常 亮, 楊晨宇, 蘇筱斌, 戴曉宇, 徐 強(qiáng), 郭烈錦

(西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

0 引 言

多相混輸泵是指能夠同時(shí)對(duì)氣液固多相流體增壓的流體機(jī)械裝備．作為一種可靠的氣液混輸增壓方法,多相混輸泵被廣泛應(yīng)用在許多重要的工業(yè)過(guò)程中,如深海長(zhǎng)距離油氣混輸、井下油氣開采人工舉升等[1-2]．在油田生產(chǎn)中后期,許多仍有開發(fā)潛力的油氣井被迫關(guān)停．應(yīng)用井下混輸泵有助于降低井口回壓、提高油氣產(chǎn)量,有效延長(zhǎng)油田生命周期[3]．在高溫井中(>175 ℃),混輸增壓提高了井筒內(nèi)液體的沸點(diǎn),節(jié)約了添加抑制劑的高額成本[4]．然而,我國(guó)深海油氣開發(fā)技術(shù)在總體上仍落后于發(fā)達(dá)國(guó)家,處于領(lǐng)先的高新技術(shù)占比率不超過(guò)30%,其中60%以上的技術(shù)處于跟蹤狀態(tài)[5-6]．油氣產(chǎn)量與混輸泵氣液增壓特性密切相關(guān),準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和評(píng)估多相混輸泵增壓能力對(duì)于指導(dǎo)油氣生產(chǎn),改善油氣開發(fā)經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要．

混輸泵氣液增壓特性受多個(gè)參數(shù)影響,如氣液流量、入口壓力、轉(zhuǎn)速、級(jí)數(shù)和工質(zhì)物性等[7-8]．不同氣液流量下,旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)部氣液流體在壓力梯度力和離心力作用下容易發(fā)生相分離,表現(xiàn)為不同的氣液流型[9-11]．氣液流型與混輸泵氣液增壓存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系,多種流型結(jié)構(gòu)與其轉(zhuǎn)變導(dǎo)致氣液增壓的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)十分困難．Turpin等[12]首先提出了混輸泵氣液兩相揚(yáng)程的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式,并給出了區(qū)別穩(wěn)定和非穩(wěn)定流動(dòng)的邊界判別式．為了將預(yù)測(cè)范圍向高含氣率推廣,Duran和Prado[13]提出了針對(duì)離散氣泡流型和團(tuán)聚氣泡流型的氣液增壓預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式．Furuya[14]采用一維控制體方法根據(jù)葉輪內(nèi)部離散氣相和液相的相互作用力建立了動(dòng)力學(xué)模型．當(dāng)含氣率低于20%時(shí),預(yù)測(cè)最大相對(duì)誤差為±30%;當(dāng)含氣率高于30%時(shí),最大相對(duì)誤差為±50%．最近,在前人研究的基礎(chǔ)上,Zhu等[15]從Euler理論揚(yáng)程出發(fā),考慮各項(xiàng)流動(dòng)損失,建立了泡狀流和氣團(tuán)流條件混輸泵增壓預(yù)測(cè)模型,對(duì)三種離心式混輸泵均取得了較好的預(yù)測(cè)結(jié)果,誤差在±20%以內(nèi)．

在長(zhǎng)期研究和應(yīng)用過(guò)程中,研究者們基于流體力學(xué)相似理論總結(jié)提出了水泵相似定律．然而,在油氣混輸工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),工質(zhì)一般為氣液兩相或多相流體．Matsushita等[16]采用單級(jí)稠密雙葉柵葉輪,從葉輪外徑、葉片高度和轉(zhuǎn)速三個(gè)方面,實(shí)驗(yàn)研究了空氣-水兩相條件下相似規(guī)律的適用性．直徑為190 mm和235 mm的兩種葉輪能較好地符合相似規(guī)律,轉(zhuǎn)速為1 000～1 600 r·min-1,氣液流量比為0～0.6．司喬瑞等[17]研究發(fā)現(xiàn),在不同轉(zhuǎn)速下(1 800～2 910 r·min-1),當(dāng)入口含氣率低于0.03時(shí),單級(jí)蝸殼式離心泵能較好地遵循兩相相似規(guī)律．Patil和Morrison[18]采用流量系數(shù)和旋轉(zhuǎn)Reynolds數(shù)對(duì)單相水條件的相似規(guī)律進(jìn)行了修正,對(duì)離心泵在不同流體黏度條件下的揚(yáng)程進(jìn)行了預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相符合．

