基于PCR和PLSR的油气两相流空隙率测量

    1　引　　言

    油气两相流系统广泛存在于石油、化工、能源等工业领域。空隙率是油气两相流系统的重要参数之一,对它进行在线准确测量对生产过程的计量、工业设备的安全运行、节能增效乃至油气两相流机理研究等均有十分重要的作用。但由于油气两相流流动特性十分复杂,致使空隙率测量难度很大。现有的各种空隙率测量方法还未能满足实际工业应用要求[1-3]。

    电容层析成像技术为解决油气两相流空隙率的测量问题提供了一条新的有效途径,具有广阔的应用前景[4-8]。然而,目前直接应用ECT技术测量空隙率通常需要复杂费时的图像重建过程,实时性欠佳,仍有待进一步研究[6-8]。

    由于电容测量值反映了油气两相流空隙率信息,因此有可能回避复杂费时的图像重建过程,直接利用ECT系统提供的电容测量信息,建立空隙率与电容测量值之间的关联模型,实现空隙率测量。

    本文基于上述思想,利用12电极ECT系统提供的66个电容值,分别采用主成分回归(principle component re-gression, PCR)和偏最小二乘回归(partial least squares re-gression, PLS)方法建立测量模型以实现空隙率的在线测量。同时,为克服两相流的流型对空隙率测量的影响,本文针对不同的两相流典型流型各建立两组空隙率测量模型(基于PCR的空隙率测量模型和基于PLSR的空隙率测量模型)。实际测量时,首先对油气两相流进行流型辨识,然后根据流型辨识结果调用相应的空隙率测量模型来计算获得空隙率值。同时需要指出的是PCR和PLSR都是优良的多元回归方法,均能将原有数据进行降维处理并能有效克服数据的多重共线性,已在化工、生物、医药等领域获得了广泛的应用[9-11]。不同之处在于PLSR在建模的过程中考虑了自变量与因变量之间的相关信息的提取,而PCR对这一点未作考虑[9-10]。本文同时采用这两种技术并根据流型建立两组空隙率测量模型,主要是为了对比研究一下两种技术应用于空隙率测量的效果。

    2　空隙率测量系统

    空隙率测量系统如图1所示。主要由12电极阵列式电容传感器、数据采集单元和计算机3部分构成。12电极ECT传感器通过高速差分采样原理将电容测量值转换成与之相应的电压值[12]。数据采集单元负责将ECT传感器获得的电容测量值转化为数字量并传送给计算机。计算机负责流型辨识与空隙率的计算。

    需要说明的是,油气两相流流过水平管时可能出现多种典型流型,如图2(a)所示。当两相流体流经电容传感器测量截面时,呈现出的流型可归结为均相流、层状流和环状流3种,如图2(b)所示。例如,泡状流可以认为是均相流,塞状流可认为是均相流和层状流的组合。因此,只需针对这3种流型建立空隙率测量模型即可。