文丘里管內(nèi)濕天然氣流動特性研究進(jìn)展

樊文娟，彭 穎

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依 834000）

1 實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

2002 年，R.N. Steven[1]在NEL 對水平安裝的文丘里管內(nèi)濕天然氣的測量特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明文丘里管在測量濕氣時(shí)會產(chǎn)生虛高，虛高值與LM 參數(shù)X、氣相流量和壓力等相關(guān)。經(jīng)過對7 種濕氣測量模型的對比得出文丘里管用于測量濕氣時(shí)De Leeuw 模型的性能最好，而一些針對孔板流量計(jì)建立的測量模型不能應(yīng)用于文丘里管 最后利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了新的文丘里管濕氣測量虛高模型。

2005 年Huang et al.[5]利用組合的電阻層析技術(shù)和文丘里管研究了流型對油氣兩相流測量的影響，并比較了5 種流量預(yù)測模型的性能，發(fā)現(xiàn)均相流模型受流型的不利影響。

2007 年Lupeau et al.[5]研究了上游環(huán)狀液膜對文丘里管壓降的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)LM 參數(shù)相同時(shí)，液膜特性對修正因子有很大影響，并指出由于濕氣測量模型中沒有考慮兩相流動的特性，所以模型的精確度不是足夠高。

2008 年Lide FANG，Tao ZHANG[7]在天津大學(xué)多相流低壓濕氣實(shí)驗(yàn)設(shè)備中研究了水平安裝的文丘里管在低壓濕氣測量中的性能，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了LM參數(shù)、氣體弗勞德數(shù)、壓力、直徑比和氣液相質(zhì)量流量之比對文丘里管的影響。結(jié)果表明測量虛高隨著LM參數(shù)和氣相弗勞德數(shù)的增大而增大，虛高隨著壓力、直徑比和氣液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比的增大而減小。同時(shí)，直徑比β=0.55 時(shí)，測量虛高值最小，而具體的原因還需要進(jìn)一步的研究。經(jīng)過對常用濕氣測量模型的對比發(fā)現(xiàn)均相流模型的性能最好，De Leeuw 模型次之，Steven 模型位于第三位，并指出新模型的建立應(yīng)該結(jié)合均相流理論和分相流理論。

2012 年，F(xiàn)ang Lide et al.[12]利用文丘里管和U 型管組成的對稱文丘里管測量濕氣，根據(jù)流體力學(xué)基本方程，對稱文丘里管摩阻壓降對流量測量的影響可以減小，并在低壓多相流回路中進(jìn)行了新的實(shí)驗(yàn)。分析了LM 參數(shù)、壓力、氣相弗勞德數(shù)對測量虛高影響，并在該工況下利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對現(xiàn)有的8 種測量模型進(jìn)行對比，結(jié)合理論分析和對比結(jié)果采用信息融合技術(shù)建立新的測量模型并擬合模型參數(shù)，且通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 機(jī)理模型研究進(jìn)展

用差壓式節(jié)流裝置單相流計(jì)算式計(jì)算流過文丘里管的氣相質(zhì)量流量時(shí)，所得的值會比實(shí)際流量“虛高”，只要能找出這個(gè)虛高值，單相計(jì)算式就可用于計(jì)算多相流量。因此，文丘里管濕氣數(shù)學(xué)模型實(shí)質(zhì)上就成了虛高模型。

1962 年，Murdock[2]使用管徑為63.4 mm 直徑比為0.5 的孔板流量計(jì)在實(shí)驗(yàn)壓力為0.1 MPa～4 MPa，干度為0.11～0.98 條件下進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。通過假設(shè)兩相流為分相流，用大量的常規(guī)氣液兩相流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了濕氣測量半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

1975 年，R. V. Smith 和J. T. Leang 基于孔板流量計(jì)在考慮了濕氣流動中液相對氣相的阻塞作用后，通過對文丘里管引入“阻塞系數(shù)”作為修正因子，進(jìn)而提出了阻塞系數(shù)濕氣測量修正模型。阻塞系數(shù)是液相局部阻塞所占據(jù)的管道面積，且僅是干度x 的函數(shù)。

1977 年，Chisholm 針對管徑為51 mm 直徑比為0.4～0.9 的孔板流量計(jì)提出了蒸汽-水常規(guī)兩相流的測量模型，隨后又針對高質(zhì)量兩相流（X≤1）對模型做出改進(jìn)。該模型假設(shè)流型為分層流，考慮了相間剪應(yīng)力的作用。

1979 年，林宗虎通過對管徑為8 mm～75 mm 直徑比為0.25～0.75 的孔板流量計(jì)在不同氣液密度比下使用蒸汽-水兩相流進(jìn)行了大量試驗(yàn)，并綜合了Lavagno、Bizon 等人的數(shù)據(jù)，建立了常規(guī)兩相流測量模型。同時(shí)得出“Murdock 模型中的常數(shù)1.26 是與氣液密度比有關(guān)的變量，且當(dāng)ρg/ρl≥0.382 時(shí)趨于1”的結(jié)論。

1994 年，De Leeuw[3]提出了第一個(gè)專門針對文丘里管而建立的濕氣測量模型，其所使用的文丘里管管徑為1 524 mm、直徑比為0.4，流體介質(zhì)為氮?dú)?柴油。指出氣體流量預(yù)測時(shí)由于液相存在而引起的誤差不僅和壓力、L-M 參數(shù)相關(guān)，還和氣體弗勞德數(shù)相關(guān)。De Leeuw 用參數(shù)n 代替了Chisholm 模型中常數(shù)1/4，且參數(shù)n 僅是氣體弗勞德數(shù)Frg的函數(shù)。

