CN114444343A - 一种湿天然气文丘里管流量计虚高数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及两相流量测量技术领域，特别涉及一种湿天然气文丘里管流量计虚高数值模拟方法，所述方法包括：(1)利用DesignModel将文丘里管结构的物理模型建立成3D水平文丘里管几何模型，进行网格划分和网格独立性研究，网格生成过程中选择由三角形与四面体组成；(2)前处理设置；(3)FLUENT模拟结果分析；本发明提供的方案充分参照了现场工况来设置模拟实验参数，仿真模拟不同工况下湿天然气通过文丘里管时的压差和等量的单相天然气单独通过时的压差，计算虚高系数，分析虚高系数的影响因素，比较得出数值模拟虚高值与现有不同虚高模型的计算结果较为吻合。

Description

一种湿天然气文丘里管流量计虚高数值模拟方法
技术领域
本发明涉及两相流量测量技术领域，特别涉及一种湿天然气文丘里管流量计虚高数值模拟方法。
背景技术
湿气流量的在线测量既可以降低气田投资和运营成本，也可简化生产工艺，提高气藏综合管理水平提供科学依据。从气井采出的天然气普遍含液相，而经过分离后的干天然气在经过长途运输及温度压力改变后也可能析出液体，变成湿天然气。文丘里管作为常用的湿气计量流量计，拥有结构简单、造价低廉等特性，国内外很多商用湿气和多相流量计都采用它进行流量测量。通常差压式流量计只适用于牛顿流体的测量，其流体在组成和热力学上是均匀单相的，符合牛顿内摩擦定律，当被测流体夹带少量的其它相介质通过差压式流量计时，压差值就会发生显著变化。寇杰等人通过实验对比证明了文丘里管流量计比孔板流量计计量更加准确，进行湿气计量时，附加的压力损失大小取决于若干参数，如压力、温度、流型等。当文丘里管流量计用于湿气计量时，湿气产生的压差通常比气体中没有液体时大，通常会导致差压流量计的气体流量出现正误差，即“虚高”现象。当前国内外学者也提出各种虚高模型，这些模型都是针对工业湿气测量而提出来的，这些流量计的入口直径都在2-48in范围。Britton等人在研究文丘里管测量湿气时发现，在湿气参数不变，流经入口直径不同，其他参数相同的两个文丘里时，入口直径越小的虚高越小。2012年，DenghuiHe等人对湿天然气在文丘里管的流动进行数值模拟研究，将不同的湍流模型进行对比，结果表明标准k-ε模型优于其余湍流模型，在迭代计算中能够较快收敛。2013年，KumarPerumal对不同尺寸的文丘里管进行湿气流动数值模拟研究，并分析文丘里管的几何尺寸对湿气虚高的影响，结果表明：文丘里管入口直径越大，节流比对流出系数影响越小，收缩角越大流出系数越小，节流比越大虚高越小。Perumal Kumar等人利用FLUENT软件对湿气在文丘里管内的流动进行了数值模拟，文丘里管的节流比为0.4，保持不变，设置了不同的收缩角与扩张角，并进行组合。以上关于湿气计量虚高研究，更多是关注是节流器本身结构对湿气(大多数研究介质为蒸汽、气水混合物)虚高影响，很少针对湿天然气和实际应用工况开展虚高研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种湿天然气文丘里管流量计虚高数值模拟方法，该方法运用ANSYS-FLUENT，参照现场工况设置模拟实验参数，仿真模拟不同工况下湿天然气通过文丘里管时的压差和等量的单相天然气单独通过时的压差，计算虚高系数，分析虚高系数的影响因素，比较得出数值模拟虚高值与现有不同虚高模型的计算结果较为吻合。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种湿天然气文丘里管流量计虚高数值模拟方法，包括以下步骤：
(1)利用DesignModel将文丘里管结构的物理模型建立成3D水平文丘里管几何模型，进行网格划分和网格独立性研究，网格生成过程中选择由三角形与四面体组成；
(2)前处理设置
利用Fluent进行求解时，选择k-epsilon的模型计算文丘里节流装置内的气液两相流动，流体模型选择适用于多相流的VOF模型，压力和速度的耦合采用多相流模型中适用于稳态流动的Simple模型；
