CN112710703B - 一种带有导电特性补偿的电导网格传感器三相流成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带有导电特性补偿的电导网格传感器三相流成像方法,测量管道为竖直向上管道,所述的三相流为油气水三相流,所采用的传感器为电导网格传感器和分布式同轴电导传感器;所述的电导网格传感器包括激励电极和接收电极,电导网格传感器采用循环激励模式,当完成一次循环激励后,电导网格传感器输出一帧数据,对应油气水三相流中气相分布的一幅图像。分布式同轴电导传感器包括三个同轴电导传感器;三个同轴电导传感器均匀地安装在测量管道同一个径向截面的周围,每个同轴电导传感器的前端设置有液体延拓区,该液体延拓区被设计为斜向上,与测量管道径向截面呈30°夹角。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有导电特性补偿的电导网格传感器三相流成像方法。
背景技术
油气水三相流流动现象广泛存在于石油、化工等重要工业生产过程中。油气水持气率的精确测量对于生产安全及经济效益提高有重要意义。然而,大多数多相流测量***都是基于单一测量模式设计的,例如介电常数或电导率,其对复杂的油气水三相流测量具有明显的局限性。
目前,广泛运用于三相流流动参数测量的方法是双模态测量,即同时测量三相流两种物理性质,以区分三种不同介质。Qiu等人(Flow Measurement&Instrumentation,2007,18:247–254)利用ECT与ERT双模态成像传感器,分别测量流体的电容、电导信息,从而区分不同介质的分相含率。但是由于两个传感器置于管道不同位置,这种类型的***不适合测量结构演化剧烈的多相混合流体。Sun等人(Measurement,2015,6:150-160)基于ECT传感器,同时测量管道内的电容、电导信息,实现了在同一个截面的双模态测量,但该方案目前只应用于湍流较小的层状流中。另外,由于ECT本身作为软测量方案,无法实现较高的空间分辨率,其使用也存在一定局限。
电导网格传感器作为一种新兴的流体可视化技术,在研究复杂多相流流动参数方面具有一定优势。该传感器最早由Prasser等人提出(Flow Measurement&Instrumentation,1998,9(2):111-119),其由两层电极阵列组成,每层电极平行排布,两层电极相互垂直排布。由于电导网格传感器敏感于两层电极交叉点处电导率的变化,从而可实现气液或油水两相流流动结构及局部分相持率的测量。先前学者主要利用电导网格传感器测量两相流中的流动参数。近年来,有学者将两种不同频率的激励信号作用在网格传感器上,实现对交叉点处电阻和电容的同时测量,但目前这种方案仅适用于静态实验状态下油气水三相流分层流的简单测试(Measurement Science&Technology,2015,26:105302)。
图1为典型气液两相流以及油气水三相流管道径向截面相分布的示意图。根据图1(a)所示的气液两相流典型相分布可知,当管道内只有气和水两种介质存在时,气体的主要存在形式有两种:分散的气泡和尺寸较大形如子弹的泰勒泡。对于油气水三相流按照连续相不同,可分为两类:一、水为连续相(图1(b));二、低含油率油水乳化液为连续相(图1(c))。对于图1(b)的情况,由于小油滴尺寸远远小于网格传感器的空间分辨率,此时,分散的小油滴不会影响电导网格传感器对气相持率的测量。对于图1(c)的情况,当油水乳化液为连续相时,含油率会影响连续液相的电导率,从而导致电导网格传感器无法准确测量气相持率,此时需要有效的油水乳化液电导率实时监控手段以及有效的网格传感器测量响应校正方法。
发明内容
