摘(zhāi)要:爲了(le)解決數(shù)量逐年(nian)增多的(de)低産井(jǐng)流量測(ce)量問題(ti),設計了(le)一種精(jing)度高渦(wo)輪流量(liàng)計 。通過(guo)理論分(fèn)析與數(shù)值仿真(zhen)對 渦輪(lún)流量計(jì) 的三維(wei)流場進(jìn)行了分(fèn)析,并優(yōu)化出其(qí)最合理(li)結構。利(li)用實驗(yan)❓裝置将(jiāng)精度高(gāo)渦輪流(liú)量計與(yǔ)傳統渦(wō)輪流量(liang)計的🏒響(xiang)應特性(xing)進行⁉️了(le)對比,結(jié)果表明(míng),精度高(gāo)👨‍❤️‍👨渦輪流(liu)量計在(zài)🌂單相水(shui)介質中(zhōng)，啓動排(pai)量0.3m³/d,低于(yu)傳統渦(wō)輪流量(liàng)計的1.0m³/d,分(fen)辨率也(ye)有1.7倍的(de)提高,可(ke)見精度(dù)高✍️渦輪(lún)流量計(jì)🚶在低流(liú)量測量(liàng)中具有(you)良好的(de)應用前(qián)景。
　　渦輪(lún)流量計(ji)以其結(jie)構簡單(dan)、測量精(jīng)度高、重(zhong)複性好(hao)📞而廣泛(fan)應用于(yu)油田流(liú)量測量(liàng)領域。在(zài)我國,随(suí)着大部(bù)分油田(tián)進入開(kāi)發🐕中後(hou)期,低産(chan)井數量(liang)逐年增(zēng)多。爲了(le)準确掌(zhǎng)握這些(xie)低産井(jing)的産量(liang)情況，評(ping)估其可(kě)開采價(jia)值,需要(yào)準确測(ce)量其流(liu)量信息(xī)。衆所周(zhou)知，隻✔️有(yǒu)流量大(dà)于啓動(dong)排量,渦(wō)輪流量(liàng)計才會(hui)給出響(xiǎng)應,所以(yi)研發設(shè)🤞計出一(yī)種啓動(dong)排量低(di)的精度(dù)高渦輪(lun)流量計(ji),無疑對(dui)于油田(tian)流量測(cè)量具有(you)重要的(de)意義。自(zì)20世紀30年(nian)代渦輪(lun)流量計(ji)發明後(hou),經過國(guo)内外無(wu)數科研(yán)工作者(zhe)的研究(jiu)和探索(suǒ),其基本(běn)理論和(he)相應的(de)模型都(dou)已非常(cháng)成熟。但(dàn)是目前(qián)對于渦(wo)輪流量(liang)計的☀️研(yán)究主要(yao)集中在(zài)大流量(liang)👨‍❤️‍👨條⭐件下(xià)的使用(yong),低流量(liang)條件下(xia)的啓動(dòng)和響應(yīng)特性研(yan)究較少(shao),難以滿(mǎn)足實際(ji)✔️生産中(zhong)對于低(dī)流量條(tiáo)件下渦(wō)輪流量(liàng)計的使(shǐ)用需求(qiú)。
　　利用目(mù)前流行(háng)的有限(xiàn)元計算(suan)軟件AN-SYS對(duì)渦輪流(liu)量計流(liu)場💞進行(háng)仿真計(ji)算,設計(ji)出一種(zhǒng)精度高(gāo)渦輪流(liu)量計,通(tōng)過室👅内(nei)實驗表(biao)明其啓(qi)動排量(liang)和分辨(bian)率與傳(chuán)統渦輪(lún)🌂流量計(ji)👌相比都(dōu)有了大(dà)♋幅度的(de)✂️提高。
1理(li)論分析(xī)①
　　渦輪流(liu)量計作(zuò)爲速度(du)式儀表(biǎo),以動量(liang)矩守恒(heng)爲基礎(chǔ),渦輪流(liu)♍量計基(jī)本力矩(jǔ)平衡方(fang)程爲[1]:
 
式(shi)中
Tb一軸(zhóu)與軸承(chéng)的粘性(xing)摩擦阻(zǔ)力矩(流(liu)動産生(shēng)的力矩(jǔ));
Td一渦輪(lún)流量計(jì)轉動的(de)驅動力(li)矩;
Th一輪(lun)毂表面(miàn)的粘性(xìng)阻力矩(jǔ);
Tm一磁電(diàn)阻力矩(ju)和軸與(yu)軸承的(de)機械摩(mo)擦阻力(li)矩之和(he);
T1一葉片(pian)頂端與(yǔ)傳感器(qì)外殼的(de)粘性摩(mó)擦阻力(li)矩;
Tw一輪(lún)毂端面(miàn)粘性摩(mo)擦阻力(li)矩;
J一渦(wo)輪的轉(zhuǎn)動慣量(liang);
ɷ-渦輪轉(zhuǎn)動的角(jiao)速度。
　　當(dang)流速較(jiào)低時,渦(wō)輪流量(liang)計處于(yú)靜止狀(zhuàng)态,此時(shi)角速度(du)ɷ非💃🏻常低(dī),接近于(yú)0,Tb和Tw也可(kě)以忽略(luè)不計。在(zai)這種情(qíng)況下，式(shi)(1)可以簡(jiǎn)化爲:
 
