Over-reading Solution for Wet Gas Flow Metering with Differential Pressure Meters. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis - Abdulaziz Alkhurayef.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 22 December 2026. Download (9MB)

Arabic Abstract

يُعدُّ تدفُّق الغاز الرطب ظاهرة شائعة في العديد من العمليات الصناعية، لا سيّما في صناعات الطاقة، ويُعدُّ القياس الدقيق والموثوق لهذه التدفقات أمرًا محوريًّا لضمان كفاءة التشغيل وإدارةِ العمليّات. تُستخدم أجهزة قياس الضغط التفاضُلي على نطاق واسع لهذا الغرض؛ نظرًا لانخفاض تكلفتها وبساطة تصميمها، كما يُعَدُّ مقياس أنبوب فينتوري النوع الأكثر استعمالًا من مقاييس الضغط التفاضُلي في الوقت الراهن؛ لما يمتاز به من الكفاءة والمتانة، غير أنَّ رطوبة الغاز الناتجة عن وجود قَدرٍ يسير من السائل في الغاز المتدفِّق تؤثر سلبًا على دقة هذه المقاييس من خلال تأثيرها على الضغط التفاضُلي المُقاس، مما يؤدّي إلى زيادة في القراءة المُقاسة عن مقدار التدفق الحقيقي للغاز؛ لذلك تم تطوير العديد من العلاقات للتنبؤ بمقدار هذه الزيادة للتمَكُّن من تصحيح هذا الخطأ. تستعرض هذه الدراسة تلك العلاقات بصورة تفصيلية، مع مناقشة أبرز العوامل المؤثرة في سلوك ومقدار الزيادة في القراءة، كما تُجري تقييمًا لعددٍ مختارٍ من هذه العلاقات لاختبار قُدرَتِها في تقدير قيمة القراءة الزائدة عند استعمال مقاييس فينتوري المُركَّبة أفقيًّا تحت ظروف تشغيلية مختلفة، وذلك بالاعتماد على بيانات تجريبية تم جَمعُها من سبع دراساتٍ مختلفة، وقد ركّز التقييم على اختبار مدى دقة هذه العلاقات، كما تم تحليل سلوك وطبيعة أخطائها، حيث أظهرت النتائج أن علاقة ريدر-هاريس وجراهام، المُتبنَّاة من قبل تقرير منظمة الآيزو (ISO/TR 11583:2012)، توفّر الأداء الأكثر دقة وموثوقية ضمن نطاق الظروف التشغيلية التي شملتها البيانات. وتتوسع الدراسة بعد ذلك في تحليل صِيَغٍ بديلةٍ لهذه العلاقة، كان قد سبق اقتراحها في الأدبيات نظرًا لكون هذه العلاقة تشتمل على عددٍ كبير نسبيًّا من مَعْلَمات التوفيق، وقد تبيَّن من خلال هذا التحليل أنه من الممكن أن يتم تقليل عدد المَعْلَمات في هذه العلاقة دون التأثير على دقَّتها. وعلى هذا الأساس، تم تحديد صيغتين مُبسَّطتين بوصفهما خيارين محتملين يستحقان مزيدًا من الدراسة والتحقق. وأخيرًا، تقدِّمُ الدراسة طريقةً جديدة لتصحيحِ خطأ القياس الناتج عن القراءة الزائدة، وهي طريقة تمَّ تطويرها باستخدام نَهْج النَّمذجةِ الهجينة، وقد تم بناء النموذج الهجين من خلال دمج نموذج فيزيائي، وهو نموذج التدفُّق المُتجانس، مع نموذج تعلم آلة تمَّ تدريبه ليتنبأَ بالبواقي بين القيم المُقدّرة من قبل النموذج الفيزيائي والقيم الفعلية لمقدار القراءة الزائدة. وقد حسّن النموذج الهجين الدقة التقديرية بنسبة 81% مقارنة بالنموذج الفيزيائي، كما تفوَّق على العلاقات التقليدية بما في ذلك علاقة ريدر-هاريس وجراهام. وتشير هذه النتائج إلى أن النهج المقترح يمثِّل حلًّا عَمَليًّا واعِدًا يُمكن تعميمه على أنواعٍ أخرى من أجهزة قياس الضغط التفاضُلي، بما يُسهِم في تحسينِ قياس تدفُّقِ الغاز الرطب في التطبيقات الصناعية المختلفة.

English Abstract

Wet gas flow is a common occurrence across various industrial processes, particularly in energy-related industries. Accurate and reliable measurement of such flows is essential for efficient monitoring and process management. Differential pressure meters are widely utilized in wet gas flow measurement applications for their low cost and simple construction, with Venturi meters being the most preferred for their flexibility and robustness. However, the presence of a small amount of liquid in the flow causes these meters to over-read the actual gas flow rate value. Therefore, several wet gas flow correlations have been developed to correct for this over-reading error. This study extensively discusses these correlations and the major factors influencing over-reading, and then evaluates selected correlations in predicting the over-reading error of horizontally mounted Venturi meters, using a database compiled from seven experimental datasets. The evaluation focused on assessing predictive accuracy and analysing error behaviour, and revealed that the ISO/TR 11583:2012 correlation provide the most reliable performance across the covered conditions. The study also extends to analyse alternative forms of the ISO/TR correlation, which have been proposed in literature, demonstrating that a reduction in the number of fitting parameters can be achieved without compromising accuracy. Two simplified form variants were identified as potential candidates for further validation; their fitting parameters were also fitted to the compiled data and reported. Finally, the study presents a new correction method developed using hybrid modelling approach, based on the delta model design pattern. The hybrid model was constructed by combining a physical base model, the homogeneous flow model, with a machine learning model trained on the residuals between the base model and the actual over-reading measurements. The hybrid model effectively improved the accuracy of the base model predictions by 81% and eliminated its systematic bias. It also provided substantially more accurate predictions compared to conventional correlations, including the ISO/TR correlation. This approach represents a potential method for other differential pressure meter types as well, offering a practical solution for wet gas flow measurement.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Physics Mechanical Petroleum Petroleum > Fluid Separation and Processing
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al-Sarkhi, Abdelsalam
Committee Members:	Gajbhiye, Rahul and Alshehri, Ali
Depositing User:	ABDULAZIZ ALKHURAYEF (g202302750)
Date Deposited:	23 Dec 2025 07:18
Last Modified:	23 Dec 2025 07:18
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143833