孫 媛 曹學(xué)文 梁法春

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 山東青島 266580)

近年來(lái)隨著石油天然氣需求的日益增長(zhǎng)，深水油氣開(kāi)發(fā)力度不斷增強(qiáng)[1-2]，兩相流體混合輸送越來(lái)越普遍。受兩相流體流動(dòng)的復(fù)雜性等影響，氣液相混輸管路的流量一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量。分流分相法[3]融合了傳統(tǒng)的分離式計(jì)量和不分離在線計(jì)量的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在兩相流計(jì)量領(lǐng)域被廣泛采用。該方法利用取樣裝置從主流體中成比例地取出一小部分分流體，進(jìn)行分離計(jì)量后得到分流體的氣、液相流量，再根據(jù)分流比求得主流體的成分組成。與傳統(tǒng)的分離式和不分離在線計(jì)量方式相比，分流分相法具有較高的效率，并具有成本低、體積小的優(yōu)點(diǎn)。然而，取樣流體成分與主流體成分往往會(huì)有差異，這就是相分離現(xiàn)象[4]。相分離的相關(guān)研究主要集中在T型管方面，近幾年對(duì)T型管相分離的研究已從微觀尺度發(fā)展到宏觀尺度不等[5-11]。在管路小孔取樣方面，文獻(xiàn)[12]通過(guò)氣液混輸管路不同布置方位的小孔取樣實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在分層流和不均勻環(huán)狀流型下，隨著小孔位置偏離管壁底部，進(jìn)入小孔的液相逐漸減少，氣相逐漸增多；而對(duì)于段塞流，在液塞來(lái)臨時(shí)破口兩側(cè)壓力急劇增加，從而導(dǎo)致進(jìn)入管壁破口的液相流量遠(yuǎn)大于其他流型。因此，兩相流相分離的存在成為制約分流分相法取樣計(jì)量精度的重要因素之一。

分析認(rèn)為，如何保證分流體的成分組成與主流體相同是影響分流分相法計(jì)量精度的主要因素，因此取樣裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為實(shí)現(xiàn)比例取樣的關(guān)鍵。例如，文獻(xiàn)[13]提出了轉(zhuǎn)鼓型取樣器，由兩相流沖擊轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)成比例取樣，但由于轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì)在管道內(nèi)部，容易被磨損，故對(duì)流體的清潔性要求高，存在一定劣勢(shì)；文獻(xiàn)[14-15]提出了轉(zhuǎn)輪型取樣器，利用分時(shí)原理進(jìn)行取樣，但由于轉(zhuǎn)輪容易被磨損而造成卡堵，故也存在一定缺陷；文獻(xiàn)[16]提出了管束式取樣器，通過(guò)加強(qiáng)兩相流的相分離達(dá)到分離計(jì)量的目的，為兩相流的計(jì)量提供了新思路。文獻(xiàn)[17-18]提出了基于臨界分流理論的兩相流取樣器，利用兩相流在噴嘴喉部達(dá)到臨界狀態(tài)來(lái)斬?cái)嘞掠螇毫Σ▌?dòng)對(duì)上游分配特性的影響，保證了取樣的代表性，但不能在較大氣液比范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)等干度分配，且分配比例較大，實(shí)用性較差。本文在分流分相法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)加工了一種環(huán)壁多窄縫取樣器，通過(guò)流型調(diào)整、均勻取樣、壓力調(diào)節(jié)等3種方式來(lái)控制兩相流的相分離，從而實(shí)現(xiàn)等干度分配。數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究表明，本文設(shè)計(jì)的環(huán)壁多窄縫取樣器無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、體積緊湊、所需分離裝置體積小，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分配計(jì)量裝置，對(duì)實(shí)現(xiàn)兩相流的精確計(jì)量具有重要意義。