　　由(yóu)式(2)可以(yǐ)看出提(tí)高驅動(dòng)力矩是(shì)降低渦(wo)輪流量(liàng)計啓動(dong)排量的(de)一-條捷(jié)徑。如圖(tú)1所示，傳(chuan)統渦輪(lún)流量計(ji)🔆入口端(duān)是直管(guan)段和軸(zhóu)向👄導流(liu)片,流體(ti)流經渦(wō)輪葉⭐片(piàn)之前隻(zhi)有軸向(xiang)速度🏒,對(dui)渦輪的(de)驅動力(li)矩隻是(shi)對渦輪(lún)葉片作(zuò)用力的(de)徑向分(fèn)力🔞産生(shēng)的力矩(jǔ)。因爲渦(wo)☎️輪葉片(piàn)螺旋角(jiao)爲45°,如果(guǒ)将導流(liu)片改爲(wèi)螺旋角(jiao)爲-45°的螺(luo)旋導流(liu)片(圖2),當(dang)流體進(jìn)入導流(liu)片時會(huì)産生旋(xuan)轉,方向(xiàng)與渦💜輪(lun)葉片正(zheng)交,使得(dé)流體在(zài)軸向流(liú)動速度(dù)不變的(de)基礎上(shàng)增加了(le)徑向的(de)旋轉運(yun)動,流體(tǐ)的旋轉(zhuan)方向與(yǔ)㊙️渦輪葉(yè)片的㊙️轉(zhuan)動方👅向(xiang)一緻,在(zài)相同流(liu)量條件(jiàn)下,增加(jia)了流體(ti)對渦👉輪(lún)葉片的(de)驅動力(li),實現降(jiàng)🌏低啓動(dòng)排量和(hé)提高分(fen)辨率的(de)目的,整(zhěng)體結構(gòu)如圖3所(suǒ)示。
 
2仿真(zhen)研究
　　Workbench是(shì)ANSYS公司開(kāi)發的協(xie)同仿真(zhen)環境,是(shì)将仿真(zhen)過程結(jié)合在--起(qǐ)的♋平台(tái)，可以大(da)大簡化(huà)仿真過(guo)程中各(gè)模塊間(jian)的交互(hù)操作。通(tōng)過幾何(he)建模(圖(tú)4)、網格劃(huà)分、計算(suàn)求解及(jí)後處理(lǐ)等過程(cheng),可以比(bǐ)較準确(què)地仿🌐真(zhēn)複雜機(ji)械模型(xing)的各物(wu)理參數(shu)場分布(bù)[2-4]。
 
　　利用Turbogid對(duì)計算域(yu)進行網(wǎng)格劃分(fen),将其劃(hua)分爲約(yue)10萬個六(liu)面體網(wang)格。人口(kǒu)、出口部(bu)分爲.靜(jing)止網格(gé)，,采用絕(jué)對參考(kǎo)🔞系,葉片(pian)部分爲(wei)動網格(ge),繞圓心(xīn)轉動,采(cai)用相對(dui)參考系(xì),參考系(xi)轉動速(sù)度與網(wǎng)格轉速(su)✊相同。網(wang)格劃分(fen)情況如(ru)圖5所示(shì)。
 
　　如圖6~8所(suo)示,流體(ti)流經渦(wo)輪流量(liang)計之前(qian),壓力較(jiào)高,速✊度(du)較低，經(jing)過🐇導流(liu)片時産(chǎn)生旋轉(zhuǎn),速度得(de)到提升(shēng),壓力降(jiang)低。當通(tong)過導流(liú)片後,壓(yā)力、速度(dù)基本不(bú)變,依然(rán)🐅保持旋(xuan)轉狀态(tai)⛷️,遇到渦(wō)輪葉片(pian)㊙️阻擋後(hou)✊,流速降(jiàng)低,壓🐪力(li)進一-步(bu)📱減小，流(liú)體所攜(xié)帶的能(néng)量傳遞(di)給渦輪(lun)葉片,對(duì)渦輪葉(yè)🌍片産生(sheng)較大的(de)驅動力(lì)矩🙇‍♀️,推動(dong)其轉動(dòng)。
 
