[发明专利]一种往复式混输泵排出流率的混合建模与预测方法

说明书

本发明公开了一种往复式混输泵排出流率的混合建模与预测方法。它包括以下步骤：(1)建立频变油气混输工况下，往复式混输泵一个泵腔排出流率高斯过程回归GPR经验模型；(2)建立泵腔排出流率曲线的阶段识别方法；(3)基于过程特性信息，分阶段对GPR预测结果进行优化；(4)基于全局和加权GPR组合模型，对方差变化较大阶段的预测结果进行优化；(5)合并步骤(3)和(4)的结果，得到泵腔的排出流率曲线；(6)利用往复式泵各个泵腔的流率表达式，分段加和得到泵的总排出流率，实现对一个输入样本集的在线预测。本发明提出的集成GPR预测不确定度和过程特性信息分阶段混合建模方法，可实现对混输工况下往复式混输泵排出流率的建模和预测。

技术领域

本发明涉及多相混输泵设计阶段重要参数建模和预测方法的技术领域，特别涉及一种适合复杂频变油气混输工况下的往复式混输泵排出流率的混合建模与预测方法。

背景技术

往复式混输泵具有内压缩和抗气阻性能，能有效增加石油开采过程中油和天然气的产量。该泵借助活塞和进出口阀的运动，实现流量配置。理想情况下，活塞和阀的周期运动，使得泵一个冲程的排出流率曲线呈有规律的变化，引发可知的流量脉动。实际混输工况下，泵处于油、气、水等多相混合物变比例并存的输送状态，产生的非均相流频变冲击载荷，会迫使进出口阀产生偏移、撞击和悬浮等运动，导致阀的开启和关闭滞后现象，引发回流。同时，由于气体的可压缩性，输送介质在排出阀的开启瞬间迅速涌出并达到峰值。流量排出过程中的回流和峰值现象会加剧流量脉动，导致压力波动，诱发噪声、振动，降低泵效。由于混输工况的复杂性，不同工况下，泵的排出流率曲线呈现不同、未知的非线性特性。因此，研究往复式泵一个冲程的排出流率特性与复杂的油气混输工况间相互作用机制，对指导混输泵工程设计，确保其稳定运行具有重要意义。

近二十年，国内外学者基于机理模型、实验方法和计算流体力学(CFD)仿真技术对混输泵的流量特性进行了研究。大多数机理模型都基于质量和能量守恒提出。然而，即使不考虑泄漏和能量损失，频变而复杂的热动力特性，也使得描述混输泵的机理模型较为复杂。同时，模型中瞬时压力和温度、流量系数等参数均难以获得，限制了其工程应用。作为一种新近使用的混输泵型，往复式混输泵的机理模型同样复杂，也鲜有关于其流量特性的机理模型。

鉴于机理模型研究的难度，国内外学者也希望通过实验方法对油气混输泵流量特性进行研究。然而，多相流计的测量范围受含气率、含油率、含水率、粘度、盐度等影响，必须掌握流体的介电常数、质量吸收系数等特性，才能比较精确地计量。因而，市面上为数不多的多相流计产品存在造价昂贵、测量滞后等局限，限制了基于实验方法对混输泵流量特性的深入研究。

CFD模型以其处理复杂流动计算的优势，被广泛用以解决气固、液固多相流等工程问题。近几年，学者也利用CFD建模工具，集中对螺杆式、叶片式、齿轮式混输泵的内部流场进行了分析。然而，关于往复式油气混输泵的研究报道却很少。张生昌等假设泵吸入过程、排出过程压力不变，结合组合阀的开启力平衡方程和油气两相绝热内压缩过程，推导了三缸双作用油气混输泵输入功率的计算式；不考虑任何容积损失，得到了几种混输工况下泵的瞬时流量，并对其流量脉动特性进行了研究。然而，上述对混输泵的研究大都未考虑泵的泄漏和能量损失，且将泵内流型减化为均相流，不足以描述混输泵内多相混合物变比例并存产生的复杂流状态。除此之外，网格的划分，多相流和湍流模型的选择，用户自定义函数等CFD建模过程，都高度依赖研究和设计者的经验。因此，有必要建立一种通用性较强，准确度较高的混输泵排出流率模型以适应复杂频变的油气混输工况。

近几年，高斯过程回归(GPR)模型以不需要实质性的了解复杂的内部现象，不需要过多的依赖设计者的经验，且能同时为预测值提供预测的不确定度信息等优点，已被用于预测非线性工业过程中有较大测量滞后的变量。这些优势可同时解决上述机理、实验和CFD建模的难题，为多相混输泵排出流率的建模和预测提供一种新方法。