1 取樣原理與取樣器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 取樣原理

氣液兩相流經(jīng)過(guò)取樣器后，一部分流體經(jīng)取樣口進(jìn)入取樣流體收集腔，再由計(jì)量分離器進(jìn)行分離計(jì)量后流入下游；另一部分流體經(jīng)主管路分流口進(jìn)入主流體收集腔后直接流入下游(圖1)。管路主流體的質(zhì)量流量由取樣流體流量與氣液分流系數(shù)決定，即

M1L=M3L/KL

(1)

M1G=M3G/KG

(2)

圖1 氣液兩相流取樣計(jì)量原理示意圖Fig .1 Principle diagram of sampling and metering of gas-liquid two-phase flow

1.2 取樣器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的環(huán)壁多窄縫取樣器主要由主管路、旋流葉片、窄縫式分流口、主流體收集腔和取樣流體收集腔組成(圖2)。主管路內(nèi)徑40 mm，氣液兩相流來(lái)流由主管路進(jìn)入，流經(jīng)旋流葉片，將不規(guī)則的來(lái)流轉(zhuǎn)化為氣相在管道中心、液相在管道周向均勻分布的環(huán)狀流。主管路的下游周向布置了結(jié)構(gòu)完全相同的18個(gè)窄縫式分流口，分流口與主管路垂直安裝，并與管路內(nèi)表面平齊，其中3個(gè)取樣口使用圓管小腔體包圍，連通取樣流體收集腔，其余分流口連通主流體收集腔。由于主管路下游由盲板進(jìn)行封堵，主流體流經(jīng)分流口后分別進(jìn)入主流體收集腔和取樣流體收集腔，進(jìn)入取樣管路的流體流經(jīng)計(jì)量分離器進(jìn)行分離計(jì)量后流入下游管道與主流體匯合。由于設(shè)計(jì)中采用流型調(diào)整、均勻取樣、壓力調(diào)節(jié)等3種方式來(lái)控制兩相流的相分離，保證了取樣的代表性。

圖2 本文設(shè)計(jì)的取樣器結(jié)構(gòu)示意圖Fig .2 Structure of the sampler designed in this paper

1) 流型調(diào)整。取樣器入口處安裝整流葉片，在離心力影響下旋流葉片將進(jìn)口兩相流整改成均勻環(huán)狀流，從而保證取樣器每個(gè)分流口具有相同的出口條件。

2) 均勻取樣。以往的取樣器只選取若干分流口中的一個(gè)作為取樣口，且取樣比往往固定為1/4；另外，單側(cè)取樣會(huì)造成較大的計(jì)量誤差，且較大的取樣比往往導(dǎo)致需要體積更大的計(jì)量分離器。為了減小單側(cè)取樣的誤差，縮小計(jì)量裝置的體積，選擇在管道周向均勻布置18個(gè)窄縫式分流口，選取均勻分布的3個(gè)分流口作為取樣口。

3) 壓力調(diào)節(jié)。在主管路出口及取樣管路出口處分別設(shè)置一個(gè)閘閥，對(duì)取樣器上游主管路壓力pa、主流腔體壓力pb、取樣腔體壓力pc進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)。設(shè)取樣器上游與主流體收集腔的差壓為Δpab，取樣器上游與取樣流體收集腔的差壓為Δpac，調(diào)節(jié)閘閥開(kāi)度使得Δpab=Δpac，保證主管路和取樣管路下游壓力環(huán)境相同，從而避免相分離的產(chǎn)生(圖2a)。

1.3 氣、液相分流系數(shù)分析

理論上氣、液相分流系數(shù)可根據(jù)主管路及取樣管路的壓降關(guān)系來(lái)分析，其中主管路產(chǎn)生的壓降主要由經(jīng)過(guò)分流口處的壓降Δp12產(chǎn)生[19]，而分流管路的壓降主要由經(jīng)過(guò)取樣口處的壓降Δp13產(chǎn)生。

主流體分流口的壓降可以表示為[19]

(3)

同樣，取樣口處的壓降可表示為

(4)

