文丘里管湿气测量综述

　　1　概　述

　　湿气是一种特殊的气液两相流动形态,广泛存在于油气开采、化工、能源动力等各个行业。传统计量常采用将各相分离后单独计量的方法,投资成本高、设备庞大,且因不能在线测量而效率低下。湿气在线测量研究可追溯到上世纪中期,但商业开发于上世纪90年代才广泛兴起,并于上世纪末不断推出产品。目前,在3 000多米的海底、陆上气田、海上油气平台,在欧洲的北海、美洲的墨西哥湾、沙特阿拉伯,均可以看到湿气流量计的身影。当前对湿气流量计的研究可归结为两个方向:一是采用传统的单相流量计进行组合,这些传统仪表主要有孔板、文丘里管、涡街、内锥以及质量流量计,其理论基础为流体动力学;二是采用现代新技术,包括辐射、激光、超声、微波、光谱及示踪、光纤、核磁共振、相关、过程层析成像等技术。也有将以上两种技术综合应用的,具体介绍见第5节。

　　本文拟对文丘里管的湿气测量发展与应用进行扼要论述。湿气,通常认为是气相为连续相,液相离散于其中,即所谓的雾状流;但在传输管路中,随着液相质量含率的增加,由于液滴重力及气体表面张力的作用,一部分大的液滴便沉积在管壁,形成连续的环状液膜。所以,湿气通常包括雾状和环雾状两种流动情况.湿蒸汽和湿天然气是湿气的两种典型代表工质。从研究目的来看,前者的应用多见于透平机械工质,如蒸汽轮机,重在考察蒸汽的焓值及其变化,度量其载带的热量、热量变化及做功的能力。而对湿天然气的测量则是为了得到准确的气体流量,为生产优化、贸易结算、输运等提供计量依据,故对其中夹杂的油滴、水滴等液相质量并不关心,实际测量中也多对气相流量进行修正以达到较高精度(5%以内),而液相的准确度则稍差(5%~20%)。

　　从介质特性来看,湿蒸汽常伴有相变,传热过程对其有着显著的影响;湿天然气则几乎没有相变,温度的变化仅限于对介质密度的影响,NEL的湿气实验装置气相采用氮气,液相采用煤油[1],CEESI则采用AGA标准的天然气作为气相工质,液相为水[2],常温试验中均不存在相变。研究目的不同、介质特性不同,其研究手段也就自然不一样,数学模型也会有差别。

　　2　差压式湿气测量的发展

　　基于差压式的湿气测量研究始于上世纪中期,1949年,Lockhart和Martinelli依据分相模型提出管内摩阻压降的经验关系式,并依此推出Lockhart-Martinelli参数(以下简称LM参数),作为衡量液相含量的重要指标,1962年至1977年间,Murdock、Bizon、Collins、Chisholm等先后提出的湿气测量经验或半经验模型中[3~6],均采用了这一参数。1970年,Wallis基于动量方程和连续性方程,建立了环雾状流的液膜厚度、液膜流速、压力梯度之间以及液膜厚度与气相修正系数之间的解析关系式[7]。但存在3方面局限性:一是这种基于分相流动的模型,相间摩擦系数并不是常值,而是流速、压力的函数,必需经验修正;其二,气流中离散的雾状液滴质量含量仍然需要经验修正;其三,实际工况下,液膜厚度并不规则,如水平管中为上壁较薄、下壁较厚,流速较高时液膜有起伏,这些均会对理想模型计算结果引入较大误差。所以该方法并没有得到广泛应用。