本发明专利提出一种带有导电特性补偿的电导网格传感器三相流成像方法。设计了电导网格传感器及同轴电导传感器组合测量***,同轴电导传感器采用特殊的分布式非侵入结构,可实时监测油气水三相流中连续相(油水乳化液)的导电特性,从而对电导网格传感器油气水三相流中气相分布成像结果进行校正,最终获得准确的油气水三相流可视化成像。技术方案如下:
一种带有导电特性补偿的电导网格传感器三相流成像方法,测量管道为竖直向上管道,所述的三相流为油气水三相流,所采用的传感器,一个为所述的电导网格传感器,另一个为分布式同轴电导传感器;所述的电导网格传感器包括激励电极和接收电极,各激励电极相互平行,位于测量管道同一径向截面,各接收电极相互平行,位于测量管道的另一径向截面,电导网格传感器采用循环激励模式,当完成一次循环激励后,电导网格传感器输出一帧数据,对应油气水三相流中气相分布的一幅图像。其特征在于,所述的分布式同轴电导传感器用于动态监测连续相电导特性的变化,实现电导网格传感器成像结果的实时校正,分布式同轴电导传感器包括三个同轴电导传感器;三个同轴电导传感器均匀地安装在测量管道同一个径向截面的周围,每个同轴电导传感器的前端设置有液体延拓区,该液体延拓区被设计为斜向上,与测量管道径向截面呈30°夹角;利用电导网格传感器联合同轴电导传感器对油气水三相流成像的步骤如下:
1)针对油气水三相流,获得电导网格传感器输出信号Vm,1,Vm,2,…,Vm,10以及标记信号VMark,对于第k帧数据,在VMark两个相邻上升沿之间的时间段内,计算第j个接收电极信号Vm,j(k)的极差,记作Vm(i,j,k),其中i为激励电极编号;
2)将测量管道内充满空气,测量电导网格传感器输出信号Vg,1,Vg,2,…,Vg,10,对Vg,1,Vg,2,…,Vg,10进行处理,获得极差Vg(i,j,k);计算不同数据帧下空气相极差Vg(i,j,k)的平均值Vg(i,j);
3)将测量管道内充满水相,测量电导网格传感器输出信号Vw,1,Vw,2,…,Vw,10;对Vg,1,Vg,2,…,Vg,10进行处理,获得极差信号Vw(i,j,k);计算不同数据帧下水相极差Vw(i,j,k)的平均值Vw(i,j);
4)根据步骤1),2)和3)中的结果,对信号Vm(i,j,k)进行归一化处理,获得归一化信号其中N为帧数;5)针对油气水三相流,获得分布式同轴电导传感器测量信号Um,1,Um,2,Um,3,对于第k帧数据,计算第p,p=1,2,3,号同轴电导传感器测量信号的平均值Um,p(k);
6)将测量管道内充满空气,获得分布式同轴电导传感器测量信号Ug,1,Ug,2,Ug,3;计算第p号同轴电导传感器测量信号的平均值Ug,p(k);然后,计算不同数据帧下Ug,p(k)的平均值Ug,p;
7)将测量管道内充满水相,获得分布式同轴电导传感器测量信号Uw,1,Uw,2,Uw,3;计算第p号同轴电导传感器测量信号的平均值Uw,p(k),然后计算不同数据帧下Uw,p(k)的平均值Uw,p;
8)对步骤4)获得的归一化信号VN(i,j,k)进行校正:计算单个同轴电导传感器对油气水三相流中连续相的电导率校正系数计算三个电导率校正系数的平均值δ(k);获得归一化信号VN(i,j,k)的校正结果
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:
(1)针对垂直油气水三相流的流动结构,本发明提出一种同轴电导传感器的新型分布式非侵入结构。基于该分布式非侵入结构,同轴电导传感器可实时监测油气水三相流中连续相的导电特性变化。
(2)基于同轴电导传感器测量的油气水三相流连续相导电特性,本发明提出电导网格传感器气相分布成像结果实时校正方法,可有效提高电导网格传感器对油气水三相流气相分布的成像精度。
附图说明
图1是垂直上升气液两相流以及典型油气水三相流管道径向截面相分布示意图
图2是油气水三相流气相分布成像***示意图:(a)电导网格传感器结构图;(b)同轴电导传感器主视图及侧视图;(c)单个同轴电导传感器的管道安装示意图;(d)三个分布式同轴电导传感器的管道安装图;(e)电导网格传感器及同轴电导传感器的管道安装图。