主流體經(jīng)過(guò)分流口后重新回到主管路，假設(shè)與主管路相連的分流口數(shù)量為N2，根據(jù)式(3)可得進(jìn)入主管路的兩相流質(zhì)量流量為

(5)

同理，假設(shè)與取樣回路相連的取樣分流口數(shù)量為N3，根據(jù)式(4)可得進(jìn)入分流回路的兩相流質(zhì)量流量為

(6)

氣相分流系數(shù)為取樣流體氣相流量與上游主管路中氣相流量的比值，即

將式(5)和式(6)代入式(7),可得

(8)

同樣，液相分流系數(shù)可以寫(xiě)為

(9)

將式(5)和式(6)代入式(9)，可得

(10)

由于主回路與分流回路是并聯(lián)管路，取樣流體收集腔和主流體收集腔壓力平衡，可認(rèn)為取樣流體收集腔壓力和主流體收集腔的壓力相等，因此氣液兩相流通過(guò)取樣分流口和主流體分流口產(chǎn)生的壓力損失相等，即

Δp13=Δp12

(11)

由于所有的分流口均是相同結(jié)構(gòu)，故β2=β3,A2h=A3h，C2=C3,Ψ2=Ψ3;假設(shè)主回路和分流回路具有相同的進(jìn)口條件，則θ2=θ3；若每個(gè)分流口具有相同的進(jìn)口條件，則每個(gè)取樣口都是等速取樣的，即X2=X3=X1。這樣則式(8)可寫(xiě)成

式(10)可寫(xiě)成

根據(jù)理論推導(dǎo)，在理想情況下每個(gè)分流口具有相同的進(jìn)口條件，則氣、液相理論取樣比均為0.167，僅取決于取樣口數(shù)目與分流口數(shù)目的比值。但實(shí)際過(guò)程中由于各分流口的進(jìn)口條件可能會(huì)受到流型、氣液相流速的影響，實(shí)際的分流比可能偏離理論分流比，故有必要通過(guò)取樣器取樣數(shù)值分析進(jìn)一步探討流型、氣液相流速等參數(shù)對(duì)分流比的影響。

2 取樣器取樣數(shù)值分析

2.1 取樣口位置數(shù)值分析

本文設(shè)計(jì)的整流裝置位于取樣器上游(圖3a)。由于受到重力的影響，環(huán)狀流的持續(xù)距離有限，而環(huán)狀流的均勻程度直接影響分流口的入口條件，不均勻的環(huán)狀流會(huì)導(dǎo)致實(shí)際分流比偏離理論分流比，因此確定取樣口的位置非常重要。分別選取距離整流裝置30、45、60 mm處為取樣口位置進(jìn)行模擬優(yōu)選(圖3b)。

圖3 整流裝置及取樣口位置Fig .3 Schematic of pattern adjuster and slot position

2.1.1模型建立

利用ANSYS-Fluent15.0商業(yè)軟件建立數(shù)值模型。VOF(Volume of Fluid)模型可以較清晰地顯示氣液界面，常應(yīng)用于具有明顯相界面的兩相流運(yùn)算中，故選取VOF模型作為多相流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型具有適用范圍廣、精度高的優(yōu)點(diǎn)，故湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。壓力梯度項(xiàng)采用SIMPLE格式，動(dòng)量方程離散采用二階迎風(fēng)差分格式，體積分?jǐn)?shù)離散采用QUICK算法，壓力離散選擇PRESTO算法。

在ICEM15.0中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為顯示入口段的流型，讓氣液兩相流充分發(fā)展，將入口段長(zhǎng)度設(shè)為3 m。考慮管道近壁面黏性底層的影響，對(duì)邊界層網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。入口直管段和其他直管段采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，整流葉片處采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

