文丘里管內濕天然氣流動特性研究進展

樊文娟，彭 穎

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065；2.新疆油田公司風城油田作業區，新疆克拉瑪依 834000）

1 實驗研究進展

2002 年，R.N. Steven[1]在NEL 對水平安裝的文丘里管內濕天然氣的測量特性進行實驗研究。結果表明文丘里管在測量濕氣時會產生虛高，虛高值與LM 參數X、氣相流量和壓力等相關。經過對7 種濕氣測量模型的對比得出文丘里管用于測量濕氣時De Leeuw 模型的性能最好，而一些針對孔板流量計建立的測量模型不能應用于文丘里管 最后利用實驗數據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 種流量預測模型的性能，發現均相流模型受流型的不利影響。

2007 年Lupeau et al.[5]研究了上游環狀液膜對文丘里管壓降的影響。發現當LM 參數相同時，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]在天津大學多相流低壓濕氣實驗設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，并利用實驗數據分析了LM參數、氣體弗勞德數、壓力、直徑比和氣液相質量流量之比對文丘里管的影響。結果表明測量虛高隨著LM參數和氣相弗勞德數的增大而增大，虛高隨著壓力、直徑比和氣液相質量分數之比的增大而減小。同時，直徑比β=0.55 時，測量虛高值最小，而具體的原因還需要進一步的研究。經過對常用濕氣測量模型的對比發現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該結合均相流理論和分相流理論。

2012 年，Fang 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，根據流體力學基本方程，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行了新的實驗。分析了LM 參數、壓力、氣相弗勞德數對測量虛高影響，并在該工況下利用實驗數據對現有的8 種測量模型進行對比，結合理論分析和對比結果采用信息融合技術建立新的測量模型并擬合模型參數，且通過實驗進行驗證。

2 機理模型研究進展

用差壓式節流裝置單相流計算式計算流過文丘里管的氣相質量流量時，所得的值會比實際流量“虛高”，只要能找出這個虛高值，單相計算式就可用于計算多相流量。因此，文丘里管濕氣數學模型實質上就成了虛高模型。

1962 年，Murdock[2]使用管徑為63.4 mm 直徑比為0.5 的孔板流量計在實驗壓力為0.1 MPa～4 MPa，干度為0.11～0.98 條件下進行了大量的實驗。通過假設兩相流為分相流，用大量的常規氣液兩相流實驗數據建立了濕氣測量半經驗關系式。

1975 年，R. V. Smith 和J. T. Leang 基于孔板流量計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”作為修正因子，進而提出了阻塞系數濕氣測量修正模型。阻塞系數是液相局部阻塞所占據的管道面積，且僅是干度x 的函數。

1977 年，Chisholm 針對管徑為51 mm 直徑比為0.4～0.9 的孔板流量計提出了蒸汽-水常規兩相流的測量模型，隨后又針對高質量兩相流（X≤1）對模型做出改進。該模型假設流型為分層流，考慮了相間剪應力的作用。

1979 年，林宗虎通過對管徑為8 mm～75 mm 直徑比為0.25～0.75 的孔板流量計在不同氣液密度比下使用蒸汽-水兩相流進行了大量試驗，并綜合了Lavagno、Bizon 等人的數據，建立了常規兩相流測量模型。同時得出“Murdock 模型中的常數1.26 是與氣液密度比有關的變量，且當ρg/ρl≥0.382 時趨于1”的結論。

1994 年，De Leeuw[3]提出了第一個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，流體介質為氮氣-柴油。指出氣體流量預測時由于液相存在而引起的誤差不僅和壓力、L-M 參數相關，還和氣體弗勞德數相關。De Leeuw 用參數n 代替了Chisholm 模型中常數1/4，且參數n 僅是氣體弗勞德數Frg的函數。

2003 年，M. van Werven and H. R. E. van Maanen[8]基于文丘里洗滌器內的氣液環狀/分散流模型，提出了可以適用于濕氣環狀/分散流測量的改進模型，該改進的模型考慮了文丘里管喉部壓降、總壓力損失和壓力分布，并將模型預測結果和高壓濕氣的實驗數據進行了對比。結果表明該改進模型的預測值和實驗數據吻合的很好。

