基于强制环状流的长喉颈文丘里管湿气测量方法

郑炜标，李其兵，丁 晔，陈 涛，上官杨沁,张 有，张兴凯

(1.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100；2.新疆油田公司工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000)

0 引言

气液两相流广泛存在于石油开采、运输和储存过程中。天然气从地下采出到地面时，通常会携带一部分的液相，一般把这种气井中采出的天然气与液相的混合物称为“湿气”，对于湿气的定义，仍没有统一的标准，按照GB/Z 35588—2017[1]对湿气的定义，气液两相流的体积含气率大于95%即为湿气。湿气是气液两相流的一种特殊形态[2]，相对于单相流动，湿气存在气液之间的速度滑移，同时其流态受时间、操作压力以及温度的影响较大，这将极大地增加湿气计量的难度；如今，各油田普遍采用分离计量法[3]，但是分离设备庞大，工艺流程复杂、成本高。随着气液计量装置日益向小型化、高精度、低成本发展，湿气的准确计量也变得困难，因此急需一种经济可靠、准确实用的新型计量方法。

由于差压式流量计结构简单，测量重复性好且造价低[4]，在气液两相流测量中输出稳定，因此广泛应用于湿气的流量计量中。差压式流量计在进行湿气测量时会产生虚高现象，国内外通过差压式流量计对各种节流装置进行大量的实验验证，并且建立了一系列的虚高修正模型，其中应用广泛的为Murdock模型[5]、Chisholm模型[6]、Lin模型[7]、De Leeuw模型[8]以及Steven模型[9]等，然而这些模型都是基于液相含率已知的情况下建立的，但液相含率在实际生产过程中都是未知的，因此上述虚高修正模型的实用性受到限制。2020年，孟宇飞[10]采用旋流器和文丘里管组成的湿气测量装置，提出了基于强制环状流下的双参数测量并且建立了新的湿气测量模型。

为了克服液相含率对湿气计量的影响，有专家提出了湿气在线测量的新方法。其中，长喉颈文丘里管作为一种节流装置，具有结构简单、压强损失小等优点[11]，受到关注；2012年，张强等[12]提出一种基于长喉径单文丘里管的双差压湿气流量测量方法；2012年，赵轶[13]利用CFD方法，利用多相流欧拉模型和DPM模型对3种不同结构的长喉颈文丘里管分别进行了仿真计算，得出在湿气工况下，欧拉模型较DPM模型准确的结论；2014年，徐英等[14]分析长喉颈文丘里管不同取压位置对湿气测量的影响，得出了长喉颈文丘里管的最佳取压位置；2018年，田季[15]采用差压法测量与近红外光谱技术相结合的方法，提出了将近红外系统布置于长喉颈文丘里管喉管位置的新结构，同时优化了测量系统的细节设计，提高测量准确度。 2020年，方立德等[16]采用近红外光谱技术与高速摄影技术相结合的方法，使用近红外系统定位长喉颈文丘里管喉管位置的新装置，建立了新的气液两相流相含率测量模型。虽然目前液相含率对湿气计量的影响已经得到了一定的解决方法，但是没有充分考虑湿气流型对湿气测量的影响，导致了测量模型的应用受到很多限制。

因此，本文提出了在长喉颈文丘里管前设置旋流器，将复杂多变的湿气流型调制为环状流，建立在这种强制环状流下的长喉径文丘里管的湿气测量模型，消除流型对湿气测量的影响，研究了强制环状流状态下长喉颈文丘里管的湿气双参数测量性能。

1 测量装置和测量原理

1.1 测量装置

本文设计了由旋流叶片构成的旋流器和长喉颈文丘里管组成的湿气测量装置，如图1所示，测量装置总共设置了3个压力测量点，分别为长喉颈文丘里管上游的p1、喉部的p2和下游的p3，通过测量相邻2个点之间的压差Δp1和Δp2进行湿气计量，其中Δp1和Δp2可由式(1)和式(2)求得：

图1 测量装置几何模型

Δp1=p1-p2

(1)

Δp2=p3-p2

(2)

1.2 测量装置

当湿气流经长喉颈文丘里管时，气相的虚高质量流量可表示为

(3)

式中：qtp为气相的虚高质量流量，kg/s；C为流出系数；ε为流体的可膨胀系数；β为测量装置的节流比；D为管道内径，m；Δptp为轴向压差，Pa；ρg为流体的密度。

气体的真实流量可通过引入气体虚高修正系数，计算得到：

(4)

