基于長(zhǎng)喉頸文丘里管的濕氣測(cè)量綜述

◇長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 李其兵 陳 濤 上官楊沁 張 有 張興凱

隨著油氣工業(yè)的發(fā)展，對(duì)氣液兩相流的測(cè)量技術(shù)的要求越來越高，濕氣測(cè)量的理論和技術(shù)不斷更新。本文重點(diǎn)介紹了文丘里流量計(jì)的發(fā)展和基于文丘里流量計(jì)的修正模型，基于長(zhǎng)喉頸文丘里管的濕氣測(cè)量原理。

1 概述

濕氣是一種特殊的高含氣率氣液兩相流普遍存在于油氣工業(yè)中。一般來說，干氣是經(jīng)過脫水、凈化和輕烴回收工藝的天然氣，這類天然氣滿足商品氣或管輸氣要求；而濕氣是持液率較高的一類天然氣，由于該類天然氣未經(jīng)脫水脫烴處理，所以多含有少量凝析水或油、飽和水蒸氣及輕烴類。目前濕氣國(guó)際上沒有統(tǒng)一的定義，ISO/TR11583[1]將氣液兩相流中氣相體積分?jǐn)?shù)大于等于95%的定義為濕氣。

濕氣的流型復(fù)雜多變，體現(xiàn)了流體在管道中的分布形式，是影響其壓力損失和傳熱特性的重要因素。濕氣流型受流體介質(zhì)本身粘度、傳熱特性、密度等多種因素影響。

濕氣在水平管道中流型主要為層狀流、波浪流與環(huán)狀流，在垂直管道中主要分為霧狀流、液束環(huán)狀流與環(huán)狀流。《多相流計(jì)量手冊(cè)》提供了氣液兩相流在水平管和垂直管中的流型圖，如圖1、圖2所示。

圖1 水平管兩相流流型圖

圖2 垂直管兩相流流型圖

一般認(rèn)為濕氣是一種氣相連續(xù)，液相離散的氣液兩相流[2]。與其他兩相流型相比，濕氣具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，流量脈動(dòng)小等特點(diǎn)，但一些大液滴會(huì)在運(yùn)輸沉積在管道壁面上，形成連續(xù)的環(huán)狀液膜，這是因?yàn)殡S著液相質(zhì)量含率的增加，液滴受到氣體表面張力和自身重力而附著在管壁上。

濕氣測(cè)量是為了獲得較準(zhǔn)確的氣相流量、含水率等信息從而提高采收率。目前常用的測(cè)量技術(shù)大體上分為氣液分離和氣液不分離。分離測(cè)量是將濕氣在氣液分離器中分離，形成較分散均勻的霧狀流后再應(yīng)用單相流量計(jì)計(jì)量，這種技術(shù)簡(jiǎn)單可靠，流型變化等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果影響小，但分離設(shè)施體積大，成本費(fèi)用高，自動(dòng)化程度低；不分離測(cè)量是將濕氣直接通過單相氣體流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，不計(jì)量液體流量，然后利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正或者同時(shí)采用兩種傳感器相組合的方法測(cè)量濕氣流量和相含率，實(shí)現(xiàn)氣液在線不分離測(cè)量。因?yàn)樵摲椒ǔ杀据^低，體積較小，結(jié)構(gòu)較為緊湊，可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量，是目前濕氣流量計(jì)量與測(cè)量方法的研究方向。

2001年，王棟、林宗虎[3]等提出的分相分流法是將一定量的氣體和液體按比例地分流出，經(jīng)單相流量計(jì)測(cè)量后，按比例關(guān)系確定氣液兩相流的流量。該方法避免了流動(dòng)不穩(wěn)定性和流型變化對(duì)測(cè)量參數(shù)的影響，提高了測(cè)量精度，與分離法相比，減少了設(shè)備體積，節(jié)約了成本；與非分離法相比，原理簡(jiǎn)單易用，但取樣部分的氣液比是否與原始流量比一致，取樣比是否受流型和流量波動(dòng)的影響，尚需進(jìn)一步研究[4]。

2 文丘里流量計(jì)濕氣測(cè)量的發(fā)展

文丘里流量計(jì)由于壓力損失小、在各種兩相流型下工作穩(wěn)定、對(duì)濕氣中液相含率敏感性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于濕天然氣的測(cè)量。

2008年，Lide FANG等[5]通過對(duì)水平安裝的文丘里管在低壓濕氣測(cè)量中的性能的研究，發(fā)現(xiàn)虛高值與 L-M參數(shù)和氣相弗勞德數(shù)呈正相關(guān)，與直徑比、壓力和兩相質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)文丘里管的直徑比為0.55時(shí)測(cè)量的虛高值最小。

2012年，張強(qiáng)[6]提出了一種基于長(zhǎng)喉頸文丘里管的測(cè)量方法，引入一個(gè)無量綱的測(cè)量參數(shù)K—文丘里管收縮段與擴(kuò)張段壓差之比，建立氣液密度比、Froude數(shù)、測(cè)量參數(shù)K、文丘里管液氣質(zhì)量流量比和收縮段虛高的函數(shù)模型，再利用迭代算法計(jì)算濕氣中兩相流量的相關(guān)參數(shù)。

