3种节流装置对湿气计量的实验研究

寇 杰， 王德华， 冯若曦， 郭勋臣

(1.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580；2.成都市金牛区高新技术产业园管委会,成都 610036；3.胜利油田石油开发中心有限公司,山东 东营 257000)

0 引 言

目前，开采与运输天然气需要更高精度的计量方法，利用普通差压流量计再乘以折算系数来计量湿气的方法急需改进[1-7]。因此，急需建立一种新的计量模型来提高计量精度。湿气是两相流中气相含率较高的一种情况，其计量原理由两相流计量原理发展而来[8-9]。迄今为止，国内外学者在关于两相流流量计量的研究中取得了众多成果，主要分为：①非分离法[10-11]，按照流体全部为气体或全部为液体的单相流计量法来计量两相流的总流量，再乘以折算系数得到两相流的流量；②完全分离法[12]，即将气液分离，分别计量；③部分分离法[13-16]，取出两相流的一部分作为样品，完全分离样品后乘以两相流的含气率或含液率得到各自的流量。本文通过自行搭建室内实验环道，对文丘利管、标准孔板和非标准孔板3种不同节流装置的湿气计量进行了实验研究，分别得到差压信号、压损信号与工作压力的关系，差压信号、压损信号与干度的关系，最终拟合、推导得到3种节流装置的流量计算公式。

1 实验装置

气液两相流实验在自行研制的室内环道开展，其流程如图1所示，实验管路介质为气、水两种，实验系统主要是由气液循环管路、气液计量装置、数据采集、测试管段等组成。

1-水箱,2-离心泵,3-液体质量流量计,4-螺杆压缩机,5-储气罐,6-气体漩涡流量计,7-混合器,8-测试管段,9-旋风分离器,10-压力变送器,11-温度变送器

图1 实验流程图

将来自离心泵2的水和来自螺杆压缩机的空气分别通过液体质量流量计和旋涡流量计进行计量，然后混合进入多相流管路。单相流管路中的液体是通过液体质量流量计3计量质量流量；气体通过气体旋涡流量计6计量体积流量，气体的质量流量由气体旋涡流量计6所测的体积流量、压力变送器10所测的压力经过公式换算得到。气液两相流经过约3 m长的发展管段使流型充分发展后进入试验管段，在试验管段中开展对节流装置流动特性的研究。实验管道由内径为32 mm的钢管、有机玻璃管与PPR管路连接而成，PPR管路有利于更换不同的测试元件，有机玻璃管段有利于观察管道内的流动特征，钢管可以保证循环管道的强度。气-液混合液体流经测试管段，经下游管段进入分离器分离，所得空气直接排入大气，水进入水箱循环利用。

测试段所用文丘利管、标准孔板和非标准孔板的喷嘴节流比均为0.25。文丘利喷嘴进口管段为直管段，长度为60 mm，管径为32 mm，收缩段角度43.6°，喉部直径为8 mm，出口扩张段角度9°，水平长度为148 mm，扩张段后的稳定段长40 mm，管径为32 mm。标准孔板进口管段为直管段，长度为87 mm，管径为32 mm，喉部直径为8 mm，喉部长度6 mm，出口段长度185 mm。非标准孔板进口管段为直管段，长度为65 mm，收缩段角度45°，喉部长度6 mm，扩张段角度45°。

2 湿气计量实验

调节并控制初始气体流量为18 m3/h，然后将液体流量以0.01 m3/h的增量从0.03 m3/h增加到0.15 m3/h，每次采集时间为5 min。此后重复上述操作，将气相流量以1 m3/h的增量调节至34 m3/h，共采集240组数据。同时，需要准确地采集节流装置入口处压力、入口与喉部差压信号及入口与出口压损信号。

2.1 差压信号与工作压力

节流装置的工作压力对节流装置的入口和喉部的差压信号，以及对节流装置的入口和出口的压损信号波动存在影响[17-18]。实验中，可以认为空气密度的变化只和压力有关。参数θ体现了气-液两相流的工作压力，当工作压力减小时,θ变小;反之,θ变大。因此差压、压损信号波动的标准差随参数θ的变化可以表示出差压、压损信号的波动随着工作压力的变化，设：

(1)

图2显示了压力区间为0.1～0.5 MPa时，差压信号波动的标准差ξ随θ的变化情况。从图2可以发现，工作压力和差压信号波动并没有明显的关系。原因是当工作压力在0.1～0.5 MPa区间时，差压信号的波动比较大，喉部压力不稳定，没有呈现出有规律的波动性。

2.2 压损信号与工作压力

图3显示了压损信号波动的标准差随θ变化的情况。由图3可知，随着压力的增加，压损信号的波动有变大的趋势。实验中，压力的升高体现了气-液两相流流量的增加，上述压损信号随工作压力的变化没有明显的规律。