研究表明，虚高修正系数Φ与L-M数XLM、气体弗劳德数Frg和气液的密度比具有相关性，因此可将虚高修正系数定义为基于XLM、Frg和气液的密度比为自变量的复杂函数，即：

(5)

式中：XLM为无量纲参数；ρg和ρ1分别为气体和液体的密度，kg/m3。

(6)

(7)

(8)

式中：ql和qg分别为气体和液体的质量流量，kg/s；usg为气体的表观流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；D为管道的内径，m。

根据虚高的函数可以得知，只有在得知L-M数、Frg和气液的密度比的情况下，才能得到虚高的修正系数，但是在实际生产中L-M数和Frg都是不能确定的变量，即使通过其他方法获得这2个参数，也会存在一定的误差，因此引入了一个无量纲参数W——强制环状流下的长喉颈文丘里管收缩段和扩张段的压差比，将虚高修正系数和液气的质量流量比转化为W和Frg的函数，具体的计算公式为：

(9)

Φ=fa(W,Frg)

(10)

(11)

式中的W可以通过测量长喉颈文丘里管的收缩段和扩张段压差得到，Frg可以采用迭代算法求得，在已知了W和Frg的情况下，即可得到虚高的修正系数，因此虚高模型和液气质量比模型的函数建立成为湿气测量的关键步骤。

2 数值模拟研究

2.1 数值模拟方法

通过Mesh软件对测量装置进行网格划分，为保证模拟的准确性和效率性，采用结构化和非结构化的混合网格并且对其进行网络无关性验证，确定该湿气测量装置最优网格数为1 460 080个。

利用Fluent软件对不同工况条件下进行模拟，两相流模型采用欧拉模型，在利用CFD进行旋流器数值模拟时，RSM模型的精确度更高，因此湍流模型选择雷诺应力模型(RSM)。模拟介质为空气和水。模拟的方案具体如表1所示。

表1 数值模拟方案表

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 强制环状流流型

以XLM=0.25，Frg=0.78为例，截取长喉颈文丘里管不同位置横截面观察其分离效果，如图2所示，其中a为距离旋流器15 mm处横截面；b为距离长喉颈文丘里管入口前5 mm处横截面(即P1取压位置)；c为距离长喉颈文丘里管入口后15 mm处横截面；d为距离喉部入口25 mm处横截面。

图2 不同截面气液相分布图

由图2可知，湿气在经过旋流器后具有良好的分离效果，旋流器通过离心作用，将密度相差较大的气液混合相分离成均匀的气相和液相，液相在管壁上形成一层液膜，气相则沿管道中心流动，形成强制环状流，其中3个截面的液膜厚度为a

2.2.2 收缩段和扩张段压差分析

利用Fluent软件得到3个取压位置的压力数据，通过式(1)和式(2)计算出湿气测量装置收缩段和扩张段的压差，如图3所示。

图3 湿气测量装置的收缩段和扩张段压差

由图3可以看出，在其他条件不变的情况下，湿气测量装置的收缩段压差随着XLM的增大而增大，这是因为随着液量的增加，液相对气相的阻塞作用越大，气相所获得的额外加速压降越大，从而造成更大的压差；此外，在XLM不变的情况下，湿气测量装置的收缩段随着Frg的增大而增大，这是因为气相的表观流速越高，气相对液相的加速能力越强，在气相对液相的加速过程中损失的能量也越多，因此在这种情况下压差越大；而且气体的表观流速增加会提高旋流器的气液分离效率，这将增大壁面上水分子之间的摩擦力，引起更大的压差。

此外，与单相流体相比，测量装置的收缩段压差均增大，扩张段压差均减小。在Frg不变的情况下，扩张段压差都是随着XLM的增大而减小，在XLM不变的情况下，测量装置的收缩段压差随着Frg的增大而增大。

2.2.3W变化规律

测量装置的XLM与W关系如图4所示。从图4可以看出，当Frg不变的情况下，W随着XLM的增大而增大；当XLM不变的情况下，Frg增大，W随之增大。

图4 湿气测量装置的XLM与W关系图

图5为湿气测量装置的液气质量流量比和W的关系图。从图5中可以看出，当W保持不变的情况下，Frg增大，液气质量流量比随之减小；Frg不变的情况下，液气质量流量比随着W的增大而增大。

图5 湿气测量装置的液气质量流量比与W关系图

湿气测量装置的虚高修正系数Φ与W关系如图6所示，当Frg不变的情况下，虚高修正系数Φ随W的增大而增大；当W保持不变的情况下，Frg增大，虚高修正系数Φ随之减小。因此，通过以上分析可以利用W对湿气中的液相含率、液气质量流量比和虚高进行合理的预测。

