曹學文，聶新剛，梁法春，文 闖，徐 超，張欽杰，李陽濤，盧 婧，商振新

(1.中國石油大學儲運與建筑工程學院，山東青島 266580;2.海洋石油工程有限公司，山東青島 266520;3.中國石油西部管道公司，新疆烏魯木齊 830011;4.新疆油田重油開發(fā)公司，新疆克拉瑪依 834000)

多相流的計量廣泛應(yīng)用于油氣田開發(fā)過程中采輸系統(tǒng)的管理和海洋油氣田的開發(fā)等。在多相流計量中，氣液兩相流的分配與計量是一個至關(guān)重要但又未能很好解決的難題［1-2］。分流分相多相計量方法是近年來用于多相流計量領(lǐng)域的一種新方法［3-6］，該技術(shù)的主要工作原理為:采用一定的取樣方式，從多相流管路中分流出一定比例的多相流體，對其運用傳統(tǒng)的分離計量法計量，最終根據(jù)分流比反算，進而得出多相流管路的流量。分流分相法中的測量儀表實現(xiàn)的是對單相的測量，很好地克服了氣液波動對測量精度的影響，同時分流比例較小，極大地縮減了分離器的體積，不僅縮減了生產(chǎn)成本，而且增加了測量的精度［7-10］。但該技術(shù)必須保證氣液相的分流比例在較寬的測量范圍內(nèi)保持穩(wěn)定或具有確定的變化規(guī)律。筆者研究氣液兩相流通過該分配器的流動特性，采用Euler氣液兩相流模型和雷諾應(yīng)力模型，通過數(shù)值模擬方法分析節(jié)流元件尺寸對分配器分流特性的影響，并在多相流試驗環(huán)道上開展試驗研究。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

旋流型管壁取樣分配器主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 旋流型管壁取樣分配器示意圖Fig.1 Sketch map of swirled sampling distributor on pipe wall

從圖1中可以看出，取樣孔相當于一個內(nèi)徑較小、長度較短的側(cè)支管，且因為開了8個取樣孔，相當于8個異徑三通管沿圓周并聯(lián)。與傳統(tǒng)的異徑三通管相比，管壁取樣分配器具有不同的特點，主要體現(xiàn)在幾方面［11］:

(1)主管入口添加了交叉橢圓葉片和整流元件，氣液分層流、不均勻環(huán)狀流經(jīng)過交叉橢圓葉片和整流元件后，形成了較為均勻的環(huán)狀流。

(2)由于取樣孔截面流型為環(huán)狀流，認為液膜首先進入側(cè)支管(即滿足液相優(yōu)先分配原則)，然后氣相穿透液膜進入側(cè)支管，氣相對液相有拖曳作用。

(3)取樣孔內(nèi)徑與主管內(nèi)徑的比值很小，且取樣孔的長度很短，為壁厚。

(4)分流出的氣體和液體最終返回主管內(nèi)，即主流回路和分流回路閉合，因此主流回路和分流回路的壓降相等。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

考慮到分配器主流回路的壓降主要集中在節(jié)流元件處，分流回路的壓降主要集中在取樣孔處，故將分離器和氣液相分流回路去掉，對該分配器結(jié)構(gòu)進行簡化。通過改變節(jié)流元件喉部的直徑，利用數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)合的方法分析壓力場改變對分配器分流特性的影響。管段采用內(nèi)徑40 mm的圓管，取樣孔數(shù)目為8，取樣孔內(nèi)徑為5 mm，孔深10 mm。幾何模型如圖2所示。使用Gambit軟件對流域進行網(wǎng)格劃分。采用六面體和四面體網(wǎng)格單元，并對取樣孔和節(jié)流元件處進行網(wǎng)格加密，以保證計算的精度和收斂的穩(wěn)定性。

圖2 取樣器三維模型Fig.2 3-D model of distributor

2.2 多相流與湍流模型

所模擬的流體是相界面分明的空氣－水，屬于非顆粒流體流動，且取樣孔處氣液要實現(xiàn)分流，須準確捕捉每一相的速度、相含率等參數(shù)，故選取Euler模型進行計算，提高計算精度。雷諾應(yīng)力模型(RSM)在預(yù)測流線彎曲、漩渦、旋轉(zhuǎn)等方面具有較高的精度，故選用RSM模型［12］。

2.3 邊界條件

入口采用流量入口(flow rate-inlet)邊界條件，出口采用壓力出口(pressure-outlet)邊界條件，壁面采用無滑移壁面(wall)邊界條件。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 節(jié)流元件對單相氣分流的影響

計算中設(shè)定入口氣量為0.1011 kg/s，模擬得到單相氣通過取樣分配器時，改變節(jié)流元件喉徑(22 mm和14 mm)，氣相分流系數(shù)的模擬值分別為0.075和0.25，取樣孔截面不同的速度矢量如圖3所示。

由圖3可以看出，速度矢量的變化主要集中在3處，節(jié)流元件喉徑變小后，區(qū)域1的回流量明顯減少，漩渦程度降低;區(qū)域2流線的扭曲程度增強;區(qū)域3的流線回流進入取樣孔。這3個區(qū)域氣體流線的變化，增大了“分流影響區(qū)域”，使得進入取樣孔的氣量顯著增加，單相氣的分流系數(shù)增大。

