 利用两个或多个可测随机信号间的相关特性来实现某一参数的在线测量 具体实现方法大多是互相关分析方法 利用各辅助变量 随机信号 间的互相关函数特性来进行软测量 在检测领域 主要应用于难测流体流速或流量的在线测量和故障诊断 例如流体输送管道泄漏的检测和定位 相关测速和相关流量测量技术目前已较成熟 已有不少应用 现代非线性信息处理技术 等 利用易测对象信息的随机 信号 采用先进的信息处 理技术 通过对所获信息的分析处理提取信号特征量 从而实现某一参数的在线检测或过程的状态识别 采用的信息处理方法大多是各种先进的非线性 信息处理技术 例如小波分析 混沌和分形等 基本思想与相关 分析一致 所不同的是具体信息处理方法不同 能适用于常规的信号处理手段难以适应的复杂工 业系统 应用范围较广 目前一般主要应用于工业系统的故障诊断 状态检测和过失误差侦破等 近年来发展很快 并常常和人工神经网络或模糊数学等人工智能技术相结合 79 过程层析成像技术 过程层析成像 processtomography 简记pt 技术也常称为流动成像 flowimaging 技术是本世纪80年代中后期开始正式形成和发展起来的 以ct技术为基础的 一种以两相流或多相流为主要 对象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时检测技术 提供被测多相流体各相组分分布直观的实时图像 可用于流型的辨识 通过对图像的分析和处理 可得到多相流体各相组分的局部浓度分布 进一步处理可得到各分相的总浓度 将pt技术与相关流速测量技术等相结合 可实现多相流体总质量流量 分相质量流量以及流体在管截面上流速分布的实时测量 pt技术可为多相流工业设备和装置的机理研究 模型研究 优化设计 和改进提供方便的手段 随着在线 实时二维 三维成像的实现 pt技术还可应用于两相流 多相流流体复杂生产过程的监控 80 pt原理 过程层析成像技术和ct技术所依据的基本数学原理是一样的 即 radon变换及radon逆变换 radon逆变换的实质就是 由 图像 在所有方向上的 投影 可 重建 该 图像 因此radon变换和radon逆变换为ct和pt奠定了数学基础 相应的实现radon逆变换的过程 即完成投影重建图像的过程 一般称为 图像重建 imagereconstruction 所谓过程层析成像技术其实质就是 基于某种传感机理 用阵列传 感器以非接触或非侵入方式获取不同方向上反映多相流体流动信息 的投影数据 即实现radon变换 并运用定性或定量的图像重 建算法 重建反映多相流体某一截面或工艺装置中某一部分流体流 动信息的图像 即实现radon逆变换 然后依据所获得的重建 图像提取特征信息和检测参数实现多相流参数检测和状态监控 81 流动方向 pt知识库 阵列式敏感部件信号处理电路图像重建图像处理与特征提取 图像显示 多相流参数测量值 pt基本框图 1 传感器空间阵列结构及相关电路 它的作用是获取被测物场的不同观测角度下的投影数据 2 数据采集系统 它的作用是采集投影数据 并进行相应变换 并负责与图像重建计算机进行数据通讯 3 图像重建计算机 根据采集的投影数据进行图像重建和显示 同时负责被测物场的特征参数的提取 依据信息获取手段和传感机理不同进行分类 pt技术可以分为 核pt x射线 射线 中子射线等 电学pt 电容 电导 电磁 电荷感应等 微波pt 光学pt 声学pt以及核磁共振pt等 82 pt系统一般由以下几个部分组成 主要pt简介 83 主要pt简介 续 84 pt工业应用要求 检测系统的成本应该是较低的 适用范围广 便于工业 生产过程大规模推广应用 实时性好 应能用于工业现场的在线测量 参数测量精度和图像质量应满足不同工业应用要求 检测系统应具有高的抗干扰性和可靠性 应能适应恶劣 的操作环境 检测系统的软件和硬件结构应尽可能简单 便于使用 维护和管理 检测系统安全性要佳 对人体和设备不应有损害 85 pt应用问题 x射线 射线层析成像技术 测量灵敏场为硬场 在图象的空间分 辨率和图像质量等方面相对其它技术有着独特的优势 应用最为广泛的一类 需要提高系统的安全性 实时性和系统小型化 光学层析成像技术 成本低 实时性好 灵敏场一般也可近似为硬 场 数据采集系统简单 但过程对象为透明或半透明且光路不能受到污染 这大大限制了其应用领域 超声层析成像技术 成本低和安全性好 不能适用于高速多相流系 统的参数测量 基于电学原理的过程层析成像技术 具有成本低 速度快 适用范 围广 系统结构简单 安全性好等特点 如何克服电学过程层析成像技术的软场特性 改善抗干扰性能和与工艺装置的适配性等方面以提高测量精度和图像质量 86 电容传感器 绝缘管道 电极 数据采集 与通讯卡 成像系计算统机 电容层析成像系统 ect 87 88 89 火焰监测 90 a c b d 91 e g f h 92 其他参数 压力 传热系数 传质系数 颗粒尺寸 液膜厚度 93 小管道和微管道多相流检测 背景 小型化 微型化已经成为自然科学与工程技术发展的趋势之一 小型化 微型化设备具有常规设备所不具备的一些优异的特性 例 如微冷却装置 微混合器 微反应器 微型换热器等微型化工设备具有结构简单 无放大效应 操作条件易于控制和内在安全等优点 这些微型化工器件在小尺度和微尺度条件下反应的转化率 选择性均有明显提高 传热系数和传质性能与传统设备相比也得到很大强 化 涉及物理 化学 化工 生物 材料 微电子以及微加工等多门学 科 其中很多都与小通道和微通道中的多相流动有关 随着通道水力直径的减小 通道面积 容积比增大 表面张力作用 显著 使得小通道和微通道内的多相流动特性有别于常规通道情形 94 微加工技术 95 微混合技术 96 a contactingoftwosubstreams b collisionoftwohighenergysub