图6 湿气测量装置的Φ与W关系图

2.2.4 虚高模型和液气质量流量比模型的建立

从以上的分析可以看出，虚高和液气质量流量比都与Frg和W呈现出了良好的函数关系，利用matlab软件对其进行数据拟合，从而建立起湿气的测量模型，其拟合模型如式(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为矫正决定系数，R=0.996 0。

在气体的虚高修正系数已知的情况下，根据式(3)和式(4)即可得出气体的真实质量流量。通过建立出液气质量流量比的模型函数，再根据气体的真实质量流量即可得到液相的真实质量流量，液气的质量流量比的模型函数以多项式为基础进行拟合，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

虚高模型和液气质量流量比模型中的2个自变量分别为W和Frg，其中W可以通过收缩段和扩张段的压差比值获得，Frg需要已知气体的真实流量才能得到，因此，为了能够获得Frg，本文提出了迭代算法实现气液两相的分相测量，由于Frg相比于W对虚高模型的影响比较小，因此先假设Frg的初值为1，其基本流程如图7所示。

图7 迭代算法流程图

3 实验研究

3.1 实验方法与实验设备

本实验在长江大学的中国石油气举实验基地多相管流实验室进行的，该装置可分为气体供给系统、液体供给系统、计量装置、分离装置、水平环管实验管段、计算机控制和数据采集系统，实验装置的流程图如图8所示。

实验过程中，空气和水经过增压后进行混合，同时气相和液相分别配置了流量计、温度计和压力计以及时采集介质的物性参数，气液混合相输送到水平管实验管段进行湿气测量实验，实验后的气液混合箱经过分离罐分离成气相和液相，气相排放到大气当中，液相重新回收利用。采集到的数据经过数据采集模块传送到计算机控制系统，通过LabVIEW将每s采集的数据记录并输出，记录时间为1 min。

湿气测量装置采用标准刚性树脂打印而成，实验装置分为长喉颈文丘里管和旋流器2个部分，其实验装置如图9所示，在装置的前后两端安装上有机玻璃管，以便观察实验过程中的气液流型。在长喉颈文丘里管出口处放置一台高速摄像机，拍摄不同工况下的流型照片。

实验的工况压力在0.1～0.15 MPa之间，温度范围为3～6 ℃，气相的流量范围为108～260 m3/h，液相的流量范围为0.15～1.7 m3/h，实验总共设置6个不同气相流量，通过保持气相流量不变然后不断增加液相流量的方法记录实验数据。

3.2 实验结果分析

3.2.1 实验分离效果分析

实验过程中湿气进入测量装置前的流型基本为层流和波浪流，其流型如图10所示，其中湿气经过旋流器之后流型统一转变为环状流，消除了流型对湿气测量的精确度的影响，经过旋流器后的流型如图11所示。

图10 测量装置前的流型

图11 经过旋流器后的流型图

由图11可以看出，当Frg不变时，环状流中的液膜随着含液率的增大而增大；当含液率不变时，Frg增大，即气相表观流速增大，液膜的厚度减小。

3.2.2 湿气测量模型的验证

经过迭代的气相质量流量和液相质量流量预测值和实验值如图12和图13所示。

图12 湿气测量装置的气相质量流量图

图13 湿气测量装置的液相质量流量图

为验证测量的精确性，分别计算预测值和实验值的两相质量流量相对误差，结果如图14和图15所示。

图14 湿气测量装置的气相相对误差图

图15 湿气测量装置的液相相对误差图

从以上分析可以看出，当W为2～11，气相弗劳德数为0.46～1.1时，湿气测量装置气相相对误差分布在±3%范围内，液相相对误差分布在±8%范围内。研究表明，该测量装置的精度较高，对于湿气的流量测量具有一定的指导意义。

4 结束语

为克服湿气流型对湿气测量的影响，提出了基于强制环状流的长喉径文丘里喷管双参数测量方法，通过数值模拟和室内实验分析了虚高模型的影响因素。本文引入了收缩段和扩张段的压差比W，分析了W、气相弗劳德数和虚高以及液气质量流量比之间的关系，建立了新的虚高模型，实验结果表明基于旋流器的湿气测量装置气相误差为±3%，液相误差为±8%。基于强制环状流下的湿气双参数测量方法有良好的预测能力，为湿气测量提供了一种新型的方法。