一种基于BOX-COX变换的管道内段塞流识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于BOX

【技术实现步骤摘要】
一种基于BOX
‑
COX变换的管道内段塞流识别方法


[0001]本专利技术属于管道输送
，涉及到管内段塞流识别问题，具体为一种基于BOX
‑
COX变换的管道内段塞流识别方法。

技术介绍

[0002]海底管道输运技术在海洋工程中应用已经较为广泛。水下管道输气是能源输送中的关键，其直接影响输送系统的安全性和可靠性。当压缩空气、天然气和氢气经地面站点的调压干燥后进入水下输气管道，随着水深的增加温度降低，管壁和海水换热导致管内气体温度逐渐降低，达到压力露点后水蒸气结露析出，由于重力作用在管道内形成积液，尤其是在管道低洼处。从而导致管道内不再是气态单相流动，而变为复杂且危害较大的气液两相流动。
[0003]由于流体流动本身的湍流特性和气液两相流复杂的相间作用，会导致各种流型的复杂变化和流体压力的波动，产生一系列危害。首先，积液必然导致管道过流面积减小，输送效率下降，增加压降和能耗；其次，水的存在会加剧输气管道内腐蚀且存在水击风险；同时压力流量波动会诱导管道振动以及调压设备等喘振，反过来，管道振动又会对管内两相流流动产生影响，进一步加剧压力流量波动。如果不对积液进行清理，将会严重影响水下输气系统的安全、高效运行，甚至发生事故。因此，必须通过清管作业清除输气管道内积液，实际清管作业主要依靠经验或定期进行，而盲目频繁的清管作业不仅会增加系统运行成本，更会增加系统停运的频次和时长。针对此问题最好的解决方法是在积液导致系统输气性能恶化或故障之前，精准预测积液状态从而确定清管时间和方案。<br/>[0004]众所周知，随着水深的增加，温度会下降。压缩气体中的水分会在管道最低处凝结积累，从而形成段塞流，影响系统的运行。而段塞流的三个形成原因：层流引起的段塞流，气体膨胀引起的段塞流，以及地形引起的段塞流。对于段塞流的识别，间接测量法更具备工程实用性，且通过建立段塞流与流动参数之间的联系对机理解释更有意义。间接测量法主要包括特征信号的采集、特征提取和识别三个过程。可以通过远程测量分析段塞流变化产生的压力波动信号，进而识别管道内的段塞流。

技术实现思路

[0005]根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种基于BOX
‑
COX变换的管道内段塞流识别方法，具体包括如下步骤：
[0006]获取管道内段塞流压力信号并对其进行预处理；
[0007]分析段塞流压力信号的时域特征，对时域中的管道特性进行计算，其中管道特性包括峭度、形状因子、均方根、峰值、均值、脉冲因子和裕度因子；
[0008]采用因子分析方法对管道特性进行融合；
[0009]利用BOX
‑
COX变换高斯化管道特性，采用3sigma函数确定管道内段塞流出现的上下边界线，判断管内是否出现段塞流；
[0010]采用因子分析方法对管道特性进行融合时：
[0011]设表征段塞流的管道特性为P
j
，每个P
j
含有独特因子U
j
(i＝1,L,r)，每个P
j
由F1,F2,LF7(r≥7)和U
j
(i＝1,L,r)线性表示为：
[0012][0013][0014]式中，i＝1,2,Lr；j＝1,2,L,7，a
ij
为因子载荷系数，λ
j
和r
j
分别为第F
j
对应的特征值和方差贡献率，f
ij
为第i个特征在第j个特征上的决策矩阵系数，g
i
为特征i的权重；
[0015]将融合后的管道特性P
j
进行BOX
‑
COX变换：
[0016]管道特性P
j
的一步增量表示为：
[0017]ΔP
j
(t)＝P
j
(t)
‑
P
j
(t
‑
1)(12)
[0018]管道特性增量ΔP
j
(t)的归一化计算式为：
[0019][0020]为归一化后的管道特性增量，ΔP
jmax
和ΔP
jmin
是管道特性增量的最大值和最小值；
[0021]的高斯化推导为：
[0022][0023]是归一化管道特性增量的高斯化结果，其中a是正数，用来确保为正，在管道特性增量高斯化的过程中，ξ可用极大似然估计法进行求解，即，
[0024][0025]其中ξ是lnL
max
(ξ)为最大值时对应的求解值；
[0026]管道特性增量经过高斯处理后，服从正态分布N(μ,σ2)，而在正态分布中μ和σ2分别为均值和标准差，采用最大似然函数估计求解：
[0027][0028]采用3sigma函数确定管道内段塞流出现的上下边界线，判断管内是否出现段塞流时：
[0029]根据正态分布的性质，将管道内段塞流出现的上下边界线表示为：
[0030][0031]设置触发机制，超过边界线的第一个点被自动识别为段塞流的出现：
[0032][0033]根据设定的上下边界线判断管道内出现段塞流的具体方法为：将高斯化的管道特性增量超过上下边界线的第一个点判定为段塞流的出现。
[0034]由于采用了上述技术方案，本专利技术提供的一种基于BOX
‑
COX变换的管道内段塞流识别方法，该方法中沿管道布置多个压力传感器，获得段塞流从无到有的压力信号；选择积液量为横坐标(ml)，压力波动为纵坐标(kPa)，得到压力信号的时域特征计算图；通过因子分析对7种特征分析获得其权重因子，进行融合；通过BOX
‑
COX变换将融合特征高斯化，并设定3sigma为上下界阈值，设置触发机制，将第一个超过阈值的点判定为段塞流的发生；本专利技术能够在在管道输送正常工作的情况下对管内积液状态进行诊断，而不需要停止系统进行检测；同时本专利技术可以避免人为客观的段塞流阶段划分，具有简单、客观性和方便的特点。
附图说明
[0035]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]图1是本专利技术提供的管道内出现积液的过程图；
[0037]图2是本专利技术提供的基于BOX
‑
COX变换的管道内段塞流识别方法流程图；
[0038]图3是本专利技术实施例中所获得的特征信号计算图；
[0039]图4是本专利技术实施例中对高斯化特征的自适应识别图。
具体实施方式
[0040]为使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于BOX
‑
COX变换的管道内段塞流识别方法，其特征在于包括：获取管道内段塞流压力信号并对其进行预处理；分析段塞流压力信号的时域特征，对时域中的管道特性进行计算，其中管道特性包括峭度、形状因子、均方根、峰值、均值、脉冲因子和裕度因子；采用因子分析方法对管道特性进行融合；利用BOX
‑
COX变换高斯化管道特性，采用3sigma函数确定管道内段塞流出现的上下边界线，判断管内是否出现段塞流。2.根据权利要求1所述的一种基于BOX
‑
COX变换的管道内段塞流识别方法，其特征在于：采用因子分析方法对管道特性进行融合时：设表征段塞流的管道特性为P
j
，每个P
j
含有独特因子U
j
(i＝1,L,r)，每个P
j
由F1,F2,LF7(r≥7)和U
j
(i＝1,L,r)线性表示为：(i＝1,L,r)线性表示为：式中，i＝1,2,Lr；j＝1,2,L,7，a
ij
为因子载荷系数，λ
j
和r
j
分别为第F
j
对应的特征值和方差贡献率，f
ij
为第i个特征在第j个特征上的决策矩阵系数，g
i
为特征i的权重。3.根据权利要求2所述的一种基于BOX
‑
COX变换的管道内段塞流识别方法，其特征在于：将融合后...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊伟，梁成玉，王志文，王美玲，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：