[发明专利]一种基于BOX-COX变换的管道内段塞流识别方法

说明书

本发明公开了一种基于BOX‑COX变换的管道内段塞流识别方法，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。本发明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；同时本发明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。

技术领域

本发明属于管道输送技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于BOX-COX变换的管道内段塞流识别方法，具体包括如下步骤：

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；

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,L F₇(r≥7)和U_j(i＝1,L,r)线性表示为：