基于长喉径文丘里管的双差压湿气流量测量

湿气是气液两相流动的一种特殊形态，普遍存在于石油化工、天然气工业等生产过程中，通常是指气相为连续相，液相为离散相的气液两相流[1]．目前，石油天然气工业中对于湿气的计量仍然采用传统的分离法，工艺流程复杂，造价高昂．随着石油天然气工业的发展，解决湿气的在线测量问题变得越来越重要．需要一种简单可靠、经济实用的在线不分离的测量方法以替代传统的气液分离器，优化天然气生产的工艺流程．

差压式流量计作为一种成熟的单相流量计具有结构简单、可靠性高的特点．大量的实验研究表明，差压式流量计在气液两相流的测试中具有最为稳定可靠的输出[2-3]．差压式流量计用于湿气流量测量时均会产生虚高现象[2-3]．国内外关于差压式流量计湿气测量特性的研究已经开展了大量工作[2-11]，并得到了一系列的虚高修正关系式．然而这些虚高修正关系式都需要已知液相含率才能获得虚高值[12]，在实际测量中液相含率是未知的，这就大大限制了这些虚高模型的实用性．湿气在线测量的目标是在不分离的情况下实现气液两相流量的测量，而采用单一节流装置、单一差压信号只能获得湿气的一个测量参数，无法实现气液两相的分相计量[13]．因此，笔者从理论和实验两方面对基于文丘里管的双差压湿气流量测量方法进行了研究，利用文丘里管收缩段与扩张段两级差压实现液相含率的分辨以及分相流量的测量，为湿气的在线测量提供了一种简单可靠、经济实用的解决方案．

1 差压式流量计湿气测量中的虚高现象

差压式流量计用于一般测量时，只适用于流体在物理学和热力学上可被认为是均匀和单相的介质[12]．通过伯努利方程和连续性方程的推导，引入一个流出系数 C，即可得到单相流体的质量流量，即

式中：ε 为可膨胀系数，对于不可压缩流体其值为1；β 为节流比；D 为管道内径；Δpg为差压值；ρg为介质密度．

当气相中夹带液相时流过差压式流量计产生的差压值，比等量的气相单独流过时偏高[10]．这种差压值升高的现象称为虚高，此时若仍采用单相质量流量公式计算，得到的则是气相的虚高流量，即

式中：qtp为未经过修正的气相虚高质量流量；Δptp为湿气流过节流装置时产生的差压．为了获得真实的气相流量 qm，引入了一个无量纲的虚高修正系数 Φg，其表达式为

2 文丘里管双差压湿气测量原理

2.1 湿气虚高

文丘里管作为典型的差压式流量计，其测量原理是基于伯努利方程和连续性方程．当气相中夹带少量液相时，文丘里管收缩段的差压值显著增大，而扩张段的差压值显著减小，这是因为液相的引入，破坏了原有管道流体的能量平衡关系．