槽式孔板的湿气分层流差压预测模型

　　引言

　　近年来，随着石油天然气工业的持续发展，湿气计量问题引起了国内外学者的广泛关注。根据美国工程师协会发布的湿气计量指南，定义湿气为 XLM<0.3 的气液两相流。目前，石油天然气工业生产中普遍采用的仍然是计量分离器，生产流程复杂、造价高并且计量精度低[1]。以标准孔板、文丘里管[2][3]为 基本测量元件的湿气计量技术是一种经济实用的湿气计量技术，针对槽式孔板或者标准孔板的机理建模方面的研究，国内外少有报道。但国外很多学者对管道中的分 层流进行了大量的研究，大多数分层流模型是以 Taitel[4]提出的假设气液相界面是平面的模型。对于含气率较高的气液两相流，由于气相速度明显大于液相速度，气液相界面会向下凹。因 此，Hart[5]提出 ARS 模型，假设液膜厚度保持一致;Grolman 和 Fortuin[6]提出了 MARS模型以及 Chen[7]提出了双圆环模型，这两个模型所假设的流体截面分布与实际更为相符。对于模型中一个重要参数截面含气率，国外学者也做了大量研 究，Mandhane[8]比较了针对水平管截面含气率的 12 个相关式;Spedding[9]针对倾斜管，对 100 多个截面含气率的相关式进行了比较;Melkamu A[10]进一步对前人工作进行了总结，结合大量实验数据，比较了 68 个截面含气率相关式，本文从中选取三个与实验条件相近的相关式进行研究。针对槽式孔板计量湿气取得的研究成果，概括起来有两类：第一类是建立经验或者半经 验的两相压降倍率的修正模型[11][12]，第二类是通过人工神经网络实现流量计量[13]。这两种方法建立的模型都是在特定的实验条件下获得的，因此 对数据的依赖性较强，在实际应用中会受到现场条件的限制。本文从机理建模的角度出发，建立槽式孔板的差压预测模型，并通过实验数据进行了验证。

　　1 槽式孔板的湿气计量模型

　　槽式孔板作为一个局部阻力件，流体流经槽式孔板时会经历突缩(1-1 到 4-4 截面)和突扩(4-4到 5-5 截面)两个过程，如图 1 所示，所产生的局部阻力损失主要包括四部分：涡流损失、撞击损失、加(减)速损失和摩擦阻力损失。实验中采用的是双槽式孔板组合的测量方式，试图通过建立 两个不同孔径比的槽式孔板的模型解决湿气计量问题，在此只利用其实验数据讨论单个槽式孔板的差压预测模型。

　　槽式孔板作为一种新型的气液两相流测量元件，如图 2(a)所示，其气液两相流测量特性参见文献[14]，均匀分布的槽孔可以使液相顺利的通过，与标准孔板相比，减小了标准孔板由于上游液相累积等因素造成 的旋涡以及流体与板面之间的碰撞等现象，较好的保持了流体在管道中的流型。