3.2 節(jié)流元件對氣液兩相分流的影響

設(shè)定入口氣量為0.101 1 kg/s，入口液量為0.242 kg/s，入口液膜厚度為3 mm，模擬了節(jié)流元件改變前后一定量的氣液通過取樣孔分配器時，氣液相分流流線的變化，得到的速度矢量圖如圖4所示。由圖4可見，節(jié)流元件喉徑由22 mm變?yōu)?4 mm后，氣液相的流線都發(fā)生了很大的扭曲(箭頭1處所示)，使進入主流回路和分流回路的流體的分流面后移，更多的氣液量進入了取樣孔，且節(jié)流元件喉徑變小，取樣孔中的相分數(shù)變低，說明氣液間相互作用增強，氣體的攜液能力增強，液相分流系數(shù)也增大。

圖3 單相氣的速度矢量圖Fig.3 Velocity vector of single gas flow

圖4 氣液兩相通過管壁小孔的速度矢量Fig.4 Velocity vector of gas-liquid two phase flow through pipe wall hole

4 試驗

4.1 試驗流程

圖5為氣液兩相流試驗環(huán)道示意圖。試驗介質(zhì)采用空氣和水，管道和取樣孔的尺寸與模擬采用的幾何模型尺寸保持一致。

定義分流系數(shù)為進入取樣回路的氣、液相流量占上游主管路氣液流量的比例，即

通過調(diào)整節(jié)流元件尺寸，可以考察分配器前后阻力變化對分流系數(shù)的影響。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 節(jié)流元件喉徑變化對氣相分流系數(shù)的影響

圖6為氣量一定、不同節(jié)流元件下氣相分流系數(shù)隨主管液量的變化。從圖6可以看出，不安裝節(jié)流元件時，只有當主管液量增大到一定值時，才有氣體從取樣孔中流出，這也證明了節(jié)流元件是旋流型管壁取樣多相計量裝置中必不可少的部分。

不同的節(jié)流元件在氣量一定時，隨主管液量的增加，氣相分流系數(shù)與主管液量呈線性變化;但是相等氣液量下，節(jié)流元件喉徑越小，氣相分流系數(shù)越大。這是因為節(jié)流元件喉徑減小后，在相等氣液量下，主流體回路的壓阻增大，額外的一部分氣量會進入取樣孔，平衡分流回路的壓力，造成氣相分流系數(shù)增大。圖6中直線的斜率近似相等，可以認為不同的節(jié)流元件下，氣相分流系數(shù)隨液相增加的變化率近似是相同的，相當于隨著節(jié)流元件喉徑變小，直線向上方平移。

圖5 多相計量試驗流程圖Fig.5 Flow chart of multiphase flow metering experimental system

圖6 氣量一定、不同節(jié)流元件下氣相分流系數(shù)隨主管液量的變化Fig.6 Effect of throttle size on gas split coefficient with fluid volume changing at certain gas volume

4.2.2 節(jié)流元件喉徑變化對液相分流系數(shù)的影響

圖7為不同節(jié)流元件下，液相分流系數(shù)隨主管液量的變化。從圖中可以看出，同一節(jié)流元件喉徑下，液相分流系數(shù)在較高液量下基本保持定值;隨節(jié)流元件喉徑減小，液相分流系數(shù)雖然仍能保持定值，但液相分流系數(shù)的值明顯增大。這是因為，節(jié)流元件喉徑變小時，取樣孔處的壓力場發(fā)生較大變化，取樣孔兩側(cè)的壓降增大，結(jié)合對氣相分流系數(shù)的分析可知，氣相分流系數(shù)會增大，增加的氣量會拖拽一部分液量進入取樣孔，從而增大了分流液量。

將節(jié)流元件變化對氣相和液相分流系數(shù)的影響進行對比可知，氣相分流系數(shù)變化的幅度明顯大于液相分流系數(shù)的，說明氣相動量小，對壓力場的變化比液相更加敏感。

圖7中虛線左邊的點偏離較大，這是由于旋流和整流元件的不完善造成的。

圖7 不同節(jié)流元件下，液相分流系數(shù)隨主管液量的變化Fig.7 Effect of throttle size on liquid split coefficient when fluid volume changing

5 結(jié)論

(1)節(jié)流元件的改變會引起取樣孔處壓力場的變化，使氣液相流線的扭曲度發(fā)生改變，從而改變了“分流影響區(qū)域”的大小，使氣液相分流系數(shù)發(fā)生較大變化。

(2)調(diào)節(jié)節(jié)流元件大小會改變分配器前后壓差，進而導(dǎo)致氣液相分流系數(shù)發(fā)生改變。

(3)氣體和液體對壓力變化的敏感程度不同，但只要壓力場不發(fā)生較大的突變，分配器結(jié)構(gòu)一定時，其液相分流系數(shù)基本保持恒定，氣相分流系數(shù)與主管液量呈線性變化。

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