鄭煒標，李其兵，丁 曄，陳 濤，上官楊沁,張 有，張興凱

(1.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；2.新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000)

0 引言

氣液兩相流廣泛存在于石油開采、運輸和儲存過程中。天然氣從地下采出到地面時，通常會攜帶一部分的液相，一般把這種氣井中采出的天然氣與液相的混合物稱為“濕氣”，對于濕氣的定義，仍沒有統(tǒng)一的標準，按照GB/Z 35588—2017[1]對濕氣的定義，氣液兩相流的體積含氣率大于95%即為濕氣。濕氣是氣液兩相流的一種特殊形態(tài)[2]，相對于單相流動，濕氣存在氣液之間的速度滑移，同時其流態(tài)受時間、操作壓力以及溫度的影響較大，這將極大地增加濕氣計量的難度；如今，各油田普遍采用分離計量法[3]，但是分離設備龐大，工藝流程復雜、成本高。隨著氣液計量裝置日益向小型化、高精度、低成本發(fā)展，濕氣的準確計量也變得困難，因此急需一種經(jīng)濟可靠、準確實用的新型計量方法。

由于差壓式流量計結構簡單，測量重復性好且造價低[4]，在氣液兩相流測量中輸出穩(wěn)定，因此廣泛應用于濕氣的流量計量中。差壓式流量計在進行濕氣測量時會產(chǎn)生虛高現(xiàn)象，國內外通過差壓式流量計對各種節(jié)流裝置進行大量的實驗驗證，并且建立了一系列的虛高修正模型，其中應用廣泛的為Murdock模型[5]、Chisholm模型[6]、Lin模型[7]、De Leeuw模型[8]以及Steven模型[9]等，然而這些模型都是基于液相含率已知的情況下建立的，但液相含率在實際生產(chǎn)過程中都是未知的，因此上述虛高修正模型的實用性受到限制。2020年，孟宇飛[10]采用旋流器和文丘里管組成的濕氣測量裝置，提出了基于強制環(huán)狀流下的雙參數(shù)測量并且建立了新的濕氣測量模型。

為了克服液相含率對濕氣計量的影響，有專家提出了濕氣在線測量的新方法。其中，長喉頸文丘里管作為一種節(jié)流裝置，具有結構簡單、壓強損失小等優(yōu)點[11]，受到關注；2012年，張強等[12]提出一種基于長喉徑單文丘里管的雙差壓濕氣流量測量方法；2012年，趙軼[13]利用CFD方法，利用多相流歐拉模型和DPM模型對3種不同結構的長喉頸文丘里管分別進行了仿真計算，得出在濕氣工況下，歐拉模型較DPM模型準確的結論；2014年，徐英等[14]分析長喉頸文丘里管不同取壓位置對濕氣測量的影響，得出了長喉頸文丘里管的最佳取壓位置；2018年，田季[15]采用差壓法測量與近紅外光譜技術相結合的方法，提出了將近紅外系統(tǒng)布置于長喉頸文丘里管喉管位置的新結構，同時優(yōu)化了測量系統(tǒng)的細節(jié)設計，提高測量準確度。 2020年，方立德等[16]采用近紅外光譜技術與高速攝影技術相結合的方法，使用近紅外系統(tǒng)定位長喉頸文丘里管喉管位置的新裝置，建立了新的氣液兩相流相含率測量模型。雖然目前液相含率對濕氣計量的影響已經(jīng)得到了一定的解決方法，但是沒有充分考慮濕氣流型對濕氣測量的影響，導致了測量模型的應用受到很多限制。

因此，本文提出了在長喉頸文丘里管前設置旋流器，將復雜多變的濕氣流型調制為環(huán)狀流，建立在這種強制環(huán)狀流下的長喉徑文丘里管的濕氣測量模型，消除流型對濕氣測量的影響，研究了強制環(huán)狀流狀態(tài)下長喉頸文丘里管的濕氣雙參數(shù)測量性能。

