基于长喉颈文丘里管的湿气测量综述

◇长江大学石油工程学院 李其兵 陈 涛 上官杨沁 张 有 张兴凯

随着油气工业的发展，对气液两相流的测量技术的要求越来越高，湿气测量的理论和技术不断更新。本文重点介绍了文丘里流量计的发展和基于文丘里流量计的修正模型，基于长喉颈文丘里管的湿气测量原理。

1 概述

湿气是一种特殊的高含气率气液两相流普遍存在于油气工业中。一般来说，干气是经过脱水、净化和轻烃回收工艺的天然气，这类天然气满足商品气或管输气要求；而湿气是持液率较高的一类天然气，由于该类天然气未经脱水脱烃处理，所以多含有少量凝析水或油、饱和水蒸气及轻烃类。目前湿气国际上没有统一的定义，ISO/TR11583[1]将气液两相流中气相体积分数大于等于95%的定义为湿气。

湿气的流型复杂多变，体现了流体在管道中的分布形式，是影响其压力损失和传热特性的重要因素。湿气流型受流体介质本身粘度、传热特性、密度等多种因素影响。

湿气在水平管道中流型主要为层状流、波浪流与环状流，在垂直管道中主要分为雾状流、液束环状流与环状流。《多相流计量手册》提供了气液两相流在水平管和垂直管中的流型图，如图1、图2所示。

图1 水平管两相流流型图

图2 垂直管两相流流型图

一般认为湿气是一种气相连续，液相离散的气液两相流[2]。与其他两相流型相比，湿气具有结构稳定，流量脉动小等特点，但一些大液滴会在运输沉积在管道壁面上，形成连续的环状液膜，这是因为随着液相质量含率的增加，液滴受到气体表面张力和自身重力而附着在管壁上。

湿气测量是为了获得较准确的气相流量、含水率等信息从而提高采收率。目前常用的测量技术大体上分为气液分离和气液不分离。分离测量是将湿气在气液分离器中分离，形成较分散均匀的雾状流后再应用单相流量计计量，这种技术简单可靠，流型变化等因素对测量结果影响小，但分离设施体积大，成本费用高，自动化程度低；不分离测量是将湿气直接通过单相气体流量计进行测量，不计量液体流量，然后利用经验公式对测量值进行修正或者同时采用两种传感器相组合的方法测量湿气流量和相含率，实现气液在线不分离测量。因为该方法成本较低，体积较小，结构较为紧凑，可以实现在线实时测量，是目前湿气流量计量与测量方法的研究方向。

2001年，王栋、林宗虎[3]等提出的分相分流法是将一定量的气体和液体按比例地分流出，经单相流量计测量后，按比例关系确定气液两相流的流量。该方法避免了流动不稳定性和流型变化对测量参数的影响，提高了测量精度，与分离法相比，减少了设备体积，节约了成本；与非分离法相比，原理简单易用，但取样部分的气液比是否与原始流量比一致，取样比是否受流型和流量波动的影响，尚需进一步研究[4]。

2 文丘里流量计湿气测量的发展

文丘里流量计由于压力损失小、在各种两相流型下工作稳定、对湿气中液相含率敏感性强等优势广泛应用于湿天然气的测量。

2008年，Lide FANG等[5]通过对水平安装的文丘里管在低压湿气测量中的性能的研究，发现虚高值与 L-M参数和气相弗劳德数呈正相关，与直径比、压力和两相质量分数之比呈负相关。当文丘里管的直径比为0.55时测量的虚高值最小。

2012年，张强[6]提出了一种基于长喉颈文丘里管的测量方法，引入一个无量纲的测量参数K—文丘里管收缩段与扩张段压差之比，建立气液密度比、Froude数、测量参数K、文丘里管液气质量流量比和收缩段虚高的函数模型，再利用迭代算法计算湿气中两相流量的相关参数。

2012 年，Denghui He，Bofeng Bai[7]基于文丘里管研究了5种湍流模型，结果表明标准k-ε模型与实验数据吻合较好，通过实验研究液相分布及其对速度场和压力分布的影响发现液体聚集在文丘里管的收敛段，形成环形液体射流，并提出为了减少这些因素对湿气虚高的不利影响应延长文丘里管喉部长度并减小收敛角。

2018年，田季[8]将差压测量方法与近红外光谱技术相结合，提出了一种新的结构，即在长喉文丘里管的喉部位置布置近红外系统，以此提高测量准确度。

随着计算机科学的快速发展，可以计算流体力学研究流体流动特征，采用多相流模拟软件和以试验为基础的半经验半理论公式进行计量，具有一定的适用范围。DenghuiHe等[9]利用软件Fluent模拟文丘里内多相流流动特性，发现随着液相体积分数增加，多相流压力在喉部区域的压力下降得越快。Perumal等[10]利用软件研究文丘里管的几何规格对其虚高的影响，发现测量的虚高值与直径比呈负相关，流出系数收缩角和管径的影响较大。

3 基于文丘里流量计的修正模型

实践表明，当差压流量计用来测量湿气流时，流体通过流量计会造成气液界面能量损失，所以测量的压差总是高于气相单独流过时的压差。复杂的气液两相流动使得在简单均相流动模型和分相流动模型推导出计算式存在较大的误差，因此一般通过不同角度进行公式修正。以下介绍基于文丘里管测量流量时比较几种常用的修正公式。

1994年，De Leeuw[11]建立了基于文丘里管的湿气测量模型。并指出气体流量预测时由于存在少量液相而引起的误差与压力、L-M参数、气体弗劳德数相关。该测量模型将Chisholm模型中常数 1/4用参数n取代，且n只与气体弗劳德数Frg呈函数关系。

2002年，R.N.Steven[12]通过对水平安装的文丘里管内湿天然气的测量特性的实验研究，利用TableCurv 3D软件对NEL数据进行模拟。发现虚高值与L-M参数、气相流量和压力等因素相关，经过分析和处理实验数据得到了新的测量模型。

2008年，Fang Lide等[13]提出了一种基于文丘里管湿气测量模型（H-S模型），新模型是在均相流和分相流理论的基础上建立的，分析了两相流动状态下的文丘里管的加速压降和摩阻压降，通过实验验证了新模型的有效性，使得预测误差在±6.5%以内。

2012年，Fang Lide等[14]将文丘里管和U型管组成组合测量湿气，发现这种对称文丘里管可以使测量结果在一定程度上克服摩阻压降的影响。在低压多相流管路中进行了关于压力、气相弗劳德数Frg、L-M参数对测量虚高影响的实验，分析对比现有的8种流量预测模型，并利用信息融合技术将得出的实验数据进行处理，构建新的测量模型。

4 差压式长喉颈文丘里管湿气测量原理

利用差压法测流量，当流量不变时，由连续性方程可得流通面积变小，流速变大，如果其他条件也不变，则压力变小，因此通过压差来测量流量。

由于实际所需要测量的湿天然气并不是单相流体，而是一种气液两相流体，因此与单相流相比，气液两相流动中气相与液相之间的相互作用会产生额外的压能损失，根据上述公式分析可知，这将导致测量值比实际值偏高。所以应该设置一个数来修正实际工作时的测量值以提高测量精度，令

事实上，对长喉径文丘里管测量模型（图3）进行分析，当湿天然气流过时，由于流体与管壁之间摩擦损失很小，可忽略不计，此时由伯努利方程可得：

图3 长喉颈文丘里管测量模型