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的模式識(shí)別和數(shù)據(jù)擬合能力,基于物理經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建約束,在頁(yè)巖油田產(chǎn)量預(yù)測(cè)和油氣生產(chǎn)安全評(píng)估等方面獲得了廣泛應(yīng)用[19]．王沐晨等[20]采用徑向基函數(shù)法進(jìn)行訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)降維,減少了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)待定參數(shù)的個(gè)數(shù),有效提高了氣動(dòng)力降階模型的預(yù)測(cè)精度．G?lcü[21]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了深井泵分流葉片的揚(yáng)程-流量曲線．網(wǎng)絡(luò)采用梯度下降、動(dòng)量梯度下降和Levenberg-Marquardt學(xué)習(xí)算法,獲得了較好的預(yù)測(cè)結(jié)果．Huang等[22]提出了一種混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)離心泵單相條件下的能量性能(揚(yáng)程、功率和效率),將理論損失模型納入反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通過(guò)自動(dòng)確定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)．當(dāng)前,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)離心泵水力特性的研究主要集中在單相條件,氣液兩相條件下多相混輸泵增壓特性預(yù)測(cè)仍需要進(jìn)一步研究．

氣液兩相間巨大的物性差異和高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使得氣液相參數(shù)在時(shí)空分布上具有高度不均勻性,引起混輸泵兩相增壓特性隨入口氣液流量表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性特征．當(dāng)前研究建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式和動(dòng)力學(xué)模型適用區(qū)間狹窄,僅對(duì)于部分結(jié)構(gòu)和特定流動(dòng)參數(shù)范圍內(nèi)的氣液增壓有較好的預(yù)測(cè)精度,普適性較差．另外,分區(qū)域增壓特性的預(yù)測(cè)方法往往在邊界處會(huì)產(chǎn)生較大的誤差．對(duì)于如何將低級(jí)數(shù)混輸泵研究總結(jié)的相關(guān)規(guī)律向現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的高級(jí)數(shù)混輸泵進(jìn)行推廣,相關(guān)報(bào)道仍較為欠缺．

本文研制了工業(yè)參數(shù)級(jí)多相混輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和25級(jí)離心式多相混輸泵,構(gòu)建了定轉(zhuǎn)速、低增壓級(jí)數(shù)混輸泵氣液增壓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),結(jié)合變轉(zhuǎn)速氣液兩相的相似規(guī)律和高增壓級(jí)數(shù)混輸泵內(nèi)部氣液流動(dòng)參數(shù)更新,實(shí)現(xiàn)了高增壓級(jí)數(shù)混輸泵氣液增壓性能的預(yù)測(cè)．通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的多級(jí)離心式混輸泵在不同入口氣液流量下的氣液增壓數(shù)據(jù),對(duì)以上預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了檢驗(yàn)．

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與多級(jí)混輸泵結(jié)構(gòu)