2.1.2基本假設(shè)及邊界條件

基本假設(shè)條件：輸送介質(zhì)為空氣和水，忽略空氣、水兩相的可壓縮性，忽略相間作用力。

對(duì)于整流裝置，出口邊界條件為壓力出口(pressure-outlet)，入口邊界條件為速度入口(velocity-inlet)(表1)。

表1 取樣口位置模擬時(shí)入口邊界條件參數(shù)Table 1 Inlet boundary condition parameters of sampler slot position modelling

2.1.3模擬結(jié)果

當(dāng)取樣口位于距離葉片下游45 mm處時(shí)，液膜分布較均勻，環(huán)狀流態(tài)較穩(wěn)定，故在此處取樣的流體代表性更高，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，選取整流葉片下游45 mm處作為取樣口開(kāi)口位置(圖4)。

圖4 整流裝置內(nèi)部及下游液相體積分布云圖Fig .4 Liquid distribution inside and downstream the pattern adjustor

2.2 取樣器內(nèi)兩相流流動(dòng)特性的數(shù)值分析

2.2.1模型建立

由于受到旋流葉片的影響，兩相流的流動(dòng)形態(tài)會(huì)改變，同時(shí)經(jīng)過(guò)分流口后兩相流的流場(chǎng)也會(huì)改變。為分析兩相流經(jīng)過(guò)取樣口的速度和壓力分布，采用歐拉-歐拉雙流體模型進(jìn)行計(jì)算。雷諾應(yīng)力模型在流線彎曲、渦旋、張力快速變化等方面具有更精確的預(yù)測(cè)性，故選用雷諾應(yīng)力模型作為湍流模型。壓力梯度項(xiàng)采用PRESTO格式，對(duì)流項(xiàng)離散格式采用二階迎風(fēng)差分格式，體積分?jǐn)?shù)離散采用QUICK算法，壓力-速度耦合選擇PISO算法。

2.2.2基本假設(shè)及邊界條件

基本假設(shè)條件：輸送介質(zhì)為空氣和水，忽略空氣、水兩相的可壓縮性，忽略相間作用力。

邊界條件：①入口邊界條件為速度入口(velocity-inlet)(表2)；②出口邊界條件為壓力出口(pressure-outlet)；③葉片、管壁等壁面選擇無(wú)滑移壁面邊界條件，設(shè)定為wall。

表2 取樣器內(nèi)兩相流流動(dòng)特性模擬時(shí)入口邊界條件設(shè)定Table 2 Inlet boundary conditions of two-phase fluid flow characteristics simulation in the sampler

2.2.3模擬結(jié)果

由氣液兩相流經(jīng)過(guò)旋流葉片整流后進(jìn)入分流口的氣相濃度分布云圖(圖5)可以看出：在旋流葉片的作用下，兩相流轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嘣诠艿乐行?，液相在管道周向均勻分布的環(huán)狀流，在流入分流口之前兩相流保持環(huán)狀流流態(tài)，進(jìn)入每個(gè)取樣口的兩相流組成相同，保證了取樣的代表性。由于取樣口成窄縫狀，流入取樣口后氣液相流體發(fā)生了相分離，液相的慣性力更大而多集中在窄縫下游，氣相集中在窄縫上游。

由取樣器出口處氣、液相速度矢量圖(圖6)可以看出：由于18個(gè)分流口在管截面均勻分布，流體在每個(gè)分流口的速度場(chǎng)也對(duì)稱(chēng)分布，各個(gè)分流口內(nèi)的氣液相流體具有一致的流動(dòng)特性。

圖5 取樣器氣相濃度分布云圖Fig .5 Gas distribution in the sampler

圖6 取樣器出口處氣、液相速度矢量圖Fig .6 Gas and liquid velocity diagram in the sampler outlet

3 取樣器工作效果實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石油大學(xué)(華東)多相流環(huán)道上進(jìn)行(圖7)，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水和空氣，分別由離心泵和壓縮機(jī)提供，主管路流量由液體質(zhì)量流量計(jì)與氣體渦街流量計(jì)分別計(jì)量。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離混合后，進(jìn)入測(cè)試管路的為充分發(fā)展的氣液兩相流，測(cè)試段管道內(nèi)徑為40 mm，取樣器由有機(jī)玻璃材料制成，以方便觀察。實(shí)驗(yàn)范圍：氣相折算速度USG為1～18 m/s，液相折算速度USL為0.01～0.33 m/s。