2008 年，Fang 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下文丘里管的加速壓降和摩阻壓降，并通過實驗驗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勢，預測誤差在±6.5 %以內。

2014 年，Denghui He，Bofeng Bai[11]基于兩相質量流量系數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量流量系數K，進而得出K 和XLM、Frg、DR 之間的關系。然后基于兩相質量流量系數提出經典文丘里管濕氣測量模型。該新模型在置信水平為 時對氣相質量流量預測的相對偏差為-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]應用兩相流體動力學理論研究了文丘里管內氣液環狀流和分層流模型。該模型假設文丘里管橫截面處的靜壓值唯一，從而建立一維模型，對氣相壓降進行分析。模型建立時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。經過和實驗數據對比，發現模型預測的相對誤差在±15 %以內。

3 數值研究進展

CFD 仿真是一種計算機仿真方法，可以預測2 維和3 維空間內復雜的流體流動。

2012 年，Denghui He，Bofeng Bai[4]利用FLUENT 軟件采用DPM 模型對文丘里管內濕天然氣流動進行了數值研究，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 實驗數據對仿真結果進行驗證。結果表明液體在文丘里管的收縮段內積聚形成環狀液體射流，當液體分數較大壓力較低時，液體射流更加明顯，導致虛高較大。與干氣相比，濕氣流動中的靜壓不穩定且沿著喉部區域顯著下降，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 模型研究了標準文丘里管內濕氣測量虛高的主要影響因素，并將仿真結果與NEL 實驗結果進行對比。經過對比，仿真虛高預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 模型的濕氣仿真數值模型是一種高壓下標準文丘里管虛高預測的有效方法。

2013 年，Kumar Perumal[5]利用無反應的組分輸運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格對流量計性能和濕氣預測模型的影響。結果表明隨著管徑的增加，直徑比對流出系數的影響降低，流出系數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 軟件在一系列參數下對三種不同收縮角（θ1=10.5，21，31.5）和擴張角（θ2=7，10，15）的水平文丘里管濕氣流動進行模擬，研究了文丘里管的收縮角和擴張角對濕氣測量的影響。結果表明收縮角和擴張角對壓差沒有影響。然而，擴張角對測量虛高值有顯著影響，收縮角對流出系數有很大影響。文丘里管的幾何結構不影響濕氣測量模型的預測值。

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

［1］ R.N. Steven. Wet gas metering with a horizontally mounted Venturi meter［J］.Flow Measurement and Instrumentation，2002，12（5）：361-372.

［2］ J.W.Murdock. Two-phase Flow Measurement With Orifices［J］.Journal of Basic Engineering，1962，84：419-433.

［3］ De Leeuw. Wet gas flow measurement using a combination of Venturi meter and a tracer technique ［J］.North Sea Flow Measurement Workshop，1994.

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

［5］ Kum ar Perumal，Jagannathan Krishnan. A CFD study of the effect of venturi geometry on high pressure wet gas metering［J］.International Journal of Oil，Gas and Coal Technology，2013，6（5）：549-566.

［6］ Ying Xu，Yi Zhao，Zheng Hai Long. Study on the Key Factors of Wet Gas Metering Overreading in Standard Venturi Tube Base on DPM［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，220-223（12）：1693-1697.

［7］ Lide FANG，Tao ZHANG. Performance of a Horizontally Mounted Venturi in Low-pressure Wet Gas Flow［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2008，16（2）：320-324.

［8］ M. van Werven1，H. R. E. van Maanen，G. Ooms et al. Modeling wet-gas annular/dispersed flow through a Venturi［J］.Aiche Journal. American Institute of Chemical Engineers，2013，5（6）：549-566.

［9］ Peining Yu，Ying Xu，Tao Zhang et al. A study on the modeling of static pressure distribution of wet gas in Venturi［J］.Aiche Journal. American Institute of Chemical Engineers，2015，61（2）：699-708.

［10］ Fang Lide，Zhang Tao，Xu Ying. Venturi Wet Gas Flow Modeling Based on Homogeneous and Separated Flow Theory［J］. Mathematical Problems in Engineering，2006，31（10）：10-20.

［11］ Denghui He，Bofeng Bai. A new correlation for wet gas flow rate measurement with Venturi meter based on two-phase mass flow coefficient［J］.Measurement，2014，58（2）：61-67.

［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.