本文構(gòu)建預(yù)測(cè)方法所需要的混輸泵氣液兩相增壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的工業(yè)參數(shù)級(jí)深海油氣采輸管道流動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲得．多相混輸泵實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要分為4個(gè)部分,包括液相管路、氣相管路、混輸泵測(cè)試段和數(shù)據(jù)采集部分,如圖1所示．實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為空氣和水,系統(tǒng)最高設(shè)計(jì)壓力為30 MPa．工質(zhì)水經(jīng)由兩臺(tái)同型號(hào)的高壓柱塞泵從水箱增壓輸送,單臺(tái)柱塞泵最大流量14 m3·h-1．水的流量采用科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量(RHM30FET2),量程為0～600 kg·min-1,測(cè)量精度為0.15%．空氣壓縮機(jī)提供高壓氣源,經(jīng)穩(wěn)壓罐穩(wěn)定壓力至10 MPa,經(jīng)過(guò)減壓和質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量與液相混合進(jìn)入混輸泵測(cè)試段．低氣相流量采用RHM015L型流量計(jì),量程為0～0.6 kg·min-1,精度為0.5%．高氣相流量采用RHM06GET2型流量計(jì),量程為0～20 kg·min-1,精度為0.5%．混輸泵入口壓力通過(guò)安裝在混輸泵出口的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)．安裝在管線末端的氣液分離器能夠穩(wěn)定系統(tǒng)壓力并實(shí)現(xiàn)氣液分離,體積為1 m3．空氣經(jīng)過(guò)氣液分離器上部管路減壓排入大氣,水通過(guò)底部管路和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥減壓后進(jìn)入水箱完成循環(huán)．多相混輸泵實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍如表1所示．

圖1 多相混輸泵氣液增壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 The gas-liquid pressurization experimental system for the multiphase pump

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍Table 1 Ranges of experimental parameters

本文研究的離心式多相混輸泵由25個(gè)相同結(jié)構(gòu)的增壓級(jí)串聯(lián)組成,如圖2所示．每個(gè)增壓級(jí)包含葉輪、擴(kuò)壓器和連接的滑動(dòng)軸承等部件．單相水條件下泵的最高效率設(shè)計(jì)點(diǎn)流量為28.5 m3·h-1,單級(jí)揚(yáng)程為23.5 m,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為3 500 r·min-1,比轉(zhuǎn)速為107．葉輪入口直徑為65 mm,出口直徑為127 mm．葉輪葉片入口角為30.7°,出口角為33.9°,葉片數(shù)為7．

圖2 多級(jí)多相混輸泵與壓力壓差傳感器布置Fig.2 The structure of the multistage multiphase pump and the arrangement of differential pressure sensors

為了實(shí)現(xiàn)僅采用低級(jí)數(shù)混輸泵的氣液增壓數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)高級(jí)數(shù)混輸泵氣液增壓特性,本文對(duì)25級(jí)混輸泵劃分了若干增壓?jiǎn)卧鸺?jí)測(cè)量級(jí)間壓力和壓差信號(hào)需要使用大量傳感器．筆者之前的工作研究了相同葉型結(jié)構(gòu)的3級(jí)混輸泵氣液增壓特性[23]．因此,本文采用每隔3級(jí)結(jié)構(gòu)布置壓力測(cè)點(diǎn)的方式,即在第1級(jí)、第4級(jí)、……、第25級(jí)的擴(kuò)壓器中間位置分別布置壓力測(cè)點(diǎn),劃分了8個(gè)增壓?jiǎn)卧?如1～3級(jí)、4～6級(jí)、……、22～25級(jí)．例如,在第1級(jí)和第4級(jí)的兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)處布置壓差傳感器,獲得了第1～3級(jí)的氣液兩相增壓．混輸泵內(nèi)部沿流動(dòng)方向的壓力不斷增加,8個(gè)增壓?jiǎn)卧娜肟趬毫Σ煌?能夠同時(shí)獲得不同入口壓力下增壓?jiǎn)卧臍庖涸鰤簩?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),有助于減小實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況．

2 混輸泵氣液兩相增壓預(yù)測(cè)方法

2.1 定轉(zhuǎn)速低級(jí)數(shù)氣液兩相增壓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

