基于長喉頸文丘里管的濕氣測量綜述

◇長江大學石油工程學院 李其兵 陳 濤 上官楊沁 張 有 張興凱

隨著油氣工業的發展，對氣液兩相流的測量技術的要求越來越高，濕氣測量的理論和技術不斷更新。本文重點介紹了文丘里流量計的發展和基于文丘里流量計的修正模型，基于長喉頸文丘里管的濕氣測量原理。

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中。一般來說，干氣是經過脫水、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。目前濕氣國際上沒有統一的定義，ISO/TR11583[1]將氣液兩相流中氣相體積分數大于等于95%的定義為濕氣。

濕氣的流型復雜多變，體現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、波浪流與環狀流，在垂直管道中主要分為霧狀流、液束環狀流與環狀流。《多相流計量手冊》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

一般認為濕氣是一種氣相連續，液相離散的氣液兩相流[2]。與其他兩相流型相比，濕氣具有結構穩定，流量脈動小等特點，但一些大液滴會在運輸沉積在管道壁面上，形成連續的環狀液膜，這是因為隨著液相質量含率的增加，液滴受到氣體表面張力和自身重力而附著在管壁上。

濕氣測量是為了獲得較準確的氣相流量、含水率等信息從而提高采收率。目前常用的測量技術大體上分為氣液分離和氣液不分離。分離測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用單相流量計計量，這種技術簡單可靠，流型變化等因素對測量結果影響小，但分離設施體積大，成本費用高，自動化程度低；不分離測量是將濕氣直接通過單相氣體流量計進行測量，不計量液體流量，然后利用經驗公式對測量值進行修正或者同時采用兩種傳感器相組合的方法測量濕氣流量和相含率，實現氣液在線不分離測量。因為該方法成本較低，體積較小，結構較為緊湊，可以實現在線實時測量，是目前濕氣流量計量與測量方法的研究方向。

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，經單相流量計測量后，按比例關系確定氣液兩相流的流量。該方法避免了流動不穩定性和流型變化對測量參數的影響，提高了測量精度，與分離法相比，減少了設備體積，節約了成本；與非分離法相比，原理簡單易用，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的影響，尚需進一步研究[4]。

2 文丘里流量計濕氣測量的發展

文丘里流量計由于壓力損失小、在各種兩相流型下工作穩定、對濕氣中液相含率敏感性強等優勢廣泛應用于濕天然氣的測量。

2008年，Lide FANG等[5]通過對水平安裝的文丘里管在低壓濕氣測量中的性能的研究，發現虛高值與 L-M參數和氣相弗勞德數呈正相關，與直徑比、壓力和兩相質量分數之比呈負相關。當文丘里管的直徑比為0.55時測量的虛高值最小。

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

2012 年，Denghui He，Bofeng Bai[7]基于文丘里管研究了5種湍流模型，結果表明標準k-ε模型與實驗數據吻合較好，通過實驗研究液相分布及其對速度場和壓力分布的影響發現液體聚集在文丘里管的收斂段，形成環形液體射流，并提出為了減少這些因素對濕氣虛高的不利影響應延長文丘里管喉部長度并減小收斂角。

2018年，田季[8]將差壓測量方法與近紅外光譜技術相結合，提出了一種新的結構，即在長喉文丘里管的喉部位置布置近紅外系統，以此提高測量準確度。

隨著計算機科學的快速發展，可以計算流體力學研究流體流動特征，采用多相流模擬軟件和以試驗為基礎的半經驗半理論公式進行計量，具有一定的適用范圍。DenghuiHe等[9]利用軟件Fluent模擬文丘里內多相流流動特性，發現隨著液相體積分數增加，多相流壓力在喉部區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格對其虛高的影響，發現測量的虛高值與直徑比呈負相關，流出系數收縮角和管徑的影響較大。

3 基于文丘里流量計的修正模型

實踐表明，當差壓流量計用來測量濕氣流時，流體通過流量計會造成氣液界面能量損失，所以測量的壓差總是高于氣相單獨流過時的壓差。復雜的氣液兩相流動使得在簡單均相流動模型和分相流動模型推導出計算式存在較大的誤差，因此一般通過不同角度進行公式修正。以下介紹基于文丘里管測量流量時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量模型。并指出氣體流量預測時由于存在少量液相而引起的誤差與壓力、L-M參數、氣體弗勞德數相關。該測量模型將Chisholm模型中常數 1/4用參數n取代，且n只與氣體弗勞德數Frg呈函數關系。

2002年，R.N.Steven[12]通過對水平安裝的文丘里管內濕天然氣的測量特性的實驗研究，利用TableCurv 3D軟件對NEL數據進行模擬。發現虛高值與L-M參數、氣相流量和壓力等因素相關，經過分析和處理實驗數據得到了新的測量模型。

2008年，Fang Lide等[13]提出了一種基于文丘里管濕氣測量模型（H-S模型），新模型是在均相流和分相流理論的基礎上建立的，分析了兩相流動狀態下的文丘里管的加速壓降和摩阻壓降，通過實驗驗證了新模型的有效性，使得預測誤差在±6.5%以內。

2012年，Fang Lide等[14]將文丘里管和U型管組成組合測量濕氣，發現這種對稱文丘里管可以使測量結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行了關于壓力、氣相弗勞德數Frg、L-M參數對測量虛高影響的實驗，分析對比現有的8種流量預測模型，并利用信息融合技術將得出的實驗數據進行處理，構建新的測量模型。

4 差壓式長喉頸文丘里管濕氣測量原理

利用差壓法測流量，當流量不變時，由連續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，因此通過壓差來測量流量。

由于實際所需要測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，氣液兩相流動中氣相與液相之間的相互作用會產生額外的壓能損失，根據上述公式分析可知，這將導致測量值比實際值偏高。所以應該設置一個數來修正實際工作時的測量值以提高測量精度，令

事實上，對長喉徑文丘里管測量模型（圖3）進行分析，當濕天然氣流過時，由于流體與管壁之間摩擦損失很小，可忽略不計，此時由伯努利方程可得：

圖3 長喉頸文丘里管測量模型