圖7 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig .7 Flow chart of experiments

主管路流體進(jìn)入取樣器后，首先經(jīng)旋流葉片整流，再進(jìn)入分流口。流體被分為兩部分：一部分流體進(jìn)入主流體收集腔，流向下游管路；另一部分流體進(jìn)入取樣流體收集腔，流向取樣管路后進(jìn)入管束分離器內(nèi)進(jìn)行氣液相流體的分離和計(jì)量。計(jì)量結(jié)束后，氣液相流體重新匯合，與主流體一同流向下游管路，經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器后液相回到水箱，氣相排放到大氣中，從而構(gòu)成循環(huán)。實(shí)驗(yàn)中各儀表為4～20 mA電流信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)電路板轉(zhuǎn)化為1～5 V電壓信號(hào)輸出后由Labview進(jìn)行采集。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1氣、液相折算速度的影響

由不同氣相折算速度下取樣器入口氣、液相質(zhì)量流量與取樣流體氣、液相質(zhì)量流量關(guān)系圖(圖8)可以看出：當(dāng)氣相折算速度USG≥4.5 m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)大多落在理論分配線上，氣相分流比KG與液相分流比KL均非常接近理論分流比0.167，這說(shuō)明進(jìn)入每個(gè)分流口的氣液相具有相同的組分組成，可以達(dá)到均勻取樣；當(dāng)氣相折算速度USG為1.0 m/s時(shí)，氣、液相分流系數(shù)偏離理論值較多，這是因?yàn)楫?dāng)氣相折算速度較小時(shí)，氣液兩相流動(dòng)量較小，經(jīng)過(guò)旋流葉片后形成的強(qiáng)制環(huán)狀流不穩(wěn)定，液膜下部厚度更大，進(jìn)入每個(gè)取樣口的氣液相組成不完全相同，從而與理論值出現(xiàn)偏差。但本文設(shè)計(jì)的取樣器采用均勻取樣的方式，因此與傳統(tǒng)單側(cè)取樣相比具有相對(duì)較低的取樣誤差。

圖8 不同氣相折算速度下取樣器入口質(zhì)量流量與取樣質(zhì)量流量關(guān)系圖Fig .8 Relationship between inlet fluid mass flow rate and sampling fluid mass flow rate under different gas superficial velocity

3.2.2流型的影響

由不同流型對(duì)氣、液相分流系數(shù)的影響圖(圖9)可以看出：段塞流和環(huán)狀流條件下數(shù)據(jù)點(diǎn)均分布在理論分流比線上；而在分層流和波浪流條件下，當(dāng)液相折算速度較小時(shí)，實(shí)際氣、液相分流比與理論分流比有較大差距，這主要是因?yàn)樵诓糠址謱恿骱筒ɡ肆鳁l件下，氣液相流速較小，流經(jīng)旋流葉片沒(méi)有足夠動(dòng)量形成均勻環(huán)狀流，從而產(chǎn)生誤差。針對(duì)這一現(xiàn)象，可通過(guò)優(yōu)化旋流葉片結(jié)構(gòu)來(lái)減少過(guò)流面積，增大兩相流動(dòng)量，從而達(dá)到生成穩(wěn)定環(huán)狀流的目的。

圖9 流型對(duì)氣、液相分流系數(shù)的影響Fig .9 The effect of flow pattern on gas and liquid extraction ratio

3.2.3取樣誤差分析

本文設(shè)計(jì)的取樣器處于有效工作范圍時(shí)，其相對(duì)誤差不能超過(guò)±5%，這與氣相折算速度和液相折算速度均有關(guān)(圖10)。本文設(shè)計(jì)的取樣器取樣誤差邊界線可用下式表示：