圖3 混輸泵氣液兩相增壓特性[23]Fig.3 Gas-liquid 2-phase pressurization performances in multiphase pumps[23]注 為了解釋圖中的顏色,讀者可以參考本文的電子網(wǎng)頁(yè)版本,后同．

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構(gòu)建的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為包含輸入層、隱含層和輸出層的三層前向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖4所示．通過(guò)將輸入向量空間轉(zhuǎn)換到隱含層空間,將原線性不可分的問(wèn)題變?yōu)榫€性可分[24]．徑向基函數(shù)的選擇滿足函數(shù)值僅與自變量范數(shù)有關(guān),本文選用的徑向基函數(shù)為Gauss分布函數(shù)．當(dāng)?shù)趉個(gè)輸入向量為Xk=[xk1,xk2,…,xkm]時(shí),網(wǎng)絡(luò)第j個(gè)輸出神經(jīng)元計(jì)算結(jié)果為

圖4 徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of the radial basis function neural network

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采用隨機(jī)選取樣本中心的方法,為保證足夠的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和泛化能力,需要確定合適的隱含層神經(jīng)元數(shù)量和擴(kuò)散速度．分別改變擴(kuò)散速度和神經(jīng)元數(shù)量,隨機(jī)選取三級(jí)混輸泵測(cè)試集(數(shù)目為200),計(jì)算經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的測(cè)試集輸出．將上述步驟重復(fù)100次并將預(yù)測(cè)誤差取均值,獲得當(dāng)平均相對(duì)誤差最小時(shí)對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散速度與神經(jīng)元數(shù)量．本文采用試算法確定神經(jīng)元數(shù)為400,擴(kuò)散速度為0.2．

2.2 變轉(zhuǎn)速條件氣液增壓能力計(jì)算

單相水條件下,對(duì)于離心式、混流式和軸流式水泵,在滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的基礎(chǔ)上,實(shí)驗(yàn)泵和模型泵的水力性能也具有相似特征,學(xué)者們將其總結(jié)為水泵相似定律．其中,幾何相似是運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的前提．根據(jù)Moody圖,高Reynolds數(shù)區(qū)域處于阻力平方區(qū),在滿足幾何相似和速度相似的條件下,可認(rèn)為滿足黏性力相似．因此,通常在單相水泵的研究中,主要根據(jù)幾何與運(yùn)動(dòng)相似判斷流動(dòng)狀態(tài)的相似[25]．

與單相水條件不同,由于葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大的離心加速度和壓力梯度,在葉輪流道內(nèi)部容易發(fā)生氣液相分離,進(jìn)而表現(xiàn)出具有不同界面結(jié)構(gòu)的氣液流型．不同氣液流型對(duì)應(yīng)不同的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)．學(xué)者們通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉輪可視化實(shí)驗(yàn)揭示了葉輪內(nèi)部氣液流型轉(zhuǎn)變誘發(fā)的增壓惡化機(jī)制[9,26-27]．Matsushita等[16,28]研究發(fā)現(xiàn),處于相同氣液流型條件下離心泵的兩相揚(yáng)程存在相似規(guī)律．仿照單相條件,下文將給出不同轉(zhuǎn)速下滿足氣液兩相相似的混輸泵兩相揚(yáng)程計(jì)算方法．

在多級(jí)混輸泵內(nèi)部,由于對(duì)氣體壓縮作用顯著,氣相的可壓縮性不能忽略．通常將氣體假設(shè)為理想氣體．Hm為氣相等溫壓縮條件下混輸泵的氣液兩相揚(yáng)程,大小等于以氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為權(quán)重的氣相揚(yáng)程和液相揚(yáng)程之和:

(5)

仿照單相水泵,將混輸泵兩相流量Qm定義為當(dāng)?shù)貭顟B(tài)下的氣相體積流量與液相體積流量之和:

Qm=Qw+Qa．

(6)