2003 年，M. van Werven and H. R. E. van Maanen[8]基于文丘里洗滌器內(nèi)的氣液環(huán)狀/分散流模型，提出了可以適用于濕氣環(huán)狀/分散流測量的改進(jìn)模型，該改進(jìn)的模型考慮了文丘里管喉部壓降、總壓力損失和壓力分布，并將模型預(yù)測結(jié)果和高壓濕氣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明該改進(jìn)模型的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的很好。

2008 年，F(xiàn)ang Lide 等[10]基于均相流和分相流理論提出一種新的文丘里管濕氣測量模型（H-S 模型）。該新模型考慮了兩相流動狀態(tài)下文丘里管的加速壓降和摩阻壓降，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新模型的有效性。該H-S模型繼承了均相流模型和分相流模型的優(yōu)勢，預(yù)測誤差在±6.5 %以內(nèi)。

2014 年，Denghui He，Bofeng Bai[11]基于兩相質(zhì)量流量系數(shù)提出一種新的文丘里管濕天然氣測量模型。該模型首先提出了文丘里管兩相質(zhì)量流量系數(shù)K，進(jìn)而得出K 和XLM、Frg、DR 之間的關(guān)系。然后基于兩相質(zhì)量流量系數(shù)提出經(jīng)典文丘里管濕氣測量模型。該新模型在置信水平為 時(shí)對氣相質(zhì)量流量預(yù)測的相對偏差為-2.0 %～3.0 %。為文丘里管濕天然氣的測量提供了一種新方法。

2015 年，Peining Yu，Ying Xu，and Tao Zhang[9]應(yīng)用兩相流體動力學(xué)理論研究了文丘里管內(nèi)氣液環(huán)狀流和分層流模型。該模型假設(shè)文丘里管橫截面處的靜壓值唯一，從而建立一維模型，對氣相壓降進(jìn)行分析。模型建立時(shí)求解了沿著文丘里管軸向的一維動量方程，并考慮了空隙率、兩相間的摩擦力和氣核中的夾帶率等因素。經(jīng)過和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測的相對誤差在±15 %以內(nèi)。

3 數(shù)值研究進(jìn)展

CFD 仿真是一種計(jì)算機(jī)仿真方法，可以預(yù)測2 維和3 維空間內(nèi)復(fù)雜的流體流動。

2012 年，Denghui He，Bofeng Bai[4]利用FLUENT 軟件采用DPM 模型對文丘里管內(nèi)濕天然氣流動進(jìn)行了數(shù)值研究，討論了液相分布、壓力分布及其對文丘里管濕氣測量虛高的影響，并利用NEL 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明液體在文丘里管的收縮段內(nèi)積聚形成環(huán)狀液體射流，當(dāng)液體分?jǐn)?shù)較大壓力較低時(shí)，液體射流更加明顯，導(dǎo)致虛高較大。與干氣相比，濕氣流動中的靜壓不穩(wěn)定且沿著喉部區(qū)域顯著下降，XLM越大，喉部壓力下降的越快。壓力的下降不利于文丘里管喉部區(qū)域壓力的測量。

2012 年，Ying Xu，Yi Zhao[6]使用FLUENT 軟件采用DPM 模型研究了標(biāo)準(zhǔn)文丘里管內(nèi)濕氣測量虛高的主要影響因素，并將仿真結(jié)果與NEL 實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。經(jīng)過對比，仿真虛高預(yù)測的最大相對誤差為5.14 %，平均相對誤差小于2.8 %。因此基于DPM 模型的濕氣仿真數(shù)值模型是一種高壓下標(biāo)準(zhǔn)文丘里管虛高預(yù)測的有效方法。

2013 年，Kumar Perumal[5]利用無反應(yīng)的組分輸運(yùn)模型模擬高壓下可壓縮濕氣流動，研究了文丘里管的幾何規(guī)格對流量計(jì)性能和濕氣預(yù)測模型的影響。結(jié)果表明隨著管徑的增加，直徑比對流出系數(shù)的影響降低，流出系數(shù)隨著收縮角的增大而減小。虛高值隨著直徑比的增大而減小，而收縮角對虛高值無影響。均相流模型和Steven 模型不受文丘里管幾何規(guī)格的影響。

2014 年，Perumal Kumar and Sim Mei San[13]利用ANSYS FLUENT 軟件在一系列參數(shù)下對三種不同收縮角（θ1=10.5，21，31.5）和擴(kuò)張角（θ2=7，10，15）的水平文丘里管濕氣流動進(jìn)行模擬，研究了文丘里管的收縮角和擴(kuò)張角對濕氣測量的影響。結(jié)果表明收縮角和擴(kuò)張角對壓差沒有影響。然而，擴(kuò)張角對測量虛高值有顯著影響，收縮角對流出系數(shù)有很大影響。文丘里管的幾何結(jié)構(gòu)不影響濕氣測量模型的預(yù)測值。

由于濕天然氣流動的復(fù)雜性，文丘里流量計(jì)測量濕氣時(shí)的虛高模型僅在一定的工況下才能使用，因此，必須對文丘里管內(nèi)濕天然氣流動特性進(jìn)行研究，以建立更準(zhǔn)確的濕氣測量模型。

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［4］ Denghui He，Bofeng Bai. Numerical investigation of wet gas flow in Venturi meter［J］.Flow Measurement and Instrumentation，2012，28（11）：1-6.

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［12］ Fang Lide，Pang Lili，Li Xiaoting et al. Wet Gas Flow Measurement Base on a Symmetrical Venturi Tube［J］.Advanced Science Letters，2012，12（1）：19-24.

［13］ Perumal Kumar，Sim Mei San. CFD Study of the Effect of Venturi Convergent and Divergent Angles on Low Pressure Wet Gas Metering［J］.Journal of Applied Sciences，2014，14（22）：3036-3045.