边界条件：进口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件；压力方程的离散采用标准格式，动量方程的离散采用一阶迎风格式，在迭代计算过程中，设置残差精度为10-4；
(3)FLUENT模拟结果分析
总结节流元件内部压力场与速度场的变化规律；对比单气相流动与湿气两相流的流动之间的不同以及变化规律，以及不同的液相含率对压降的影响。
在进一步的技术方案中，在步骤(3)中，具体通过不同工况条件和模型下的多组模拟实验，得到湿气虚高修正系数OR与XLM、Frg、ρg/ρl的关系图；
其中，XLM为洛玛参数，Frg为气相弗劳德常数，ρg为气相密度，ρl为液相密度。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明提供的技术方案中，通过利用Fluent软件仿真模拟了单气相、单相液、气液两相在文丘里管内流动特性，提出了文丘里管内湿天然气测量虚高的数值模拟方法。运用ANSYS FLUENT，参照现场工况设置模拟实验参数，仿真模拟不同工况下湿天然气通过文丘里管时的压差ΔPtp和等量的单相天然气单独通过时的压差ΔPg，计算虚高系数OR，分析了虚高系数OR的影响因素，比较了数值模拟虚高值与现有不同虚高模型的计算结果的差异。
CFD仿真研究表明：湿气文丘里的虚高系数OR值主要受压力与液相含量的影响，虚高修正系数OR随洛玛参数XLM的增大而增大，两参数成正相关。在工况压力较低时，虚高与洛玛参数XLM呈线性关系；当工况压力增加，虚高与洛玛参数XLM不单为简单的线性关系。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式中予以详细说明。
附图说明
图1示出为根据本发明具体实施方式提供的一种湿天然气文丘里管流量计虚高数值模拟方法的流程图；
图2示出为本发明中文丘里管结构示意图；
图3示出为文丘里管压力场分布图；
图4示出为文丘里管轴心处压力分布图；
图5示出为文丘里节流件内部速度场分布图；
图6示出为文丘里管的单相与两相流动压力对比图；
图7示出为文丘里管不同液相流量的压力对比图；
图8示出为文丘里管不同液相含率的速度云图；
图9示出为文丘里管不同气相流量的压力对比图；
图10示出为虚高OR与洛玛参数XLM关系图；
图11示出为不同压力下虚高与气相弗劳德常数Frg关系图；
图12示出为虚高与密度比ρg/ρl的关系图；
图13示出为文丘里管不同虚高修正系数计算模型对比图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体附图，进一步阐明本发明。
当流体从文丘里管的上游流入收缩段时，由于流通面积的减小，流体将在收缩段内局部收缩。由连续性方程可知，流体速度增大，静压降低。因此，在收缩段前后会产生一定的压差，流体流量越大，压差就越大，从而可以通过测量收缩段前后的压差值来测量流体流量，文丘里管结构如图2所示。第一与第二差压取压测点的差压为△P1，第二与第三差压取压测点的差压为△P2，第一与第三差压取压测点的差压为△P3。当文丘里管内为混相流动时，△P1记为△Ptp。这种流量测量的方法是以流体连续性方程和伯努利方程为基础推导出的。对于尺寸规格一定的文丘里管，当上下游取压口位置、出入口直管段以及流体参数已知时，就可以通过测量上游与喉道之间产生的压差来计算流体的流量。
由于流体流动会产生局部损失与摩阻压降，因此计算中引入流出系数C修正计量公式；气体为可压缩流体，流经节流处气体会被压缩，因此引入可膨胀性系数ε进行修正。
根据伯努利原理及连续性方程可得到质量流量压降关系式，单相气体计量的基本公式如下所示。
Figure BDA0003417792970000041
式中：Wg：气相质量流量，g/s；
C：流出系数；
ε：流体可膨胀性系数；
d：喉部直径，m；
β：节流比(喉道内径与上游测量管内径比)；
△P：节流差压，Pa；
ρg：密度，工况节流上游流体密度，g/m3。