由于氣體的可壓縮性,從多級(jí)混輸泵入口到出口,沿流動(dòng)方向氣相逐級(jí)壓縮明顯,氣相體積顯著變小,混輸泵進(jìn)出口的兩相流量存在較大差別．圖5為不同入口含氣率下,混輸泵兩相流量隨增壓級(jí)數(shù)的變化規(guī)律．當(dāng)增壓級(jí)數(shù)較低時(shí),兩相流量隨級(jí)數(shù)增大近似線性降低．因此,對(duì)于三級(jí)混輸泵,將兩相流量定義為混輸泵進(jìn)出口兩相流量的算數(shù)平均值Qm=(Qm1+Qm2)/2．根據(jù)混輸泵進(jìn)出口氣相和液相流量的質(zhì)量守恒,混輸泵進(jìn)出口兩相流量關(guān)系如下:

圖5 不同入口含氣率下,混輸泵兩相流量隨增壓級(jí)數(shù)的變化規(guī)律 圖6 變轉(zhuǎn)速條件三級(jí)混輸泵氣液兩相增壓相似的驗(yàn)證Fig.5 Variations of the 2-phase flow rate of the multiphase pump with the stage number under different inlet gas volume fractions Fig.6 Verification of similarity in gas-liquid pressurization under variable rotational speeds in a 3-stage multiphase pump

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對(duì)于三級(jí)多相混輸泵,在變轉(zhuǎn)速條件下含氣率分別為5%,10%,20%和30%,通過(guò)相似規(guī)律將兩相揚(yáng)程折算至設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速條件的結(jié)果,如圖6所示．Qm,nd和Hm,nd分別為折算至設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速條件下的兩相流量和兩相揚(yáng)程．不同轉(zhuǎn)速條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均能較好地遵循同一條曲線分布,符合兩相相似規(guī)律．因此,可以通過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速條件下的混輸泵氣液增壓特性計(jì)算其他轉(zhuǎn)速條件下的兩相揚(yáng)程,進(jìn)而獲得兩相增壓特性:

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2.3 高增壓級(jí)數(shù)流動(dòng)參數(shù)更新

為獲得更高增壓級(jí)數(shù)混輸泵的氣液兩相增壓,采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成三級(jí)增壓結(jié)構(gòu)的增壓預(yù)測(cè)后,需要進(jìn)行下一增壓?jiǎn)卧娜肟诹鲃?dòng)參數(shù)更新,以便進(jìn)行遞推計(jì)算．本文基于等溫壓縮假設(shè),對(duì)下一級(jí)增壓?jiǎn)卧娜肟趬毫腿肟诤瑲饴什捎萌缦鹿竭M(jìn)行更新計(jì)算:

Pin,Z+3=Pin,Z+ΔPm,

(10)

其中,Pin,Z+3為下一增壓?jiǎn)卧娜肟趬毫?Pa;Pin,Z為當(dāng)前增壓?jiǎn)卧?三級(jí)結(jié)構(gòu))的入口壓力,Pa;ΔPm為當(dāng)前增壓?jiǎn)卧臍庖簝上嘣鰤?Pa;Z表示增壓級(jí)數(shù)．

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其中,λ為混輸泵入口含氣率;Pin為混輸泵入口壓力,Pa;λZ+3為下一增壓?jiǎn)卧娜肟诤瑲饴剩?/p>

