基于雙流體截面靈敏度分布的電導(dǎo)探針關(guān)鍵部件尺寸優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于兩相流流動參數(shù)測量的電導(dǎo)探針的關(guān)鍵部件尺寸優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 兩相流現(xiàn)象廣泛存在于石油工程、化學(xué)工程、冶金工程、核工程、航空與航天工程 等傳統(tǒng)工業(yè)和新興工業(yè)領(lǐng)域中。氣液兩相流是指氣相與液相不相容物質(zhì)的混合流動體系。 由于氣液兩相流中各成份之間存在著密度、粘度等物理性質(zhì)上的差異,在流量、壓力、重力 及管路形狀等諸多因素的影響下,導(dǎo)致氣液兩相流流動參數(shù)測量十分困難??偭髁亢头窒?流量是氣液兩相流工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中的重要流動參數(shù),它的精確測量對于生產(chǎn)過程計(jì)量、控 制和運(yùn)行可靠性都具有重要意義。
[0003] 兩相流流動參數(shù)測量技術(shù)主要包括超聲法,光學(xué)法,射線法,電容法,電導(dǎo)法等。由 于電導(dǎo)傳感器具有原理清晰、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn),已廣泛地應(yīng)用于多相流參數(shù) 測量中。目前油井動態(tài)監(jiān)測普遍使用的環(huán)形電導(dǎo)式傳感器狂L98250643. 2)主要響應(yīng)于測 量電極之間分散相平均濃度特性,該類電導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)相對簡單,傳感器響應(yīng)穩(wěn)定,可完成 對油水兩相流含水率測量。但是,上述環(huán)形電導(dǎo)式傳感器靈敏場分布均勻程度不高,流動參 數(shù)測量結(jié)果受兩相流流體流動結(jié)構(gòu)影響較大,導(dǎo)致測量結(jié)果精度較低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明目的是提供一種基于雙流體截面靈敏度分布的電導(dǎo)探針關(guān)鍵部件尺寸優(yōu) 化方法,旨在提高環(huán)形空間分相持率傳感器的空間分辨率,W達(dá)到提高電導(dǎo)探針兩相流流 動參數(shù)測量精度的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案如下: 陽〇化]一種基于雙流體截面靈敏度分布的電導(dǎo)探針關(guān)鍵部件尺寸優(yōu)化方法,用于環(huán)形空 間雙傳感電導(dǎo)探針的分相持率測量部件的幾何尺寸優(yōu)化,其特征在于,所述的環(huán)形空間雙 傳感電導(dǎo)探針由分相持率傳感器、相關(guān)測速傳感器及管道中屯、絕緣插入體構(gòu)成;分相持率 傳感器由四對或四對W上弧形電極構(gòu)成,各對弧形電極均勻分布在沿管道內(nèi)壁的圓周上, 每對弧形電極均由激勵電極和測量電極構(gòu)成;管道中屯、絕緣插入體迫使兩相流流體在環(huán)形 空間內(nèi)流動;將分相持率傳感器內(nèi)的空間定義為中屯、空間,將管道中屯、絕緣插入體與管道 內(nèi)壁之間的空間定義為環(huán)形空間,將與中屯、空間流體截面相鄰,且相對于中屯、空間流體截 面為流體的來流方向的截面為上游流體截面,通過計(jì)算分相持率傳感器中屯、空間流體截面 W及上游流體截面的靈敏度分布,提取有效靈敏度和有效信息率兩個優(yōu)化指標(biāo),綜合考慮 中屯、空間流體截面和上游流體截面的靈敏度分布特性,W使有效靈敏度和有效信息率最大 化為優(yōu)化目標(biāo),最終確定分相持率傳感器的最優(yōu)幾何尺寸。
[0006] 具體可W包括W下步驟:
[0007] (1)建立分相持率傳感器的有限元模型,并設(shè)置模型中各實(shí)體的單元類型及材料 屬性,
[0008] (2)將環(huán)形空間內(nèi)流體的二維截面規(guī)則地剖分為若干個四邊形,w該二維截面為 掃略源,對Ξ維流體進(jìn)行映射剖分;(1)中所述有限元模型的其他部分采用自由方式剖分; 對各激勵電極施加+0. 1mA直流電流,對各測量電極施加-0. 1mA直流電流,并對各測量電極 施加邊界電壓0V;
[0009] 做設(shè)置環(huán)形空間內(nèi)流體為水化計(jì)算某個激勵電極上的電壓值;改變中屯、空間 流體截面上某個剖分單元的導(dǎo)電特性,即將該單元的導(dǎo)電屬性由水相變?yōu)橛拖啵儆?jì)算該 激勵電極上的電壓值;根據(jù)激勵電極上電壓的變化值獲得該單元上的靈敏度,即單元靈敏 度;依次改變中屯、空間流體截面上各單元的導(dǎo)電屬性,可獲得各單元所在位置處的單元靈 敏度,從而得到分相持率傳感器在中屯、空間流體截面的靈敏場;