文丘里管内湿天然气的测量就是要研究湿天然气中由于液相的存在对气相压差△P的影响，并比较精确的计算出变化量的大小。当湿天然气流过差压式流量计时，由于气相夹带少量的液相，通过差压式流量计时产生的压差值会比等量的气相单独流过时偏高，这种压差值升高的现象称为“虚高”，虚高系数OR由下式计算。
Figure BDA0003417792970000051
式中:ΔPtp：两相流体通过文丘里管时的压差；ΔPg：等量的气相单独通过同一文丘里管时的压差；OR：虚高系数。
将虚高的压差值带入式(1)即可得到虚高的气质量流量，如公式(3)所示。
Figure BDA0003417792970000052
式中:Wg’：气体的虚高质量流量，kg/s。
实际的气相质量流量值即为式(3)与式(2)之比。
Figure BDA0003417792970000053
式中：Wg：实际的气相质量流量，kg/s；Wg’：气体的虚高质量流量，kg/s。
对于湿天然气，由于其连续相为可压缩气相且测对象为气液两相流，测量压差与液相含率、压力等相关，所以采用差压式流量计对湿天然气中的气相进行测量时，还需要考虑由于液相存在对气相测量的影响，并引入相关的修正系数进行修正。
本发明中，发明人通过利用FLUENT软件对文丘里管内的湿天然气在不同压力、不同气相体积流量和不同液相体积分数下进行迭代计算，求解并得到不同流量与含气率下的压力场与速度场的分布。参照现场工况设置模拟实验参数，仿真模拟不同工况下湿天然气计量的虚高系数OR。
当前，各研究者建立了诸多差压式流量计测量湿气的虚高计算解析模型，但这些模型都是以均相流和分相流理论为基础，具体如表1所示。
表1：湿气流量虚高计算模型表
Figure BDA0003417792970000054
Figure BDA0003417792970000061
结合如上表1的虚高修正系数计算模型可知，洛克哈特一玛蒂内利参数XLM、气相弗劳德常数Frg表现湿气中液相和气相影响的重要参数。
Lockhart和Martinelli把混相中，等量的液相、气相单独流过节流件时，差压比值的平方根定义为洛克哈特一玛蒂内利参数(简称洛玛参数)。
Figure BDA0003417792970000062
其中：△Pl，△Pg分别为等量的液相、气相单独流过节流件时的差压(Pa)；ρg，ρl分别为气相和液相的密度(kg/m3)；Wl和Wg分别为液相和气相的真实质量流量(kg/s)。
W.Froude为表示重力对流动影响的准数，提出了气相弗劳德常数Frg，可以表示为：
Figure BDA0003417792970000063
其中：vsg是气相表观速度(m/s)；g为重力加速度(m/s2)；D为入口直径(m)。
本发明中，通过参照现场工况设置模拟实验参数，仿真模拟不同工况下湿天然气通过文丘里管时的压差ΔPtp和等量的单相天然气单独通过同一管时的压差ΔPg，根据公式(2)计算虚高系数OR，并对两相流与单相流的压降影响因素开展讨论。
具体的，结合图1所示，本发明提供了一种湿天然气文丘里管流量计虚高数值模拟方法，包括以下步骤：
(1)利用DesignModel将文丘里管结构的物理模型建立成3D水平文丘里管几何模型，进行网格划分和网格独立性研究，网格生成过程中选择由三角形与四面体组成；
(2)前处理设置
利用Fluent进行求解时，选择k-epsilon的模型计算文丘里节流装置内的气液两相流动，流体模型选择适用于多相流的VOF模型，压力和速度的耦合采用多相流模型中适用于稳态流动的Simple模型；边界条件：进口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件；压力方程的离散采用标准格式，动量方程的离散采用一阶迎风格式，在迭代计算过程中，设置残差精度为10-4；
(3)FLUENT模拟结果分析
总结节流元件内部压力场与速度场的变化规律；对比单气相流动与湿气两相流的流动之间的不同以及变化规律，以及不同的液相含率对压降的影响。
更为具体的，对于单气相的管内流动仿真：