2.3 差压信号与干度

图4表明了3种节流装置差压信号标准差与干度之间的关系。由图4可以发现，实验中压差信号的标准差分布比较松散，ξ和x之间没有呈现明显的规律。

(a) 文丘利管

(b) 孔板

(c) 非标准孔板

图2 差压波动与θ的关系

图3 压损波动与θ的关系

图4 差压波动与干度的关系

文丘里管的压差波动最小，而非标准孔板最大。对于差压来讲，ξ和x之间的关系非常复杂，所以并不适合用差压的标准差的方法来测定流量。

2.4 压损信号与干度

图5表明了3种节流元件的压损波动标准差和干度的关系。由图5可以发现，当干度x增加时，压损波动的标准差随之减小，且随着x的增加，压损波动的标准差的减速变缓。究其原因，是干度增大时，液相会被气流吹散为微小的液滴，均匀地分布在气相间，导致压损波动降低。由于文丘利喷嘴的收缩段和扩张段明显长于另外两种节流装置，湿气在文丘利喷嘴中的压力变化曲线表现的更加平缓，压力波动更小。所以对于3种节流元件，文丘利喷嘴的压损波动最小，非标准孔板的压损波动最大，在x较大时这种现象尤为明显。原因在于，非标准孔板并不是对称结构，其管道上半部分流体会受到更大的阻力，所以当两相流干度较大时，气-液相混合相对均匀，其压损波动较大。对比图4和5可以发现，当实验的采集时间和采集频率相同时，3种节流装置产生的差压波动都大于其压损波动。

由图中变化可知：随着压力的增大，差压信号的波动有变大的趋势，但是没有呈现出明显的规律。对比图2～5，最终选择利用压损信号来计算干度。

经Origin软件拟合，所得关系式如下：

文丘利喷嘴

(2)

孔板

(3)

非标准孔板

(4)

在研究不同节流装置对湿气节流特征的实验研究中，拟合所得如下分气相折算系数的计算公式：

(a) 文丘利管

(b) 孔板

(c) 非标准孔板

图5 压损波动与干度的关系

文丘利喷嘴

Φg=3.815XL-M+1.120

(5)

孔板

Φg=3.510XL-M+1.113

(6)

非标准孔板

Φg=3.301XL-M+1.123

(7)

结合式(2)～(7)，可以求得3种节流装置的流量计算公式：

文丘利管

(8)

孔板

(9)

非标准孔板

(10)

2.5 计算结果

根据式(5)～(7)可求得理论湿气总质量流量，并与实验所测真实值对比结果见图6。

通过对比公式计算和实验结果可以得知：文丘利喷管总质量流量预测的误差为±7.8%，孔板的误差为±9.5%，非标准孔板的误差为±11.7%。需要强调的是，本文所得出的实验结论适用于压力区间在0.5 MPa以下的情况。

(a) 文丘利管

图6 湿气质量流量计算值与真实值比较

3 结 语

通过自行研制的实验环道研究结果表明：工作压力和干度对差压、压损波动都存在影响，为了最终可以求得湿气质量方程式，所以选用具有明显规律的压损信号和干度作为中间变量，通过拟合、推导可得3种节流装置的流量计算公式，为日后研究湿气计量具有重要的指导作用。

参考文献(References)：

[1] HE Deng-hui, BAI Bo-feng, Zhang Jun,etal. Online measurement of gas and liquid flow rate in wet gas through one V-Cone throttle device[J]. Experimental Thermal and Fluid Science,2016,75:129-136.

[2] YUAN Chao, XU Ying, ZHANG Tao,etal. Experimental research on pressure drop of wet gas flow in Venturi [J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2016, 75: 183-88.

[3] Chisholm D. Two-phase Flow Through Sharp-edged Orifices [J]. The Journal of Mechanical Engineering Science. 1977,19(3):128-130.

[4] Lin Z H.Two-phase Flow Measurements with Sharp Edged Orifices[J]. International Journal of Multiphase Flow. 1982,8(6):683-693.

[5] ZOU Sui-feng, GUO Lie-jin, XIE Chen. Fast recognition of global flow regime in pipeline-riser system by spatial correlation of differential pressures[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2017, 88: 222-237.

[6] De Leeuw R. Liquid correction of venturi meter readings in wet gas flow [J]. North Sea Flow Measurement Workshop, 2008:143-152.

[7] Steward D G, Brown G, Hodges D. Wet gas venturi metering [C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition,IEEE,2002:214-223.

[8] 陈 亮,巩大利. 利用差压流量计计量湿气[J]. 油气田地面工程,2013,32(8):31-32.

[9] 赵成海. 湿气流量计测试装置研究进展[J]. 油气田地面工程,2016,35(7):69-72.

[10] 雷 炜. 川西气田单井带液湿气计量适应性分析[J]. 天然气技术与经济,2015,9(3):52-54,79.

[11] 樊文娟, 彭 颖. 文丘里管内湿天然气流动特性研究进展[J]. 石油化工应用,2015,34(12):8-10,14.

[12] 柳富明,王铁力,田达理. 气液两相流流量测量方法的研究进展[J]. 化工自动化及仪表,2017,44(5):431-433,438.

[13] 梁法春,陈 婧,刘德绪,等. 地面集输系统油气水多相取样计量技术研究[J]. 西安石油大学学报(自然科学版), 2012, 27(5): 47-49.

[14] WANG Dong, LIN Zong-hu. Gas-liquid two-phase flow measurement using ESM[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2002, 26(6): 827-832.

[15] 李雪梅,罗 军,仇 晨. 崖城13-4气田湿气贸易计量系统设计与应用[J]. 中国海上油气,2015,27(1):116-120.

[16] Schuster R A. Effect of entrained liquids on a gas measurement[J]. Pipe Line Industry Journal, 1959,54:115-119.

[17] 陈 飞,孙 斌,王二朋,白宏震. 不同节流装置测量气液两相流的动态特性研究[J]. 实验流体力学,2012,26(1):55-60.

[18] 徐保江. 基于PCS7的湿气检定装置设计与实现[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2015.