[0010] (4)采用(3)中所述的方法,計(jì)算分相持率傳感器在上游流體截面的靈敏場;
[0011] (5)在中屯、空間流體截面上,定義每對弧形電極正對的扇形區(qū)域?yàn)橛行y量區(qū)域, 將該有效測量區(qū)域內(nèi)的單元靈敏度求和,可得有效靈敏度;同時,將中屯、空間流體截面上所 有靈敏度求和,可得總靈敏度;有效靈敏度與總靈敏的比值定義為有效信息率;
[0012] (6)采用(5)中所述的方法可得到上游流體截面的有效靈敏度和有效信息率;
[0013] (7)W中屯、空間流體截面及上游流體截面的有效靈敏度和有效信息率的最大化為 優(yōu)化目標(biāo),確定分相持率傳感器電極的最佳幾何尺寸。
[0014] 針對電導(dǎo)探針關(guān)鍵部件(即環(huán)形空間分相持率傳感器)的幾何尺寸優(yōu)化問題,本 發(fā)明設(shè)及的基于雙流體截面靈敏度分布的優(yōu)化方法W提高對流體的有效檢測能力為優(yōu)化 目標(biāo),充分考慮傳感器在兩個流體截面形成的靈敏場分布特征,優(yōu)化結(jié)果可有效提高環(huán)形 空間分相持率傳感器的空間分辨率。
【附圖說明】
[0015] 圖1是用于兩相流流動參數(shù)測量的電導(dǎo)探針
[0016] 圖2是迫使流體在環(huán)形空間內(nèi)流動的變直徑絕緣插入體:粗徑和細(xì)徑段直徑分別 為di和d2;Ξ段的高度分別為11,12和13
[0017] 圖3是鑲嵌在管段內(nèi)壁的環(huán)形空間分相持率傳感器:Ei,Ε2,Ε3和Ε巧弧形激勵電 極,Ml,M2,Ms和Μ4為弧形測量電極,弧形電極張角為α,電極高度為h,電極厚度為t,電極 對間距為g
[001引圖4是安裝在插入體細(xì)徑段的環(huán)形空間相關(guān)測速傳感器化和Ee為激勵電極,Μ5 和Me為測量電極;Εg和Μg構(gòu)成上游相關(guān)測速電極,Εe和Μe構(gòu)成下游相關(guān)測速電極;電極間 距為1,相關(guān)間距為L
[0019] 圖5環(huán)形空間內(nèi)流體的剖分結(jié)構(gòu)圖:圖a為二維視圖;圖b為Ξ維視圖
[0020] 圖6環(huán)形空間流體截面0上的剖分單元:圖a立維視圖;圖二維視圖
[0021] 圖7環(huán)形空間分相持率傳感器的電極對E3-M3在流體截面0上的靈敏度分布
[0022] 圖8電極張角對靈敏場分布的影響
[0023] 圖9電極間距、高度W及厚度對靈敏場分布的影響
[0024] 圖10環(huán)形空間分相持率傳感測量波形圖 [00巧]圖11是氣液兩相流持氣率測量結(jié)果 陽0%] 圖12是環(huán)形空間相關(guān)速度與混合速度的關(guān)系
[0027] 圖13是氣液兩相流總流速測量結(jié)果
[0028] 圖14是漂移速度模型中相分布系數(shù)及泡徑指數(shù)的確定
[0029] 圖15是氣液兩相流分相流速測量結(jié)果
[0030] 圖中標(biāo)號說明:
[0031] 1絕緣插入體;2環(huán)形空間分相持率傳感器;3環(huán)形空間相關(guān)測速傳感器;4測量管 道;5插入體細(xì)徑段;6插入體過渡段;7插入體粗徑段
【具體實(shí)施方式】
[0032] 針對目前兩相流電導(dǎo)傳感器輸出響應(yīng)受流體運(yùn)動結(jié)構(gòu)影響明顯且空間分辨率低 的缺點(diǎn),本發(fā)明的目的是提供一種基于雙流體截面靈敏度分布的電導(dǎo)探針關(guān)鍵部件尺寸優(yōu) 化方法。本發(fā)明設(shè)及的電導(dǎo)探針基于電學(xué)敏感原理設(shè)計(jì),針對垂直管內(nèi)兩相流非均勻分布 及隨機(jī)運(yùn)動特征,通過在管道中屯、放置可變直徑的絕緣插入體,迫使流體在環(huán)形空間內(nèi)流 動,電導(dǎo)探針中的環(huán)形空間分相持率傳感器是其關(guān)鍵部件。本發(fā)明提供的基于雙流體截面 靈敏度分布的電導(dǎo)探針尺寸優(yōu)化方法,旨在考慮環(huán)形空間分相持率傳感器在兩個流體截面 形成的靈敏場分布特征,W雙流體截面靈敏場的有效信息及有效信息率為優(yōu)化指標(biāo)確定最 優(yōu)的環(huán)形空間分相持率幾何尺寸,W提高其對兩相流分相持率空間分辨能力。
[0033] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)的描述。本發(fā)明包括:
[0034]