为简单了解流体在节流管件内的流动，并根据其流场特性进行软件中设置的条件的调整，边界条件设置为速度入口与压力出口，进行对于文丘里节流元件进行了单相气流动模拟，图3和图4给出了文丘里管内和管轴心处的压力分布，文丘里管内部流速分布如图5所示。
如图3所示，上游直管段有较小的压力降，说明流体流动造成了压力损失，数值远小于局部节流造成的压力损失，但也可能给计量结果带来误差。如图4所示，在同一横截面的流体静压也不尽相同，在入口附近等压线为弧形，是由靠近管壁处的流体与管壁之间的摩阻所造成的，因此流体流动过程中管壁处与轴心处的压力不同。当流体进入收缩管段，压力骤降，且靠近喉道处的压力下降较快。喉部直管段直径不变但压力逐渐降低，说明在喉道处流体流速依然增加且存在压力损失。喉道与扩张管段交接处压力最低达到最低，进入扩张段后压力逐渐恢复。如图5所示，上游直管段流速缓慢增加，收缩段流速增加迅速，节流管段流速仍沿流动方向缓慢提升，扩张段与下游直管段流速逐渐降低。
对于两相流与单相流的压降仿真结果对比：
本发明中模拟了单相气、单相液、气液两相流经文丘里计量装置的流动压降。图6给出了流量100m3/h的单相气、1m3/h的单相液、等量气液混相文丘里管的流动压力对比。由图可知，气液两相进入收缩段后产生的压降远大于单相流经喉道产生的的压降，且压力恢复最慢。该现象产生的原因除了喉道处流体流通面积减小，流速上升导致压力降低以外，还包括了气液两相流动时相之间的摩阻。气液两相流动中气相的流速大于液相流速，对液相有携带作用。
液相含量对压降的影响：
本发明中仿真模拟了液流量分别为1m3/h、2m3/h、3m3/h、4m3/h(998kg/h、1996kg/h、2994kg/h、3992kg/h)气流量固定为100m3/h(122.5kg/h)的气液两相流过文丘里管的压力和速度，见图7、图8。
由图7可知，液相流量越高，流体进入收缩段的压力降低越明显，产生的压降越大。由图8可知，液相体积含率在较低数值上变化时，文丘里管内部的流体流速变化不大，因此，压降的变化受流体速度影响不大。由于液相作为离散相弥散在流场中的数量越多对于气相流动的阻碍越多，气相携带液相造成的压力损失越大。液相流动产生的局部损失同样是压力降低的原因。因此，为了准确计量湿气的气相流量，需要对不同含液率的湿气进行准确的虚高修正计算。
气相含量对压降的影响：
本发明中仿真模拟了液流量固定为1m3/h(998kg/h)，气流量分别为50m3/h、70m3/h、100m3/h(61.25kg/h、85.75kg/h、122.5kg/h)的的气液两相流经文丘里管的压力，如图9所示。
由图9可知，液量固定时，气量越大，节流处产生的压降越大。主要由于气量越大大，流体流速在节流处加快更明显，根据能量守恒，压力降低也越明显。
在步骤(3)中，具体通过不同工况条件和模型下的多组模拟实验，得到湿气虚高修正系数OR与XLM、Frg、ρg/ρl的关系图；
其中，XLM为洛玛参数，Frg为气相弗劳德常数，ρg为气相密度，ρl为液相密度。
1)洛玛参数XLM
由图10可知虚高修正系数OR随洛玛参数的增大而增大，两参数成正向关。但随着洛玛参数增大，图中的函数点逐渐发散，说明虚高修正系数不完全是洛玛参数的函数。
2)气相弗劳德常数Frg
图11是文丘里管不同压力下虚高修正系数与气相弗劳德常数Frg的关系图。在相同压力下不同气相弗劳德常数Frg与虚高增加趋势相同，随着压力的增加，同体积流量下的XLM参数减小，虚高也同时变小。
气体弗劳德常数是气相表观速度与气相、液相密度的函数，当压力确定时，流体密度即为常数值。图11表明了相同压力下，虚高仅与洛玛参数XLM有关。
3)气液密度比(ρg/ρl)
数值模拟中不考虑温度变化，因此气相密度主要受压力影响，液相密度在各实验工况下基本不变，因此液气密度比主要受气相密度影响，0.2MPa、0.5MPa、1.0MPa、与1.5MPa压力下的气液密度ρg/ρl比分别为0.0035、0.0070、0.0129、0.0187,气液密度比ρg/ρl随着压力的升高而增大。图12给出了不同气相表观速度和压力下的虚高。