　　爲了得(dé)到導流(liú)片螺旋(xuán)角與渦(wō)輪葉片(pian)螺旋角(jiǎo)的匹配(pei),利用ANSYS軟(ruan)件對不(bú)同角度(du)導流片(pian)的驅動(dong)力矩進(jin)行㊙️計算(suàn)，其中管(guǎn)道🤞直徑(jing)爲14mm,渦輪(lun)葉片直(zhi)徑爲13.5mm,重(zhong)疊度爲(wei)1.64,葉片螺(luo)旋角爲(wèi)45°,導流片(piàn)🌈螺旋角(jiao)分别設(shè)🔞爲-35°、-45°和-55°,來(lai)流條件(jian)分别設(she)爲0.1、0.2、0.3、0.4m'/d。由于(yu)速度較(jiao)低,采用(yong)層流模(mó)型,各不(bu)同工況(kuàng)條件下(xià)渦輪葉(yè)片受到(dào)的驅動(dong)力💋矩情(qing)況如圖(tu)9所示。導(dao)流片螺(luó)旋角爲(wei)-45°時渦輪(lun)葉片受(shou)力更大(da),更容易(yì)啓動。此(cǐ)☔時渦輪(lun)😘葉片螺(luo)旋角與(yǔ)導⭐流片(pian)螺旋角(jiao)恰好成(cheng)90°,可充分(fen)利用流(liú)體動量(liàng)使渦輪(lun)葉片更(gèng)易啓動(dòng),模拟結(jié)果與上(shàng)述理論(lùn)💘分析相(xiàng)符。
 
3實驗(yan)研究
　　通(tong)過搭建(jiàn)實驗平(píng)台(圖10)對(duì)計算結(jié)果進行(hang)驗證。實(shi)驗平台(tai)應❤️具備(bèi)以下兩(liǎng)個功能(néng):在低流(liu)量下能(neng)夠非常(cháng)平穩的(de)運🔅行;具(ju)備精确(què)測量流(liu)量的功(gong)能。
　　該平(ping)台以單(dān)相水流(liú)爲介質(zhì),循環流(liú)動通過(guò)水泵實(shí)現;流量(liàng)的精⚽确(què)控制主(zhu)要通過(guò)固定上(shang)遊水位(wei)和調節(jie)閥來實(shí)現,流量(liàng)的測量(liang)采用簡(jiǎn)便可靠(kào)的容積(ji)時🧡間法(fǎ)。
 
　　實驗平(ping)台中上(shàng)方爲穩(wen)壓水箱(xiāng),提供-一(yī)個穩定(ding)的壓力(lì)源,在管(guan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼道内阻(zu)力不變(bian)的情況(kuàng)下,保證(zheng)管道内(nèi)流速不(bú)會發生(sheng)變化,經(jīng)過2m長的(de)下降段(duàn),流人渦(wō)輪流量(liang)計,随後(hòu)流出實(shí)驗管道(dao),通過量(liàng)筒計量(liàng)可以精(jīng)确得到(dao)管路内(nèi)的流速(su)。通⁉️過高(gao)速攝影(ying)可以清(qīng)晰的觀(guan)察低速(su)條件下(xia)渦輪流(liú)量計的(de)響應情(qing)況🍉。
　　爲了(le)驗證精(jing)度高渦(wo)輪流量(liàng)計的響(xiang)應情況(kuang),實驗将(jiang)精度高(gāo)渦輪流(liu)量計與(yu)傳統渦(wo)輪流量(liàng)計在相(xiang)同條件(jian)下進行(hang)對比。
　　實(shi)驗介，質(zhi)爲單相(xiàng)水,流量(liang)範圍0~20m³/d,通(tong)過調節(jie)不同的(de)流量點(diǎn)來記錄(lu)輸出頻(pin)率,流量(liàng)點誤差(cha)優于1%,每(měi)次測量(liang)時間爲(wèi)60s,采樣間(jian)隔爲5ms,每(mei)點測量(liàng)3次取平(ping)均值,測(ce)量數據(jù)見表1。
 
4結(jie)論
4.1理論(lun)研究與(yu)數值仿(páng)真确定(dìng)了精度(du)高渦輪(lún)流量計(ji)的合理(li)⁉️結構,即(jí)導流片(pian)螺旋角(jiǎo)爲-45°與渦(wo)輪葉片(pian)正交時(shi),同樣來(lái)流條🔴件(jiàn)下驅動(dong)力矩大(dà)。
4.2.在單相(xiàng)水條件(jiàn)下,高靈(líng)敏渦輪(lún)流量計(ji)啓動排(pái)量0.3m³/d,遠低(dī)于傳統(tǒng)🍉渦⭐輪流(liu)量計的(de)1.0m³/d,分辨率(lü)也有1.7倍(bei)的提高(gāo),可以解(jiě)決部分(fèn)單井産(chǎn)量低于(yú)1.0m³/d的低産(chan)井的流(liú)量測量(liang)問題。
4.3該(gāi)流量計(ji)結構簡(jiǎn)單、調試(shi)方便、不(bú)改變現(xian)有儀器(qi)結構,易(yi)❌于規模(mó)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼推廣應(ying)用。

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