1 測量裝置和測量原理

1.1 測量裝置

本文設計了由旋流葉片構成的旋流器和長喉頸文丘里管組成的濕氣測量裝置，如圖1所示，測量裝置總共設置了3個壓力測量點，分別為長喉頸文丘里管上游的p1、喉部的p2和下游的p3，通過測量相鄰2個點之間的壓差Δp1和Δp2進行濕氣計量，其中Δp1和Δp2可由式(1)和式(2)求得：

圖1 測量裝置幾何模型

Δp1=p1-p2

(1)

Δp2=p3-p2

(2)

1.2 測量裝置

當濕氣流經(jīng)長喉頸文丘里管時，氣相的虛高質量流量可表示為

(3)

式中：qtp為氣相的虛高質量流量，kg/s；C為流出系數(shù)；ε為流體的可膨脹系數(shù)；β為測量裝置的節(jié)流比；D為管道內徑，m；Δptp為軸向壓差，Pa；ρg為流體的密度。

氣體的真實流量可通過引入氣體虛高修正系數(shù)，計算得到：

(4)

研究表明，虛高修正系數(shù)Φ與L-M數(shù)XLM、氣體弗勞德數(shù)Frg和氣液的密度比具有相關性，因此可將虛高修正系數(shù)定義為基于XLM、Frg和氣液的密度比為自變量的復雜函數(shù)，即：

(5)

式中：XLM為無量綱參數(shù)；ρg和ρ1分別為氣體和液體的密度，kg/m3。

(6)

(7)

(8)

式中：ql和qg分別為氣體和液體的質量流量，kg/s；usg為氣體的表觀流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；D為管道的內徑，m。

根據(jù)虛高的函數(shù)可以得知，只有在得知L-M數(shù)、Frg和氣液的密度比的情況下，才能得到虛高的修正系數(shù)，但是在實際生產(chǎn)中L-M數(shù)和Frg都是不能確定的變量，即使通過其他方法獲得這2個參數(shù)，也會存在一定的誤差，因此引入了一個無量綱參數(shù)W——強制環(huán)狀流下的長喉頸文丘里管收縮段和擴張段的壓差比，將虛高修正系數(shù)和液氣的質量流量比轉化為W和Frg的函數(shù)，具體的計算公式為：

(9)

Φ=fa(W,Frg)

(10)

(11)

式中的W可以通過測量長喉頸文丘里管的收縮段和擴張段壓差得到，F(xiàn)rg可以采用迭代算法求得，在已知了W和Frg的情況下，即可得到虛高的修正系數(shù)，因此虛高模型和液氣質量比模型的函數(shù)建立成為濕氣測量的關鍵步驟。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模擬方法

通過Mesh軟件對測量裝置進行網(wǎng)格劃分，為保證模擬的準確性和效率性，采用結構化和非結構化的混合網(wǎng)格并且對其進行網(wǎng)絡無關性驗證，確定該濕氣測量裝置最優(yōu)網(wǎng)格數(shù)為1 460 080個。

利用Fluent軟件對不同工況條件下進行模擬，兩相流模型采用歐拉模型，在利用CFD進行旋流器數(shù)值模擬時，RSM模型的精確度更高，因此湍流模型選擇雷諾應力模型(RSM)。模擬介質為空氣和水。模擬的方案具體如表1所示。

表1 數(shù)值模擬方案表

2.2 數(shù)值模擬結果分析

2.2.1 強制環(huán)狀流流型

以XLM=0.25，F(xiàn)rg=0.78為例，截取長喉頸文丘里管不同位置橫截面觀察其分離效果，如圖2所示，其中a為距離旋流器15 mm處橫截面；b為距離長喉頸文丘里管入口前5 mm處橫截面(即P1取壓位置)；c為距離長喉頸文丘里管入口后15 mm處橫截面；d為距離喉部入口25 mm處橫截面。

圖2 不同截面氣液相分布圖

由圖2可知，濕氣在經(jīng)過旋流器后具有良好的分離效果，旋流器通過離心作用，將密度相差較大的氣液混合相分離成均勻的氣相和液相，液相在管壁上形成一層液膜，氣相則沿管道中心流動，形成強制環(huán)狀流，其中3個截面的液膜厚度為a