由图12可以看出，压力条件相同时，随着洛玛参数变大，虚高的上升趋势减缓。气相表观速度相同时，压力越大，气液密度比越大，虚高上升趋势越缓气液两相流的气相流量越高，洛玛参数越低，此时压差的虚高也越低。
进一步的，本发明中，通过绘制不同虚高模型计算得到的虚高图，将软件模拟得到的虚高与解析模型1.Smith and leang模型、2.Chisholm模型、3.De Leeuw模型、4.林宗虎模型、5.Steven模型、6.均相模型、7.R-H模型、8.Steven孔板模型9.StevenV锥模型的计算结果做对比分析。
数值模拟得到的虚高与各种模型计算的虚高随压力升高而降低。De Leeuw模型、R-H模型、Steven孔板模型、StevenV锥模型的虚高修正指数n不确定，受气相弗劳德常数的影响。在实验压力较低为0.2MPa时，气相弗劳德常数Frg较小时，指数n取常数，上述模型计算所得的虚高与洛玛参数XLM呈线性关系。当实验压力到达0.5MPa及以上时，在与低压时相同的体积流量下，气相弗劳德常数Frg会相对偏大，此时指数n为弗劳德常数的函数，上述模型的虚高与洛玛参数不单为简单的线性关系。均相模型在不同压力下的虚高计算值都与数值模拟得到的虚高高度重合，如图13所示，这是因为数值模拟实验中，气液两相为理想状态，节流元件内各处的气体与液体的体积含率都相同，达到了均相解析模型计算的标准前提。且多相流模型模拟时与均相流模型中都主要考虑了干度x与气液密度比ρg/ρl的影响。
本发明中，(1)CFD仿真模拟单相气流动、单相液流动与等质量气液两相的压差对比，发现两相流产生的压差远高于单相流，根据数值模拟结果提出以文丘里管压损值建立虚高模型，湿气文丘里的虚高大小主要受压力与液相含量的影响。
(2)数值模拟得到的虚高与各种模型计算的虚高随压力升高而降低。虚高修正系数OR随洛玛参数的增大而增大，两参数成正相关。但随着洛玛参数增大，虚高修正系数不完全是洛玛参数的函数。在工况压力较低时，气相弗劳德常数Frg较小时，虚高与洛玛参数XLM呈线性关系；当工况压力增加，气相弗劳德常数Frg会相对偏大，此时指数n为弗劳德常数的函数，虚高与洛玛参数不单为简单的线性关系。
(3)数值模拟实验中设定气液两相的湿气为均匀的理想流动状态，且不考虑两相的相互影响中忽略了相间的影响，基于本文数值模拟获得的虚高模型计算结果与均相虚高模型较吻合，对实际湿气计量有一定的实用价值，对于如何建立具有适应性强的虚高模型，需作进一步扩大模拟工况范围和实验验证研究。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种湿天然气文丘里管流量计虚高数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用DesignModel将文丘里管结构的物理模型建立成3D水平文丘里管几何模型，进行网格划分和网格独立性研究，网格生成过程中选择由三角形与四面体组成；
(2)前处理设置
利用Fluent进行求解时，选择k-epsilon的模型计算文丘里节流装置内的气液两相流动，流体模型选择适用于多相流的VOF模型，压力和速度的耦合采用多相流模型中适用于稳态流动的Simple模型；
边界条件：进口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件；压力方程的离散采用标准格式，动量方程的离散采用一阶迎风格式，在迭代计算过程中，设置残差精度为10-4；
(3)FLUENT模拟结果分析
总结节流元件内部压力场与速度场的变化规律；对比单气相流动与湿气两相流的流动之间的不同以及变化规律，以及不同的液相含率对压降的影响。
2.根据权利要求1所述的湿天然气文丘里管流量计虚高数值模拟方法，其特征在于，在步骤(3)中，具体通过不同工况条件和模型下的多组模拟实验，得到湿气虚高修正系数OR与XLM、Frg、ρg/ρl的关系图；
其中，XLM为洛玛参数，Frg为气相弗劳德常数，ρg为气相密度，ρl为液相密度。
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