對(duì)多級(jí)混輸泵在變轉(zhuǎn)速條件下,氣液兩相增壓特性預(yù)測(cè)的基本算法進(jìn)行總結(jié),如圖7所示．首先,輸入混輸泵入口流動(dòng)條件(λ,Pin,Qw,n0,Z0),即入口含氣率、入口壓力、液相流量、轉(zhuǎn)速和目標(biāo)增壓級(jí)數(shù)．對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行判定,并將兩相流量折算至設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速條件．對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行無(wú)量綱歸一化處理．將無(wú)量綱參數(shù)輸入到已經(jīng)完成訓(xùn)練的三級(jí)混輸泵氣液增壓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,獲得以三級(jí)結(jié)構(gòu)為單元的氣液增壓特性．隨后,進(jìn)行轉(zhuǎn)速判定,并依據(jù)兩相相似規(guī)律將兩相增壓折算至原轉(zhuǎn)速條件．下一步進(jìn)行增壓級(jí)數(shù)判斷,若當(dāng)前增壓級(jí)數(shù)不低于目標(biāo)級(jí)數(shù),則需要對(duì)中間級(jí)進(jìn)行插值計(jì)算,并對(duì)所有增壓級(jí)求和,最后輸出總體氣液增壓結(jié)果．若當(dāng)前級(jí)數(shù)低于目標(biāo)級(jí)數(shù),則需要進(jìn)行下一增壓?jiǎn)卧獨(dú)庖涸鰤禾匦杂?jì)算．基于等溫壓縮假設(shè)計(jì)算,并更新下一增壓?jiǎn)卧募?jí)間入口壓力、級(jí)間入口含氣率與增壓級(jí)數(shù)．將更新結(jié)果重新輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算下一單元的氣液增壓．不斷循環(huán)向下游計(jì)算,直至增壓級(jí)數(shù)不低于目標(biāo)級(jí)數(shù),通過(guò)中間級(jí)插值,并對(duì)所有增壓級(jí)求和,輸出混輸泵總體氣液增壓．

圖7 變轉(zhuǎn)速多級(jí)混輸泵氣液增壓預(yù)測(cè)算法流程Fig.7 The flow chart of the gas-liquid pressurization prediction algorithm for multistage multiphase pumps under variable speeds

3 預(yù)測(cè)結(jié)果與討論

采用本文提出的混輸泵氣液增壓特性預(yù)測(cè)方法,對(duì)不同轉(zhuǎn)速條件下的三級(jí)多相混輸泵氣液增壓特性的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,轉(zhuǎn)速條件分別為2 500 r·min-1,3 000 r·min-1和3 500 r·min-1．為減少構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中對(duì)訓(xùn)練樣本選擇的主觀性,隨機(jī)選取設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速3 500 r·min-1條件下的實(shí)驗(yàn)樣本構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),用于其他轉(zhuǎn)速條件下的增壓預(yù)測(cè)．重復(fù)測(cè)試100次,獲得混輸泵入口含氣率間隔為0.05,并得到三級(jí)混輸泵氣液兩相增壓的平均值和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差,如圖8所示．圖中實(shí)線代表采用樣條曲線光順后獲得的不同轉(zhuǎn)速下,混輸泵氣液增壓實(shí)驗(yàn)性能曲線．從圖中可以看出,不同轉(zhuǎn)速下的三級(jí)混輸泵氣液增壓預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)曲線吻合度較好．當(dāng)發(fā)生明顯增壓惡化,在混輸泵氣液增壓快速下降的位置,由于樣本點(diǎn)相對(duì)稀疏導(dǎo)致預(yù)測(cè)誤差偏大．

圖8 不同轉(zhuǎn)速下,三級(jí)混輸泵氣液增壓預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值比較 圖9 不同增壓級(jí)數(shù)混輸泵氣液兩相增壓預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值比較Fig.8 Comparison between the predicted and experimental values of gas-liquid pressurization performance of the 3-stage multiphase pump at different rotational speeds Fig.9 Comparison between the predicted and experimental values of gas-liquid pressurization performance of multiphase pumps with different stages