2.2.2 收縮段和擴張段壓差分析

利用Fluent軟件得到3個取壓位置的壓力數(shù)據(jù)，通過式(1)和式(2)計算出濕氣測量裝置收縮段和擴張段的壓差，如圖3所示。

圖3 濕氣測量裝置的收縮段和擴張段壓差

由圖3可以看出，在其他條件不變的情況下，濕氣測量裝置的收縮段壓差隨著XLM的增大而增大，這是因為隨著液量的增加，液相對氣相的阻塞作用越大，氣相所獲得的額外加速壓降越大，從而造成更大的壓差；此外，在XLM不變的情況下，濕氣測量裝置的收縮段隨著Frg的增大而增大，這是因為氣相的表觀流速越高，氣相對液相的加速能力越強，在氣相對液相的加速過程中損失的能量也越多，因此在這種情況下壓差越大；而且氣體的表觀流速增加會提高旋流器的氣液分離效率，這將增大壁面上水分子之間的摩擦力，引起更大的壓差。

此外，與單相流體相比，測量裝置的收縮段壓差均增大，擴張段壓差均減小。在Frg不變的情況下，擴張段壓差都是隨著XLM的增大而減小，在XLM不變的情況下，測量裝置的收縮段壓差隨著Frg的增大而增大。

2.2.3W變化規(guī)律

測量裝置的XLM與W關系如圖4所示。從圖4可以看出，當Frg不變的情況下，W隨著XLM的增大而增大；當XLM不變的情況下，F(xiàn)rg增大，W隨之增大。

圖4 濕氣測量裝置的XLM與W關系圖

圖5為濕氣測量裝置的液氣質量流量比和W的關系圖。從圖5中可以看出，當W保持不變的情況下，F(xiàn)rg增大，液氣質量流量比隨之減??；Frg不變的情況下，液氣質量流量比隨著W的增大而增大。

圖5 濕氣測量裝置的液氣質量流量比與W關系圖

濕氣測量裝置的虛高修正系數(shù)Φ與W關系如圖6所示，當Frg不變的情況下，虛高修正系數(shù)Φ隨W的增大而增大；當W保持不變的情況下，F(xiàn)rg增大，虛高修正系數(shù)Φ隨之減小。因此，通過以上分析可以利用W對濕氣中的液相含率、液氣質量流量比和虛高進行合理的預測。

圖6 濕氣測量裝置的Φ與W關系圖

2.2.4 虛高模型和液氣質量流量比模型的建立

從以上的分析可以看出，虛高和液氣質量流量比都與Frg和W呈現(xiàn)出了良好的函數(shù)關系，利用matlab軟件對其進行數(shù)據(jù)擬合，從而建立起濕氣的測量模型，其擬合模型如式(12)所示：

(12)

式中：a=-9.112；b=20.46；c=10.25；d=-20.42；m=1.271；n=0.001 031；R為矯正決定系數(shù)，R=0.996 0。

在氣體的虛高修正系數(shù)已知的情況下，根據(jù)式(3)和式(4)即可得出氣體的真實質量流量。通過建立出液氣質量流量比的模型函數(shù)，再根據(jù)氣體的真實質量流量即可得到液相的真實質量流量，液氣的質量流量比的模型函數(shù)以多項式為基礎進行擬合，如式(13)所示：

(13)

式中：a=-0.036 3；b=0.072 9；c=0.052 3；d=0.097 5；e=0.282 7；f=0.004 7；g=-0.110 4；R=0.995 5。

2.2.5 迭代算法

虛高模型和液氣質量流量比模型中的2個自變量分別為W和Frg，其中W可以通過收縮段和擴張段的壓差比值獲得，F(xiàn)rg需要已知氣體的真實流量才能得到，因此，為了能夠獲得Frg，本文提出了迭代算法實現(xiàn)氣液兩相的分相測量，由于Frg相比于W對虛高模型的影響比較小，因此先假設Frg的初值為1，其基本流程如圖7所示。