USL=-0.016 7USG+0.05

(14)

圖10 取樣器有效工作區(qū)間Fig .10 The effective working range of the distributor

分析認(rèn)為，在較高的氣液相流速下，在相分配區(qū)域的流型為沿管道周線方向液膜厚度均勻分布的環(huán)狀流，所有的分流口有相同的流動(dòng)特性，因此可以實(shí)現(xiàn)等比例分配；相反，在較低的氣液相流速下，在分流口位置處不能形成均勻的環(huán)狀流，從而引發(fā)相分離現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的取樣器有效工作區(qū)間為：氣相折算速度為3～18 m/s，液相折算速度為0.05～0.33 m/s。

4 結(jié)論

1) 在分流分相法的基礎(chǔ)上，提出了流型調(diào)整、均勻取樣、壓力調(diào)節(jié)相結(jié)合的取樣方法，并設(shè)計(jì)加工了一種環(huán)壁多窄縫小比例取樣器，該取樣器的有效工作區(qū)間為氣相折算速度3～18 m/s，液相折算速度0.05～0.33 m/s，氣液相分流系數(shù)為0.167，氣液相計(jì)量誤差均小于±5%，可實(shí)現(xiàn)比例取樣。

2) 數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的環(huán)壁多窄縫取樣器結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、所需分離器裝置體積小，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，與傳統(tǒng)的取樣器相比可實(shí)現(xiàn)更低的取樣比例，所提出的均勻取樣的方法可實(shí)現(xiàn)在分層流條件下更小的取樣誤差，對(duì)實(shí)現(xiàn)氣液兩相流精確取樣計(jì)量具有一定的推動(dòng)作用。

符號(hào)注釋

M1G、M1L—主流體的氣、液相質(zhì)量流量，kg/h；

M3G、M3L—取樣流體的氣、液相質(zhì)量流量，kg/h；

KG、KL—?dú)?、液相分流系?shù)；

pa、pb、pc—取樣器上游主管路壓力、主流腔體壓力、取樣腔體壓力，Pa；

Δpab—取樣器上游與主流體收集腔的壓差，Pa；

Δpac—取樣器上游與取樣流體收集腔的壓差，Pa；

Δp12—經(jīng)過(guò)分流口處的壓降，Pa；

Δp13—經(jīng)過(guò)取樣口處的壓降，Pa；

M2h、M3h—通過(guò)單個(gè)分流口的兩相流質(zhì)量流量、通過(guò)單個(gè)取樣口的兩相流質(zhì)量流量，kg/h；

M2、M3—進(jìn)入主管路、取樣回路的兩相流質(zhì)量流量，kg/h；

C2、C3—主管路分流口、取樣回路取樣口的流量系數(shù)；

USG、USL—?dú)庀嗾鬯闼俣?、液相折算速度，m/s；

ML入口、ML出口—取樣器入口、取樣流體液相質(zhì)量流量，kg/h；

MG入口、MG出口—取樣器入口、取樣流體氣相質(zhì)量流量，g/s；

X2、X3—通過(guò)主管路分流口、取樣回路取樣口的兩相流氣體干度(氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù))；

N2、N3—與主管路相連的分流口數(shù)量、與取樣回路相連的取樣口數(shù)量；

A2h、A3h—分流口、取樣口的截面積，m2；

θ2、θ3—通過(guò)分流口流體的校正系數(shù)、通過(guò)取樣口流體的校正系數(shù)；

β2、β3—分流口當(dāng)量直徑與主管路直徑的比值、取樣口當(dāng)量直徑與主管路直徑的比值；

Ψ2、Ψ3—通過(guò)分流口流體的熱修正因子、通過(guò)取樣口流體的熱修正因子；

ρG、ρL—?dú)?、液相密度，kg/m3;

x—取樣口到整流裝置的距離，mm。