下面將分析不同增壓級(jí)數(shù)條件下,混輸泵氣液兩相增壓預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的差別．同樣重復(fù)測(cè)試100次,獲得混輸泵入口含氣率間隔為0.05,不同級(jí)數(shù)混輸泵氣液兩相增壓的平均值和對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差,如圖9所示．不同級(jí)數(shù)混輸泵氣液增壓的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)曲線吻合度較好．隨增壓級(jí)數(shù)增大(3～21級(jí)),混輸泵發(fā)生明顯增壓惡化的含氣率逐漸增大．與三級(jí)混輸泵類似,當(dāng)氣液增壓發(fā)生明顯惡化時(shí),對(duì)應(yīng)的氣液兩相增壓預(yù)測(cè)誤差逐漸增大．另外,預(yù)測(cè)誤差隨增壓級(jí)數(shù)增大,表現(xiàn)出誤差逐級(jí)增大的特點(diǎn)．因此,低增壓級(jí)數(shù)混輸泵性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是提升高增壓級(jí)數(shù)混輸泵預(yù)測(cè)精度的前提．

最后,綜合對(duì)不同增壓級(jí)數(shù)和轉(zhuǎn)速條件的混輸泵氣液增壓特性預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析．液相流量范圍為14～26 m3·h-1,入口含氣率為0%～44.0%,轉(zhuǎn)速分別為2 500 r·min-1,3 000 r·min-1和3 500 r·min-1的多級(jí)混輸泵實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣本數(shù)量為38,46和57．采用本文提出的預(yù)測(cè)方法獲得的多級(jí)混輸泵氣液增壓預(yù)測(cè)相對(duì)誤差平均值如表2所示．隨增壓級(jí)數(shù)增加,由于計(jì)算中對(duì)增壓?jiǎn)卧獌上嘣鰤旱闹鸺?jí)疊加,導(dǎo)致誤差放大．采用本文的預(yù)測(cè)方法對(duì)不同增壓級(jí)數(shù)和轉(zhuǎn)速條件混輸泵氣液增壓預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差在15%以內(nèi)．

表2 不同轉(zhuǎn)速和增壓級(jí)數(shù)混輸泵氣液增壓平均預(yù)測(cè)相對(duì)誤差Table 2 The average relative errors for predicting gas-liquid pressurization performances of multiphase pumps with different stages under variable rotational speeds

4 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)高增壓級(jí)數(shù)多相混輸泵在變轉(zhuǎn)速條件氣液增壓特性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),本文搭建了工業(yè)參數(shù)級(jí)多相混輸氣液增壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)級(jí)間布置壓力壓差傳感器,實(shí)驗(yàn)獲得了25級(jí)離心式混輸泵在不同轉(zhuǎn)速和氣液流量下的氣液增壓特性．提出了適用于高增壓級(jí)數(shù)、變轉(zhuǎn)速條件的混輸泵氣液增壓預(yù)測(cè)方法．構(gòu)建了定轉(zhuǎn)速、低增壓級(jí)數(shù)混輸泵氣液增壓人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)．采用相似規(guī)律將變轉(zhuǎn)速條件的氣液增壓轉(zhuǎn)換至設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速條件．對(duì)多級(jí)混輸泵劃分增壓?jiǎn)卧?考慮氣相可壓縮性進(jìn)行流動(dòng)參數(shù)更新,實(shí)現(xiàn)了變轉(zhuǎn)速、高級(jí)數(shù)混輸泵氣液增壓的預(yù)測(cè)．氣液增壓預(yù)測(cè)誤差在發(fā)生明顯增壓惡化的位置達(dá)到最大,并隨級(jí)數(shù)增大逐級(jí)增大．低級(jí)數(shù)混輸泵增壓的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是提升高級(jí)數(shù)混輸泵預(yù)測(cè)精度的前提．對(duì)不同增壓級(jí)數(shù)(3～25級(jí))和轉(zhuǎn)速條件(2 500～3 500 r·min-1)混輸泵氣液增壓預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差在15%以內(nèi)．該方法可以為其他類型混輸泵的氣液增壓預(yù)測(cè)提供參考,能夠指導(dǎo)油氣輸運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算確定混輸增壓級(jí)數(shù),為評(píng)估和調(diào)控油氣生產(chǎn)提供依據(jù)．