圖7 迭代算法流程圖

3 實驗研究

3.1 實驗方法與實驗設備

本實驗在長江大學的中國石油氣舉實驗基地多相管流實驗室進行的，該裝置可分為氣體供給系統(tǒng)、液體供給系統(tǒng)、計量裝置、分離裝置、水平環(huán)管實驗管段、計算機控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實驗裝置的流程圖如圖8所示。

實驗過程中，空氣和水經(jīng)過增壓后進行混合，同時氣相和液相分別配置了流量計、溫度計和壓力計以及時采集介質的物性參數(shù)，氣液混合相輸送到水平管實驗管段進行濕氣測量實驗，實驗后的氣液混合箱經(jīng)過分離罐分離成氣相和液相，氣相排放到大氣當中，液相重新回收利用。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊傳送到計算機控制系統(tǒng)，通過LabVIEW將每s采集的數(shù)據(jù)記錄并輸出，記錄時間為1 min。

濕氣測量裝置采用標準剛性樹脂打印而成，實驗裝置分為長喉頸文丘里管和旋流器2個部分，其實驗裝置如圖9所示，在裝置的前后兩端安裝上有機玻璃管，以便觀察實驗過程中的氣液流型。在長喉頸文丘里管出口處放置一臺高速攝像機，拍攝不同工況下的流型照片。

實驗的工況壓力在0.1～0.15 MPa之間，溫度范圍為3～6 ℃，氣相的流量范圍為108～260 m3/h，液相的流量范圍為0.15～1.7 m3/h，實驗總共設置6個不同氣相流量，通過保持氣相流量不變然后不斷增加液相流量的方法記錄實驗數(shù)據(jù)。

3.2 實驗結果分析

3.2.1 實驗分離效果分析

實驗過程中濕氣進入測量裝置前的流型基本為層流和波浪流，其流型如圖10所示，其中濕氣經(jīng)過旋流器之后流型統(tǒng)一轉變?yōu)榄h(huán)狀流，消除了流型對濕氣測量的精確度的影響，經(jīng)過旋流器后的流型如圖11所示。

圖10 測量裝置前的流型

圖11 經(jīng)過旋流器后的流型圖

由圖11可以看出，當Frg不變時，環(huán)狀流中的液膜隨著含液率的增大而增大；當含液率不變時，F(xiàn)rg增大，即氣相表觀流速增大，液膜的厚度減小。

3.2.2 濕氣測量模型的驗證

經(jīng)過迭代的氣相質量流量和液相質量流量預測值和實驗值如圖12和圖13所示。

圖12 濕氣測量裝置的氣相質量流量圖

圖13 濕氣測量裝置的液相質量流量圖

為驗證測量的精確性，分別計算預測值和實驗值的兩相質量流量相對誤差，結果如圖14和圖15所示。

圖14 濕氣測量裝置的氣相相對誤差圖

圖15 濕氣測量裝置的液相相對誤差圖

從以上分析可以看出，當W為2～11，氣相弗勞德數(shù)為0.46～1.1時，濕氣測量裝置氣相相對誤差分布在±3%范圍內，液相相對誤差分布在±8%范圍內。研究表明，該測量裝置的精度較高，對于濕氣的流量測量具有一定的指導意義。

4 結束語

為克服濕氣流型對濕氣測量的影響，提出了基于強制環(huán)狀流的長喉徑文丘里噴管雙參數(shù)測量方法，通過數(shù)值模擬和室內實驗分析了虛高模型的影響因素。本文引入了收縮段和擴張段的壓差比W，分析了W、氣相弗勞德數(shù)和虛高以及液氣質量流量比之間的關系，建立了新的虛高模型，實驗結果表明基于旋流器的濕氣測量裝置氣相誤差為±3%，液相誤差為±8%?；趶娭骗h(huán)狀流下的濕氣雙參數(shù)測量方法有良好的預測能力，為濕氣測量提供了一種新型的方法。