2012 年，Denghui He，Bofeng Bai[7]基于文丘里管研究了5種湍流模型，結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，通過實(shí)驗(yàn)研究液相分布及其對(duì)速度場(chǎng)和壓力分布的影響發(fā)現(xiàn)液體聚集在文丘里管的收斂段，形成環(huán)形液體射流，并提出為了減少這些因素對(duì)濕氣虛高的不利影響應(yīng)延長(zhǎng)文丘里管喉部長(zhǎng)度并減小收斂角。

2018年，田季[8]將差壓測(cè)量方法與近紅外光譜技術(shù)相結(jié)合，提出了一種新的結(jié)構(gòu)，即在長(zhǎng)喉文丘里管的喉部位置布置近紅外系統(tǒng)，以此提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，可以計(jì)算流體力學(xué)研究流體流動(dòng)特征，采用多相流模擬軟件和以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式進(jìn)行計(jì)量，具有一定的適用范圍。DenghuiHe等[9]利用軟件Fluent模擬文丘里內(nèi)多相流流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)隨著液相體積分?jǐn)?shù)增加，多相流壓力在喉部區(qū)域的壓力下降得越快。Perumal等[10]利用軟件研究文丘里管的幾何規(guī)格對(duì)其虛高的影響，發(fā)現(xiàn)測(cè)量的虛高值與直徑比呈負(fù)相關(guān)，流出系數(shù)收縮角和管徑的影響較大。

3 基于文丘里流量計(jì)的修正模型

實(shí)踐表明，當(dāng)差壓流量計(jì)用來測(cè)量濕氣流時(shí)，流體通過流量計(jì)會(huì)造成氣液界面能量損失，所以測(cè)量的壓差總是高于氣相單獨(dú)流過時(shí)的壓差。復(fù)雜的氣液兩相流動(dòng)使得在簡(jiǎn)單均相流動(dòng)模型和分相流動(dòng)模型推導(dǎo)出計(jì)算式存在較大的誤差，因此一般通過不同角度進(jìn)行公式修正。以下介紹基于文丘里管測(cè)量流量時(shí)比較幾種常用的修正公式。

1994年，De Leeuw[11]建立了基于文丘里管的濕氣測(cè)量模型。并指出氣體流量預(yù)測(cè)時(shí)由于存在少量液相而引起的誤差與壓力、L-M參數(shù)、氣體弗勞德數(shù)相關(guān)。該測(cè)量模型將Chisholm模型中常數(shù) 1/4用參數(shù)n取代，且n只與氣體弗勞德數(shù)Frg呈函數(shù)關(guān)系。

2002年，R.N.Steven[12]通過對(duì)水平安裝的文丘里管內(nèi)濕天然氣的測(cè)量特性的實(shí)驗(yàn)研究，利用TableCurv 3D軟件對(duì)NEL數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。發(fā)現(xiàn)虛高值與L-M參數(shù)、氣相流量和壓力等因素相關(guān)，經(jīng)過分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了新的測(cè)量模型。

2008年，F(xiàn)ang Lide等[13]提出了一種基于文丘里管濕氣測(cè)量模型（H-S模型），新模型是在均相流和分相流理論的基礎(chǔ)上建立的，分析了兩相流動(dòng)狀態(tài)下的文丘里管的加速壓降和摩阻壓降，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新模型的有效性，使得預(yù)測(cè)誤差在±6.5%以內(nèi)。

2012年，F(xiàn)ang Lide等[14]將文丘里管和U型管組成組合測(cè)量濕氣，發(fā)現(xiàn)這種對(duì)稱文丘里管可以使測(cè)量結(jié)果在一定程度上克服摩阻壓降的影響。在低壓多相流管路中進(jìn)行了關(guān)于壓力、氣相弗勞德數(shù)Frg、L-M參數(shù)對(duì)測(cè)量虛高影響的實(shí)驗(yàn)，分析對(duì)比現(xiàn)有的8種流量預(yù)測(cè)模型，并利用信息融合技術(shù)將得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，構(gòu)建新的測(cè)量模型。

4 差壓式長(zhǎng)喉頸文丘里管濕氣測(cè)量原理

利用差壓法測(cè)流量，當(dāng)流量不變時(shí)，由連續(xù)性方程可得流通面積變小，流速變大，如果其他條件也不變，則壓力變小，因此通過壓差來測(cè)量流量。

由于實(shí)際所需要測(cè)量的濕天然氣并不是單相流體，而是一種氣液兩相流體，因此與單相流相比，氣液兩相流動(dòng)中氣相與液相之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生額外的壓能損失，根據(jù)上述公式分析可知，這將導(dǎo)致測(cè)量值比實(shí)際值偏高。所以應(yīng)該設(shè)置一個(gè)數(shù)來修正實(shí)際工作時(shí)的測(cè)量值以提高測(cè)量精度，令

事實(shí)上，對(duì)長(zhǎng)喉徑文丘里管測(cè)量模型（圖3）進(jìn)行分析，當(dāng)濕天然氣流過時(shí)，由于流體與管壁之間摩擦損失很小，可忽略不計(jì)，此時(shí)由伯努利方程可得：

圖3 長(zhǎng)喉頸文丘里管測(cè)量模型