图3是电导网格传感器及分布式同轴电导传感器输出信号示意图
图4是电导网格传感器输出信号处理流程图
图5是分布式同轴电导传感器输出信号处理流程图
图6是油气水三相流分布式同轴电导传感器输出信号
图7是电导网格传感器对油气水三相流气相分布的成像过程
图8是电导网格传感器对油气水三相流中气相分布三维成像结果(Usg=0.055m/s,Usl=1.179m/s):(a)fo=0.05,未校正;(b)fo=0.05,校正;(c)fo=0.15,未校正;(d)fo=0.15,校正
附图标记说明如下:
1圆形中心激励电极;2中间绝缘材料;3外部环形接收电极;4流体延拓区;5管壁;6垂直管道中心轴线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明包括:
(1)设计如图2所示的传感***。该***包括电导网格传感器、分布式同轴电导传感器以及测量电路。网格传感器由激励电极(E1至E10)与接收电极(R1至R10)组成,如图2(a)所示。各激励电极相互平行,位于管道同一径向截面;各接收电极相互平行,位于管道的另一径向截面。该传感器采用循环激励模式,在某一时间段内,仅第i个激励电极Ei被激励(与激励源连接),可测量该激励电极Ei与所有接收电极Rj(j=1,2,…,10)交叉点处的流体电导率信息;当依次完成E1至E10电极的激励时,可获得管道径向截面上所有交叉点处的流体电导率信息。
同轴电导传感器由圆形中心激励电极、中间绝缘材料和外部环形接收电极三部分组成,如图2(b)所示。为了保证在不扰流,且不受管道内泰勒泡影响的前提下获取连续相的导电特性变化,同轴电导传感器前设计了液体延拓区,如图2(c)所示。该延拓区被设计为斜向上,与管道径向截面呈30°夹角。延拓区上边嵌入管道深度为3.6mm。当油气水三相流的连续相(油水乳化液)进入延拓区时,同轴电导传感器输出信号的幅值能反映连续相的导电特性变化。为保证获得不同位置处连续相的导电特性,同轴电导传感器采用分布式结构,如图2(d)所示,三个同轴电导传感器在管道上周围均匀排布。
电导网格传感器及同轴电导传感器在管道上的安装位置如图2(e)所示。对于管道中的油气水三相流,电导网格传感器的输出电压信号Vm,1,Vm,2,…,Vm,10以及标记信号VMark;分布式式同轴电导传感器输出电压信号Um,1、Um,2、Um,3,以上电压信号通过数据采集卡同时记录在上位机。
(2)电导网格传感器与分布式同轴电导传感器输出信号如图3所示。电导网格传感器输出的标记信号VMark为方波,用于指示电极E1,E2,…,E10被激励的次序(Zhai et al,2019,I2MTC,DOI:10.1109/I2MTC.2019.8827063;Zhai et al,2020,DOI:10.1109/I2MTC43012.2020.9129032)。标记信号VMark的第一个上升沿表示E1被激励,第二个上升沿表示E2被激励,以此类推,循环往复。标记信号VMark的每十个上升沿对应一帧数据,帧数可以用k表示。对于第k帧数据,电导网格传感器的输出信号为Vm,1(k),Vm,2(k),…,Vm,10(k)同轴电导传感器的输出信号为Um,1(k),Um,2(k),Um,3(k)。
(3)对于油气水三相流,电导网格传感器输出信号Vm,1至Vm,10按图4所示流程进行处理。首先读取标记信号VMark,并检索其上升沿,第i个上升沿表示此时第i个激励电极被激励。然后,对于第k帧数据,在VMark两个相邻上升沿之间的时间段内,计算第j个接收电极信号Vm,j(k)的极差,记作Vm(i,j,k)。
(4)将电导网格传感器的检测场充满空气,此时测量电路输出信号Vg,1,Vg,2,…,Vg,10。利用图4所示的流程对Vg,1,Vg,2,…,Vg,10进行处理,可获得极差Vg(i,j,k)。不同数据帧下Vg(i,j,k)的平均值可表示为:
将电导网格传感器的检测场充满水,此时测量电路输出信号Vw,1,Vw,2,…,Vw,10。利用图4所示的流程对Vw,1,Vw,2,…,Vw,10进行处理,可获得极差Vw(i,j,k)。不同数据帧下Vw(i,j,k)的平均值可表示为:
(5)对Vm(i,j,k)进行归一化处理,可得到其归一化信号VN(i,j,k):
(6)对于油气水三相流,分布式同轴电导传感器测量信号Um,1,Um,2,Um,3的处理流程如图5所示。首先,读取标记信号VMark,并检索其上各个升沿;然后,对于第k帧数据,计算第p号同轴电导传感器测量信号的平均值,记作Um,p(k)
(7)将同轴电导传感器检测场内充满空气,其测量电路输出信号Ug,1,Ug,2,Ug,3;按图5所示流程对信号Ug,1、Ug,2、Ug,3进行处理,可得第p号同轴电导传感器测量信号的平均值,记作Ug,p(k)。计算不同数据帧下Ug,p(k)的平均值Ug,p。
将同轴电导传感器检测场内充满水,其测量电路输出信号Uw,1,Uw,2,Uw,3;按图5所示流程对信号Uw,1、Uw,2、Uw,3进行处理,可得第p号同轴电导传感器测量信号的平均值,记作Uw,p(k)。计算不同数据帧下Uw,p(k)的平均值Uw,p。
(8)计算油气水三相流中连续相的电导率校正系数δp(k):
三个同轴电导传感器的电导率校正系数的平均值可表示为:
(9)对公式(3)中的归一化信号VN(i,j,k)进行校正,可得:
下面结合附图说明该***对油气水三相成像的实施过程:
电导网格传感器对油气水三相流气相分布的成像过程如图7所示,具体过程如下:
(1)按图2所示的空间相对位置,将电导网格传感器及分布式同轴电导传感器安装在内径为20mm的管道上。电导网格传感器激励电极和接收电极形成10×10的网格。激励电极和接收电极直径均为0.2mm。激励电极所在管道径向截面与接收电极所在管道径向截面的距离为2mm;相邻两个激励电极的间距为2mm,相邻两个接收电极的间距为2mm。同轴电导传感器中心激励电极直径为1.5mm,中间绝缘材料厚度为0.5mm,外部环形接收电极厚度为1mm。分布式同轴电导传感器安装在距离入口2030mm处,电导网格传感器被安装在距离入口2230mm处。
(2)进行垂直油气水三相流实验。实验中气相表观流速Usg范围为0.055-0.663
m/s,液相(油相和水相)混合表观流速Usl的范围为0.037-1.179m/s,液相含油率fo分别为0%,5%,10%和15%,具体实验工况见表1。实验过程中,在某一液相含油率下,采取固定气相表观流速,逐渐增大液相混合表观流速的方案。一共进行了四轮实验,每轮实验包含64组工况。利用数据采集卡记录电导网格传感器的输出电压信号Vm,1,Vm,2,…,Vm,10以及标记信号VMark;同时,记录分布式同轴电导传感器的输出电压信号Um,1,Um,2,Um,3。
表1垂直油气水三相流实验时工况表(单位m/s)
(3)进行电导网格传感器及分布式同轴电导传感器的标定实验。实验中,首先将管道内充满空气,利用数据采集卡记录电导网格传感器的输出电压信号Vg,1,Vg,2,…,Vg,10,同时记录分布式同轴电导传感器的输出电压信号Ug,1、Ug,2、Ug,3。然后,将管道内充满全水,利用数据采集卡记录电导网格传感器的输出电压信号Vw,1,Vw,2,…,Vw,10,同时记录分布式同轴电导传感器的输出电压信号Uw,1、Uw,2、Uw,3。
(4)油气水三相流实验及标定实验中采集的电导网格传感器数据按图4所示流程处理,获得信号Vm(i,j,k),Vg(i,j)及Vw(i,j);然后,油气水三相流实验及标定实验中采集的分布式同轴电导传感器数据按图5所示流程处理,获得信号Um,p(k),Ug,p及Uw,p。
(5)按公式(3)对信号Vm(i,j,k)进行归一化,获得归一化信号VN(i,j,k);按
公式(4)和公式(5)对Um,p(k)进行归一化和平均化,输出电导率校正系数δ(k)。
实验验证与结果:
图8展示了当液相含油率fo=0.05和0.15时,电导网格传感器对油气水三相流中气相分布三维成像结果。图8(a)由电导网格传感器测量数据直接得到,未利用连续相导电特性校正,导致在液体段塞(0.93-0.95s)和大气泡尾部(0.99-1s)处观察到长度较长的连续气相结构,这与实际流动结构不符。在图8(b)中可以观察到,经过连续相导电特性校正后,较长的连续气相结构消失,可以清晰地观察到管道内的气塞,液塞结构,大幅提高了成像的效果。通过对比图8(c)和8(d),也可以看出带有导电特性补偿的电导网格传感器对三相流成像的优势。
Claims (1)
1.一种带有导电特性补偿的电导网格传感器三相流成像方法,测量管道为竖直向上管道,所述的三相流为油气水三相流,所采用的传感器,一个为所述的电导网格传感器,另一个为分布式同轴电导传感器;所述的电导网格传感器包括激励电极和接收电极,各激励电极相互平行,位于测量管道同一径向截面,各接收电极相互平行,位于测量管道的另一径向截面,电导网格传感器采用循环激励模式,当完成一次循环激励后,电导网格传感器输出一帧数据,对应油气水三相流中气相分布的一幅图像,其特征在于,
所述的分布式同轴电导传感器用于动态监测连续相电导特性的变化,实现电导网格传感器成像结果的实时校正,分布式同轴电导传感器包括三个同轴电导传感器;三个同轴电导传感器均匀地安装在测量管道同一个径向截面的周围,每个同轴电导传感器的前端设置有液体延拓区,该液体延拓区被设计为斜向上,与测量管道径向截面呈30°夹角;利用电导网格传感器联合同轴电导传感器对油气水三相流成像的步骤如下:
1)针对油气水三相流,获得电导网格传感器输出信号Vm,1,Vm,2,…,Vm,10以及标记信号VMark,对于第k帧数据,在VMark两个相邻上升沿之间的时间段内,计算第j个接收电极信号Vm,j(k)的极差,记作Vm(i,j,k),其中i为激励电极编号;
2)将测量管道内充满空气,测量电导网格传感器输出信号Vg,1,Vg,2,…,Vg,10,对Vg,1,Vg,2,…,Vg,10进行处理,获得极差Vg(i,j,k);计算不同数据帧下空气相极差Vg(i,j,k)的平均值Vg(i,j);
3)将测量管道内充满水相,测量电导网格传感器输出信号Vw,1,Vw,2,…,Vw,10;对Vw,1,Vw,2,…,Vw,10进行处理,获得极差信号Vw(i,j,k);计算不同数据帧下水相极差Vw(i,j,k)的平均值Vw(i,j);
4)根据步骤1),2)和3)中的结果,对信号Vm(i,j,k)进行归一化处理,获得归一化信号i,j=1,2,···,10;k=1,2,···,N,其中N为帧数;5)针对油气水三相流,获得分布式同轴电导传感器测量信号Um,1,Um,2,Um,3,对于第k帧数据,计算第p,p=1,2,3,号同轴电导传感器测量信号的平均值Um,p(k);
6)将测量管道内充满空气,获得分布式同轴电导传感器测量信号Ug,1,Ug,2,Ug,3;计算第p号同轴电导传感器测量信号的平均值Ug,p(k);然后,计算不同数据帧下Ug,p(k)的平均值Ug,p;
7)将测量管道内充满水相,获得分布式同轴电导传感器测量信号Uw,1,Uw,2,Uw,3;计算第p号同轴电导传感器测量信号的平均值Uw,p(k),然后计算不同数据帧下Uw,p(k)的平均值Uw,p;
8)对步骤4)获得的归一化信号VN(i,j,k)进行校正:计算单个同轴电导传感器对油气水三相流中连续相的电导率校正系数计算三个电导率校正系数的平均值δ(k);获得归一化信号VN(i,j,k)的校正结果
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